本發(fā)明屬于光纖制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種摻稀土雙包層光纖及其制備方法。

背景技術(shù)：

光纖激光器是固體激光器的一種，是使用摻稀土光纖作為激光震蕩或放大增益介質(zhì)的激光器。不同稀土元素的摻雜在相應(yīng)的波長激發(fā)下能輻射不同波長的光，且能覆蓋很大的光譜范圍。通過在光纖的纖芯中摻雜稀土元素，如鐿Yb，鉺Er，釹Nd，鈥Ho，銩Tm等，獲得不同波長的增益激光輸出。光纖激光器相較于傳統(tǒng)的固體激光器具有更高的散熱性能、更高的轉(zhuǎn)換效率、更簡單更易于維護(hù)的光學(xué)系統(tǒng)以及更優(yōu)的輸出光束質(zhì)量，是近年來在激光技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最多、關(guān)注最廣且市場占有比例越來越高的熱點技術(shù)之一。

早期的光纖激光器所使用的摻稀土光纖使用了單包層設(shè)計，對于單模光纖激光器就要求注入纖芯的泵浦光為單模，這個條件極大的限制了泵浦光的注入效率和功率，難以提升光纖激光器的輸出功率。直到Sintzer提出包層泵浦和雙包層光纖的概念，徹底改變了光纖激光器的格局，極大的促進(jìn)了光纖激光器技術(shù)的發(fā)展。隨著光纖激光器功率的提升，其在材料加工、醫(yī)學(xué)以及科研包括軍事領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。

雙包層光纖的設(shè)計中使用外層的低折涂層(或是摻氟玻璃層)限制泵浦光在內(nèi)包層傳輸，增加內(nèi)包層的面積，顯著提高泵浦光注入功率，但是使用圓形內(nèi)包層設(shè)計會明顯降低泵浦光的吸收利用率。這是由于完全對稱的圓形內(nèi)包層中會形成大量的螺旋光，始終無法穿越摻雜纖芯，不能被稀土離子吸收轉(zhuǎn)換。為了提高包層的吸收效率，破壞包層中的螺旋光是行之有效的方法，在當(dāng)前商用的雙包層摻稀土光纖中，如摻Tm，Yb，Ho，Er或是雙摻雜如Yb/Er雙包層光纖中，內(nèi)包層的形狀一般不采用高度對稱的圓形包層，多采用異形非對稱的內(nèi)包層，如采用八邊形內(nèi)包層為最多，也有采用梅花八邊形，較少采用的D型包層(如圖7所示為傳統(tǒng)的D型光纖內(nèi)包層橫截面示意圖)、六邊形包層以及矩形包層都只在研究中少量使用。非圓內(nèi)包層可以很大程度的改善光纖對泵浦光的利用效率，減少光纖使用長度，降低非線性效應(yīng)，降低光纖激光器的制造成本，提升光纖激光器的綜合性能。

現(xiàn)有商用雙包層光纖中多使用八邊形內(nèi)包層結(jié)構(gòu)，少數(shù)使用梅花形內(nèi)包層結(jié)構(gòu)，兩種內(nèi)包層結(jié)構(gòu)能明顯的優(yōu)化雙包層光纖的泵浦效率，但都存在一定的不足。例如梅花形內(nèi)包層的雙包層光纖泵浦利用效率高，但是對石英預(yù)制棒進(jìn)行光學(xué)加工打磨的技術(shù)要求卻較高，不容易控制內(nèi)凹的形狀，打磨精度控制難。而八邊形內(nèi)包層的加工難度雖小，但是八個面單獨打磨，需確保打磨不偏心，而且光學(xué)加工八個面磨拋次數(shù)多，時間長，由于預(yù)制棒存在一定的應(yīng)力，打磨開裂的機率也較大，且打磨需要使用金剛砂或磨拋粉等顆粒物，可能造成表面的不潔凈，使得拉制光纖后的損耗增加。八邊形或梅花形打磨棱角分明，加工困難，而且對拉絲后的光纖強度有不利的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供了一種摻稀土雙包層光纖及其制備方法，該光纖具有非圓異形內(nèi)包層設(shè)計，能夠在保持原有預(yù)制棒制備工藝不變的前提下，簡化預(yù)制棒的光學(xué)加工拋磨工藝，降低拋磨時間，減少拋磨面，改善光纖強度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種摻稀土雙包層光纖，包括摻雜稀土離子的纖芯、內(nèi)包層以及外包層，其中所述內(nèi)包層的橫截面為包含至少兩個弓形缺口的非圓平面，其中所述至少兩個弓形缺口互不相連。

