CN115639641A - 一种基于液体包层泵浦的光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液体包层泵浦的光纤及其制备方法，所述光纤包括单晶纤芯，内包层，外包层，以及与外包层连通的液冷循环单元。内包层内设有折射液，其折射率略小于单晶纤芯，使单晶纤芯与内包层形成内全反射；折射液的折射率小于外包层，使内包层与外包层形成外全反射；通过调整透镜聚焦焦距，使泵浦光在内包层进行传输，信号光在单晶纤芯中传输，通过泵浦光对单晶纤芯内传输的信号光进行泵浦，实现了对信号光的放大，提高了泵浦转换效率和输出功率。液冷循环单元通过将折射液引出并进行冷凝降温后输入内包层内进行循环降温，避免单晶纤芯和折射液因膨胀系数不同在高温下发生膨胀导致的机械损伤，延长了光纤使用寿命。

Description

一种基于液体包层泵浦的光纤及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种基于液体包层泵浦的光纤及其制备方法。

背景技术

随着高功率激光技术和石英光纤材料性能的发展,激光器的功率及性能得到大幅度的提升。但受限于光纤材料的非线性效应，功率超过一定阈值后，激光器会出现受激布里渊散射现象，这将导致窄线宽激光器的功率无法得到进一步的提高。区别于传统的石英光纤，单晶光纤具有更高的热导率、掺杂浓度和更低的布里渊散射系数，以单晶光纤作为光纤激光器的增益介质，可以对窄线宽激光器进行更好的热管理，理论上平均功率可以达到石英光纤激光器的10倍以上，突破光纤激光器的功率瓶颈。虽然单晶光纤的物理化学性能优异，但与已经产业化的石英光纤相比，国内外对于单晶光纤的研究正处于初始阶段，在高功率光纤激光器的应用中，仍有很多应用技术问题待攻关，其中单晶光纤的包层制备就为亟待解决的问题之一。目前，单晶光纤的包层制备方式分为两步，先制备出掺杂稀土元素的单晶光纤纤芯，然后以玻璃套管或未掺杂稀土元素的单晶材料作为单晶光纤的包层，两种方式各有优劣。单晶光纤玻璃包层的制备方式简单，但玻璃与单晶光纤的热学性能相差多大，在高功率激光器中易发生分离脱落的现象，且二者折射率差值较大，容易导致多模传输。全单晶光纤的包层与纤芯虽然折射率差值小，热学性能相近,但其制备工艺复杂且不成熟，制备出的包层可能出现非轴心对称、包层断裂和截面形状不规则等现象。

专利112162347A公布了一种新型液体蓝宝石光纤包层及其制备方式，过引入包层液体填充于毛细玻璃管与蓝宝石光纤之间，替代现有的固体包层方式，避免高温环境下膨胀系数不匹配而造成的包层开裂情况。但其存在以下问题：(1)所使用的包层液体的折射率仅为1.60-1.71，针对于更高折射率的单晶光纤，如YAG、LuAG等市面上常用的单晶光纤材料，二者的折射率差值较大，不利于产生高光束质量；(2)其公开的液体包层光纤在使用中还是采取常规的纤芯泵浦，其传输光功率还是受限于纤芯自身掺杂浓度(掺杂浓度越高，所用光纤长度越短)，不能发挥单晶光纤较传统光纤的优势，也不能实现高功率激光输出；(3)该专利采用纤芯与多模光纤熔接方式进行传导光，多模光纤与单晶光纤材质不同，熔接困难，即使熔接成功，光功率损耗量也远超出正常指标，其实用性不强；(4)单晶光纤和液体包层及毛细玻璃管工作在高温环境下，三者膨胀率不一致，长期使用可导致出现机械损伤，导致光纤传输功率下降，使光纤使用寿命下降。

