專利名稱：側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖激光器和光纖放大器，具體地指一種用于光纖激光器和光纖放大器的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著高功率光纖耦合技術(shù)和泵浦技術(shù)的迅猛發(fā)展，高功率光纖激光器和高功率光纖放大器在激光材料加工、國防軍事、激光醫(yī)療以及科學(xué)研究等領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步，并展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景，成為二十一世紀(jì)以來的研究熱點(diǎn)。目前單根光纖的輸出功率已經(jīng)在千瓦量級，此項(xiàng)技術(shù)包含了泵浦光源技術(shù)、電源技術(shù)、熱管理技術(shù)、光纖技術(shù)，以及非常關(guān)鍵的泵浦技術(shù)。其中除了泵浦光源技術(shù)外，泵浦技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高性能光纖激光器和光纖放大器的關(guān)鍵和瓶頸。泵浦技術(shù)一般來說，指的是如何將泵浦光源的能量有效地耦合進(jìn)入有源光纖、并被有源光纖纖芯有源摻雜介質(zhì)離子吸收的方法或技術(shù)。因此泵浦技術(shù)一般也可稱為耦合方法或耦合技術(shù)。大功率光纖激光器或光纖放大器泵浦的耦合方式一般有兩種端面泵浦和側(cè)向 (側(cè)面)泵浦。端面泵浦方式轉(zhuǎn)換效率高，但激光的輸出功率受端面損傷閾值的限制，降低了泵浦光的耦合效率，也不利于散熱控制，從而限制了泵浦光的最大入纖功率和輸出激光的光束質(zhì)量，不適合做大功率激光器；更為嚴(yán)重的問題是，端面泵浦方式將會用到較多的光學(xué)耦合器件，這對光學(xué)耦合系統(tǒng)的精密程度要求較高，不利于系統(tǒng)的集成，而且光學(xué)耦合器件的使用將使得整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗震動性能變差，這使得其系統(tǒng)的使用環(huán)境和條件變得苛刻、系統(tǒng)維護(hù)成本很高。針對端面泵浦方式的弱點(diǎn)，人們又進(jìn)一步發(fā)展了光纖耦合的側(cè)向泵浦方式。該方式使泵浦光從雙包層光纖的側(cè)面耦合進(jìn)內(nèi)包層中，不再受制于端面面積，而且側(cè)向泵浦技術(shù)的靈活性也為光纖激光應(yīng)用帶來了新思路和方法，側(cè)向泵浦技術(shù)主要有V型槽側(cè)面泵浦耦合、嵌入反射鏡式泵浦耦合、角度磨拋側(cè)面泵浦耦合、熔錐側(cè)面泵浦耦合(應(yīng)用光學(xué)， Vol. 32No. 3)。Grudinin. Α. B.等人(國際專利 WO 00/67350，美國專利 US7660034、US7221822) 發(fā)明了兩類光纖——泵浦光纖和有源光纖之間互相接觸的邊耦合方法，其原理如說明書附圖部分的圖1所示，其優(yōu)點(diǎn)是無端面耦合或者熔接而產(chǎn)生的熱量集聚點(diǎn)，這一點(diǎn)十分有利于高功率激光系統(tǒng)；而且是將泵浦光均勻連續(xù)地導(dǎo)向有源光纖芯區(qū)，這樣相比于一般的側(cè)向泵浦方法而言，較大地拓展了耦合長度。但是，其缺點(diǎn)也很明顯首先是對設(shè)備要求很高、 成本高；而且工藝靈活性差，再者由于兩種圓形光纖波導(dǎo)的玻璃包層之間，在橫截面上理論上實(shí)現(xiàn)光學(xué)接觸的只是一個點(diǎn)，沿光纖縱向看就是一條線，因此這種技術(shù)對于更大功率的光纖激光器應(yīng)用來說是不可行的；再者，這些文獻(xiàn)對兩類光纖波導(dǎo)本身并未詳細(xì)的設(shè)計(jì)，這對泵浦效率的提高是很大的制約；最后，由于泵浦吸收效率較低，因此所需光纖長度較長， 這對于光纖激光器或光纖放大器在高功率工作條件下的非線性抑制，是十分不利的。授權(quán)公告號為CN 1284013的中國專利《外包層為泵浦光波導(dǎo)的雙包層光纖的光源側(cè)邊耦合方法》描述的側(cè)邊耦合方式為其雙包層光纖往復(fù)纏繞，使其在某一區(qū)域緊密排列成一列，并把這一區(qū)域用與外包層相同的材料涂成一完整表面，再將泵浦光耦合棱鏡與該表面完全光學(xué)接觸。