本發(fā)明的一個實施例中，所述纖芯部分折射率n₁與內(nèi)包層折射率n₂之間的關(guān)系為：(n₁²-n₂²)^1/2的范圍在0.01-0.25之間。

本發(fā)明的一個實施例中，所述內(nèi)包層折射率n₂與外包層折射率n₃之間的關(guān)系為：(n₂²-n₃²)^1/2的范圍在0.2-0.5之間。

本發(fā)明的一個實施例中，所述纖芯摻雜的稀土離子，包括Tm、Yb、Ho和Er中的一種或兩種。

本發(fā)明的一個實施例中，所述內(nèi)包層為石英基質(zhì)，折射率為1.4573，測試波長為632nm。

本發(fā)明的一個實施例中，所述內(nèi)包層的橫截面為包含四個相同弓形缺口的非圓平面。

本發(fā)明的一個實施例中，所述四個相同弓形缺口對稱分布在所述非圓平面上。

本發(fā)明的一個實施例中，所述弓形缺口高度與內(nèi)包層的圓直徑之比為0.01-0.05。

按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種摻稀土雙包層光纖的制備方法，包括：

采用氣相沉積法或溶液法或溶膠凝膠法制備摻雜有稀土元素的圓形石英預(yù)制棒；

調(diào)節(jié)圓形石英預(yù)制棒的直徑，使其滿足預(yù)設(shè)纖芯直徑與內(nèi)包層直徑比例；

在圓形石英預(yù)制棒的側(cè)面進(jìn)行光學(xué)加工打磨，得到橫截面為包含至少兩個弓形缺口的非圓形狀的石英預(yù)制棒；

將所述石英預(yù)制棒拉絲，并在玻璃外涂覆涂料形成外包層，得到摻稀土雙包層光纖。

本發(fā)明的一個實施例中，所述石英預(yù)制棒的橫截面為包含四個相同且對稱分布的弓形缺口的非圓平面，所述弓形缺口高度與內(nèi)包層的圓直徑之比為0.01-0.05。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)傳統(tǒng)的D型光纖，需要在圓形光纖的基礎(chǔ)上磨削掉的部分較大，而本發(fā)明提供的雙包層光纖只需要在圓形光纖拋磨掉少量的部分，具有與D型光纖一樣的破壞螺旋光的功能，在包層泵浦光的吸收利用效率接近，具有同等水平；

(2)傳統(tǒng)的正八邊形光纖，需要在圓形光纖預(yù)制棒的側(cè)面打磨形成8個面使得預(yù)制棒截面成為正八邊形，進(jìn)行8個面的拋磨增加了研磨拋光時間，增大污染光纖的風(fēng)險，增加預(yù)制棒打磨因應(yīng)力炸裂的風(fēng)險，同時8個面保持同樣的公差，維持摻雜區(qū)域不偏心對打磨夾具，旋轉(zhuǎn)角度等要求高，而本發(fā)明雙包層光纖僅需要在兩個垂直的面打磨多個平面即可，更少的打磨次數(shù)，更短的打磨時間能提高成棒的效率，降低由于打磨帶來的預(yù)制棒炸裂和被污染的風(fēng)險；且具有和正八邊形光纖一樣的破壞螺旋光的功能，在包層泵浦光的利用效率接近，具有同等水平；本發(fā)明光纖外沿沒有正八邊形棱角分明，拉絲過程中絲徑測量儀測試更準(zhǔn)，波動更小，精度更好控制，拉絲穩(wěn)定性高于正八邊形光纖；

