一种芯包比渐变的锥芯光纤的制备方法及锥芯光纤

技术领域

本发明属于光纤制造技术领域，更具体地，涉及一种芯包比渐变的锥芯光纤的制备方法及锥芯光纤。

背景技术

高功率窄线宽光纤激光器具有体积小、重量轻、光束相干性好、光束质量好及优异的热管理性能等优点，在工业加工、智能制造、生物医疗及光束合成等领域有着广泛的应用。随着应用领域的拓展，对高功率窄线宽光纤激光器的输出功率和光束质量提出了更高的要求。目前，单路高功率窄线宽光纤激光器的输出功率已达到千瓦量级。随着功率进一步提升，非线性效应和热致模式不稳定效应成为限制激光功率进一步提升的主要因素。

如图4所示，锥形光纤是光纤纤芯半径沿光纤轴向变化的一种光纤。与一般的均匀芯径（如图3所示）的增益光纤相比，锥形光纤具有更大的模场面积，长度方向渐变的光纤芯径使其可以吸收更多模式的泵浦光，故而能够在保持良好光束质量的同时抑制光纤中的非线性效应，进一步提高激光的输出功率。在光纤激光器中，泵浦光一般从锥形光纤的小端注入、大端输出，以保证足够的泵浦吸收、较低的功率损耗以及良好的光束质量。但是在锥形光纤中，包层中传输的泵浦光的光程小于在均匀光纤中的光程，这一定程度上减少了泵浦光的吸收效率。同时，在纤芯中稀土离子掺杂浓度不变的情况下，整段锥形光纤上泵浦光的重叠因子不变，导致在前向泵浦时，仍会不可避免地产生一定的热效应，进而导致热致模式不稳定效应，降低激光输出功率。

基于上述缺陷和不足，本领域亟需设计一种芯包比渐变的锥芯光纤，使得光纤的芯包比随光纤的长度发生渐变，以增大泵浦光的光程，提高泵浦光吸收，同时抑制热致模式不稳定效应的产生。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了种芯包比渐变的锥芯光纤的制备方法及锥芯光纤，其中结合高功率窄线宽光纤激光器自身的特征及其光纤制作工艺特点，相应设计了芯包比渐变的锥芯光纤的制备方法及锥芯光纤，并对其关键制备工艺和结构进行研究和设计，相应的，使得光纤的芯包比随光纤的长度发生渐变，以增大泵浦光的光程，提高泵浦光吸收，同时，通过对锥芯光纤的纤芯进行纤芯中稀土离子掺杂，由于锥芯光纤具有不同的芯包比，从而使得光纤在不同轴向位置处具有不同的泵浦光重叠因子，平衡光纤产热，从而提高光纤的热致模式不稳定阈值，进一步提高激光输出功率。因而尤其适用于高功率窄线宽光纤激光器的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种芯包比渐变的锥芯光纤的制备方法，包括以下步骤：

S1将气体原料通入轴向转动的反应管中，并采用氢氧焰外部加热该反应管，以在所述反应管内壁沉积玻璃颗粒疏松层；

S2将含有稀土掺杂离子的溶液通入步骤S1中的反应管中，浸泡设定时间，以对玻璃颗粒疏松层进行稀土离子掺杂；

S3排出含有稀土掺杂离子的溶液，对经步骤S2处理后的反应管进行干燥、高温烧结，使得所述玻璃颗粒疏松层玻璃化，然后再将玻璃化的玻璃颗粒疏松层及反应管熔缩成实心预制棒芯棒；

