摻鐿光纖在一個比較寬的波長範圍內（從 975nm 到 1200nm）具有非常高的輸出功率以及非常優良的轉換效率。和摻鉺光纖不同的是，在摻鐿光纖雷射器和光放大器中可以避免激發態吸收和濃度淬滅。摻鐿光纖的這些特點，加上雙包層技術的出現，使得業界開始對滿足不同套用的高功率光纖雷射器以及光放大器產生濃厚的興趣，摻鐿雙包層光纖正日益引起人們的關注。
基本介紹
- 中文名：大模場面積摻鐿雙包層光纖
- 外文名：largemode area Yb-doped double-clad fiber
1背景,2大模場面積摻鐿雙包層光纖,3製備技術的研究,4光纖側面泵浦耦合器,
1背景
摻鐿光纖在一個比較寬的波長範圍內(975 ～1 200 nm)具有非常高的輸出功率以及非常優良的轉換效率.和摻鉺光纖不同的是,摻鐿光纖雷射器和光放大器可以避免激發態吸收和濃度淬滅.摻鐿光纖的這些特點 ,加上雙包層技術的出現,使得業界開始對滿足不同套用的高功率光纖雷射器以及光放大器產生了濃厚的興趣.摻鐿雙包層光纖正日益引起人們的關注 .其現有以及潛在的套用領域包括 :軍事 ,航空 ,材料處理 ,印刷和標刻 ,譜分析以及電信行業等.
儘管摻鐿雙包層光纖雷射器具有如此多的優點以及如此巨大的套用價值, 但其單纖輸出功率仍然較低 ,存在於光纖本身的原因是:1)雙包層光纖雷射器纖芯增益介質中儲存的能量受限於纖芯截面積;2)由於纖芯面積較小, 高功率運轉時會出現諸如受激喇曼散射和受激布里淵散射等非線性光學效應;3)高脈衝能量密度對光纖端面的破壞作用也使得輸出功率難以提高.而且現有工藝設計製造的光纖在提高輸出功率和光束質量兩者之間存在著矛盾,因此為了獲得更高功率的輸出 ,常規的“小芯徑 、大數值孔徑”的光纖設計已經不適合大功率輸出的套用 .而具有高稀土元素摻雜濃度 ,同時其芯徑相對較大而數值孔徑相對較小的所謂“ 大模場面積”(Large mode Area, LM A)光纖卻能夠克服這些限制.因此 LMA 摻鐿雙包層擔甩光纖成為有源光纖研製的熱點.目前國際上利用最新研製的具有LM A 的摻鐿雙包層光纖, 使單根光纖的輸出功率達到千瓦以上, 成為光纖雷射器發展中的一個里程碑.本文運用現有的技術基礎, 調整工藝 , 採用M CVD 工藝結合溶液摻雜技術並對其中關鍵工藝過程進行改進,成功研製出性能優良的大模場面積摻鐿雙包層光纖.
