專利名稱：一種高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖及其制作方法，是高功率光纖激光器用增益光纖領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于在空間光通信、激光武器、激光加工、切割、焊接、激光打標(biāo)、生物工程和醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)的應(yīng)用潛力，高功率光纖激光器已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
國(guó)內(nèi)有上百家研究單位都在從事高功率光纖激光器的研究工作，但研制高功率光纖激光器用的增益光纖都是從國(guó)外購(gòu)買，而且采用的泵浦方式多是端面泵浦，限制了泵浦功率的提高，泵浦源的成本高，例如要獲得一千瓦的功率輸出泵浦源需100萬(wàn)元。國(guó)外以IPG為代表的大公司在高功率光纖激光器上投入了大量的財(cái)力。近年來(lái)出現(xiàn)的雙包層側(cè)泵技術(shù)，使高功率泵浦光在雙包層光纖的內(nèi)包層中一邊向前傳輸一邊耦合到光纖纖芯，對(duì)光纖纖芯內(nèi)增益介質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，可大大提高泵浦光的功率水平和利用率。
高功率光纖激光器輸出激光功率由光纖纖芯輸出，其功率密度一般被限制在1W/μm2以下，為獲得高功率輸出必須增大雙包層光纖纖芯的截面積。在光纖折射率剖面函數(shù)確定的情況下，增加纖芯截面積會(huì)導(dǎo)致激光器多模輸出，這樣的激光器既不能用于精密的激光加工，更不能用于激光武器。
也就是說(shuō)，使用單根雙包層光纖的光纖激光器可獲得的單模激光輸出功率被限制在較低水平，而且光纖激光器輸出激光相對(duì)獨(dú)立，無(wú)法實(shí)現(xiàn)相干疊加增強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，有效提高光纖激光器的功率輸出水平，本發(fā)明提出一種高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖及其制作方法，所采用的技術(shù)方案如下高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖，包括纖芯、包層和低折射率涂層、增強(qiáng)涂層，其特征是包層內(nèi)存在多個(gè)相互平行的結(jié)構(gòu)一致的增益介質(zhì)纖芯，增益介質(zhì)纖芯按照均勻格點(diǎn)方式或非均勻格點(diǎn)方式排列，均勻格點(diǎn)方式是或?yàn)槿歉褡踊驗(yàn)樗姆礁褡踊驗(yàn)榱礁褡拥呐帕蟹绞?，相鄰增益介質(zhì)纖芯間間距為纖芯直徑的三倍到十倍。增益介質(zhì)纖芯為均勻摻雜的石英毛細(xì)柱，石英毛細(xì)柱的摻雜物為鉺或?yàn)殍O或?yàn)殇A或?yàn)殁S或?yàn)殇A和鈥共摻。
該高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖制作方法，包括步驟如下步驟一加工增益介質(zhì)摻雜纖芯棒，使增益介質(zhì)摻雜纖芯棒纖芯與包層的同柱心誤差小于纖芯直徑的±5％，使包層直徑加工誤差小于纖芯直徑的±5％；步驟二加工后的增益介質(zhì)摻雜纖芯棒上拉絲塔拉細(xì)，拉制成芯棒；步驟三截取相同長(zhǎng)度芯棒若干，一端對(duì)齊，按照均勻格點(diǎn)或非均勻格點(diǎn)方式排列形成芯棒束裝入預(yù)制棒套筒，空隙處用細(xì)棒填充，然后利用高溫加熱縮棒方法使之實(shí)心化，再套上預(yù)制棒外套筒，再經(jīng)縮棒使之實(shí)心化，得到實(shí)心預(yù)制棒，為將空隙處空氣排走，在縮棒過(guò)程中抽100-2000帕低真空；步驟四實(shí)心預(yù)制棒上拉絲塔拉絲，同時(shí)裸光纖外涂覆低折射率光纖涂料和增強(qiáng)涂料。
