一种高功率包层泵浦单模输出多芯光纤及其制作方法技术

高功率包层泵浦单模输出多芯光纤结构特点是包层内存在多个相互平行的结构一致的增益介质纤芯，增益介质纤芯按照均匀格点或非均匀格点方式排列，相邻增益介质纤芯间间距为纤芯直径三倍到１０倍。制作方式分备料、拉制成芯棒、低真空制作预制棒和拉丝塔拉丝等五个步骤。该光纤在大包层内多个纤芯平行排列的结构，为提高泵浦光的利用率提供了便利。另一方面，也为振荡器的注入锁定提供了基础。由于每个纤芯单模输出相互相干，本发明专利技术在一定范围内可大大突破目前大功率光纤激光器激光输出的功率水平。由于大包层内可以将数根甚至数百根纤芯这样平行排列，不只是输出更大的功率，还可有效地增大模场半径，减小输出激光的发散角，使输出方向性更好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，是高功率光纤激光器用增益光纤领域。
技术介绍
由于在空间光通信、激光武器、激光加工、切割、焊接、激光打标、生物工程和医疗等各个领域展现的应用潜力，高功率光纤激光器已成为国内外的研究热点。国内有上百家研究单位都在从事高功率光纤激光器的研究工作，但研制高功率光纤激光器用的增益光纤都是从国外购买，而且采用的泵浦方式多是端面泵浦，限制了泵浦功率的提高，泵浦源的成本高，例如要获得一千瓦的功率输出泵浦源需100万元。国外以IPG为代表的大公司在高功率光纤激光器上投入了大量的财力。近年来出现的双包层侧泵技术，使高功率泵浦光在双包层光纤的内包层中一边向前传输一边耦合到光纤纤芯，对光纤纤芯内增益介质进行激励，可大大提高泵浦光的功率水平和利用率。高功率光纤激光器输出激光功率由光纤纤芯输出，其功率密度一般被限制在1W/μm2以下，为获得高功率输出必须增大双包层光纤纤芯的截面积。在光纤折射率剖面函数确定的情况下，增加纤芯截面积会导致激光器多模输出，这样的激光器既不能用于精密的激光加工，更不能用于激光武器。也就是说，使用单根双包层光纤的光纤激光器可获得的单模激光输出功率被限制在较低水平，而且光纤激光器输出激光相对独立，无法实现相干叠加增强。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，有效提高光纤激光器的功率输出水平，本专利技术提出，所采用的技术方案如下高功率包层泵浦单模输出多芯光纤，包括纤芯、包层和低折射率涂层、增强涂层，其特征是包层内存在多个相互平行的结构一致的增益介质纤芯，增益介质纤芯按照均匀格点方式或非均匀格点方式排列，均匀格点方式是或为三角格子或为四方格子或为六方格子的排列方式，相邻增益介质纤芯间间距为纤芯直径的三倍到十倍。增益介质纤芯为均匀掺杂的石英毛细柱，石英毛细柱的掺杂物为铒或为镱或为铥或为钕或为铥和钬共掺。该高功率包层泵浦单模输出多芯光纤制作方法，包括步骤如下步骤一加工增益介质掺杂纤芯棒，使增益介质掺杂纤芯棒纤芯与包层的同柱心误差小于纤芯直径的±5％，使包层直径加工误差小于纤芯直径的±5％；步骤二加工后的增益介质掺杂纤芯棒上拉丝塔拉细，拉制成芯棒；步骤三截取相同长度芯棒若干，一端对齐，按照均匀格点或非均匀格点方式排列形成芯棒束装入预制棒套筒，空隙处用细棒填充，然后利用高温加热缩棒方法使之实心化，再套上预制棒外套筒，再经缩棒使之实心化，得到实心预制棒，为将空隙处空气排走，在缩棒过程中抽100-2000帕低真空；步骤四实心预制棒上拉丝塔拉丝，同时裸光纤外涂覆低折射率光纤涂料和增强涂料。本专利技术具有非常显著的有益效果 首先，在大包层内多个纤芯平行排列的结构，为半导体激光堆的侧向泵浦方式提供了便利，可实现一个泵浦源泵浦多个增益纤芯，而每个纤芯间距为单个纤芯直径的三倍到十倍，所以每个增益纤芯形成一个独立的激光增益介质区，可极大地提高泵浦光的利用率。另一方面，用同一束种子光可以同时注入激励多个平行排列纤芯的增益介质，实现所有纤芯的模式的锁定，使其激光束输出相互相干，便于合束。其次，在每个纤芯内激光功率不超过材料的功率容限情况下，由于多个纤芯平行排列，每个纤芯单模输出相互相干，本专利技术在一定范围内可大大突破目前大功率光纤激光器激光输出的功率水平。由于可以将数根甚至数百根纤芯这样平行排列处理，不只使输出更大的功率，还可有效地增大模场半径，减小输出激光的发散角，使输出方向性更好，大幅度提高双包层光纤激光器和放大器的输出功率、输出效率及泵浦效率。