发明内容

针对现有技术液体包层光纤产生光束质量差，传输功率存在上限，且光纤各部分膨胀率不一致，在高温下易出现机械损伤等问题，本发明提供一种基于液体包层泵浦的光纤，通过使选用折射率接近纤芯的内包层折射液，使光束能进行高性能传输，通过双包层结构泵浦，使激光传输时功率值不再受到限制，通过设有液冷循环单元，对内包层折射液进行循环降温，延长光纤使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供一种基于液体包层泵浦的光纤，包括单晶纤芯，其进光端面上设有第一镀膜层，对泵浦光高反，对信号光高透；同轴环设于所述单晶纤芯外侧的外包层，其进光端面上设有第二镀膜层，对泵浦光高透；设于所述单晶纤芯与外包层之间密闭空间内的内包层，其内填充有折射液；所述折射液的折射率略小于单晶纤芯，使单晶纤芯内形成内全反射；所述折射液的折射率大于外包层，使内包层内形成外全反射；及与外包层连通的液冷循环单元，其通过将折射液引出并进行冷凝降温后输入内包层内进行循环降温；通过调整透镜聚焦焦距，使泵浦光通过第二镀膜层在内包层进行传输，信号光通过第一镀膜层在单晶纤芯中传输，根据需要输出大功率激光，通过泵浦光对单晶纤芯内传输的信号光进行泵浦，实现了对信号光的放大，提高了泵浦转换效率和输出功率。

进一步地，所述折射液组成材料包括二碘甲烷和、硅油和硫磺，三者重量配比为50:7:3。

进一步地，所述折射液的折射率值在1微米波段为1.74-1.78。

进一步地，所述单晶纤芯制备材料包括选用镥铝石榴石、钇铝石榴石、和CALGO中任一种激光晶体作为基材，并掺杂稀土元素制成。

进一步地，所述单晶纤芯的芯径和长度不限，折射率在1.80以上。

进一步地，所述外包层折射率为在1微米波段为1.45，制成材料包括为石英玻璃管，其为中空管状结构，两端端面上对称设有中心孔；所述中心孔内径与单晶纤芯外径相适配。

进一步地，所述冷却单元包括导液管与冷凝器，以及设于外包层管身上的出液口和进液口；所述出液口和进液口分别通过导液管与冷凝器的输入端和输出端管道连接。

进一步地，所述冷却单元还包括夹持水冷工装与水冷循环机，所述夹持水冷工装包括夹持孔，其中：所述夹持孔与外包层结构相适配，可将外包层夹持在孔内，利用接触面将热量传导至高导热材料制成的夹持水冷工装上进行散热。

进一步地，所述夹持水冷工装还包括进水管口和出水管口；所述进水管口、出水管口分别与水冷循环机的输入端及输出端管道连接，通过水冷循环的方式对夹持水冷工装进行散热。

按照本发明的另一个方面，还提供一种基于液体包层泵浦的光纤制备方法，包括如下步骤：

S100：采用镥铝石榴石、钇铝石榴石、和CALGO中任一种激光晶体作为基材，并掺杂稀土元素制成单晶纤芯，其芯径和长度不限；在单晶纤芯进光端端面镀上第一镀膜层，使单晶纤芯进光端对信号光高透，对泵浦光高反；

S200：采用折射率为在1微米波段为1.45的石英玻璃管制成外包层，在石英玻璃管两端上对称开有内径与单晶纤芯外径相适配的中心孔，在石英玻璃管管身上分别开有出液口和进液口；在石英玻璃管进光端镀有第二镀膜层，使石英玻璃管进光端对泵浦光高透；

S300：将单晶纤芯通过中心孔放置在石英玻璃管中,单晶纤芯两端面裸露在空气中,超出玻璃管端口适宜长度；在单晶纤芯与中心孔接触处采用胶水进行固化密封，使石英玻璃管与单晶纤芯检形成密闭空间；

S400：将二碘甲烷和、硅油和硫磺按量配比为50:7:3合制成折射液；

S500：将冷凝器输出端与进液口通过导液管通过管路连接，将出液口和冷凝器输出端分别通过管道放置在折射液中，启动冷凝器，使折射液在管路中进行循环，将密闭空间填充形成内包层，待循环管路中的气泡完全排出后，采用对接头将连接出液口和冷凝器输出端的管路连为一体；

S600：将石英玻璃管放置在高导热材料制成的夹持水冷工装上进行夹持，并将水冷循环机与夹持水冷工装管道连接，通过水冷循环的方式对夹持水冷工装进行散热，完成基于液体包层泵浦的光纤制备工作。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的一种基于液体包层泵浦的光纤，通过内包层选用的折射液折射率小于单晶纤芯，使内包层内形成外全反射；所述折射液的折射率大于外包层折射率，使内包层内形成外全反射；通过调整透镜聚焦焦距，使泵浦光通过第一镀膜层在内包层2进行传输，信号光通过第二镀膜层在单晶纤芯中传输，由于折射液不掺杂稀土离子，泵浦光功率吸收的均匀性被提高，因此泵浦光在内包层2内传输时功率值不在受到限制，可根据需要输出大功率激光。