本發(fā)明具有非常顯著的有益效果
首先，在大包層內(nèi)多個(gè)纖芯平行排列的結(jié)構(gòu)，為半導(dǎo)體激光堆的側(cè)向泵浦方式提供了便利，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)泵浦源泵浦多個(gè)增益纖芯，而每個(gè)纖芯間距為單個(gè)纖芯直徑的三倍到十倍，所以每個(gè)增益纖芯形成一個(gè)獨(dú)立的激光增益介質(zhì)區(qū)，可極大地提高泵浦光的利用率。另一方面，用同一束種子光可以同時(shí)注入激勵(lì)多個(gè)平行排列纖芯的增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)所有纖芯的模式的鎖定，使其激光束輸出相互相干，便于合束。
其次，在每個(gè)纖芯內(nèi)激光功率不超過(guò)材料的功率容限情況下，由于多個(gè)纖芯平行排列，每個(gè)纖芯單模輸出相互相干，本發(fā)明在一定范圍內(nèi)可大大突破目前大功率光纖激光器激光輸出的功率水平。
由于可以將數(shù)根甚至數(shù)百根纖芯這樣平行排列處理，不只使輸出更大的功率，還可有效地增大模場(chǎng)半徑，減小輸出激光的發(fā)散角，使輸出方向性更好，大幅度提高雙包層光纖激光器和放大器的輸出功率、輸出效率及泵浦效率。


圖1為本發(fā)明第1實(shí)施例的高功率包層泵浦單模輸出三角格子多芯摻鐿石英光纖結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明第1實(shí)施例的高功率包層泵浦單模輸出三角格子多芯摻鐿石英光纖橫截面實(shí)物圖。
圖3為本發(fā)明第1實(shí)施例的增益介質(zhì)摻雜石英纖芯棒橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明第1實(shí)施例的芯棒7橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明第1實(shí)施例的芯棒7束裝入預(yù)制棒套筒9并以石英細(xì)棒8填充空隙后的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明氫氧焰高溫加熱縮棒方法制實(shí)心棒10工藝示意圖。
圖7為本發(fā)明氫氧焰高溫加熱縮棒方法制實(shí)心預(yù)制棒12工藝示意圖。
圖8為本發(fā)明拉絲塔將實(shí)心預(yù)制棒12拉絲同時(shí)裸光纖13外涂覆低折射率光纖涂料工藝示意圖。
圖9為本發(fā)明第2實(shí)施例的高功率包層泵浦單模輸出四方格子多芯摻鉺石英光纖結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為本發(fā)明第2實(shí)施例的芯棒7束裝入預(yù)制棒套筒9并以石英細(xì)棒8填充空隙后的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中摻增益介質(zhì)的纖芯1，包層2，低折射率涂層3，增強(qiáng)涂層4，增益介質(zhì)摻雜芯棒纖芯5，增益介質(zhì)摻雜芯棒包層6，芯棒7，細(xì)棒8，預(yù)制棒套筒9，實(shí)心棒10，預(yù)制棒外套筒11，實(shí)心預(yù)制棒12，裸光纖1具體實(shí)施方式
實(shí)施例1一種高功率包層泵浦單模輸出三角格子多芯摻鐿光纖，結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。