這種做法的缺點(diǎn)是用到了耦合棱鏡之類的光學(xué)器件，這不利于光纖激光器或光纖放大器的高穩(wěn)定性集成，而且效率很低。授權(quán)公告號為CN 101038353的中國專利《一種高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖及其制作方法》中介紹了一種高功率包層泵浦單模輸出多芯光纖的制作方法，其特征是多芯光纖的包層內(nèi)存在多個相互平行的結(jié)構(gòu)一致的增益介質(zhì)纖芯。這種技術(shù)對解決稀土預(yù)制棒纖芯區(qū)域很難做大有些益處，因?yàn)槎鄠€小的纖芯可同時起到增益的作用。但這樣做，實(shí)際上對多芯光纖的設(shè)計(jì)提出了更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)闃O小的不恰當(dāng)設(shè)計(jì)也會導(dǎo)致激光輸出光束質(zhì)量的劣化。授權(quán)公告號為CN210590的中國專利《泵浦光源的側(cè)邊耦合方法》也描述了一種側(cè)邊耦合方法，其使用多模光纖作為泵浦輸入光纖，和雙包層光纖進(jìn)行側(cè)邊耦合，其方法是將二者其中一段光纖長度上剝除涂層，然后將二者繞制成圈并保持光學(xué)接觸，光學(xué)接觸指的是相互熔融或者互相緊靠在一起。但是此方法并不具備好的實(shí)際操作性，而且更重要的問題是，因?yàn)橹荒苁褂美F機(jī)等設(shè)備對多根光纖進(jìn)行熔融拉錐或者拉細(xì)，使得這種方法僅能使很短長度段的光纖實(shí)現(xiàn)光學(xué)接觸，這事實(shí)上會限制泵浦吸收。因此該方法本質(zhì)上和常見的融錐側(cè)面耦合方法一樣，也無法實(shí)現(xiàn)很高的耦合效率，從而難以支持高功率激光工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)及其制造方法，其光纖結(jié)構(gòu)的泵浦效率高，而制造工藝和耦合設(shè)備簡單、成本低，尤其適合于高功率光纖激光器和光纖放大器。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，包括至少一根有源光纖，用于產(chǎn)生激光或者對激光進(jìn)行放大；以及至少一根無源光纖，用于連接泵浦源；所述有源光纖和無源光纖之間沿徑向光學(xué)接觸。上述技術(shù)方案中，所述有源光纖包括纖芯和包層；所述纖芯為稀土元素?fù)诫s的石英玻璃，所述稀土元素為鐿、鉺、銩、鈥、鐠、銣中的至少一種。上述技術(shù)方案中，所述有源光纖的纖芯直徑為10 40μπι。進(jìn)一步地，所述有源光纖的纖芯直徑為10μπι、15μπι、20μπι、25μπι、30μπι、35μπι 中的一種。上述技術(shù)方案中，所述有源光纖的纖芯折射率均勻分布；或者纖芯中心的折射率均勻，纖芯邊緣較纖芯中心的折射率高，且纖芯邊緣與纖芯中心的折射率差值Δ滿足Δ < 0.001。這是為了保證有源光纖支持高功率激光器在大模場條件下很好地單模工作所采取的設(shè)計(jì)。纖芯折射率凸起是相于對其中心均勻折射率部分而言。該折射率剖面的設(shè)計(jì)， 可以使得在高功率工作情況下，光纖纖芯的能量向纖芯的邊沿有所拓展，從而使得激光能量更加均勻的分布在纖芯，避免纖芯中心能量密度過高。上述技術(shù)方案中，所述有源光纖可以為偏振保持光纖。上述技術(shù)方案中，所述有源光纖的包層為一層且為玻璃材質(zhì)，包層較纖芯的折射率低，且包層相對纖芯的數(shù)值孔徑小于0. 2。
進(jìn)一步地，所述包層相對纖芯的數(shù)值孔徑為0. 18,0. 12、0. 08、0. 07、0. 06、0. 05、 0. 04,0. 03 中的一個。上述技術(shù)方案中，所述有源光纖的包層包括內(nèi)包層和外包層；所述內(nèi)包層為摻雜玻璃材質(zhì)，內(nèi)包層較纖芯的折射率低，且內(nèi)包層相對纖芯的數(shù)值孔徑小于0.1 ；外包層為玻璃材質(zhì)，外包層較內(nèi)包層的折射率低，且外包層相對內(nèi)包層的數(shù)值孔徑小于0. 2。進(jìn)一步地，所述內(nèi)包層相對纖芯的數(shù)值孔徑為0. 08,0. 07,0. 06,0. 05,0. 04,0. 03、 0. 02中的一個；所述外包層相對內(nèi)包層的數(shù)值孔徑為0. 18,0. 12,0. 08,0. 07,0. 06,0. 05、 0. 04,0. 03 中的一個。此外，有源光纖的折射率剖面設(shè)計(jì)還滿足大模場單模工作條件，因此其歸一化常數(shù)V =2^Hh于2. 405或者略大于2. 405，但一般不超過5。其中a為纖芯半徑，λ
