一种高亮度稀土掺杂大模场光纤及其制备方法

本发明属于光纤制备，更具体的，涉及一种高亮度的稀土掺杂大模场光纤及其制备方法。

背景技术：

1、高功率光纤激光器具有光束质量好，转换效率高、热管理方便、体积小和稳定性高等优点而被广泛的应用于工业加工制造、科学研究和国防领域。随着光纤激光输出功率越来越高，为了降低高功率状态下的纤芯功率密度，抑制可能出现的非线性效应，如受激拉曼散射、受激布里渊散射和自相位调制等，通常采用大模场的稀土掺杂光纤。

2、大模场的稀土掺杂光纤，一般工作在少模区域，即光纤本征支持lp01模(基模)以及lp11模等少数高阶模传输。实际使用时，由于基模弯曲损耗基本可以忽略不计，而高阶模的弯曲损耗很大，大模场光纤的输出以基模为主，高阶模仅占极小的比例，激光的光束质量可以保持得非常好。

3、但是随着输出功率的提升达到某个阈值时，开始产生模式不稳定现象，表现为光纤中的能量开始在基模和高阶模之间来回耦合，高阶模成分变多，光斑形状不规则且随机抖动，激光输出功率出现滞涨，光束质量变差。

4、尽管产生模式不稳定的机理尚不明确，但一般认为通过光纤结构设计，减少基模和高阶模的耦合、增加高阶模的损耗及减少高阶模的增益可以提高稀土掺杂大模场光纤的模式不稳定阈值。有鉴于此，研究人员提出了系列方案以提高光纤的光束质量和模式不稳定阈值，如：极低纤芯数值孔径、纤芯区域掺杂、3c手性耦合光纤、长锥形光纤以及微结构光纤等。降低纤芯数值孔径可以有效的降低基模和高阶模模场的重叠，但极低数值孔径的光纤不仅弯曲直径要变大且弯曲时易引起基模泄露，造成激光器效率低下甚至毁伤，不利于光纤的生产制造和光纤激光器的规模化集成。纤芯区域掺杂也称增益滤模，即仅在基模所在的纤芯中心区域掺杂激活离子，而在高阶模所在纤芯边缘区域不掺杂激活离子，以减少高阶模的增益。但纤芯部分掺杂会降低光纤掺杂部分的“芯包比”，严重影响光纤的吸收系数，增加非线性效应的抑制难度。

5、3c手性耦合光纤、长锥形光纤和微结构光纤，则是通过各种光纤结构或设计，使得高阶模具有较高的损耗，以提高光纤的光束质量和模式不稳定阈值。但复杂的光纤结构一方面使得光纤的制作难度加大，另一方面也会给使用者带来困难，例如3c手性耦合光纤需要一边拉制，一边旋转光纤预制棒以形成所需的螺旋伴芯，且需严格控制螺旋周期；而长锥形光纤无论是对预制棒的制作还是拉丝都是一项严峻的挑战，任何纵向的细微波动都会严重的影响光纤的性能。至于微结构光纤，由于其复杂的结构，与无源光纤熔接难度大，易产生较大的熔接损耗，限制了其规模化应用。

6、可以看到，随着当前光纤激光技术的发展，尤其是光纤激光器的快速发展，不仅要求输出功率高，而且越来越重视输出亮度，目前提出的各种保证光纤输出光束质量和提高模式不稳定阈值的办法均有其局限性。因此，设计制备一种工艺简单且能与现有无源光纤激光器件匹配的具有高模式不稳定阈值的大模场光纤，同时实现高功率、高亮度输出和抑制非线性效应，是目前高功率光纤激光器领域面临的一个重要挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足或改进需求，本发明提供了一种稀土掺杂大模场光纤及其制备方法，该光纤在普通阶跃型双包层光纤的基础上，从减少基模和高阶模的耦合、增加高阶模的损耗及减少高阶模的增益角度出发，对光纤的结构、纤芯折射率分布及稀土离子掺杂等进行配置，抑制高阶模的产生，大幅提升稀土掺杂大模场光纤的模式不稳定阈值。

2、为此，本发明提供了一种稀土掺杂大模场光纤，所述稀土掺杂大模场光纤从中心到外依次包括：纤芯、围绕纤芯的凹陷层、包围所述凹陷层的内包层、围绕所述内包层的外包层以及保护层。

3、所述纤芯为至少包含有yb镱、er铒、tm铥、ho钬中的一种或几种元素的组合稀土掺杂石英玻璃，纤芯折射率呈梯度分布，中心折射率高，边缘折射率低。优选的，所述纤芯折射率分布曲线沿纤芯半径向外呈类抛物线型、类指数型、类梯形或类高斯型分布等任意一种梯度折射率分布。

4、所述纤芯的半径为r1，所述纤芯相对于所述内包层的折射率差为δn1。

5、所述凹陷层为一种低折射率的石英玻璃，所述凹陷层的折射率不仅低于所述纤芯折射率，也低于所述内包层的折射率。所述纤芯、所述凹陷层和所述内包层之间的相对折射率关系满足：所述纤芯折射率>所述内包层折射率>所述凹陷层折射率。

6、所述凹陷层的外缘半径为r2，所述凹陷层相对于所述内包层的折射率差为δn2。

7、其中r1为5μm-50μm，

8、r2-r1为3μm～20μm，

9、δn2为-1.0×10-4～-100×10-4；

10、优选的，所述稀土掺杂大模场光纤的纤芯相对内包层的折射率差δn1呈类梯形分布，纤芯中任意一点的折射率分布与该点至纤芯中心的距离之间的关系满足：

11、

12、其中δn11为纤芯折射率最大值，位于纤芯区域中心位置；

13、δn10为纤芯折射率最小值，位于纤芯区域边缘位置；

14、δn11>δn10>0；

15、a为纤芯折射率分布最大区域的半径，r1/3<a＜2r1/3。

16、优选的，所述稀土掺杂大模场光纤，其所述纤芯相对于所述内包层的有效数值孔径范围为0.04-0.11；更优选的，其所述纤芯相对于所述内包层的有效数值孔径范围为0.05-0.08；