S4将所述实心预制棒芯棒进行机械加工并抛光后，得到具有指定锥角的圆锥形芯棒；

S5对圆柱形玻璃棒中心进行加工成孔并抛光，使得圆柱形玻璃棒中心具有与步骤S4中所述圆锥形芯棒形状相适应的圆锥形空孔；

S6将步骤S5中具有圆锥形空孔的玻璃棒和圆锥形芯棒组合，得到锥芯有源光纤预制棒，将所述锥芯有源光纤预制棒放入拉丝塔，拉制成芯包比渐变的锥芯光纤。

作为进一步优选的，步骤S1中，所述气体原料为SiCl

作为进一步优选的，步骤S1中，所述反应管为石英管。

作为进一步优选的，步骤S2中，将稀土掺杂离子与溶解液按照预设配比混合，得到稀土掺杂离子的溶液，其中，稀土掺杂离子为Nd

所述稀土掺杂离子的溶液在反应管中浸泡的时间为0.5~5h。

作为进一步优选的，步骤S3中，所述烧结的温度为1200℃～2000℃，所述熔缩的温度为1400℃～2200℃。

作为进一步优选的，采用机械打磨抛光、火抛光、化学腐蚀抛光中的任意一种方法对步骤S4中的所述实心预制棒芯棒以及步骤S5中的圆柱形玻璃棒进行抛光。

作为进一步优选的，步骤S4中，所述圆锥形芯棒的端面芯径D

作为进一步优选的，步骤S5中，所述圆锥形空孔的端面孔直径与圆锥形芯棒端面直径D

按照本发明的另一个方面，还提供了一种采用上述方法制备而成的芯包比渐变的锥芯光纤。

作为进一步优选的，所述圆锥形芯棒的端面芯径D

所述圆锥形空孔的端面孔直径与圆锥形芯棒端面直径D

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，主要具备以下的技术优点：

1．本发明中制备而成的芯包比渐变的锥芯光纤具有不变的光纤包层直径和渐变的光纤纤芯直径，光纤的芯包比随光纤的长度发生渐变，纤芯直径、芯包比等在一定范围内均可以调控，可以根据无源光纤器件及光学系统的要求进行调整。与现有锥形光纤相比，该方法制得的芯包比渐变的锥芯光纤能提高光纤的泵浦光吸收，不同的芯包比使得光纤在不同轴向位置处具有不同的泵浦光重叠因子，平衡光纤产热，从而提高光纤的热致模式不稳定阈值，进一步提高激光输出功率。

2．本发明通过化学气相沉积法（MCVD）制备圆柱形稀土离子掺杂芯棒，通过机械加工制备成圆锥形，再将石英玻璃棒内壁加工成圆锥形空孔，两者组合成锥芯纤芯的有源光纤预制棒，拉丝塔拉制成芯包比渐变的锥芯光纤。同时，在圆锥形芯棒中掺杂稀土离子，由于锥芯光纤为圆锥形，为包层的外表面为均匀的圆柱形，从而使得获取的光纤具有不同的芯包比，一方面延长了光路，提高了光纤对泵浦光的吸收，另一方面使得光纤在不同轴向位置处具有不同的泵浦光重叠因子，平衡光纤产热，从而提高光纤的热致模式不稳定阈值，进一步提高激光输出功率。

3．本发明通过对稀土掺杂离子的类型、浓度以及掺杂时间进行特定性控制，从而使得玻璃颗粒疏松层中掺杂的稀土离子分布更加均匀，以方便后期锥芯光纤中稀土离子均匀分布，从而保证光纤在不同轴向位置处具有不同的泵浦光重叠因子。

4．本发明通过圆锥形芯棒的端面芯径、长度以及锥角进行特定性的设计，相应的配合设计圆柱形玻璃棒的程度和端面芯径，以获得具有不变的光纤包层直径和渐变的光纤纤芯直径，延长了光路，提高了泵浦光的吸收。同时，使得芯包比等在一定范围内均可以调控，光纤在不同轴向位置处掺杂的稀土离子个数可控，保证每个横截面处泵浦光重叠因子的不同。

5．本发明光纤包层为圆柱形，纤芯为锥形结构，从而在光纤的首尾接头处，可直接适用其他通用光纤，无需应为锥形光纤首尾端面不一致而去定制与之匹配的无源光纤器件，因而适用性更强。