(3)傳統(tǒng)的梅花形包層，需要在圓形光纖預(yù)制棒的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)致的不規(guī)則面打磨拋光，對于光學(xué)加工的要求太高，精度控制難度大，而本發(fā)明雙包層光纖僅需要在預(yù)制棒側(cè)面打磨形成不連續(xù)的2至8個平面即可，更少的打磨次數(shù)，更短的打磨時間能提高成棒的效率，降低由于打磨帶來的預(yù)制棒炸裂和被污染的風(fēng)險，工藝控制簡單，成本低；且其包層泵浦光吸收效率與正八邊形光纖相當(dāng)；

(4)本發(fā)明相對現(xiàn)有商用的雙包層光纖，可靠性和光學(xué)性能進(jìn)行了優(yōu)化，制造成品率有明顯優(yōu)勢，簡化了光纖的制備工藝，適用于規(guī)?；纳a(chǎn)；

(5)對于本發(fā)明實施例提供的4D型雙包層光纖，僅需要在兩個垂直的面打磨4個平面即可，并且具有對稱性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中雙包層光纖折射率剖面示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中4D內(nèi)包層橫截面示意圖(中心圓形部分為摻稀土纖芯，a2/a3＝0.924，對應(yīng)弓形缺口高度與內(nèi)包層的圓直徑之比為0.038)；

圖3為本發(fā)明實施例中4D內(nèi)包層橫截面示意圖(中心圓形部分為摻稀土纖芯，a2/a3＝0.90，對應(yīng)弓形缺口高度與內(nèi)包層的圓直徑之比為0.05)；

圖4為本發(fā)明實施例中4D內(nèi)包層橫截面示意圖(中心圓形部分為摻稀土纖芯，a2/a3＝0.98，對應(yīng)弓形缺口高度與內(nèi)包層的圓直徑之比為0.01)；

圖5為比較例中八邊形內(nèi)包層橫截面示意圖(中心圓形部分為摻稀土纖芯)；

圖6為本發(fā)明實施例為具有不同弓形缺口高度的4D型20/130摻鐿雙包層光纖，915nm的泵浦光在纖芯的歸一化能量分布百分比；

圖7為傳統(tǒng)的D型光纖內(nèi)包層橫截面示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

為方便介紹本發(fā)明技術(shù)方案，首先對本發(fā)明中的相關(guān)術(shù)語進(jìn)行定義和解釋如下：

芯層：是光纖中間折射率較高的部分，為圓形，是光纖中信號光的導(dǎo)光層，折射率為n₁；

內(nèi)包層：緊靠纖芯的部分，折射率為n₂，一般為石英基質(zhì)，折射率為1.4573；

外包層：光纖中靠近內(nèi)包層的低折射率部分，為低折射率涂層或摻氟層，折射率為n₃；

a₁：芯層直徑，單位為微米(μm)；

a₂：本發(fā)明實施例中以4D形內(nèi)包層為例，兩平行平面之間的距離為a₂，單位為微米(μm)；

a₃：內(nèi)包層圓形直徑為a₃，單位為微米(μm)。

如圖1所示為本發(fā)明實施例中雙包層光纖折射率剖面示意圖，如圖所示，芯層、內(nèi)包層及外包層的折射率的關(guān)系為：n₁>n₂>n₃。

如圖2所示，本發(fā)明提供了一種摻稀土雙包層光纖，包括摻雜稀土離子的纖芯、內(nèi)包層以及外包層，其中所述內(nèi)包層的橫截面為包含至少兩個弓形缺口的非圓平面，其中所述至少兩個弓形缺口互不相連。

