一种吸收渐变掺镱光纤、预制棒及其制备方法

技术领域

本发明涉及高能激光光纤制造技术领域，具体涉及一种吸收渐变掺镱光纤、预制棒及其制备方法。

背景技术

光纤激光器因其具有输出光束质量好、散热性能好、稳定性强优点，目前广泛应用于切割、焊接、标记、激光清洗等领域。随着应用领域的不断拓展和加工效率的要求不断提高，对光纤激光器的输出功率和稳定性提出了更高的要求。目前在高功率光纤激光器中，模式不稳定限制了单纤功率的进一步提升；光纤的局部温度过高造成光纤损伤甚至烧毁，影响光纤激光器的长期稳定性。

掺镱光纤在泵浦光注入段粒子反转数较多，光纤发热明显，远离泵浦注入段的掺镱光纤发热量较少。这种热量的不均匀分布，会导致热致光栅效应，最终导致模式不稳定现象的发生，光纤的效率会明显下降。此外，泵浦注入段的温度过高，会存在光纤损伤的风险，长期运行可能会导致光纤烧断。

现有技术中，主要通过液相掺杂工艺来实现掺杂粒子数的在纵向的不均匀分布。通过控制二氧化硅疏松体不同区域在稀土溶液中的不同浸泡时间，来实现纵向镱离子浓度的不均匀分布。这种工艺难以保证纵向掺杂梯度，且操作复杂，对人员和设备的要求极高，不利于大批量生产。

公开号为CN113292240A的一种渐变折射率剖面光纤预制棒芯层的沉积方法，采用气相沉积法工艺制备渐变折射率光纤芯棒，通过将渐变折射率芯层的沉积区域按径向取k个径向点位，沿轴向划分成包含有m+1个轴向点位的m个子区，所述的k个径向点位对应于芯层的渐变折射率曲线，且各个径向点位之间存在有至少一层或多层的掺杂沉积层，由此将整个芯层沉积区域分为k×(m+1)矩阵点位，每个点位的掺杂沉积向量是基于对母棒测算后经校准的掺杂沉积向量。但该方法掺杂沉积量的控制在各个点位之间是连续渐变的。因此，在多层沉积时，难以保证每层沉积层中相同子区内的渐变掺杂量位置对应，操作难度大。且该方法得到的芯层轴向折射率是渐变的，因此在高功率激光中会出现严重的漏光现象，无法使用。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种吸收渐变掺镱光纤、预制棒及其制备方法，以解决掺镱光纤轴向掺杂梯度难以控制而无法满足高功率光纤激光器需求的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

第一方面，提供一种吸收渐变掺镱光纤芯棒的制备方法，包括以下步骤：

沿衬管长度方向划分多个不同反应区间，每趟沉积时，在单一反应区间内各气态反应物料的流量不变，并增大下一反应区间内设定反应物的流量。

在一些可选的实施例中，设定反应物为POCl

在一些可选的实施例中，上述P、Al和Yb离子的流量增大比例大于上述F离子的流量增大比例。

在一些可选的实施例中，上述P、Al和Yb离子的流量增大比例为1％～10％，上述F离子的流量增大比例为0.5％～3％。

在一些可选的实施例中，沉积趟数为5-20趟，前40％的趟数中每趟Si离子的流量保持不变，Yb离子的流量每趟增加5％～10％，Al离子的流量每趟增加10％～20％，P离子的流量每趟增加15％～25％；中间30％的趟数中各元素的沉积流量与前40％趟数中最后一趟的流量相同且保持不变；后20％的趟数中，Si离子的流量减少40％～50％，Yb离子的流量减少30％～40％，Al离子的流量减少20％～35％，P离子的流量减少10％～15％。

在一些可选的实施例中，在多趟沉积以形成多层沉积层之前，先通入SiCl

在一些可选的实施例中，每趟沉积均采用MCVD气相沉积工艺，热源沿上述衬管的长度方向往复运动，上述气态反应物料的通入方向与上述热源的移动方向相同。

在一些可选的实施例中，每一流量区间等长。

第二方面，还提供一种吸收渐变掺镱光纤预制棒，利用上述的吸收渐变掺镱光纤芯棒的制备方法制备形成。

第三方面，还提供一种吸收渐变掺镱光纤，应用上述的吸收渐变掺镱光纤预制棒，经过拉丝得到上述吸收渐变掺镱光纤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：沿衬管长度方向划分多个不同反应区间，每趟沉积时，在单一反应区间内各气态反应物料的流量不变，并增大下一反应区间内设定反应物的流量，剩余反应物的流量不变。从而控制光纤芯棒的轴向掺杂度，并使光纤棒芯的轴向折射率不变，避免由于光纤NA波动而出现漏光的问题。且采用光纤轴向吸收系数渐变式设计，避免出现泵浦注入端光纤温度升高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种吸收渐变掺镱光纤的径向剖面结构示意图；