為工作波長。H1和η2分別代表緊鄰纖芯中心區(qū)域的包層折射率和纖芯中心區(qū)域的折射率。上述技術(shù)方案中，所述無源光纖為石英玻璃材質(zhì)和/或氟元素?fù)诫s的石英玻璃材質(zhì)。進(jìn)一步地，所述無源光纖的直徑為50 600 μ m。更進(jìn)一步地，所述無源光纖的直徑為50 μ m、62. 5 μ m、100 μ m、125 μ m、200 μ m、 250μπι、300μπι、400μπι、600μπι 中的一種。上述技術(shù)方案中，所述無源光纖的折射率小于或者等于有源光纖最外層的折射率。上述技術(shù)方案中，所述有源光纖和無源光纖的橫截面為圓形或者邊數(shù)不超過二十的正多邊形。進(jìn)一步地，所述有源光纖和無源光纖的橫截面為正八邊形或者正十二邊形。本發(fā)明提供的一種側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的制造方法，它包括如下步驟1)分別制備有源光纖預(yù)制棒和無源光纖預(yù)制棒；2)將制備好的有源光纖預(yù)制棒和無源光纖預(yù)制棒分別拉絲，并制成有源光纖和無源光纖；3)將至少一根有源光纖和至少一根無源光纖進(jìn)行耦合，使有源光纖和無源光纖之間沿徑向光學(xué)接觸。上述技術(shù)方案的所述步驟1)中，有源光纖預(yù)制棒和無源光纖預(yù)制棒的橫截面為邊數(shù)不超過二十的正多邊形。進(jìn)一步地，所述步驟幻中，有源光纖預(yù)制棒和無源光纖預(yù)制棒的拉絲溫度為 1800 1900°C，拉絲速度為 50 100m/min。上述技術(shù)方案的所述步驟幻的具體工藝過程為3. 1)剝除涂覆層分別剝除有源光纖和無源光纖的涂覆層；3. 2)清潔；3. 3)干燥；3. 4)合束將有源光纖和無源光纖進(jìn)行合束處理，使有源光纖和無源光纖沿徑向光學(xué)接觸；3. 5)扭轉(zhuǎn)將有源光纖和無源光纖進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，使其充分接觸；
3. 6)涂覆在合束且扭轉(zhuǎn)后的光纖外部均勻涂覆低折射率的涂覆材料；低折射率是相對于純石英材料的折射率而言的，本發(fā)明中所述低折射率材料的折射率為1. 37 1. 40。3. 7)固化對涂覆后的光纖進(jìn)行紫外光照射使涂覆材料固化。上述技術(shù)方案的所述步驟幻可以是在本發(fā)明公開的一種設(shè)備中進(jìn)行，該設(shè)備包括依次設(shè)置的至少兩個光纖盤，用于盤繞拉制好的至少一根有源光纖和至少一根無源光纖；剝光纖器；清潔池；干燥爐；光纖合束裝置；扭轉(zhuǎn)器；涂覆器；以及固化爐。應(yīng)用該設(shè)備的步驟3)具體為3. 1)用剝光纖器剝除涂覆層分別剝除有源光纖和無源光纖的涂覆層；3. 2)將剝除涂覆層后的有源光纖和無源光纖放入清潔池清潔；3. 3)將清潔后的光纖置于干燥爐中干燥；3. 4)合束將有源光纖和無源光纖在光纖合束裝置中進(jìn)行合束處理，使有源光纖和無源光纖沿徑向光學(xué)接觸；3. 5)扭轉(zhuǎn)將有源光纖和無源光纖用扭轉(zhuǎn)器進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，使其充分接觸；3. 6)涂覆用涂覆器在合束且扭轉(zhuǎn)后的光纖外部均勻涂覆低折射率的涂覆材料；3. 7)固化在固化爐中對涂覆后的光纖進(jìn)行紫外光照射使涂覆材料固化。與背景技術(shù)部分提及的現(xiàn)有側(cè)向泵浦光纖相比，本發(fā)明能夠針對具體的光纖激光器或光纖放大器的要求，設(shè)計(jì)特定折射率結(jié)構(gòu)的兩類光纖，然后再進(jìn)行側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的制作，具有更好的實(shí)際操作性，且由于從無源光纖到有源光纖的包層、纖芯，折射率是逐步增加的，所以在泵浦光能量從無源光纖一側(cè)導(dǎo)向有源光纖一側(cè)的過程中，經(jīng)過的折射率是也是一步一步增加的，這使得泵浦光能量從無源光纖向有源光纖纖芯的轉(zhuǎn)移是逐漸、連續(xù)的，且無熱量集中點(diǎn)，所以是嚴(yán)格的單向傳輸，即泵浦光能量將很難再傳導(dǎo)回?zé)o源光纖， 其泵浦效率很高；當(dāng)有源光纖和無源光纖采用正多邊形橫截面形狀時，兩類光纖耦合后存在很大的光學(xué)接觸面積，能夠極大地提高泵浦效率。