[发明专利]对泵浦光高效率吸收的包层泵浦光纤

说明书

技术领域

本发明属于特种光纤制造领域，涉及一种用于高功率光纤激光器与光纤放大器的、对泵浦光高效率吸收的双包层稀土掺杂光纤结构。

背景技术

自稀土掺杂光纤激光器与光纤放大器诞生以来，由于其具有高效、简洁、稳定、兼容性强等优点，已经被广泛应用于通信、医疗、传感以及军事等诸多领域。早期的稀土掺杂光纤激光器与光纤放大器多采用单包层结构，泵浦光与激射激光共同在掺杂纤芯中传播，即纤芯泵浦模式，该模式下，纤芯为单模类型，芯径很小(通常不超过10μm)，因此该类光纤激光器具有较好的光束质量。但是，纤芯泵浦下，很难实现高功率泵浦光的注入，光纤激光器的输出功率通常不大(几十毫瓦)，难于形成大功率的输出。1988年，Snitzer等人开创性地提出了包层泵浦概念，为大功率光纤激光器与光纤放大器的诞生扫清了障碍。包层泵浦技术的基石在于双包层掺杂光纤的使用，双包层光纤(DCF：double clad fiber)是在原有单包层光纤的外部增加了一层低折射率材料，形成两级波导结构。工作时，内包层与外包层构成一级波导机制，大尺寸的内包层部分用于接纳高功率的多模泵浦光，掺杂纤芯与内包层形成二级波导机制，在与内包层泵浦光的不断接触与激励下输出大功率的激光。

实现包层泵浦技术的最关键因素是提高泵浦吸收效率。包层泵浦下，由于掺杂纤芯的面积与内包层面积相比相小很多，内包层面积一般是纤芯面积的数百倍甚至更大，因此如何使具有大光斑半径的多模泵浦光被小尺寸的掺杂纤芯有效吸收是实现包层泵浦的关键。一般情况下，传统的具有圆形内包层结构的双包层光纤，由于“螺旋光”效应，大量泵浦光集中在纤芯以外的区域，泵浦吸收过程非常困难，通常导致很低的吸收效率。为解决这一难题，人们相继设计了多种内包层结构，用以打破光纤内包层的圆对称性，减少诸如螺旋光等不利因素造成的影响，常见的非圆对称内包层结构有：D型、跑道型、梅花型、切角矩形、正多边形等。上述这些具有非圆对称内包层结构的双包层光纤虽然在泵浦吸收上有了显著的改善，但其非对称的内包层结构常引发较大的接续损耗，并且降低了光纤的柔韧度，同时在一定程度上增加了光纤的制作难度，因此设计一种集高泵浦吸收特性与圆对称内包层结构于一身的双包层稀土掺杂光纤，对制作大功率光纤激光器与光纤放大器来说是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有圆对称内包层结构双包层光纤在泵浦吸收上的困难以及非圆对称内包层结构双包层光纤高接续损耗、低柔韧度等问题，提供一种既具有较高的泵浦吸收效率，又具有良好的接续特性，同时工艺技术要求相对比较简单，便于制作高功率光纤激光器和光纤放大器的稀土掺杂双包层光纤。

本发明采取了如下技术方案。本发明由内向外依次包括纤芯、内包层和外包层，其中内包层的折射率由纤芯到外包层方向逐渐降低，纤芯折射率大于内包层的最大折射率，外包层折射率小于内包层最小折射率。

所述内包层截面为圆形。

光纤内包层的折射率采用渐变式分布，内包层的折射率由纤芯到外包层方向按照渐变函数关系递减变化。所述渐变函数可以为二次函数。

一种对泵浦光高效率吸收的包层泵浦光纤的制备方法，该方法包括如下步骤：

利用MCVD工艺制作纤芯部分，在纤芯沉积时掺杂稀土元素；

利用OVD工艺制作折射率阶梯变化的内包层，且内包层折射率按照由纤芯到外包层方向逐渐降低，内包层的最大折射率小于纤芯折射率，完成光纤预制棒制作，折射率的梯度变化通过控制掺氟量实现；

对光纤预制棒进行拉丝，拉丝过程中在其外部涂覆折射率小于内包层最小折射率的聚合物材料，构成外包层，使光纤形成双包层导光结构。

相对于现有技术而言，本发明中渐变折射率内包层对输入光束具有极佳的汇聚作用，可以在最大程度上实现内包层中泵浦光与稀土掺杂纤芯的接触，因而具有很好的泵浦吸收特性，相同几何尺寸下，该光纤具有较普通阶跃折射率分布内包层结构(如图2)的类型大得多的泵浦吸收系数，非常适合端面泵浦下高功率泵浦光的耦合。其次，由于该光纤出色的泵浦吸收能力并不依赖内包层对称结构的打破，因而其内包层结构依然可以保持圆形，这样便确保了该光纤与其他光纤良好的匹配特性，较大程度地降低了接续损耗，同时，与诸如D型、切角矩形等非对称结构的类型相比较而言，圆形结构的双包层稀土掺杂光纤具有更好的柔韧度，易于实用。另外，保持圆形结构也使得该双包层光纤在制作过程中省去了因打破对称结构而引入的额外步骤，简化了工艺流程，使该光纤的制作更易实现。本发明所提供的双包层稀土掺杂光纤，特别适合于制作高功率光纤激光器和光纤放大器。

附图说明