附图说明图1为本专利技术第1实施例的高功率包层泵浦单模输出三角格子多芯掺镱石英光纤结构示意图。图2为本专利技术第1实施例的高功率包层泵浦单模输出三角格子多芯掺镱石英光纤横截面实物图。图3为本专利技术第1实施例的增益介质掺杂石英纤芯棒横截面结构示意图。图4为本专利技术第1实施例的芯棒7横截面结构示意图。图5为本专利技术第1实施例的芯棒7束装入预制棒套筒9并以石英细棒8填充空隙后的横截面结构示意图。图6为本专利技术氢氧焰高温加热缩棒方法制实心棒10工艺示意图。图7为本专利技术氢氧焰高温加热缩棒方法制实心预制棒12工艺示意图。图8为本专利技术拉丝塔将实心预制棒12拉丝同时裸光纤13外涂覆低折射率光纤涂料工艺示意图。图9为本专利技术第2实施例的高功率包层泵浦单模输出四方格子多芯掺铒石英光纤结构示意图。图10为本专利技术第2实施例的芯棒7束装入预制棒套筒9并以石英细棒8填充空隙后的横截面结构示意图。图中掺增益介质的纤芯1，包层2，低折射率涂层3，增强涂层4，增益介质掺杂芯棒纤芯5，增益介质掺杂芯棒包层6，芯棒7，细棒8，预制棒套筒9，实心棒10，预制棒外套筒11，实心预制棒12，裸光纤1具体实施方式实施例1一种高功率包层泵浦单模输出三角格子多芯掺镱光纤，结构如图1所示，实物如图2所示。该高功率包层泵浦单模输出三角格子多芯掺镱光纤，包括掺镱石英纤芯1、石英包层2和低折射率涂层3、增强涂层4，其结构特征是包层11内多个结构一致的掺镱纤芯1相互平行、按照三角格子方式排列，相邻掺镱纤芯1间距等于三倍纤芯1的直径。该高功率包层泵浦单模输出三角格子多芯掺镱光纤使用如下步骤制作步骤一采用化学气相沉积技术结合溶液掺杂技术制备出具有高吸收系数的纤芯掺镱的增益介质掺杂石英纤芯棒，如图3所示，然后对石英增益介质掺杂纤芯棒包层6进行外圆磨工艺加工，减小外径，使石英增益介质掺杂纤芯棒包层6与增益介质掺杂芯棒纤芯5的直径之比值为3，并使石英增益介质掺杂纤芯棒纤芯5与增益介质掺杂芯棒包层6的同柱心误差小于纤芯直径的±5％，使增益介质掺杂芯棒包层6直径加工误差小于增益介质掺杂芯棒纤芯5直径的±5％。步骤二加工后的石英增益介质掺杂纤芯棒上拉丝塔拉细，拉制成芯棒7，如图4所示。步骤三截取相同长度芯棒7若干，一端对齐，按照均匀排列方式形成芯棒7束装入高纯石英预制棒套筒9，空隙处用石英细棒8填充，如图5所示；然后，利用氢氧焰高温加热缩棒方法使之实心化，制成实心棒10，如图6所示。再将实心棒10套上高纯石英预制棒外套筒11，再经缩棒使之实心化，得到实心预制棒12，如图7所示。为将空隙处空气排走，在缩棒过程中抽气压值为100帕的低真空。步骤四实心预制棒12上拉丝塔拉丝，如图8所示，同时裸光纤13外涂覆室温下折射率为1.37的低折射率光纤涂料3和增强涂层4。实施例2一种高功率包层泵浦单模输出四方格子多芯掺铒光纤，结构如图9所示。该高功率包层泵浦单模输出四方格子多芯掺铒光纤，包括掺铒石英纤芯1、石英包层2和低折射率涂层3、增强涂层4，其结构特征是包层11内多个结构一致的掺铒石英纤芯1相互平行、按照四方格子方式排列，相邻掺铒石英纤芯1间距等于纤芯1直径的十倍。该高功率包层泵浦单模输出四方格子多芯掺铒光纤使用如下步骤制作步骤一采用化学气相沉积技术结合溶液掺杂技术制备出具有高吸收系数的纤芯掺铒的增益介质掺杂石英纤芯棒，如图3所示，然后对石英增益介质掺杂纤芯棒包层6进行腐蚀抛光法加工，减小外径，使石英增益介质掺杂纤芯棒包层6与增益介质掺杂芯棒纤芯5的直径之比值为3，并使石英增益介质掺杂纤芯棒纤芯5与增益介质掺杂芯棒包层6的同柱心误差小于纤芯直径的±5％，使增益介质掺杂芯棒包层6直径加工误差小于增益介质掺杂芯棒纤芯5直径的±5％。步骤二加工后的石英增益介质掺杂纤芯棒上拉丝塔拉细，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率包层泵浦单模输出多芯光纤，包括纤芯、包层和低折射率涂层、增强涂层，其特征是：包层内存在多个相互平行的结构一致的增益介质纤芯，增益介质纤芯按照均匀格点或非均匀格点方式排列，相邻增益介质纤芯间间距为纤芯直径的三到十倍。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：简伟，郑凯，魏淮，傅永军，王琳，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]