2大模場面積摻鐿雙包層光纖
摻鐿光纖在一個比較寬的波長範圍內（從 975nm 到 1200nm）具有非常高的輸出功率以及非常優良的轉換效率。酷刪熱罪和摻鉺光纖不同的是，危台己潤在摻鐿光纖雷射器和光放大器中可以避免激發態吸收和濃度淬滅。摻鐿光纖的這些特點，加上雙包層技術的出現，使得業界開始對滿足不同套用的高功率光纖雷射器以及光放大器產生濃厚的興趣，摻鐿雙包層光纖正日益引起人們的關注。
儘管摻鐿雙包層光纖雷射器具有如此多的優點及如立兵牛此巨大的套用價值，但其單纖輸出功率仍然較低，其存在於光纖的原因主要是（1）雙包層光纖雷射器纖芯增益介質中儲存的能量受限於纖芯截面積；（2）由於纖芯面積較小，高功率運轉時會出現諸如受激喇曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS)等非線性光學效應；（3）高脈衝能恥臭凝量密度對光纖端面的破壞作用也使得輸出功率難以提高。
而且現有工藝設計製造的光纖在提高輸出功率和光束質量兩者之間存在著矛盾，因此為了獲得更高功率的輸出，常規的“小芯徑、大數值孔徑”的光纖設計已經不適合大功率輸出的套用。而具有高稀土元素摻雜濃度，同時其芯徑相對較大而數值孔徑相對較小棕慨說的所謂“大模場面積”（LMA）光纖卻能夠克服這些限制。因此大模場面積摻鐿雙包層光纖成為有源光纖研製的熱點。目前國際上利用最新研製的具有大模場面積的摻鐿雙包層光纖，使單根光纖的輸出功率達到千瓦以上，成為光纖雷射器發展中的一個里程碑。我們運用企承整現有的技術基礎，調整工藝，採用 MCVD 工藝結合溶液摻雜技術並對其中關鍵工藝過程進行改進，研製出性能優良的大模場面積摻鐿雙包層光纖。
3製備技術的研究
上世紀八十年代中期，Poole 等人提出以 MCVD 工藝為基礎的汽相摻雜與液相摻雜技術，隨後以 OVD(Outer vapor deposition)和 VAD(Vapor phase Axial Deposition)工藝為基礎的汽相摻雜技術相繼發明，豐富了稀土離子光纖研製的技術手段。由於汽相摻雜技術對設備要求高，成本昂貴，我們採用了 MCVD 工藝加溶液摻雜法（即液相摻雜）這樣一條工藝路線來研製大模場面積摻鐿雙包層光纖。基本過程是：首先，利用 MCVD 工藝製作疏鬆的、未燒結的 預製棒，然後進行溶液摻雜的工藝過程，將預製棒浸入按比例配置好的稀土鹵化物水溶液中，保持一定的時間，溶液中的稀土離子會擴散到光纖預製棒的芯區中，由溶液的濃度和浸泡的時間決定摻入光纖預製棒芯區的濃度。取出預製棒，在一定的溫度下通入乾燥的高純氯氣。
2）、氧氣（O2）或者氦氣（He）進行脫水、乾燥，在大約 2000℃高溫下燒結成為透明的光纖預製棒，最後，根據設計要求對預製棒進行加套至所需的芯包比後，對預製棒進行設計加工，處理成所需的內包層結構，然後拉製成雙包層光纖。
具體的工藝過程為：
（1）光纖阻擋層的製備
將一高質量的石英管連線到玻璃車床上，該反應管首先用 SF6高溫拋光所有表面雜質，接著由高純 O2攜帶 SiCl4、GeCl4等原料進入不斷旋轉的高純石英基質反應管中，下面用氫氧焰高溫加熱反應管，使原料在高溫下發生氧化反應而均勻地沉積在石英管上，形成含 SiO2-P2O5-F 的光纖阻擋層。阻擋層的作用首先是阻止雜質擴散到芯部，同時也將和反應管一起作為光纖的內包層，所以要控制其折射率與反應管相匹配。