2.本发明的本发明的一种基于液体包层泵浦的光纤，通过选用折射液的折射率值略低于外包层折射率，有利于光束的高质量传输。

3.本发明的本发明的一种基于液体包层泵浦的光纤，通过设有液冷循环单元，将折射液引出并进行冷凝降温后输入内包层内进行循环降温，并采用夹持水冷工装与水冷循环机配合对外包层的石英玻璃管进行循环水冷，达到了对光纤的双重冷却散热效果，避免了单晶纤芯和折射液发生因膨胀系数不同而导致的机械损伤，延长光纤使用寿命。

附图说明

图1为本发明第一实施例中一种基于液体包层泵浦的光纤的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中外包层的结构示意图；

图3为本发明第一实施例中夹持水冷工装的结构示意图；

图4为本发明第二实施例中一种基于液体包层泵浦的光纤制备方法的流程步骤示意图；

图5为本发明第三实施例中一种基于液体包层泵浦的光纤放大器的结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-单晶纤芯、2-内包层、3-外包层、、301-出液口、302-进液口、303-中心孔、4-信号光模块、5-第一聚焦镜、6-二向色镜、7-泵浦源模块、8-第二聚焦镜、9-导液管、10-冷凝器、11-夹持水冷工装、111-进水管口、112-出水管口、113-夹持孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-4所示，本发明提供了一种基于液体包层泵浦的光纤，包括单晶纤芯1，同轴环设于所述单晶纤芯1外侧的外包层3，设于所述单晶纤芯1与外包层3之间密闭空间内的内包层2，分别设于单晶纤芯1和外包层3端面上的第一镀膜层和第二镀膜层，以及与外包层3连通的液冷循环单元。所述内包层2内设有折射液，所述折射液的折射率略小于单晶纤芯1的折射率，使单晶纤芯1内形成内全反射；所述外包层3折射率小于折射液的折射率，使内包层内形成外全反射；通过内包层2和外包层3形成双包层结构，通过调整聚集焦距，使泵浦光通过第一镀膜层在内包层2进行传输，信号光通过第二镀膜层在单晶纤芯1中传输，由于折射液不掺杂稀土离子，泵浦光功率吸收的均匀性被提高，因此泵浦光在内包层2内传输时功率值不再受到限制，可根据需要输出大功率激光，通过泵浦光对单晶纤芯1内传输的信号光进行泵浦，实现了对信号光的放大，提高了泵浦转换效率和输出功率。所述液冷循环单元包括导液管9和冷凝器10，通过将折射液引出并进行冷凝降温后输入内包层2内进行循环降温，避免单晶纤芯1和折射液发生膨胀系数不同而导致的机械损伤，延长光纤使用寿命。

在本发明第一实施例中，如图1-2所示，所述外包层3为石英玻璃管，折射率在1微米波段为1.45，其为中空管状结构，两端端面上对称设有中心孔303，其内径与单晶纤芯1外径相适，单晶纤芯1可通过中心孔303***外包层3内并在接触处采用胶水进行固化密封。所述外包层3进光端面上设有第二镀膜层，其对泵浦光高透。

所述单晶纤芯1的基质材料以为镥铝石榴石(LuAG)、钇铝石榴石(YAG)、和CALGO等激光晶体，并掺杂离子涵盖Yb、Nd、Er等稀土元素制成，其折射率在1.80以上。所述单晶纤芯1进光端面上设有第一镀膜层，其对泵浦光高反，对信号光高透。

所述内包层2采用比单晶纤芯1的折射率值略低的折射液进行填充得到，其折射率值在1微米波段为1.74-1.78，使内包层2具有更高的折射率，有利于光束的高性能传输(单晶纤芯和包层相对折射率差越大，光纤的数值孔径就越大，导致光纤中所支持的模式数目过多，从而易产生高阶模，不利于基模传输，因此使光束的质量变差)。在本发明的具体实施例中，所述折射液组成材料包括二碘甲烷和、硅油和硫磺，三者重量配比为50:7:3，黏度近似略高于于水的黏度，流动性较好。

所述冷却单元包括导液管9与冷凝器10，以及设于外包层3管身上的出液口301和进液口302。所述出液口301和进液口302分别通过导液管9与冷凝器10的输入端和输出端管道连接；所述冷凝器10可通过出液口301将折射液抽出并进行冷却，在冷却后通过进液口302返回内包层2，所述冷凝器10泵入速率和泵出速率相同，可避免内包层2内出现空泡，使折射液进行循环冷却。