除了側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)產(chǎn)品本身，與Grudinin. A. B.等人公開的制造工藝相比， 本發(fā)明的方法將光纖制造與耦合分步進(jìn)行，使得本發(fā)明相比Gudinin. A. B.等人的制造方法更加具備靈活性。具體來說，本發(fā)明按照事先設(shè)計(jì)的參數(shù)制作出兩類光纖，可根據(jù)實(shí)際需要對其進(jìn)行更加自由的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)光學(xué)接觸，且該方法也使得光纖預(yù)制棒的設(shè)計(jì)更加自由，而不必受到光纖拉絲的制約，因?yàn)槿绻凑誈udinin. A. B.等人的方案，拉絲過程中被合束的兩類光纖的拉絲速度必須相同，這勢必會影響預(yù)制棒光學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)， 不僅增加了設(shè)計(jì)難度，而且極大地限制了制作側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的自由度。另一方面，本發(fā)明的技術(shù)方案相比Gudinin. A. B.等人的方案還擁有低成本的優(yōu)勢，這是因?yàn)閮深惞饫w能夠依次制備，所使用的拉絲塔設(shè)備只需一套即可，也不必在同一拉絲爐里拉制兩根甚至多根預(yù)制棒，這使得其工藝簡單、成本較低、可靠性高。


圖1為美國專利US7221822中光纖側(cè)向耦合的原理圖；圖加為本發(fā)明的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)實(shí)施例1中有源光纖的折射率分布圖，圖2b 為本發(fā)明實(shí)施例1中一種無源光纖的折射率分布圖，圖2c為本發(fā)明實(shí)施例1中另一種無源
7光纖的折射率分布圖；圖3a為本發(fā)明的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)實(shí)施例2中有源光纖的折射率分布圖，圖北為本發(fā)明實(shí)施例2中一種無源光纖的折射率分布圖，圖3c為本發(fā)明實(shí)施例2中另一種無源光纖的折射率分布圖；圖如為本發(fā)明的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)實(shí)施例3中有源光纖的折射率分布圖，圖4b 為本發(fā)明實(shí)施例3中一種無源光纖的折射率分布圖，圖如為本發(fā)明實(shí)施例3中另一種無源光纖的折射率分布圖；圖fe為本發(fā)明的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)實(shí)施例4中有源光纖的折射率分布圖，圖恥為本發(fā)明實(shí)施例4中一種無源光纖的折射率分布圖，圖5c為本發(fā)明實(shí)施例4中另一種無源光纖的折射率分布圖；圖6a為本發(fā)明的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)實(shí)施例5中有源光纖的折射率分布圖，圖6b 為本發(fā)明實(shí)施例5中一種無源光纖的折射率分布圖，圖6c為本發(fā)明實(shí)施例5中另一種無源光纖的折射率分布圖；圖7為本發(fā)明使用的一種光纖制造設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明使用的另一種光纖制造設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9a和圖9b分別為圖7設(shè)備制成的兩種側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的截面圖；圖10為圖8設(shè)備制成的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的截面圖；圖11為圖7設(shè)備制成的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光纖放大器的原理圖；圖12為圖8設(shè)備制成的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光纖放大器的原理圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述圖1為一種現(xiàn)有側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的原理圖，因在背景技術(shù)部分已作了詳細(xì)描述，于此不再贅述。