附图说明

图1是本发明提供的一种芯包比渐变的锥芯光纤的制备流程示意图；

图2是本发明实施例涉及的一种芯包比渐变的锥芯光纤的泵浦光传输路径示意图；

图3是现有技术中均匀芯径双包层光纤的泵浦光传输路径示意图；

图4是现有技术中锥形光纤的泵浦光传输路径示意图。

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-光纤纤芯，2-光纤内包层，3-传播光束。

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所示，本发明实施例提供的一种芯包比渐变的锥芯光纤的制备方法，先采用改进的化学气相沉积法（MCVD）制备圆柱形稀土离子掺杂芯棒，通过机械加工制备成圆锥形，再将石英玻璃棒内壁加工成圆锥形空孔，两者组合成锥芯纤芯的有源光纤预制棒，拉丝塔拉制成芯包比渐变的锥芯光纤。该方法制得的光纤具有不变的光纤外包层直径和随光纤长度变化的光纤纤芯直径，即光纤的芯包比随光纤的长度发生渐变。与现有的锥形光纤相比，该锥芯光纤在一定程度上提高了泵浦光吸收，并且光纤沿轴向的芯包比发生了变化，从而改变了光纤不同长度处的泵浦光重叠因子，改变泵浦光的吸收从而平衡光纤产热，进一步抑制了热致模式不稳定效应的产生。

具体而言，本发明芯包比渐变的锥芯光纤的制备方法具体如下：

步骤一，将气体原料通入轴向转动的反应管中，并采用氢氧焰外部加热该反应管，以在所述反应管内壁沉积玻璃颗粒疏松层。

更具体的，先采用改进的化学气相沉积法（MCVD）在所述反应管内壁沉积玻璃颗粒疏松层。将气体原料通入轴向转动的反应管中，在本发明中，反应管也是构成最终锥芯光纤的一部分，因此，优选的，反应管为石英反应管。具体的，准备一根石英反应管，将该石英反应管清洗干净，然后将石英反应管的进气段安装好旋转接头，在石英反应管安装在沉积车床上，采用氢氧焰外部预热该石英反应管，预热过程中，将石英反应管的温度逐步升高至1200℃。然后按照预设的流量向该石英反应管中通入气体原料。在本发明中，所述气体原料为SiCl

在本发明中，气体原料为SiCl

步骤二，将含有稀土掺杂离子的溶液通入步骤一中的反应管中，浸泡设定时间，以对玻璃颗粒疏松层进行稀土离子掺杂。具体而言，将稀土掺杂离子与溶解液按照预设配比混合，得到稀土掺杂离子的溶液，其中，稀土掺杂离子为Nd

在本发明的优选方案中，稀土掺杂离子的溶液中，稀土掺杂离子的浓度为0.2～20×10

步骤三，排出含有稀土掺杂离子的溶液，对经步骤二处理后的反应管进行干燥、高温烧结，使得所述玻璃颗粒疏松层玻璃化，然后再将玻璃化的玻璃颗粒疏松层及反应管熔缩成实心预制棒芯棒。

在本步骤中，所述烧结的温度为1200℃～2000℃，所述熔缩的温度为1400℃～2200℃。熔缩后实心预制棒芯棒的直径为0.5～20cm。

熔缩过程中，通入氧气对玻璃化的玻璃颗粒疏松层及反应管进行吹扫，并将温度逐步将温度升至1700℃；继续升温，热源移动速度降至2.5～20mm/min,保持出气端压力与大气压强差为-0.2～0.1torr，温度为1850～2150℃，将步骤二处理后的反应管进行烧结成实心预制棒。

步骤四，将所述实心预制棒芯棒进行机械加工并抛光后，得到具有指定锥角的圆锥形芯棒。对烧结完成的实心预制棒进行抛光，使其变透明。在抛光过程中，可直接采用机械加工的方式进行抛光，当然，其他抛光方法，在不影响实心预制棒的纯度、表面精度的情况下，也适用于本发明。如，用机械打磨抛光、火抛光、化学腐蚀抛光中的任意一种方法进行抛光。抛光后，获取圆锥形芯棒。本发明中，圆锥形芯棒的端面芯径D

本发明中，圆锥形芯棒作为光纤的纤芯，该纤芯的直径在轴线方向是变化的，进一步导致光纤的芯包比随光纤的长度发生渐变，在一定程度上提高了泵浦光吸收，并且光纤沿轴向的芯包比发生了变化，从而改变了光纤不同长度处的泵浦光重叠因子，改变泵浦光的吸收从而平衡光纤产热，进一步抑制了热致模式不稳定效应的产生。