其中，所述光纖纖芯部分折射率為n₁，內(nèi)包層折射率為n₂，一般為石英基質(zhì)，折射率為1.4573，測試波長632nm。(n₁²-n₂²)^1/2的范圍在0.01-0.25之間，其中纖芯摻雜稀土離子，包括Tm，Yb，Ho，Er或是雙摻雜如Yb/Er等。

所述光纖外包層折射率為n₃，一般為摻F石英或者是塑料涂層，(n₂²-n₃²)^1/2的范圍在0.2-0.5之間。

所述光纖最外層為保護(hù)層，一般折射率為1.5左右。

泵浦光主要在內(nèi)包層傳輸，現(xiàn)有技術(shù)中的D型內(nèi)包層是指雙包層光纖的內(nèi)包層有且僅有一面為平面，其余均為圓形。如圖2所示，在本發(fā)明實施例中，所述內(nèi)包層的橫截面為包含四個相同弓形缺口的非圓平面(簡便起見，本發(fā)明實施例中將所述光纖稱為4D雙包層光纖)，并且所述四個相同弓形缺口對稱分布在所述非圓平面上。需要說明的是，包括不同纖芯摻雜離子的所有的4D雙包層光纖，以及類推的3D、5D、6D、7D等均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

所述內(nèi)包層的橫截面上弓形缺口高度與內(nèi)包層的圓直徑之比為0.01-0.05。此處弓形缺口高度即弓形的弦高(從圓心向弦作垂線，垂線被弦和弧所截的線段的長，稱為弓形的高)。

進(jìn)一步地，為了制備上述摻稀土雙包層光纖，可以對現(xiàn)有制備工藝進(jìn)行改進(jìn)，具體地，包括：氣相沉積法或溶液法或溶膠凝膠法制備摻雜有稀土元素的圓形石英預(yù)制棒；調(diào)節(jié)圓形石英預(yù)制棒的直徑，使其滿足預(yù)設(shè)纖芯直徑與內(nèi)包層直徑比例；在圓形石英預(yù)制棒的至少兩個任意垂直面通過光學(xué)加工打磨，得到橫截面為包含至少兩個弓形缺口的非圓平面的石英預(yù)制棒；將所述石英預(yù)制棒拉絲，并在玻璃外涂覆涂料形成外包層，得到摻稀土雙包層光纖。

下面為一制備4D雙包層光纖摻稀土雙包層光纖的具體工藝過程，包括：采用氣相沉積法，溶液浸泡法制備有摻雜稀土元素包括Tm，Yb，Ho，Er或是雙摻雜如Yb/Er等的圓形石英預(yù)制棒；經(jīng)過套管水平或者垂直拉伸，腐蝕等工藝調(diào)節(jié)圓形預(yù)制棒直徑，是預(yù)制棒滿足特定纖芯直徑與內(nèi)包層直徑比例的預(yù)制棒；在圓形預(yù)制棒的兩個任意垂直面通過光學(xué)加工打磨，拋光的方法打磨出4個相同的平面，且精確控制互相平行的兩面間距；經(jīng)過拉絲塔高溫拉絲，并在玻璃外涂覆折射率為n₃的內(nèi)層涂料，形成4D型雙包層摻稀土光纖。

如圖6，以20/130的雙包層光纖為例，不同弓形缺口與內(nèi)包層的圓直徑之比，波長為915nm的泵浦光在20um的纖芯中歸一化能量分布占比測試結(jié)果，由結(jié)果可知，圖5中八邊形包層對應(yīng)弓形缺口與內(nèi)包層的圓直徑之比0.025，波長為915nm的泵浦光在20um的纖芯中歸一化能量分布占比為10.374％，與4D包層的差異很小，說明4D在破壞螺旋泵浦光的作用與八邊形一致，甚至更優(yōu)。如圖3，2，4分別是弓形缺口高度與內(nèi)包層的圓直徑之比分別為0.05，0.038，0.005的示意圖。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。