實(shí)施例1 如圖2(a) 圖2(c)所示，該實(shí)施例的有源光纖折射率分布如圖2 (a)所示，分為三層，纖芯21為摻鐿石英玻璃，其折射率最高。圍繞纖芯21的是一個環(huán)形的、摻雜鋁元素的石英玻璃材質(zhì)的內(nèi)包層22，內(nèi)包層22比纖芯21的折射率低，二者的折射率差為0. 0007。最外邊的外包層23為高純石英玻璃材質(zhì)，其折射率比內(nèi)包層22的折射率低，二者折射率差值為0.004。無源光纖對可以是單一的高純石英玻璃材質(zhì)，其折射率為1.4575，如圖2(b)所示；也可以是帶有少量氟元素?fù)诫s25的高純石英玻璃材質(zhì)，其折射率為1.4572，如圖2(c) 所示。設(shè)計(jì)好折射率分布后，即可制備相應(yīng)有源光纖和無源光纖的預(yù)制棒，光纖預(yù)制棒的橫截面可以是圓形，也可以是正多邊形，如正八邊形、正十二邊形，一般不超過正二十邊形。然后，將有源光纖預(yù)制棒和無源光纖預(yù)制棒分別拉絲，制成有源光纖和無源光纖， 其直徑根據(jù)具體需要確定，本實(shí)施例中有源光纖和無源光纖的直徑均為125 μ m。其中，有源光纖的纖芯21直徑為10 μ m,內(nèi)包層22相對纖芯21的數(shù)值孔徑為0. 08，外包層23相對內(nèi)包層22的數(shù)值孔徑為0.12。
接下來，將有源光纖和無源光纖各一根放入圖7所示設(shè)備進(jìn)行側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的制作，其工藝流程如下將有源光纖和無源光纖分別繞在光纖盤71、72上；將兩類光纖拉出并同時用剝光纖器73剝除涂覆層，剝光纖器73使用的是二氧化碳激光器，其功率為10W，工作波長為10. 6 μ m ；進(jìn)入清潔池74清潔；進(jìn)入干燥爐75干燥；兩根光纖在光纖合束裝置76中進(jìn)行合束處理，合束之后這兩根光纖沿徑向充分接觸，該接觸狀態(tài)沿光纖縱向一直延伸；合束后的光纖進(jìn)入扭轉(zhuǎn)器77進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，使兩根光纖更加充分地保持光學(xué)接觸，同時，可有效抵御之后使用過程中外界應(yīng)力對光學(xué)接觸狀態(tài)的破壞；進(jìn)入涂覆器78，涂覆低折射率材料。本實(shí)施例中其折射率為1. 38 ；進(jìn)入固化爐79，對涂覆后的光纖進(jìn)行紫外光照射使涂覆材料固化；最后，對制作好的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行盤繞、包裝待用。制作好的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的橫截面如圖9(a)或圖9(b)所示，圖9 (a)中，兩根光纖的橫截面均為正八邊形；圖9(b)中，兩根光纖的橫截面均為正十二邊形。正多邊形的橫截面，較普通圓形橫截面，兩光纖的光學(xué)接觸面積更大，泵浦光向有源光纖的能量傳遞會更好。制作好的該側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)在光纖放大器中的應(yīng)用如圖11所示，信號光111進(jìn)入有源光纖，泵浦光112及115從無源光纖兩端分別進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)雙向泵浦。信號光通過按照上述工藝流程制成的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的合束光纖113后得到放大的信號光114。實(shí)施例2:如圖3(a) 圖3(c)所示，本實(shí)施例的其它結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，區(qū)別僅在于其有源光纖的折射率分布和尺寸參數(shù)不同。如圖3(a)所示，該有源光纖也分為纖芯31、內(nèi)包層 32和外包層33三層，纖芯31中心的折射率均勻，纖芯31邊緣較纖芯31中心的折射率略高，且二者的折射率差值Δ為0.0002。