[发明专利]超大模面积偏磷酸盐光纤的组成及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属光学材料和激光技术领域，具体涉及一种超大模面积偏磷酸盐光纤的组成及其制备方法。

背景技术

高功率光纤放大器和激光器在激光加工等领域具有十分广泛的应用。在高功率的抽运下，当光纤芯径较小时，纤芯和光纤端面容易产生灾难性光学损伤；而当光纤芯径较大时，光纤由于受激拉曼散射和受激布里渊散射会产生严重的非线性效应，从而影响激光输出的光束质量。

采用光纤并束技术或者大模场光纤，理论上可以避免上述因素引起的制约，但目前已实现的单模激光输出的阶跃型大模场光纤的芯径最大仅为40μm，而光子晶体光纤最大芯径为100μm，当纤芯直径大于100μm，近场衍射会严重影响激光器的光束质量。

此外，光纤并束技术也未取得突破性进展。因此，开发一种超大模面积、单模激光输出光纤意义重大。

传统技术中，实现大模场光纤主要采用减小数值孔径和设计光纤折射率分布等方法。减小数值孔径将会导致导光效应变弱、损耗增加；设计光纤折射率分布可能会带来多模振荡问题；这两种方法都是通过设计光纤结构来获得大模场面积，目前可以实现的模场面积只有几百平方微米。因此，要实现模场直径100μm以上，且同时满足单模传输特性，传统上设计的光纤结构难以实现。

2003年Siegman提出了一种新概念光纤，即增益导引——折射率反导引型光纤(gain-guided，index-antiguided，GG+IAG)。这种光纤的纤芯折射率小于包层折射率(Δn＜0)，而普通单模光纤的纤芯折射率大于包层折射率。

因此，在GG+IAG光纤纤芯和包层界面处，光不能按照全内反射原理传输。GG+IAG光纤中纤芯传输的光大部分泄漏到包层中，同时纤芯中的增益介质将光信号放大，以补偿泄漏损耗。

2006年国外已研制出掺Nd³⁺磷酸盐GG+IAG光纤，并于2007年实现了侧面泵浦和端面泵浦的单模激光输出，其纤芯直径为100μm～400μm。

发明内容

本发明提供一种超大模面积偏磷酸盐光纤的组成及其制备方法，主要解决了现有技术中的光纤无法同时满足模场直径100μm以上和单模传输特性的问题。

本发明的技术解决方案如下：

该偏磷酸盐光纤的纤芯，它的配方按摩尔百分比计含有：

本发明上述较适宜的配方按摩尔百分比计含有：

本发明上述较佳的配方按摩尔百分比计含有：

以上所述氧化铝、氧化钾、氧化钡、氧化钙、氧化镁均以相应的偏磷酸盐形式引入，纯度大于99.6％；所述的稀土氧化物是氧化镱、氧化铒、氧化钕或氧化铥任一替换，以氧化镱为最佳，纯度大于99.99％。

该偏磷酸盐光纤的包层配方按摩尔百分比计含有：

上述较佳的配方按摩尔百分比计含有：

该超大模面积偏磷酸盐光纤制备的方法，包括以下步骤：

(1)制备纤芯预制棒

将原料混合均匀后逐次加入石英坩埚中加热，加热温度为850～900℃，加热时间为1.0～1.5h，然后再将熔融体倒入Pt埚中加热，加热温度为950～1050℃，加热时间为2.5～3.5h，期间向玻璃液中不断通入POCl₃，经搅拌、澄清、均化得到高温均化的玻璃液；温度降低至700～800℃后，将高温均化的玻璃液浇注于模具内，浇注完成后进行精密退火处理，退火温度为400～450℃，退火完成后再以1.5～2℃/min降温至室温，经处理得到偏磷酸盐光纤纤芯预制棒；

(2)制备包层预制棒

根据制备纤芯预制棒选定的原料确定包层预制棒的原料，将原料混合均匀后，依据步骤(1)制备纤芯预制棒的制备方法，制备包层预制棒；

(3)合成光纤

将对纤芯预制棒和包层预制棒进行套接、熔合、表面加工和拉丝处理，得到偏磷酸盐光纤。

以上所述步骤(3)合成光纤的拉丝处理中，拉丝温度为500～540℃，进料速度为1～2mm/min，拉丝速度为5～10cm/min。

以上所述步骤(1)制备增益纤芯预制棒时，加热是先放入石英坩埚内由硅碳棒进行加热，加热温度为850～900℃，加热时间为1.0～1.5h；后放入Pt埚内由硅碳棒进行加热，加热温度为950～1050℃，加热时间为2.5～3.5h。

以上所述步骤(1)制备增益纤芯预制棒时，不断通入POCl₃，以消除玻璃中的OH^-，提高Yb³⁺的荧光寿命。

本发明的优点在于：