（2）疏鬆芯層的製備
為滿足溶液摻雜的要求，芯層必須在沉積後保持疏鬆，芯層組分為：SiO2-GeO2-P2O5。疏鬆芯層的沉積溫度對光纖芯部摻鐿濃度有很大影響，為了研究疏鬆層沉積溫度對摻鐿濃度的影響，我們改變沉積疏鬆層的溫度而保持溶液濃度
等其它參數不變進行了實驗，隨著沉積疏鬆層的溫度增加，芯部摻鐿濃度先增加，達到最高點後又開始下降。主要原因是當疏鬆層沉積溫度低於 1200℃左右時，沉積的疏鬆層很薄，所以吸附的 Yb3+很少，摻雜濃度就低，隨著疏鬆層沉積溫度增加疏鬆層厚度增加，所以摻鐿濃度開始增加，但當溫度達到 1300℃以上時，隨著溫度升高疏鬆層越來越緻密，吸附的 Yb3+開始下降，所以摻鐿濃度又開始降低。通過試驗我們確定疏鬆層的沉積溫度大約在1200℃到 1300℃為最佳。
（3）預燒結
預燒結過程，是在沉積完疏鬆層後在合適溫度下迅速對疏鬆層進行一趟加熱，這樣可以保證在高摻雜情況下防止疏鬆層脫落。比較合適的預燒結溫度為1000℃左右，溫度太高影響摻鐿濃度，太低疏鬆層脫落。
（4）溶液摻雜
將反應管放入事先已配製好的 YbCl3、AlCl3溶液中浸泡一定時間，使 Yb3+均勻的吸附在疏鬆芯層上。根據有關報導，摻入適量的 Al2O3有助於防止稀土離子對的形成。為此，我們採用了 Yb-Al 多組分的溶液共摻技術，我們在摻入Yb 離子同時摻入 Al2O3，Al2O3的摻入一方面有效解決了離子析晶現象，提高了稀土離子的摻雜濃度；另一方面，由於 Al2O3具有較低的揮發性，Al2O3的摻入使光纖纖芯的折射率凹陷減小，彌補了纖芯折射率的下陷。
（5）脫水，再沉積，脫水燒縮套管
將反應管取出空乾，重新接到車床上，在適宜溫度下通入高純 Cl2、O2的混合氣體對預製棒進行乾燥脫水處理。然後將疏鬆芯層升溫燒至透明。因大模場面積摻鐿雙包層光纖對光纖芯徑和纖芯摻鐿濃度的要求較高，我們採用了多次沉積技術，也就是在乾燥脫水後將疏鬆層高溫燒至透明後接著再降低溫度二次沉積疏鬆芯層，沉積好後取下放入溶液中浸泡一定時間，然後用同樣方法繼續脫水，直到基本達到設計要求。
4光纖側面泵浦耦合器
基本原理和結構
在高功率光纖雷射器和放大器的研究中，實現泵浦光功率高效、安全地耦合是其關鍵技術之一，泵浦方法主要包括光纖端面泵浦和光纖側面泵浦兩種。現有的側面泵浦耦合技術主要有：V 槽側面泵浦耦合、嵌入反射鏡式泵浦耦合、角度磨拋側面泵浦耦合等，每一種技術均有非常明顯的優缺點。
V 槽側面泵浦耦合的原理非常簡單，根據報導 V 形槽側面耦合效率可以高達90%左右，可耦合數瓦的泵浦功率。但是由於利用了微透鏡準直，LD 泵浦源、微透鏡以雙包層光纖之間的相對位置對於耦合效率的影響較大，同時，由於 V槽嵌入內包層，因此對於內包層內傳輸的泵浦光有較大損耗，不利於多點注入式泵浦功率的擴展。