图2为本发明一种吸收渐变掺镱光纤折射率分布示意图；

图3为本发明一种吸收渐变掺镱光纤的轴向掺杂粒子分布示意图；

图4为本发明一种吸收渐变掺镱光纤轴向镱离子掺杂元素浓度分布示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

一方面，本申请提供一种吸收渐变掺镱光纤芯棒的制备方法，包括以下步骤：

S1：沿衬管长度方向划分多个不同反应区间。

本申请采用MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)气相沉积工艺，首先将高纯的石英衬管架在MCVD车床上，利用热源预热石英衬管。预热的同时，石英管处于旋转状态；预热完成后，通入C

在一些可选的实施例中，在多趟沉积以形成多层沉积层之前，先通入SiCl4进行包层沉积。

可以理解，采用MCVD气相沉积工艺，在石英衬管内通入SiCl

待完成包层的沉积后，将衬管沿长度方向划分多个反应区间。

S2：每趟沉积时，在单一反应区间内各反应物的流量不变，并增大下一反应区间内设定反应物的流量。

在实施时，对包层沉积后的石英衬管内通入气体反应物料，使其在衬管的内壁进行多趟沉积，在每个反应区间内，保持各气态反应物料的流量不变，在下一个区间时则增大设定反应物的流量，并使其余反应物的流量保持不变。

具体的，在本例中，在石英衬管内通入SiCl

可以理解的是，气态反应物料从衬管的进气端进入管内，并从出气端排出，气体出气端连接真空泵，以控制衬管内压力在设定要求范围内。热源可以为氢氧焰或微波谐振腔，热源沿衬管长度方向往复运动，形成一层沉积层。热源沿轴向从衬管的一端向另一端移动时，气体反应物料进入管内；当热源从一端返回到起始位置时，气体反应物不进入反应管内，而是从泄放管道排出，即热源往返运动一次，为一趟沉积。需要说明的是，热源在折返时，端部的反应区间流量保持不变。

在一些可选的实施例中，热源沿所述衬管的长度方向往复运动，所述气态反应物料的通入方向与所述热源的移动方向相同。

具体的，在反应区间的长度范围内移动热源并通入气态反应物料，此时该反应区间内，SiCl

可以理解，通过控制每一趟沉积过程中气态反应物料的流量，从而控制轴向的折射率，使沿衬管长度方向的折射率相同，从而保证折射率轴向的一致性，避免由于光纤NA波动而出现漏光的问题。

在一些可选的实施例中，P、Al和Yb离子的流量增大比例大于上述F离子的流量增大比例。

举例说明，当热源及气态反应物料通入至下一相邻的反应区间时，P、Al和Yb离子的流量增大5％，F离子的流量增加2％，从而通过控制Yb、Al、P、F离子的流量，控制相应区间的折射率。

可以理解，为保证光棒进气端和出气端直径的一致性，将Si离子的流量保持不变，将单趟内含Yb离子的气体流量设置成随着主灯位置梯度变化，单趟内Al、P的离子流量变化随着Yb的离子流量变化而变化，从而使轴向吸收系数渐变，避免出现泵浦注入端光纤温度升高的问题。由于Yb、Al、P离子的流量在轴向方向上发生了改变，为避免光棒折射率增加，通过增加F离子的流量来保证在轴向方向上折射率的一致性，从而避免出现漏光的情况。

在一些可选的实施例中，相邻两个区间Yb、Al和P离子的流量增加1％～10％，F离子的流量增加0.5％～3％。

如图3和4所示，为其中一个实施例中，每趟沉积时，Yb离子掺杂元素浓度在每个下一反应区间梯度增加。

在一些可选的实施例中，沉积趟数为5-20趟，前40％的趟数中每趟Si离子的流量保持不变，Yb离子的流量每趟增加5％～10％，Al离子的流量每趟增加10％～20％，P离子的流量每趟增加15％～25％；中间30％的趟数中各元素的沉积流量与前40％趟数中最后一趟的流量相同且保持不变；后20％的趟数中，Si离子的流量减少40％～50％，Yb离子的流量减少30％～40％，Al离子的流量减少20％～35％，P离子的流量减少10％～15％。

在本例中，沉积趟数为10趟，前5趟中每趟Si离子的流量保持不变，Yb离子的流量每趟增加5％～10％，Al离子的流量每趟增加10％～20％，P离子的流量每趟增加15％～25％；第6趟到第9趟各元素的沉积流量与第5趟时的流量相同且保持不变；第10趟，Si离子的流量减少40％～50％，Yb离子的流量减少30％～40％，Al离子的流量减少20％～35％，P离子的流量减少10％～15％。