优选地，所述冷却单元还包括夹持水冷工装11与水冷循环机。所述夹持水冷工装11包括进水管口111、出水管口112及夹持孔113，其中，所述夹持孔113与外包层3结构相适配，可将外包层3夹持在孔内，利用接触面将热量传导至高导热材料制成的夹持水冷工装11上进行散热，所述进水管口111、出水管口112分别与水冷循环机的输入端及输出端管道连接，通过水冷循环的方式对夹持水冷工装11进行散热。本发明的光纤，通过冷凝器10对内包层2的折射液进行循环冷却，并采用夹持水冷工装11与水冷循环机配合对外包层3的石英玻璃管进行循环水冷，到达了对光纤的双重冷却散热效果，避免了单晶纤芯1和折射液发生膨胀系数不同而导致的机械损伤，延长光纤使用寿命。

在本发明的第二实施例中，还提供一种基于液体包层泵浦的光纤制备方法，包括如下步骤：

S100：采用镥铝石榴石(LuAG)、钇铝石榴石(YAG)、和CALGO中任一种激光晶体作为基材，并掺杂稀土元素制成单晶纤芯1，其芯径和长度不限；在单晶纤芯1进光端端面镀上第一镀膜层，使单晶纤芯1进光端对信号光高透，对泵浦光高反；

S200：采用折射率为在1微米波段为1.45的石英玻璃管制成外包层3，在石英玻璃管两端上对称开有内径与单晶纤芯1外径相适配的中心孔303，在石英玻璃管管身上分别开有出液口301和进液口302；在石英玻璃管进光端镀有第二镀膜层，使石英玻璃管进光端对泵浦光高透；

S300：将单晶纤芯1通过中心孔303放置在石英玻璃管中,单晶纤芯1两端面裸露在空气中,超出玻璃管端口适宜长度；在单晶纤芯1与中心孔303接触处采用胶水进行固化密封，使石英玻璃管与单晶纤芯1检形成密闭空间；

S400：将二碘甲烷和、硅油和硫磺按量配比为50:7:3混合制成折射液；

S500：将冷凝器10输出端与进液口302通过导液管9通过管路连接，将出液口301和冷凝器10输出端分别通过管道放置在折射液中，启动冷凝器10，使折射液在管路中进行循环，将密闭空间填充形成内包层2，待循环管路中的气泡完全排出后，采用对接头将连接出液口301和冷凝器10输出端的管路连为一体；

S600：将石英玻璃管放置在高导热材料制成的夹持水冷工装11上进行夹持，并将水冷循环机与夹持水冷工装11管道连接，通过水冷循环的方式对夹持水冷工装11进行散热，完成基于液体包层泵浦的光纤制备工作。

在本发明第三实施例中，如图5所示，还提供一种基于液体包层泵浦的光纤放大器，包括信号光模块4、第一聚焦镜5、二向色镜6、泵浦源模块7、第二聚焦镜8及光纤。其中信号光模块4可发出波长为1030-1064nm的信号光，其不局限于光纤激光器和固体激光器。所述泵浦源模块7可发出大功率泵浦光。所述二向色镜6顶部镀有信号光波长高透射膜，底部镀有泵浦光波长高反射膜。

所述放大器工作时，通过调整第一聚焦镜5的位置，在信号光模块4发出的信号光依次穿过第一聚焦镜5、二向色镜6后，其聚焦的光斑大小足以耦合进单晶纤芯1，使信号光在单晶纤芯1内传输；通过调整第二聚焦镜8的位置，在泵浦源模块7发出的泵浦光穿过第二聚焦镜2后，通过二向色镜6反射，其聚焦的光斑大小足以耦合进内包层2，使泵浦光在内包层2内传输；通过泵浦光对单晶纤芯1内传输的信号光进行泵浦，实现了对信号光的放大，提高了泵浦转换效率和输出功率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液体包层泵浦的光纤，其特征在于，包括：

单晶纤芯(1)，其进光端面上设有第一镀膜层，对泵浦光高反，对信号光高透；

同轴环设于所述单晶纤芯(1)外侧的外包层(3)，其进光端面上设有第二镀膜层，对泵浦光高透；

设于所述单晶纤芯(1)与外包层(3)之间密闭空间内的内包层(2)，其内填充有折射液；所述折射液的折射率略小于单晶纤芯(1)，使单晶纤芯(1)内形成内全反射；所述折射液的折射率大于外包层(3)，使内包层(2)内形成外全反射；

