[发明专利]一种掺镱光纤、预制棒及其制备方法

说明书

本发明提供一种掺镱光纤、预制棒及其制备方法，方法包括以下步骤：采用MCVD气相沉积工艺，在石英衬管内通入原料气体，由氢氧焰主灯作为热源沿管轴往复运动以使原料气体在管内沉积，形成多层含有共掺杂剂的二氧化硅层；其中，原料气体包括POCl3气体，POCl3气体的载气流量为1‑1000sccm；采用MCVD气相沉积工艺，由氢氧焰主灯作为热源沿管轴往复运动将沉积后的石英衬管逐步进行熔缩；在熔缩过程中，同时对沉积后的石英衬管内通入POCl3气体以使其在管内壁正向或者反向沉积磷；其中，POCl3气体的载气流量为5‑500sccm。本发明通过在熔缩时通入POCl3，降低熔缩阶段衬管内的P2O5浓度差，同时对熔缩温度、压力、时间、POCl3流量工艺进行优化，有效解决高掺磷体系芯棒剖面不规则的问题。

技术领域

本发明属于光纤光缆制备技术领域，具体涉及一种掺镱光纤、掺镱光纤预制棒及其制备方法。

背景技术

目前掺镱光纤激光器主要应用于激光焊接、激光清洗以及精密制造等应用，这些应用需要更高输出功率以及更大单脉冲能量的脉冲激光，因此如何进一步提高光纤激光器输出功率一直是人们的重点研究方向。随着光纤激光器功率要求的进一步提高，作为激光器的最重要组成部分掺镱光纤面临巨大的挑战，包括光纤损耗带来的热稳定性下降、光子暗化效应带来的功率稳定性下降等。

热稳定性是研究高功率光纤激光器的重点问题之一。当光纤激光器的功率超过万瓦级，只采用水冷方式并不能满足要求，需要进一步提高光纤质量。一般对光纤激光器从以下两个方面进行改进：1)降低光纤损耗，在低功率光纤激光器中，光纤对信号光及抽运光的损耗可以忽略，然而在万瓦级激光器中，微小的损耗产生的热量不可忽视；2)提高掺镱光纤的匹配程度，光纤之间的熔接不匹配造成的模式耦合会使包层激光增多，加剧光纤涂覆的老化，降低转化效率，并增大输出端滤模的压力。由于光纤之间的匹配不要求掺镱光纤与无源光纤在几何尺寸上完全一致，只需要模场的匹配，且弯曲损耗等参数也应与无源光纤保持一致，因此需要精确控制掺镱光纤的折射率剖面。

高功率光纤激光器的功率输出的稳定性同样面临着极大挑战，这些挑战主要来源于光纤器件之间熔接损耗带来的热损伤、抽运源的不稳定性等方面。在高功率光纤激光器的运行过程中，掺镱光纤损耗也会增加，使输出功率下降并产生光子暗化效应，从而使得光纤激光器的功率稳定性严重下降并缩短了光纤激光器的使用寿命。光子暗化效应不仅表现在光纤损耗的增加上，而且也会减少Yb3+离子的荧光寿命并损耗抽运功率。光子暗化效应的产生机理目前还没有定论，但研究人员均认为光子暗化效应主要是由光纤内色心引入的附加损耗引起的。光子暗化效应的抑制方法有多种，其中共掺其他离子是最普遍的方法，其中最普遍的掺杂离子为磷离子。

综上所述，高功率掺镱光纤一般需要掺杂大量的磷元素，提高其暗化性能，并且同时掺杂Al、F、Ce等元素，降低光纤折射率和提高Yb3+在石英玻璃中的溶解度。然而由于P2O5的易挥发性，很容易在高温熔缩阶段大量挥发，同时带走芯棒中已沉积的Al和Yb，造成光纤折射率剖面下凹或者上凸，导致有源光纤和无源光纤模场不匹配，导致激光器热稳定下降，以及光束质量变差和中心暗斑，因此如何在高掺磷的情况下保证折射率剖面平整成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种掺镱光纤、掺镱光纤预制棒及其制备方法，该方法可以有效改善掺镱光纤预制棒剖面折射率平整的问题。本发明通过在熔缩时通入POCl3，降低熔缩阶段衬管内的P2O5浓度差，从而降低P2O5的挥发性，可以有效解决高掺磷体系芯棒剖面不规则的问题，然而P2O5的过度或者轻微沉积，一样会导致光纤剖面不规则，所以需要对熔缩温度、压力、时间、POCl3流量等有确切的要求。

为实现上述目的，按照本发明第一方面，提供一种掺镱光纤预制棒的制备方法，所述方法包括以下步骤：

S1：在石英衬管内沉积掺杂的二氧化硅层，包括：