這種設(shè)計(jì)可以使得在高功率工作情況下，光纖纖芯 31的高斯型的能量分布向纖芯31邊緣有所拓展，從而使得激光能量相對均勻地分布在纖芯31區(qū)域，避免纖芯31區(qū)域中心能量密度過高。如圖3(b)和3(c)所示，其無源光纖的折射率分布與實(shí)施例1相同。本實(shí)施例中，有源光纖和無源光纖的直徑均為250μπι。其中，有源光纖的纖芯31直徑為30 μ m,內(nèi)包層32相對纖芯31的數(shù)值孔徑為0. 04，外包層33相對內(nèi)包層32的數(shù)值孔徑為0. 06。本實(shí)施例的制備方法也與實(shí)施例1相同，只是在制備光纖預(yù)制棒時，其折射率分布有所不同。實(shí)施例3 如圖4(a) 圖4(c)所示，本實(shí)施例中，有源光纖的折射率分布與實(shí)施例2中的有源光纖相同。區(qū)別僅在于其無源光纖44。該無源光纖44的折射率為1.4570，略低于有源光纖外包層43的玻璃材質(zhì)的折射率，該無源光纖中心也可是氟元素?fù)诫s45更多的玻璃材料，其折射率略為1.4565。本實(shí)施例中，有源光纖和無源光纖的直徑均為250μπι。其中，有源光纖的纖芯41直徑為25 μ m,內(nèi)包層42相對纖芯41的數(shù)值孔徑為0. 02，外包層43相對內(nèi)包層42的數(shù)值孔徑為0. 04。本實(shí)施例的制備方法也與實(shí)施例1相同，只是在制備光纖預(yù)制棒時，其折射率分布有所不同。實(shí)施例4 如圖5(a) 圖5(c)所示，本實(shí)施例的有源光纖為纖芯51和包層52兩層，纖芯51 的折射率最高；無源光纖33與實(shí)施例1相同。本實(shí)施例中，有源光纖和無源光纖的直徑均為400 μ m。其中，有源光纖的纖芯51的直徑為25 μ m，包層52相對于纖芯51的數(shù)值孔徑為 0. 18。本實(shí)施例的制備方法也與實(shí)施例1相同，只是在制備光纖預(yù)制棒時，其折射率分布有所不同。實(shí)施例5 如圖6(a) 圖6(c)所示，本實(shí)施例中，有源光纖的折射率分布與實(shí)施例4相同， 無源光纖63的折射率與實(shí)施例3中的無源光纖44相同。本實(shí)施例中，有源光纖和無源光纖的直徑均為400 μ m。其中，有源光纖的纖芯61的直徑為20 μ m,包層62相對于纖芯61 的數(shù)值孔徑為0. 06。本實(shí)施例的制備方法也與實(shí)施例1相同，只是在制備光纖預(yù)制棒時，其折射率分布有所不同。實(shí)施例6 上述實(shí)施例中的有源光纖和無源光纖均適用于本實(shí)施例，其區(qū)別僅在于本實(shí)施有兩根無源光纖，如圖10所示，且兩根無源光纖分別與有源光纖光學(xué)接觸。本實(shí)施例的制備方法與上述實(shí)施例類似，只是處理的光纖數(shù)目為三根，具體來說 制備好一根有源光纖預(yù)制棒和兩根無源光纖預(yù)制棒后，分別拉絲，制成一根有源光纖和兩根無源光纖；將三根光纖分別繞在光纖盤801、802、803上；將三根光纖拉出并同時用剝光纖器804剝除涂覆層，剝光纖器804使用的是二氧化碳激光器，其功率為10W，工作波長為10. 6 μ m ；進(jìn)入清潔池805，除去表面殘?jiān)?；進(jìn)入干燥爐806干燥；三根光纖在光纖合束裝置807中進(jìn)行合束處理；合束后的光纖進(jìn)入扭轉(zhuǎn)器808進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，使三根光纖充分的光學(xué)接觸；進(jìn)入涂覆器809，涂覆低折射率材料；進(jìn)入固化爐810，對涂覆后的光纖進(jìn)行紫外光照射使涂覆材料固化；最后，對制作好的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行盤繞、包裝待用。制作好的該側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)在光纖放大器中的應(yīng)用如圖12所示，信號光122進(jìn)入有源光纖，泵浦光121、123、125、127分別進(jìn)入無源光纖。信號光通過按照上述工藝流程制成的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的合束光纖1 后得到放大的信號光126。