可以理解，如图2所示，为控制径向掺杂浓度，进行多趟沉积，沉积趟数可以在3～20之间，在本例中，以10趟沉积为例进行说明。通过控制每一趟各气态反应物料的流量，从而通过多趟沉积对芯棒轴向折射率剖面进行精确控制。通过降低纤芯中心的掺杂浓度，实现纤芯中心折射率“下凹”的设计，从而减小纤芯中心的能量密度，提高光纤的损伤阈值。

在一些可选的实施例中，每一流量区间等长。

这样设置的目的是，使纵向的折射率在连续流量区间保持渐变。

第二方面，还提供一种吸收渐变掺镱光纤预制棒，利用上述的吸收渐变掺镱光纤芯棒的制备方法制备形成。

具体的，将上述吸收渐变掺镱光纤芯棒与不同尺寸的套管组合，组合完成后对吸收渐变掺镱光纤芯棒表面进行打磨成八边形，以制成上述吸收渐变掺镱光纤预制棒。

第三方面，如图1所示，还提供一种吸收渐变掺镱光纤，应用如上述的方法制备形成吸收渐变掺镱光纤预制棒后，经过拉丝得到上述吸收渐变掺镱光纤。

经过套棒后，得到所需要的光纤对应的包层和芯层比例，并将包层打磨成八边形。最后将上述吸收渐变掺镱光纤预制棒安置在光纤拉丝塔上，在熔融状态下将光纤预制棒拉丝成预定尺寸的光纤。

本发明还提供三个更加具体的实施例。

实施例一：

S1：将高纯的石英衬管架在MCVD车床上，通入SiCl

S2：根据反应管的长度设置气体流量区间。

在本例中，反应管有效沉积长度800mm，设置40个长度区间，每个区间长度为20mm。

S3：每趟沉积时，在同一长度的反应区间内，气体流量保持不变，相邻两个区间Yb、Al、P离子的流量增加5％，相邻两个区间内F离子的流量增加2％。

S4：将制作完成的吸收渐变掺镱光纤芯棒与不同尺寸的套管组合，在高温下将套管与光纤芯棒融在一起。

S5：将吸收渐变掺镱光纤预制棒在熔融状态下将光纤预制棒拉丝成预定尺寸的光纤。

所拉制的掺镱光纤典型指标见表1。

表1制备的掺镱光纤关键指标

实施例二：

S1：将高纯的石英衬管架在MCVD车床上，通入SiCl

S2：根据反应管的长度设置气体流量区间。

在本例中，反应管有效沉积长度900mm，设置30个长度区间，每个区间长度为30mm。

S3：每趟沉积时，在同一长度的反应区间内，气体流量保持不变，相邻两个区间Yb、Al、P离子的流量增加2％，相邻两个区间内F离子的流量增加0.5％。

S4：将制作完成的吸收渐变掺镱光纤芯棒与不同尺寸的套管组合，在高温下将套管与光纤芯棒融在一起。

S5：将吸收渐变掺镱光纤预制棒在熔融状态下将光纤预制棒拉丝成预定尺寸的光纤。

所拉制的掺镱光纤典型指标见表2。

表2制备的掺镱光纤关键指标

实施例三：

S1：将高纯的石英衬管架在MCVD车床上，通入SiCl

S2：根据反应管的长度设置气体流量区间。

在本例中，反应管有效沉积长度600mm，设置20个长度区间，每个区间长度为30mm。

S3：每趟沉积时，在同一长度的反应区间内，气体流量保持不变，相邻两个区间Yb、Al、P离子的流量增加10％，相邻两个区间内F离子的流量增加3％。

S4：将制作完成的吸收渐变掺镱光纤芯棒与不同尺寸的套管组合，在高温下将套管与光纤芯棒融在一起。

S5：将吸收渐变掺镱光纤预制棒在熔融状态下将光纤预制棒拉丝成预定尺寸的光纤。

所拉制的掺镱光纤典型指标见表3。

表3制备的掺镱匀化光纤关键指标

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本发明的一种吸收渐变掺镱光纤、预制棒及其制备方法，通过利用MCVD全气相掺杂工艺精确的折射率剖面和掺杂浓度的控制能力，实现纤芯为抛物线型折射率分布、稀土掺杂浓度分布抛物线型光纤的制备，增加基模的增益减少高阶模增益；且通过划分多个不同的反应区间，并控制单一反应区间内的各气态反应物料的流量不变，并增大下一反应区间内设定反应物的流量，从而可以实现径向折射率渐变控制；且本申请的针对稀土光纤，流量开度较小，单一反应区间长度在10mm-30mm，以便于控制；通过在不同反应区间通入不同流量的反应物，控制POCl

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。