嵌入反射鏡式泵浦耦合方式是在V槽刻蝕方式上的改進，該方法可以耦合數瓦泵浦功率，效率達91%的實驗已有報導。由於多模二極體抽運雷射無需經過光束整形即可進入內包層，因此採用內嵌反射鏡側面抽運的方法具有耦合效率高、成本低、簡單易行等優點。但與V槽側面泵浦法相似，在內包層中刻槽會影響泵浦光的傳輸，因此嵌入透鏡式泵浦耦合難以用於雙包層光纖的多點泵浦。 角度磨拋側面泵浦耦合是將端面按一定角度磨拋好的泵浦光纖用折射率相近的光學膠膠合在雙包層光纖的內包層上，並固定好兩纖的相對位置，泵浦光即可由泵浦光纖側面耦合進入雙包層光纖的內包層。通常該技術要求泵浦光纖端面的磨拋角較大（約 80 度），對於光纖端面磨拋工藝提出了很高的要求。更致命的弱點是，在高泵浦功率下，光學膠難以承受其功率密度會導致揮發或分解，使耦合效率下降。雖然該耦合方式獲得了高達 90%的耦合效率，但是獲得的光纖雷射輸出功率也僅僅是 1W 左右。
光纖側面泵浦耦合器是一種實現側面泵浦耦合的新型器件，耦合器包括泵浦輸入端、信號輸入端和輸出端三個可用連線埠。耦合器的信號輸入、輸出端光纖一般為無源的雙包層光纖，泵浦輸入端一般根據所使用泵浦光源的情況，選擇相應的匹配多模光纖，閒置端可以取消。
與普通光纖耦合器不同，側面泵浦耦合器的主要設計目的是為了實現泵浦光功率向信號傳輸光纖的單向耦合，因此拉錐完成後，兩根光纖的纖芯之間相距較遠，能量耦合主要發生在側面泵浦光纖的纖芯與信號光纖的包層之間，泵浦功率從泵浦輸入端光纖的纖芯耦合進入信號傳輸光纖的內包層，而在信號傳 輸光纖的纖芯中傳輸的雷射信號（包括正向和反向光），被限制在傳輸光纖的纖芯中與泵浦輸入端不發生能量耦合，因此側面泵浦耦合器就起到了泵浦耦合與信號隔離的雙重作用，泵浦輸入端對反向傳輸信號光的隔離度一般能達到 15dB以上。
光纖側面泵浦耦合器通過全光纖化設計實現了線上泵浦，它可以實現增益光纖的多點泵浦，有利於提高光纖雷射器和放大器的轉換效率和輸出功率，更重要的是它可以有效的禁止增益光纖中的後向傳輸光，保護泵浦光源的安全工作，這對於高功率全光纖化結構的雷射器和放大器的研究意義重大。
3製備技術的研究
上世紀八十年代中期，Poole 等人提出以 MCVD 工藝為基礎的汽相摻雜與液相摻雜技術，隨後以 OVD(Outer vapor deposition)和 VAD(Vapor phase Axial Deposition)工藝為基礎的汽相摻雜技術相繼發明，豐富了稀土離子光纖研製的技術手段。由於汽相摻雜技術對設備要求高，成本昂貴，我們採用了 MCVD 工藝加溶液摻雜法（即液相摻雜）這樣一條工藝路線來研製大模場面積摻鐿雙包層光纖。基本過程是：首先，利用 MCVD 工藝製作疏鬆的、未燒結的 預製棒，然後進行溶液摻雜的工藝過程，將預製棒浸入按比例配置好的稀土鹵化物水溶液中，保持一定的時間，溶液中的稀土離子會擴散到光纖預製棒的芯區中，由溶液的濃度和浸泡的時間決定摻入光纖預製棒芯區的濃度。取出預製棒，在一定的溫度下通入乾燥的高純氯氣。
2）、氧氣（O2）或者氦氣（He）進行脫水、乾燥，在大約 2000℃高溫下燒結成為透明的光纖預製棒，最後，根據設計要求對預製棒進行加套至所需的芯包比後，對預製棒進行設計加工，處理成所需的內包層結構，然後拉製成雙包層光纖。
具體的工藝過程為：
（1）光纖阻擋層的製備
將一高質量的石英管連線到玻璃車床上，該反應管首先用 SF6高溫拋光所有表面雜質，接著由高純 O2攜帶 SiCl4、GeCl4等原料進入不斷旋轉的高純石英基質反應管中，下面用氫氧焰高溫加熱反應管，使原料在高溫下發生氧化反應而均勻地沉積在石英管上，形成含 SiO2-P2O5-F 的光纖阻擋層。阻擋層的作用首先是阻止雜質擴散到芯部，同時也將和反應管一起作為光纖的內包層，所以要控制其折射率與反應管相匹配。