17、优选的，所述纤芯相对所述内包层在工作波长的光纤归一化频率常数(v值)≥3.0。

18、优选的，所述稀土掺杂大模场光纤，其所述纤芯中的稀土离子为镱离子，纤芯中还包括铝、磷、氟、铈等共掺元素；

19、优选的，所述稀土掺杂大模场光纤，其所述凹陷层为掺氟石英玻璃，掺氟量为0.1mol％～8mol％；

20、优选的，所述稀土掺杂大模场光纤，其所述外包层为纯石英玻璃，且为正八边形，其内切圆的半径范围62.5μm～400μm。

21、在选取中，所述内包层相对所述外包层的数值孔径的范围为0.20～0.50之间。

22、由于与以上所述相同的目的，本发明还提供了一种基于改进的化学气相沉积法结合溶液浸泡工艺用于制造上述稀土掺杂大模场光纤的方法，纤芯的折射率与稀土离子及共掺元素的浓度相关，在保证稀土离子局域环境和分散性的前提下，采用沿纤芯中心向外逐渐降低的稀土离子及共掺元素的办法，实现纤芯梯度折射率分布，具体包括以下步骤：

23、1.组分设计

24、根据光纤的结构设计，分别确定凹陷层和纤芯的掺杂元素和掺杂量。

25、凹陷层折射率率低于内包层纯石英，该部分的掺杂元素提供负折射率，优选的掺杂元素为f-元素；凹陷层的折射率由掺f-量决定。

26、纤芯的掺杂元素包括yb3+，al3+，p3+，f-，ce3+等，优选的纤芯组分为：xyb2o3·(mx)al2o3·(nx)p2o5·yf·[100-(1+m+n)x-y]sio2(0.1<x<0.4)；

27、其中x和y分别为yb3+和f-离子的掺杂量，

28、m，n为常数；mx和nx分别为al和p的掺杂量，与yb3+的含量成一定比例关系，提高yb3+的分散性；根据特定的需求可用部分ce3+替代yb3+。

29、掺杂元素对纤芯折射率的贡献：δn1＝c1(m,n)·x-c2·y；

30、其中c1(m,n)是与m、n相关的参量，表示yb/al/p元素对纤芯折射率的贡献；

31、c2表示f-元素对纤芯折射率的贡献。

32、分层掺杂时可通过逐步增加yb/al/p掺杂量，或通过调节f-的掺杂量形成梯度折射率分布；优选的通过调节yb/al/p掺杂量形成梯度折射率分布。

33、2.制备工艺

34、首先是在沉积管内制备凹陷层，该部分的掺杂元素只有f-；根据上一步确定的组分和目标光纤尺寸参数确定f-的掺杂量和凹陷层的沉积厚度；

35、其次是纤芯的制备，纤芯的制备过程中，在确定yb3+离子和al、p共掺元素配比之后，根据纤芯目标折射率和纤芯直径，确定分步掺杂沉积的层数和每一层沉积时各气体流量和浸泡时溶液浓度，形成纤芯梯度折射率分布；

36、将沉积了凹陷层和纤芯的沉积管径向塌缩成圆形预制棒；

37、拉伸和套管调节所述圆形预制棒的纤芯和包层比例，使其可满足设计目标要求；

38、将调节后的圆形预制棒进行加工，获得所需的包层直径和包层形状；

39、将加工好的光纤预制棒拉丝，并涂覆所述外包层和保护层，制成稀土掺杂且带有凹陷包层的双包层光纤。

40、有益效果：总体而言，通过本发明构思的以上技术方案与现有的技术相比，结合包层凹陷结构和纤芯梯度折射率分布设计，能够取得以下有益效果：

41、(1)纤芯梯度折射率分布，纤芯中心区域折射率高，边缘位置折射率低，增大基模和高阶模之间的有效折射率的差，降低二者间耦合的几率，另一方面在大模场光纤中，基模位于纤芯的中心区域位置，而高阶模则位于相对靠纤芯边缘的位置，纤芯梯度折射率分布对光纤的基模影响有限，但大幅降低了高阶模的有效数值孔径，增加了其实际使用时的弯曲损耗，抑制了高阶模的产生，两方面均有利于稀土掺杂大模场光纤模式不稳定阈值的提升；

42、(2)纤芯梯度折射率分布由掺杂元素的量控制，中心区域折射率高，稀土离子掺杂量多，边缘区域折射率低，稀土离子掺杂量少。基模主要分布在纤芯的中心区域，而高阶模主要分布在纤芯的边缘区域，纤芯掺杂梯度分布，使得基模的增益较大，而使高阶模增益相对较小，有利于大模场光纤中基模占主导，促进稀土掺杂大模场光纤模式不稳定阈值的提升；

43、(3)凹陷包层由于靠近高阶模所在区域而远离基模，该设计可以在对基模几乎不产生影响的情况下进一步减小高阶模有效折射率，增加高阶模的弯曲损耗，抑制模式不稳定性现象；甚至在一定的条件下，可以使得光纤从支持高阶模传输变成不支持高阶模传输，完全消除模式不稳定性现象；

44、(4)所述的高亮度稀土掺杂大模场光纤的设计和制作基于普通阶跃型稀土掺杂光纤的基础稍加改进，光纤结构简单，光纤的使用与原有双包层光纤一致，适用于规模化生产和使用。