該高功率包層泵浦單模輸出三角格子多芯摻鐿光纖，包括摻鐿石英纖芯1、石英包層2和低折射率涂層3、增強(qiáng)涂層4，其結(jié)構(gòu)特征是包層11內(nèi)多個(gè)結(jié)構(gòu)一致的摻鐿纖芯1相互平行、按照三角格子方式排列，相鄰摻鐿纖芯1間距等于三倍纖芯1的直徑。
該高功率包層泵浦單模輸出三角格子多芯摻鐿光纖使用如下步驟制作步驟一采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)結(jié)合溶液摻雜技術(shù)制備出具有高吸收系數(shù)的纖芯摻鐿的增益介質(zhì)摻雜石英纖芯棒，如圖3所示，然后對(duì)石英增益介質(zhì)摻雜纖芯棒包層6進(jìn)行外圓磨工藝加工，減小外徑，使石英增益介質(zhì)摻雜纖芯棒包層6與增益介質(zhì)摻雜芯棒纖芯5的直徑之比值為3，并使石英增益介質(zhì)摻雜纖芯棒纖芯5與增益介質(zhì)摻雜芯棒包層6的同柱心誤差小于纖芯直徑的±5％，使增益介質(zhì)摻雜芯棒包層6直徑加工誤差小于增益介質(zhì)摻雜芯棒纖芯5直徑的±5％。
步驟二加工后的石英增益介質(zhì)摻雜纖芯棒上拉絲塔拉細(xì)，拉制成芯棒7，如圖4所示。
步驟三截取相同長(zhǎng)度芯棒7若干，一端對(duì)齊，按照均勻排列方式形成芯棒7束裝入高純石英預(yù)制棒套筒9，空隙處用石英細(xì)棒8填充，如圖5所示；然后，利用氫氧焰高溫加熱縮棒方法使之實(shí)心化，制成實(shí)心棒10，如圖6所示。再將實(shí)心棒10套上高純石英預(yù)制棒外套筒11，再經(jīng)縮棒使之實(shí)心化，得到實(shí)心預(yù)制棒12，如圖7所示。為將空隙處空氣排走，在縮棒過(guò)程中抽氣壓值為100帕的低真空。
步驟四實(shí)心預(yù)制棒12上拉絲塔拉絲，如圖8所示，同時(shí)裸光纖13外涂覆室溫下折射率為1.37的低折射率光纖涂料3和增強(qiáng)涂層4。
實(shí)施例2一種高功率包層泵浦單模輸出四方格子多芯摻鉺光纖，結(jié)構(gòu)如圖9所示。
該高功率包層泵浦單模輸出四方格子多芯摻鉺光纖，包括摻鉺石英纖芯1、石英包層2和低折射率涂層3、增強(qiáng)涂層4，其結(jié)構(gòu)特征是包層11內(nèi)多個(gè)結(jié)構(gòu)一致的摻鉺石英纖芯1相互平行、按照四方格子方式排列，相鄰摻鉺石英纖芯1間距等于纖芯1直徑的十倍。
該高功率包層泵浦單模輸出四方格子多芯摻鉺光纖使用如下步驟制作步驟一采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)結(jié)合溶液摻雜技術(shù)制備出具有高吸收系數(shù)的纖芯摻鉺的增益介質(zhì)摻雜石英纖芯棒，如圖3所示，然后對(duì)石英增益介質(zhì)摻雜纖芯棒包層6進(jìn)行腐蝕拋光法加工，減小外徑，使石英增益介質(zhì)摻雜纖芯棒包層6與增益介質(zhì)摻雜芯棒纖芯5的直徑之比值為3，并使石英增益介質(zhì)摻雜纖芯棒纖芯5與增益介質(zhì)摻雜芯棒包層6的同柱心誤差小于纖芯直徑的±5％，使增益介質(zhì)摻雜芯棒包層6直徑加工誤差小于增益介質(zhì)摻雜芯棒纖芯5直徑的±5％。
步驟二加工后的石英增益介質(zhì)摻雜纖芯棒上拉絲塔拉細(xì)，拉制成芯棒7，如圖4所示。
步驟三截取相同長(zhǎng)度芯棒7若干，一端對(duì)齊，按照四方格子均勻排列方式形成芯棒7束裝入高純石英預(yù)制棒套筒9，空隙處用石英細(xì)棒8填充，如圖10所示；然后，利用氫氧焰高溫加熱縮棒方法使之實(shí)心化，制成實(shí)心棒10，如圖6所示。再將實(shí)心棒10套上高純石英預(yù)制棒外套筒11，再經(jīng)縮棒使之實(shí)心化，得到實(shí)心預(yù)制棒12，如圖7所示。為將空隙處空氣排走，在縮棒過(guò)程中抽氣壓值1500帕的低真空。
步驟四實(shí)心預(yù)制棒12上拉絲塔拉絲，如圖8所示，同時(shí)裸光纖13外涂覆室溫下低折射率光纖涂料3和增強(qiáng)光纖涂料4。