本發(fā)明的核心在于根據(jù)需要精確設(shè)計(jì)有源光纖和無源光纖的折射率分布，實(shí)現(xiàn)側(cè)向泵浦效率的優(yōu)化，且光纖的拉制和該側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的制作分別進(jìn)行，簡化了工藝、降低了成本，所以其保護(hù)范圍并不限于上述實(shí)施例。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神，例如有源光纖和無源光纖都不限于一根，其排布也不限于圖9(a)、圖9(b)和圖10所示；有源光纖和無源光纖的折射率分布也不僅是圖2至圖6的幾種組合方式等。倘若這些改動和變形屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變形在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于它包括至少一根有源光纖，用于產(chǎn)生激光或者對激光進(jìn)行放大；以及至少一根無源光纖，用于連接泵浦源；所述有源光纖和無源光纖之間沿徑向光學(xué)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述有源光纖包括纖芯和包層；所述纖芯為稀土元素?fù)诫s的石英玻璃，所述稀土元素為鐿、鉺、銩、鈥、鐠、銣中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述有源光纖的纖芯直徑為 10 40 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述有源光纖的纖芯直徑為 10 μ m、15 μ m、20 μ m、25 μ m、30 μ m、35 μ m 中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述有源光纖的纖芯折射率均勻分布；或者纖芯中心的折射率均勻，纖芯邊緣較纖芯中心的折射率高，且纖芯邊緣與纖芯中心的折射率差值Δ滿足Δ <0.001。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述有源光纖為偏振保持光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述有源光纖的包層為一層且為玻璃材質(zhì)，包層較纖芯的折射率低，且包層相對纖芯的數(shù)值孔徑小于0. 2。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述包層相對纖芯的數(shù)值孔徑為 0. 18,0. 12,0. 08,0. 07,0. 06,0. 05,0. 04,0. 03 中的一個。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述有源光纖的包層包括內(nèi)包層和外包層；所述內(nèi)包層為摻雜玻璃材質(zhì)，內(nèi)包層較纖芯的折射率低，且內(nèi)包層相對纖芯的數(shù)值孔徑小于0. 1 ；外包層為玻璃材質(zhì)，外包層較內(nèi)包層的折射率低，且外包層相對內(nèi)包層的數(shù)值孔徑小于0.2。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述內(nèi)包層相對纖芯的數(shù)值孔徑為 0. 08,0. 07,0. 06,0. 05,0. 04,0. 03,0. 02 中的一個。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外包層相對內(nèi)包層的數(shù)值孔徑為 0. 18,0. 12,0. 08,0. 07,0. 06,0. 05,0. 04,0. 03 中的一個。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述無源光纖為石英玻璃材質(zhì)和/或氟元素?fù)诫s的石英玻璃材質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述無源光纖的直徑為 50 600 μ m0