以及与外包层(3)连通的液冷循环单元，其通过将折射液引出并进行冷凝降温后输入内包层(2)内进行循环降温；

通过调整透镜聚焦焦距，使泵浦光通过第二镀膜层在内包层(2)进行传输，信号光通过第一镀膜层在单晶纤芯(1)中传输，根据需要输出大功率激光，通过泵浦光对单晶纤芯(1)内传输的信号光进行泵浦，实现了对信号光的放大，提高了泵浦转换效率和输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于液体包层泵浦的光纤，其特征在于，所述折射液组成材料包括二碘甲烷和、硅油和硫磺，三者重量配比为50:7:3。

3.根据权利要求2所述的一种基于液体包层泵浦的光纤，其特征在于，所述折射液的折射率值在1微米波段为1.74-1.78。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于液体包层泵浦的光纤，其特征在于，所述单晶纤芯(1)制备材料包括选用镥铝石榴石、钇铝石榴石、和CALGO中任一种激光晶体作为基材，并掺杂稀土元素制成。

5.根据权利要求4所述的一种基于液体包层泵浦的光纤，其特征在于，所述单晶纤芯(1)的芯径和长度不限，折射率在1.80以上。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于液体包层泵浦的光纤，其特征在于，所述外包层(3)折射率为在1微米波段为1.45，制成材料包括为石英玻璃管，其为中空管状结构，两端端面上对称设有中心孔(303)；所述中心孔(303)内径与单晶纤芯(1)外径相适配。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于液体包层泵浦的光纤，其特征在于，所述冷却单元包括导液管(9)与冷凝器(10)，以及设于外包层(3)管身上的出液口(301)和进液口(302)；所述出液口(301)和进液口(302)分别通过导液管(9)与冷凝器(10)的输入端和输出端管道连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于液体包层泵浦的光纤，其特征在于，所述冷却单元还包括夹持水冷工装(11)与水冷循环机，所述夹持水冷工装(11)包括夹持孔(113)，其中：

所述夹持孔(113)与外包层(3)结构相适配，可将外包层(3)夹持在孔内，利用接触面将热量传导至高导热材料制成的夹持水冷工装(11)上进行散热。

9.根据权利要求8所述的一种基于液体包层泵浦的光纤，其特征在于，所述夹持水冷工装(11)还包括进水管口(111)和出水管口(112)；

所述进水管口(111)、出水管口(112)分别与水冷循环机的输入端及输出端管道连接，通过水冷循环的方式对夹持水冷工装(11)进行散热。

10.一种基于液体包层泵浦的光纤制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100：采用镥铝石榴石、钇铝石榴石(、和CALGO中任一种激光晶体作为基材，并掺杂稀土元素制成单晶纤芯(1)，其芯径和长度不限；在单晶纤芯(1)进光端端面镀上第一镀膜层，使单晶纤芯(1)进光端对信号光高透，对泵浦光高反；

S200：采用折射率为在1微米波段为1.45的石英玻璃管制成外包层(3)，在石英玻璃管两端上对称开有内径与单晶纤芯(1)外径相适配的中心孔(303)，在石英玻璃管管身上分别开有出液口(301)和进液口(302)；在石英玻璃管进光端镀有第二镀膜层，使石英玻璃管进光端对泵浦光高透；

S300：将单晶纤芯(1)通过中心孔(303)放置在石英玻璃管中,单晶纤芯(1)两端面裸露在空气中,超出玻璃管端口适宜长度；在单晶纤芯(1)与中心孔(303)接触处采用胶水进行固化密封，使石英玻璃管与单晶纤芯(1)形成密闭空间；

S400：将二碘甲烷和、硅油和硫磺按重量配比为50:7:3合制成折射液；

S500：将冷凝器(10)输出端与进液口(302)通过导液管(9)通过管路连接，将出液口(301)和冷凝器(10)输出端分别通过管道放置在折射液中，启动冷凝器(10)，使折射液在管路中进行循环，将密闭空间填充形成内包层(2)，待循环管路中的气泡完全排出后，采用对接头将连接出液口(301)和冷凝器(10)输出端的管路连为一体；

S600：将石英玻璃管放置在高导热材料制成的夹持水冷工装(11)上进行夹持，并将水冷循环机与夹持水冷工装(11)管道连接，通过水冷循环的方式对夹持水冷工装(11)进行散热，完成基于液体包层泵浦的光纤制备工作。

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