權(quán)利要求
1.一種高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖，包括纖芯、包層和低折射率涂層、增強(qiáng)涂層，其特征是包層內(nèi)存在多個(gè)相互平行的結(jié)構(gòu)一致的增益介質(zhì)纖芯，增益介質(zhì)纖芯按照均勻格點(diǎn)或非均勻格點(diǎn)方式排列，相鄰增益介質(zhì)纖芯間間距為纖芯直徑的三到十倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖，其特征是所述增益介質(zhì)纖芯為均勻摻雜的石英毛細(xì)柱，石英毛細(xì)柱的摻雜物為鉺或?yàn)殍O或?yàn)殇A或?yàn)殁S或?yàn)殇A和鈥共摻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖，其特征是所述均勻格點(diǎn)方式，或?yàn)槿歉褡?，或?yàn)樗姆礁褡?，或?yàn)榱礁褡拥呐帕蟹绞健?br> 4.一種高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖制作方法，其特征是；包括如下步驟步驟一加工增益介質(zhì)摻雜纖芯棒，使增益介質(zhì)摻雜纖芯棒纖芯與包層的同柱心誤差小于纖芯直徑的±5％，使包層直徑加工誤差小于纖芯直徑的±5％；步驟二加工后的增益介質(zhì)摻雜纖芯棒上拉絲塔拉細(xì)，拉制成芯棒；步驟三截取相同長(zhǎng)度芯棒若干，一端對(duì)齊，按照均勻格點(diǎn)方式或非均勻格點(diǎn)方式排列形成芯棒束裝入預(yù)制棒套筒，空隙處用細(xì)棒填充，然后利用高溫加熱縮棒方法使之實(shí)心化，再套上預(yù)制棒外套筒，再經(jīng)縮棒使之實(shí)心化，得到實(shí)心預(yù)制棒，為將空隙處空氣排走，在縮棒過(guò)程中抽低真空；步驟四實(shí)心預(yù)制棒上拉絲塔拉絲，同時(shí)裸光纖外涂覆低折射率光纖涂料和增強(qiáng)涂料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖制作方法，其特征是所述加工石英增益介質(zhì)摻雜纖芯棒的方法是外圓磨工藝和腐蝕拋光法。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖制作方法，其特征是所述低真空為氣壓取值范圍在100-2000帕的真空。
全文摘要
高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是包層內(nèi)存在多個(gè)相互平行的結(jié)構(gòu)一致的增益介質(zhì)纖芯，增益介質(zhì)纖芯按照均勻格點(diǎn)或非均勻格點(diǎn)方式排列，相鄰增益介質(zhì)纖芯間間距為纖芯直徑三倍到10倍。制作方式分備料、拉制成芯棒、低真空制作預(yù)制棒和拉絲塔拉絲等五個(gè)步驟。該光纖在大包層內(nèi)多個(gè)纖芯平行排列的結(jié)構(gòu)，為提高泵浦光的利用率提供了便利。另一方面，也為振蕩器的注入鎖定提供了基礎(chǔ)。由于每個(gè)纖芯單模輸出相互相干，本發(fā)明在一定范圍內(nèi)可大大突破目前大功率光纖激光器激光輸出的功率水平。由于大包層內(nèi)可以將數(shù)根甚至數(shù)百根纖芯這樣平行排列，不只是輸出更大的功率，還可有效地增大模場(chǎng)半徑，減小輸出激光的發(fā)散角，使輸出方向性更好。
文檔編號(hào)C03B37/01GK101038353SQ20061016981
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者簡(jiǎn)偉, 鄭凱, 魏淮, 傅永軍, 王琳 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)