一种多包层有源光纤及其制备方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202411574572.0 | 申请日 | 2024-11-06 |
| 公开(公告)号 | CN119496021A | 公开(公告)日 | 2025-02-21 |
| 申请人 | 长飞光坊(武汉)科技有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 刘天应; 徐祖应; 孟悦; 黎宇; 孙朗; | 第一发明人 | 刘天应 |
| 权利人 | 长飞光坊(武汉)科技有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 长飞光坊(武汉)科技有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：湖北省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：湖北省武汉市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：湖北省武汉市东湖新技术开发区光谷三路196号长飞科技园一期6号建筑(自贸区武汉片区) | 邮编 | 当前专利权人邮编：430000 |
| 主IPC国际分类 | H01S3/067 | 所有IPC国际分类 | H01S3/067 ; C03B37/018 ; C03C13/04 ; G02B6/02 ; G02B6/036 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 武汉臻诚专利代理事务所 | 专利代理人 | 胡星驰; |
| 摘要 | 本 发明 公开了一种多包层有源光纤及其制备方法。所述光纤，其玻璃部分包括稀土离子掺杂纤芯和非圆形 泵 浦包层；所述泵浦包层包括至少两层低折射率下陷包层，其中最内侧靠近纤芯的下陷包层为内下陷包层，最外侧的下限包层为外下陷包层；所述内下陷包层外侧的NA范围在0‑0.164；所述外下陷包层内侧的NA范围在0‑0.164。本发明提供的多包层有源光纤，通过外下陷包层与非圆形泵浦包层实现加强扰模，使更多的泵浦光进入内下陷包层，内下陷包层滤除高阶模式，提高基模 能量 占比，从而同时优化光束 质量 和拉曼抑制比，适合作为高功率 激光器 的增益介质。 | ||
| 权利要求 | 1.一种多包层有源光纤，其特征在于，其玻璃部分包括稀土离子掺杂纤芯和非圆形泵浦包层； |
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| 说明书全文 | 一种多包层有源光纤及其制备方法技术领域[0001] 本发明属于有源光纤技术领域，更具体地，涉及一种多包层有源光纤及其制备方法。 背景技术[0002] 激光器的拉曼比(Raman ratio)通常指的是在光纤激光器中，由于受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)效应，激光器输出的信号光功率与产生的拉曼散射光(即斯托克斯光)功率之间的比值。这个比值是衡量激光器性能的一个重要参数，尤其是在高功率光纤激光器中，因为它关系到激光器的输出功率和系统的可靠性。 [0003] 拉曼比受光纤激光器中增益光纤的多种因素影响，包括光纤的有效模场面积、光纤长度、光纤折射率剖面结构设计等等。为了提高激光器的性能和可靠性，需要通过优化上述因素来控制和抑制SRS效应，以保持高的拉曼比。高功率下，提高泵浦光的光束质量并抑制拉曼散射效应是一项技术挑战，具有较大芯径的有源光纤往往难以同时优化拉曼抑制比和光束质量。 发明内容[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种包层有源光纤及其制备方法，其目的在于，通过多层下陷包层，分别进行模式扰动和模式分离，即扰模和滤模，提高基模能量比的同时提高纤芯吸收效率，从而同时优化拉曼抑制比和光束质量，由此解决现有的双包层有源光纤往往难以同时优化拉曼抑制比和光束质量的技术问题。 [0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多包层有源光纤，其玻璃部分包括稀土离子掺杂纤芯和非圆形泵浦包层； [0006] 所述泵浦包层包括至少两层低折射率下陷包层，其中最内侧靠近纤芯的下陷包层为内下陷包层，最外侧的下限包层为外下陷包层； [0007] 所述内下陷包层外侧的NA范围在0‑0.164； [0008] 所述外下陷包层内侧的NA范围在0‑0.164。 [0009] 优选地，所述多包层有源光纤，其所述内下陷包层的折射率低于等于所述外下陷包层的折射率。 [0010] 优选地，所述多包层有源光纤，其所述内下陷包层的掺F的含量为0.3‑3mol％，厚度≥1um，优选1um‑10um，更优选2um‑5um。 [0011] 优选地，所述多包层有源光纤，其所述外下陷包层的掺F的含量为0.3‑3mol％，厚度≥1um，优选1um‑10um，优选2um‑5um。 [0012] 优选地，所述多包层有源光纤，其所述内下陷包层与外下陷包层地折射率差在0.00139以内。 [0013] 优选地，所述多包层有源光纤，其所述内下陷包层和/或所述外下陷包层为环形。 [0014] 优选地，所述多包层有源光纤，其内下陷包层距离纤芯为10um‑80um，优选30um‑60um；外下陷包层与内下陷包层距离为10um‑70um，优选10um‑50um之间。 [0015] 优选地，所述多包层有源光纤，其纤芯直径范围在10um‑90um之间，NA范围在0.02‑0.09之间，掺杂包含P2O5、Yb2O3、Al2O3、F、Ce2O3，掺杂浓度P2O2在1‑8mol％、Yb2O3为0.05‑ 1mol％、Al2O3在1‑5mol％、F为0.3‑3mol％、Ce2O3为0.1‑1mol％，所述纤芯与所述内下陷包层之间为纯石英层，所述外下限包层外侧为纯石英层。 [0016] 优选地，所述多包层有源光纤，其优选地，所述多包层有源光纤，其述内下陷包层与外下陷包层之间包括纯石英层；所述内下陷包层与外下陷包层之间包括一层或多层低折射率的中间下陷包层。 [0017] 按照本发明的另一个方面，提供了所述的多包层有源光纤的制备方法，包括以下步骤： [0018] (1)制作芯棒与包层套管：按照所述多包层有源光纤的剖面设计，采用改进的MCVD气相沉积法或结合溶液法制作用于形成稀土离子掺杂纤芯的芯棒，采用PCVD法沉积制作用于形成包括至少两层低折射率下陷包层的泵浦包层的包层套管，并将所述包层套管外轮廓机加工为非圆形，使所述芯棒外径与所述包层套管内径相匹配； [0019] (2)套管拉丝：将所述芯棒插入所述包层套管制作套管，并进行拉丝得到所述有源光纤玻璃部分。 [0020] 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： [0021] 本发明提供的多包层有源光纤，通过外下陷包层与非圆形泵浦包层实现加强扰模，使更多的泵浦光进入内下陷包层，内下陷包层滤除高阶模式，提高其内侧基模能量占比，从而同时优化光束质量和拉曼抑制比，适合作为高功率激光器的增益介质。附图说明 [0022] 图1是实施例1、2提供的多包层有源光纤端面结构示意图； [0023] 图2是实施例3提供的多包层有源光纤端面结构示意图。 [0024] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为稀土离子掺杂纤芯，2为非圆形泵浦包层，3为内下陷包层，4为外下陷包层，5为中间下陷包层。 具体实施方式[0025] 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。 [0026] 本发明提供的多包层有源光纤，其玻璃部分包括稀土离子掺杂纤芯和非圆形泵浦包层；玻璃部分外侧涂覆有低折射率涂层。 [0027] 所述泵浦包层包括至少两层低折射率下陷包层，其中最内侧靠近纤芯的下陷包层为内下陷包层，最外侧的下限包层为外下陷包层；所述内下陷包层外侧的界面NA在0‑0.164；所述外下陷包层内侧的界面NA在0‑0.164；。光纤激光器的泵浦光源在泵浦包层内传输，更多见为多模传输，通常意味着更高的功率、更大的模场直径，能对纤芯实现更有效泵浦。而单模泵浦则具有更高的功率密度和光束质量。 [0028] 对于有源光纤，影响拉曼散射效应的因素众多，目前通过扩大纤芯直径或者提高模场面积来提高拉曼抑制比的方法可能会导致光束质量恶化。 [0029] 本发明在泵浦包层中分别设置内下陷包层和外下陷包层，内下陷包层分离高阶模和基模，滤除泵浦光的高阶模式，提高基模所占的功率比，外下陷包层与泵浦包层非圆形轮廓结合，扰动泵浦光的传播模式，使更多的光能进入内下陷包层内侧，内下陷包层将泵浦光限制在其内侧传输，从而提高纤芯吸收、减少应用使光纤使用长度。通过内、外下陷包层配合非圆形的泵浦包层轮廓，同时优化光束质量和拉曼抑制比。 [0030] 优选方案，所述内下陷包层的折射率低于等于所述外下陷包层的折射率，外侧浅掺氟，内侧深掺氟的方式进一步分离高阶模和基模，提高基模占比。 [0031] 具体地，所述内下陷包层的掺氟的含量为0.3～3mol％，厚度为1um‑10um，优选2um‑5um；所述外下陷包层的掺氟的含量为0.3～3mol％，厚为1um‑10um，优选2um‑5um。所述内下陷包层与外下陷包层地折射率差在0.00139以内。通常所述内下陷包层和/或所述外下陷包层为环形，便于制作。内下陷包层相对纤芯的芯包比在4.7‑6.9之间，内下陷包层距离纤芯为10um‑80um，优选30um‑60um，外下陷包层与内下陷包层距离为10um‑70um，优选在10‑ 50um之间，以使外下陷包层与内下陷包层有效分离实现各自的功能。