[发明专利]一种稀土掺杂玻璃光纤及其制备方法

说明书

本发明提供一种稀土掺杂玻璃光纤及其制备方法，利用材料的导热系数随掺杂离子浓度的降低而增大的机制，在光纤中建立低掺杂导热通道，加快散热，避免热量在纤芯中心积累，有效防止热透镜效应的生成，减少对材料的光损伤，使输出光束质量和输出功率均得到提高。

技术领域

本发明涉及光纤制备技术领域，尤其涉及一种稀土掺杂玻璃光纤及其制备方法。

背景技术

2μm激光被称为“人眼安全”激光，在医疗手术、大气监测、激光雷达、遥感等领域具有广泛前景。随着光纤制作工艺的发展，以光纤为基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面取得显著进步，成为目前激光领域的新兴技术，受到社会各方面的广泛重视。其中单频光纤激光器，具有输出相干长度长、噪声低、结构紧凑等诸多优点，在相干光通信和原子捕获、非线性频率转换和高精度光谱测量等领域有着非常广泛的应用前景。

掺铥光纤激光作为一种新型的高功率激光，它利用掺铥石英光纤作为增益介质，工作波长在2μm，处于人眼安全波长范围。随着光纤设计和制备工艺的改进以及半导体激光泵浦技术的发展，2μm波段掺铥光纤激光器得到了快速发展。掺铥光纤激光器由于可提供波长在2μm左右的长波激光振荡，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。同时掺铥光纤激光器作为产生3～5μm中红外激光的高效泵浦源也引起了人们的广泛关注。

光纤激光器的输出功率主要受到热损伤的限制，光纤中产热的本质原因是：泵浦光转化为激光时，由于能级不同，泵浦光子和激光信号光子能量存在差异，这部分激发态能量通过无辐射跃迁或交叉弛豫过程释放，这将导致能量的残余并沉积在光纤中产热，即量子亏损过程。热量在光纤中的积累可造成热透镜，纤芯熔化甚至光学放电等效应。专利文献CN101728758B提出了一种激光晶体由至少两块掺杂浓度不同的晶体前后间隙排列而成的技术方案，来减少热效应。然而这种掺杂结构会导致晶体内部泵浦光入射方向能量吸收不均匀，在晶体内部形成温度梯度效应、端面形变热透镜效应、双折射效应等，这些热效应限制了激光工作晶体对入射光吸收效率的提高，同时限制了激光器输出功率的提升。热透镜效应是指激光介质被泵浦时，由于外围有散热流体，即冷却水进行冷却，所以中心温度比周围高，膨胀最厉害，形成温度梯度，进而形成折射率梯度，当光通过时，向中心汇聚，与透镜的情况几极为相似，故称为热透镜效应。热透镜效应是各种热效应中对光束质量影响最大的。纤芯熔化是由于热量积累使得纤芯温度达到石英熔化温度，造成纤芯熔化失去传光能力。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种掺杂玻璃光纤及其制备方法，利用材料的导热系数随掺杂离子浓度的降低而增大的机制，在光纤中建立低掺杂导热通道，加快散热，避免热量在纤芯中心积累，有效防止热透镜效应的生成，减少对材料的光损伤，使输出光束质量和输出功率均得到提高。

本发明提供一种稀土掺杂玻璃光纤，其特征在于，所述光纤包括稀土掺杂纤芯和套设于纤芯表面的包层，掺杂纤芯沿中心轴往外形成低掺杂通路，所述低掺杂通路在所述纤芯的横截面形成穿过中心的一条或多条直线、曲线或其组合。

优选，所述包层包括内包层和外包层，所述内包层中掺杂氧化铝或氧化锗，提高内包层的折射率，减小纤芯的数值孔径，套设在所述内包层表面的外包层包括二氧化硅。

优选，所述低掺杂通路为放射状。

优选，所述低掺杂通路为螺旋状。

优选，所述掺杂纤芯的掺杂离子为稀土离子。

优选，所述稀土离子为铥离子。

优选，纤芯螺旋通路以外的部分掺杂浓度由内向外递增。

优选，所述掺杂纤芯的掺杂离子分布方式为渐变曲线型。

优选，所述渐变曲线型包括：抛物线型、高斯型或者双曲正割线型。