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述無源光纖的直徑為 50 μ m、62. 5 μ m、100 μ m、125 μ m、200 μ m、250 μ m、300 μ m、400 μ m、600 μ m 中的一種。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述無源光纖的折射率小于或者等于有源光纖最外層的折射率。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一權(quán)利要求所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述有源光纖和無源光纖的橫截面為圓形或者邊數(shù)不超過二十的正多邊形。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于所述有源光纖和無源光纖的橫截面為正八邊形或者正十二邊形。
18.—種權(quán)利要求1所述側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，它包括如下步驟1)分別制備有源光纖預(yù)制棒和無源光纖預(yù)制棒；2)將制備好的有源光纖預(yù)制棒和無源光纖預(yù)制棒分別拉絲，并制成有源光纖和無源光纖；3)將至少一根有源光纖和至少一根無源光纖進(jìn)行耦合，使有源光纖和無源光纖之間沿徑向光學(xué)接觸。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述步驟1) 中，有源光纖預(yù)制棒和無源光纖預(yù)制棒的橫截面為邊數(shù)不超過二十的正多邊形。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述步驟 2)中，有源光纖預(yù)制棒和無源光纖預(yù)制棒的拉絲溫度為1800 1900°C，拉絲速度為50 100m/min。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述步驟3) 的具體工藝過程為·3. 1)剝除涂覆層分別剝除有源光纖和無源光纖的涂覆層； 3. 2)清潔； 3. 3)干燥；·3. 4)合束將有源光纖和無源光纖進(jìn)行合束處理，使有源光纖和無源光纖沿徑向光學(xué)接觸；·3. 5)扭轉(zhuǎn)將有源光纖和無源光纖進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，使其充分接觸；·3. 6)涂覆在合束且扭轉(zhuǎn)后的光纖外部均勻涂覆低折射率的涂覆材料；·3. 7)固化對涂覆后的光纖進(jìn)行紫外光照射使涂覆材料固化。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述步驟3) 的具體工藝過程為·3. 1)用剝光纖器剝除涂覆層分別剝除有源光纖和無源光纖的涂覆層； 3. 2)將剝除涂覆層后的有源光纖和無源光纖放入清潔池清潔； 3. 3)將清潔后的光纖置于干燥爐中干燥；·3. 4)合束將有源光纖和無源光纖在光纖合束裝置中進(jìn)行合束處理，使有源光纖和無源光纖沿徑向光學(xué)接觸；·3. 5)扭轉(zhuǎn)將有源光纖和無源光纖用扭轉(zhuǎn)器進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，使其充分接觸；·3. 6)涂覆用涂覆器在合束且扭轉(zhuǎn)后的光纖外部均勻涂覆低折射率的涂覆材料；·3. 7)固化在固化爐中對涂覆后的光纖進(jìn)行紫外光照射使涂覆材料固化。
全文摘要
一種側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)，它包括至少一根有源光纖，用于產(chǎn)生激光或者對激光進(jìn)行放大；以及至少一根無源光纖，用于連接泵浦源；所述有源光纖和無源光纖之間沿徑向光學(xué)接觸。一種上述側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)的制造方法，包括如下步驟1)分別制備有源光纖預(yù)制棒和無源光纖預(yù)制棒；2)將制備好的有源光纖預(yù)制棒和無源光纖預(yù)制棒分別拉絲，并制成有源光纖和無源光纖；3)將至少一根有源光纖和至少一根無源光纖進(jìn)行耦合，使有源光纖和無源光纖之間沿徑向光學(xué)接觸。本發(fā)明的光纖結(jié)構(gòu)的泵浦效率高，而制造工藝和耦合設(shè)備簡單、成本低，尤其適合于高功率光纖激光器和光纖放大器。
文檔編號G02B6/036GK102298173SQ20111025059
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月29日
發(fā)明者陳抗抗, 韋會峰 申請人:武漢安揚(yáng)激光技術(shù)有限責(zé)任公司