一种大模场掺镱光纤的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种大模场掺镱光纤。
【背景技术】
[0002] 向芯层中掺杂有稀土元素的光纤中注入一定波长的栗浦光时，会形成粒子数反 转，就会形成受激辐射。因此，掺稀土光纤在光纤放大器中被用来放大受激辐射的信号光， 而在光纤激光器中由于谐振腔的作用能将受激辐射的光放大成具有信号光完全一样的属 性。不同稀土元素的掺杂在相应的波长激发下能辐射不同波长的光，且能覆盖很大的光谱 范围。
[0003] 其中掺镱（Yb3+)光纤就是掺稀土光纤中的一种。掺镱光纤能够利用波长为915nm 或是976nm的栗浦光实现波长1060 μ m附近的信号光输出，使用掺镱光纤激光能同时保持 较高的光束质量，这种区别于传统的固体激光器的性质，在精细加工，军事，测距等领域应 用优势更加明显。随着大模场双包层光纤在光纤激光器，光纤放大器的应用，尤其是在高功 率光纤激光器中要求大模场输出地同时保持单模的光束质量，激光光束拥有更小的发散角 度，远场也能保持更小的光斑，例如打标或是焊接领域，拥有更好的光束质量的激光束的能 量更加集中，单位面积上的能量密度更高，打标或焊接的质量更高。
[0004] 然而从理论原理和工艺限制上为了保持单模运转最直接有效的方法是降低芯层 的数值孔径，但是受到材料本征的限制，数值孔径很难降到0. 05以下，同时在太过低的数 值孔径会增加掺镱光纤的弯曲损耗。现有技术掺镱双包层光纤芯层折射率分布为阶跃型， 且其中的掺镱浓度，共掺离子铝，磷的浓度的分布均为阶跃型，这种阶跃型折射率设计中当 芯层大于等于20 μ m且芯层数值孔径在0. 06,都能进行少模传输。而其中基模模场强度呈 高斯分布，高阶模的模场强度分布大部分处于芯层的边缘；输出的光束发散角度大；光束 质量不够好。因此如何在大模场面积掺镱光纤上实现单模运转，也受到各国研究机构和相 关公司的关注。而实现的方法基本分为三大类。第一类方法为光纤滤模技术。当光纤弯曲 到一定程度时，光纤内模式将辐射出光纤而损耗，弯曲损耗会随着模式阶数的增加而增大， 而利用这种基模与高阶模弯曲损耗的差异可以滤除高阶模，实现较少模式甚至基模传输的 效果。又如拉锥选模滤模，当高阶模通过光锥时，由于拉锥后芯径的变化产生较高的损耗， 从而滤除高阶模，实现低阶模式的运转。第二类方法为光纤结构设计增益引导折射率反导 引光纤。与常规的增益光纤不同，该种光纤设计芯层折射率较包层折射率低，芯层传输的光 会辐射到包层，而增益离子在芯层中，在栗浦光激励时，芯层产生的增益到一定程度形成增 益导引而束缚光束在芯层中传输。另外光子晶体光纤被认为是最好的大模场面积光纤的设 计，该光纤在横截面上有复杂的折射率分布，含有不同排列形式的气孔，气孔的尺度与光波 波长在同一量级，光波可以被限制在低折射率的光纤芯层传播，可在较宽的波长范围内实 现单模传输。由于光纤中基模与高阶模在光纤内的模场分布有较大不同，能控制芯层中的 增益介质的分布来抑制高阶模的增益，使基模得到最大的增益。第三类方法为采用其他特 种光纤，如模式转换光纤，高阶模光纤，手性耦合光纤等。
[0005] 上述的几种能够实现大模场面积单模运转的光纤中，弯曲法滤模是较简单的办 法，但该方法受限于小芯径光纤，一旦芯层较大或是数值孔径较低时，高阶模与基模之间的 弯曲损耗差异减小，同时高功率滤模带来的能量泄露会对涂覆层造成一定的损伤，严重造 成涂覆层烧坏。通过拉锥的方法造成芯径剧烈地变小，在高功率下容易造成不可恢复的损 伤，因而难以通过增大拉锥芯径滤除高阶模。其他的如光子晶体光纤，高阶模光纤，手性耦 合光纤虽然能实现优异的模式输出，提升输出光束质量，但是每种光纤的制备工艺较为复 杂，对工艺的要求极高，实现大规模的商业应用需要更多的创新。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提出一种大模场面积的高光束质量，在保持原光纤几何设计参 数不变的情况，改变芯层内掺镱的浓度分布使其输出光束质量更好。
[0007] 为方便介绍
【发明内容】
，定义和解释相关术语如下：
[0008] 芯层：如图1所示光纤中间折射率较高的圆形部分1，是光纤中信号光的导光层， 折射率为n 1;
[0009] 内包层：如图1所示紧靠芯层的部分2,在本发明中为正八边形，栗浦光主要在内 包层传输，折射率为n 2;
[0010] 外包层：如图1所示光纤中靠近内包层2的塑料部分3,为低折射率涂层，折射率 为n3;
[0011] 保护层：如图1所示围绕外包层3的最外围的部分4,其作用是加强光纤机械性能 并提供保护；
[0012] 具体地，芯层、内包层以及外包层的折射率之间的关系如图2所示。
[0013] B1:芯层直径，单位为微米（μm);
[0014] a2:内包层八边形任意两个相对的边的距离，单位为微米（μ m);
[0015] NA12:芯层数值孔径，即由芯层1和内包层2组成的波导结构的数值孔径，定义式为 NA12= (nj-n/)1'2;
[0016] NA23:内包层数值孔径，即由内包层2和外包层3组成的波导结构的数值孔径，定义 式为 NA23= (n22-n32)1/2;
[0017] M2:光束质量因子，表示激光束与基模接近程度的量，光束质量越好，M 2越接近1。
[0018] 所述光纤芯层的材料为石英基的铝、镱共掺材料，或者为铝，磷，镱共掺材料；芯层 为圆形；NA 12设计范围为0. 04~0. 09,优选为0. 06~0. 065 ;内包层为正八边形；NA 23设计 大于或等于〇. 46,芯层直径a范围从10 μπι到100 μπι，内包层八边形任意两个相对的边的 距离b从125 μ m到400 μ m。
[0019] 采用气相沉积法沉积掺镱芯层的层数为10至140层，为得到精确的镱浓度分布， 较佳的层数为100至140层，熔缩成透明实心棒后芯层的直径最大达到5-8mm ;
[0020] 使用波长670nm激光测试沉积得掺镱芯层折射率，芯层折射率在1. 4578-1. 4598 ;
[0021] 使用波长670nm激光测试包层，包层的折射率在1. 4570-1. 4573 ;
[0022] 在光纤激光器中，发射截面决定出射激光光束的发散角与光束质量，本发明将镱 在芯层浓度的分布与基模在芯层的强度分布做最大程度的重叠，使得芯层中的基模优先开 始振荡，从而能得到更高光束质量的激光输出。在沿芯层任意直径方向上镱的浓度近似于 高斯分布，在沿芯层任意直径方向上中心的镱浓度最高，从中心到两个端点镱的浓度逐渐 降低。本发明尽量增加基模在最终输出模式中的能量占比，从而实现改善激光光束质量的 目的。
[0023] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0024] 设c (X)为芯层直径方向上距离芯层圆心为X处的三氧化二镱的浓度（以Yb2O3的 质量分数计算，以下同），_a/2 < X < a/2,设光纤直径中心处的Yb2O3浓度为C