[发明专利]一种稀土掺杂光纤预制棒及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺杂光纤预制棒及其制备方法。所述预制棒内至外包括掺杂芯层、第一石英包层、以及第二石英包层；第二石英包层相对于第一石英包层的数值孔径在0.1至0.24之间；所述第二石英包层截面外形呈圆形。其按照如下方法制备：(1)将掺杂芯层用第一石英包层材料包裹并拉伸至截面面积比与第二石英包层截面面积比相匹配，将其截面加工成预定外形，获得预制棒半成品；(2)将预制棒半成品，用第二石英包层材料包裹，并将其截面加工成圆形，获得所述掺杂光纤预制棒。本发明提供的光纤预制棒便于拉丝成型同时泵浦光泄露大幅降低，其制备方法能保证所述预制棒的几何同心性，提高光纤生产批次之间的一致性。

技术领域

本发明属于光纤激光技术领域，更具体地，涉及一种激光器用稀土掺杂光纤预制棒及其制备方法。

背景技术

光纤激光器是一种利用光纤作为激光增益介质的激光器，通过在光纤石英基质中掺杂不同的稀土离子，得到不同波段的激光输出。光纤激光器因具有光束质量高、比表面积大、散热好、转换效率高、体积小、结构紧凑、易于维护等优点，在工业加工、医疗、军事以及通信等多领域得到广泛应用。

早期使用的都是单包层掺稀土光纤，要求泵浦光直接注入到纤芯中，当泵浦功率逐渐增加的时候，通常只有几十μm的纤芯很难进一步提高泵浦光注入效率和功率。通过在传统的光纤纯石英包层的外面涂覆一定厚度的低折射率涂料(其折射率从1.3到1.4)，向包层注入更多的多模泵浦光，然后再通过全反射耦合进掺杂芯层，极大地提高泵浦光注入效率和功率。目前采用该设计方案的双包层光纤，尤其是掺镱双包层光纤，包层直径达400μm，可以实现单纤激光输出数千瓦，甚至达万瓦级别。而其他掺稀土光纤，如掺铥，铒等双包层光纤也能达到数千瓦的激光输出。

同时这种双包层光纤，通过向包层注入多模泵浦光，在低NA和小尺寸的掺稀土纤芯(通常纤芯大小10μm或者20μm)中转换为模式更好、功率更高的特定波长的激光。为了获得更高的激光转换效率，其石英包层往往采用非圆形的截面以破坏其对称形，使得更多泵浦光注入纤芯，从而被纤芯吸收转换为需要的激光输出。在双包层光纤中，以纯石英玻璃为内包层，以掺氟丙烯酸树脂涂料为外包层。由于掺氟丙烯酸树脂涂料具有超低的折射率(折射率在1.3左右)，注入到内包层的泵浦光在内包层与外包层界面处发生全反射。但界面并不是完全的镜面，同时有部分的泵浦光会以倏逝波的形式在掺氟丙烯酸树脂中传播，当经过长时间的激光辐射时，过高的温度、激光辐射以及水汽的侵入都会使得低折射率涂料发生老化。在高功率激光器中，该老化速度将加快。当低折射率涂层发生老化时，其绝对折射率会升高、与玻璃包层的附着力会降低，同时出现剥离脱落、产生微裂纹等情况，影响了光纤的增益性能，严重时会出现漏光，使光纤烧毁，甚至损坏掉光纤激光器的其他器件，包括合束器，泵浦源，隔离器等。

另外，将非对称的光纤预制棒拉制成符合要求的光纤难度较大，现有的技术条件下光纤的几何参数难以控制，尤其是丝径的控制和拉丝张力的测量都出现不稳定性，丝径的波动带来光纤熔接损耗，张力的波动会造成光纤的强度变差、损耗变大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光器用稀土掺杂光纤预制棒及其制备方法。通过在不规则的石英包层外加上一层截面外形为圆形的低折石英包层，从而解决非圆形预制棒拉丝丝径与张力波动导致光纤参数差异大的问题，同时减少泵浦光泄露、延长光纤使用寿命。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种稀土掺杂光纤预制棒，由内至外包括掺杂芯层、第一石英包层、以及第二石英包层；

所述第二石英包层相对于第一石英包层的数值孔径在0.1至0.24之间；

所述第二石英包层截面外形呈圆形。

优选地，所述稀土掺杂光纤预制棒，其第一石英包层截面外形为非圆形。

优选地，所述稀土掺杂光纤预制棒，其第一石英包层截面外形呈4D、D型、八边形、六边形、梅花型、正方形、或长方形。