步骤五，对圆柱形玻璃棒中心进行加工成孔并抛光，使得圆柱形玻璃棒中心具有与步骤四中所述圆锥形芯棒形状相适应的圆锥形空孔。所述圆锥形空孔的端面孔直径与圆锥形芯棒端面直径D

在该步骤中，可直接采用机械加工的方式进行抛光，当然，其他抛光方法，在不影响实心预制棒的纯度、表面精度的情况下，也适用于本发明。如，用机械打磨抛光、火抛光、化学腐蚀抛光中的任意一种方法进行抛光。抛光后，获取具有圆锥形空孔的圆柱形玻璃棒。

步骤六，将步骤五中具有圆锥形空孔的玻璃棒和圆锥形芯棒组合，得到锥芯有源光纤预制棒，将所述锥芯有源光纤预制棒放入拉丝塔，拉制成芯包比渐变的锥芯光纤。该芯包比渐变的锥芯光纤具有不变的光纤包层直径和渐变的光纤纤芯直径，光纤的芯包比随光纤的长度发生渐变，纤芯直径、芯包比等在一定范围内均可以调控，可以根据无源光纤器件及光学系统的要求进行调整。

如图2所示，按照本发明的另一个方面，还提供了一种芯包比渐变的锥芯光纤，该锥芯光纤的光纤纤芯1为圆锥形芯棒，该锥芯光纤的光纤内包层2为具有圆锥形空孔的玻璃棒，所述圆锥形芯棒与圆锥形空孔的结构相同，且该圆锥形芯棒设于圆锥形空孔中。所述圆锥形芯棒的端面芯径D

本发明芯包比渐变的锥芯光纤外侧包层可根据通用结构设计，即在光纤前后端的接头处，无需设定特定的接头，通用性好，适用性强。

实施例1

本实施例中，一种芯包比渐变的锥芯掺镱光纤的设计及制备方法，具体方法及步骤如下：

步骤一，将SiCl

步骤二，将6.0g YbCl

步骤三，排出YbCl

步骤四，将实心预制棒芯棒机械加工并抛光后，得到圆锥形芯棒，芯棒端面直径D

步骤五，将一根石英玻璃棒内壁机械加工成圆锥形空孔并抛光，圆锥形空孔的端面直径D

步骤六，放入拉丝塔，拉制成芯包比渐变的锥芯掺镱光纤，其内包层直径D

实施例2

步骤一，准备一根石英反应管，将该石英反应管清洗干净，然后将石英反应管的进气段安装好旋转接头，在石英反应管安装在沉积车床上，采用氢氧焰外部预热该石英反应管，预热过程中，将石英反应管的温度逐步升高至1200℃。反应管的温度加热至1750℃后，按照预设的流量向该石英反应管中通入SiCl

步骤二，进行Nd

步骤三，排出Nd(NO

步骤四，将实心预制棒芯棒机械加工并抛光后，得到圆锥形芯棒，芯棒端面直径D

步骤五，将一根石英玻璃棒内壁机械加工成圆锥形空孔并抛光，圆锥形空孔的端面直径D

步骤六，放入拉丝塔，拉制成芯包比渐变的锥芯掺镱光纤，其内包层直径D

实施例3

步骤一，将SiCl

步骤二，进行Er

步骤三，排出ErCl

步骤四，将实心预制棒芯棒机械加工并抛光后，得到圆锥形芯棒，芯棒端面直径D

步骤五，将一根石英玻璃棒内壁机械加工成圆锥形空孔并抛光，圆锥形空孔的端面直径D

步骤六，放入拉丝塔，拉制成芯包比渐变的锥芯掺镱光纤，其内包层直径D

实施例4

步骤一，将SiCl

步骤二，进行Tm

步骤三，排出Tm(NO)

步骤四，将实心预制棒芯棒机械加工并抛光后，得到圆锥形芯棒，芯棒端面直径D

步骤五，将一根石英玻璃棒内壁机械加工成圆锥形空孔并抛光，圆锥形空孔的端面直径D

步骤六，放入拉丝塔，拉制成芯包比渐变的锥芯掺镱光纤，其内包层直径D

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，并不用以限制本发明，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。