所述纤芯与所述内下陷包层之间为纯石英层，所述外下限包层外侧为纯石英层。 [0032] 内下陷包层与外下陷包层之间，可以是通常用作有源光纤泵浦包层的纯石英层，也可以增加一层或多层低折射率的中间下陷包层，为了提高扰模的效果，折射率范围、厚度同内下陷包层与外下陷包层。 [0033] 纤芯直径范围在10um‑90um之间，一般在20um‑50um之间，常见20um‑30um之间，NA范围在0.02‑0.09之间，掺杂包含P2O5、Yb2O3、Al2O3、F、Ce2O3，掺杂浓度P2O2在1‑8mol％、Yb2O3为0.05‑1mol％、Al2O3在1‑5mol％、F为0.3‑3mol％、Ce2O3为0.1‑1mol％，所述纤芯与所述内下陷包层之间为纯石英层，所述外下限包层外侧为纯石英层。 [0034] 所述泵浦包层的外轮廓可为D形、梅花形、边数在4至10的正多边形，常见正八边形。 [0035] 本发明提供的多包层有源光纤的制备方法，包括以下步骤： [0036] (1)制作芯棒与包层套管：按照所述多包层有源光纤的剖面设计，采用MCVD法沉积制作用于形成稀土离子掺杂纤芯的芯棒，采用PCVD法沉积制作用于形成包括至少两层低折射率下陷包层的泵浦包层的包层套管，并将所述包层套管外轮廓机加工为非圆形，使所述芯棒外径与所述包层套管内径相匹配； [0037] (2)套管拉丝：将所述芯棒插入所述包层套管制作套管，并进行拉丝得到所述有源光纤玻璃部分。 [0038] 通过MCVD和PCVD结合的方法制备双包层光纤，其中芯棒的制备为改进MCVD气相沉积法结合螯合物气相法或结合溶液法制得，特殊包层结构的设计依靠于PCVD制备。通过设计特殊包层结构，其中包层设计了一层或多层沟壑结构，沟壑为包含且不限于掺F的结构，通过PCVD工艺实现。 [0039] 以下为实施例： [0040] 本发明实施例采用正八边形有源光纤，以250规格的标准光纤为代表，结构如图1所示，其玻璃部分由内而外依次包括：稀土离子掺杂纤芯、八边形泵浦包层，其中八边形包层具有内下陷包层、外下陷包层，光纤结构及折射率参数如下表： [0041] [0042] 其中泵浦包层直径指八边形包层相对边的距离；下陷包层为掺F石英玻璃，通过调整氟掺杂量来调整折射率，泵浦包层除下陷包层以外的部分为纯石英材质。 [0043] 实施例中多包层有源光纤的制备方法，包括以下步骤： [0045] 首先抛光除去衬管内外杂质，在1200℃‑1600℃沉积SiO2‑P2O5‑F疏松层，取下沉积管后倒入已配好的溶液进行浸泡，溶液包含YbCl3和AlCl3等掺杂，浸泡40min，将沉积管取出重新接到车床上，在1000℃下通入高纯Cl2、O2的混合气体对预制棒进行干燥脱水处理。然后将疏松芯层升温烧至透明。根据设计需要调整沉积层数和其他参数，沉积芯层厚度为3.6mm。 [0046] 采用PCVD法沉积制作包层套管；具体为： [0047] 纯石英部分：根据尺寸设计需要在内下陷包层和外下陷包层中间沉积纯石英层或在包层套管最内层沉积纯石英部分，沉积厚度根据尺寸需要进行调节； [0048] 内下陷和外下陷包层：根据设计delta和尺寸范围，在PCVD衬管上分别沉积内下陷2 掺F层和外下陷掺F层，沉积内下陷掺F层CSA分别为16.5mm，沉积外下陷掺F层CSA分别为 2 26.28mm，折射率分别为1.4560和1.4566，沉积完毕后测试折射率剖面确认厚度和delta； [0049] 将包层套管外轮廓机加工为八边形，使芯棒外径与所述包层套管内径相匹配； [0050] (2)套管拉丝：将所述芯棒插入所述包层套管制作套管，并进行拉丝得到所述有源光纤玻璃部分。 [0051] 采用调Q100W的30/250激光器进行拉曼抑制比和光束质量测试，所用光纤长度2 5.2m，盘圈直径9cm，其中光束质量采用M值测量法，在满开的泵浦功率下进行测试；而拉曼抑制比采用光谱仪测试，在满开泵浦功率下，采用信号光强度减去拉曼峰强度进行计算。相 2 对常规30/250有源光纤即对比例3，此种方案M 可达到1.1，拉曼抑制比30dB，光光效率为 75％时光纤长度更短，相对于总厚度相同的单层下陷包层的对比例1、对比例2提供的有源光纤，拉曼抑制比和光束质量同时得到了优化。 [0052] 实施例3 [0053] 本实施例提供的多包层有源光纤，结构如图2所示，其与实施例1的区别在于：具有三层下限包层的结构，即在内下陷包层与外下陷包层之间再沉积一层掺氟石英层，作为中2 2 间下陷包层，其CSA为23.4mm，折射率为1.4563，外径175，内径170；此种方案M可达到1.1，拉曼抑制比31dB，达到光光效率75％时光纤长度为5m，同样具有良好的光束质量和拉曼抑制比，尤其是是可在双层基础上改善一定程度的扰模效果，提高吸收，光光效率达到75％时，光纤长度更短。 |
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