（2）疏鬆芯層的製備
為滿足溶液摻雜的要求，芯層必須在沉積後保持疏鬆，芯層組分為：SiO2-GeO2-P2O5。疏鬆芯層的沉積溫度對光纖芯部摻鐿濃度有很大影響，為了研究疏鬆層沉積溫度對摻鐿濃度的影響，我們改變沉積疏鬆層的溫度而保持溶液濃度
等其它參數不變進行了實驗，隨著沉積疏鬆層的溫度增加，芯部摻鐿濃度先增加，達到最高點後又開始下降。主要原因是當疏鬆層沉積溫度低於 1200℃左右時，沉積的疏鬆層很薄，所以吸附的 Yb3+很少，摻雜濃度就低，隨著疏鬆層沉積溫度增加疏鬆層厚度增加，所以摻鐿濃度開始增加，但當溫度達到 1300℃以上時，隨著溫度升高疏鬆層越來越緻密，吸附的 Yb3+開始下降，所以摻鐿濃度又開始降低。通過試驗我們確定疏鬆層的沉積溫度大約在1200℃到 1300℃為最佳。
（3）預燒結
預燒結過程，是在沉積完疏鬆層後在合適溫度下迅速對疏鬆層進行一趟加熱，這樣可以保證在高摻雜情況下防止疏鬆層脫落。比較合適的預燒結溫度為1000℃左右，溫度太高影響摻鐿濃度，太低疏鬆層脫落。
（4）溶液摻雜
將反應管放入事先已配製好的 YbCl3、AlCl3溶液中浸泡一定時間，使 Yb3+均勻的吸附在疏鬆芯層上。根據有關報導，摻入適量的 Al2O3有助於防止稀土離子對的形成。為此，我們採用了 Yb-Al 多組分的溶液共摻技術，我們在摻入Yb 離子同時摻入 Al2O3，Al2O3的摻入一方面有效解決了離子析晶現象，提高了稀土離子的摻雜濃度；另一方面，由於 Al2O3具有較低的揮發性，Al2O3的摻入使光纖纖芯的折射率凹陷減小，彌補了纖芯折射率的下陷。
（5）脫水，再沉積，脫水燒縮套管
將反應管取出空乾，重新接到車床上，在適宜溫度下通入高純 Cl2、O2的混合氣體對預製棒進行乾燥脫水處理。然後將疏鬆芯層升溫燒至透明。因大模場面積摻鐿雙包層光纖對光纖芯徑和纖芯摻鐿濃度的要求較高，我們採用了多次沉積技術，也就是在乾燥脫水後將疏鬆層高溫燒至透明後接著再降低溫度二次沉積疏鬆芯層，沉積好後取下放入溶液中浸泡一定時間，然後用同樣方法繼續脫水，直到基本達到設計要求。
4光纖側面泵浦耦合器
基本原理和結構
在高功率光纖雷射器和放大器的研究中，實現泵浦光功率高效、安全地耦合是其關鍵技術之一，泵浦方法主要包括光纖端面泵浦和光纖側面泵浦兩種。現有的側面泵浦耦合技術主要有：V 槽側面泵浦耦合、嵌入反射鏡式泵浦耦合、角度磨拋側面泵浦耦合等，每一種技術均有非常明顯的優缺點。
V 槽側面泵浦耦合的原理非常簡單，根據報導 V 形槽側面耦合效率可以高達90%左右，可耦合數瓦的泵浦功率。但是由於利用了微透鏡準直，LD 泵浦源、微透鏡以雙包層光纖之間的相對位置對於耦合效率的影響較大，同時，由於 V槽嵌入內包層，因此對於內包層內傳輸的泵浦光有較大損耗，不利於多點注入式泵浦功率的擴展。
嵌入反射鏡式泵浦耦合方式是在V槽刻蝕方式上的改進，該方法可以耦合數瓦泵浦功率，效率達91%的實驗已有報導。由於多模二極體抽運雷射無需經過光束整形即可進入內包層，因此採用內嵌反射鏡側面抽運的方法具有耦合效率高、成本低、簡單易行等優點。但與V槽側面泵浦法相似，在內包層中刻槽會影響泵浦光的傳輸，因此嵌入透鏡式泵浦耦合難以用於雙包層光纖的多點泵浦。 角度磨拋側面泵浦耦合是將端面按一定角度磨拋好的泵浦光纖用折射率相近的光學膠膠合在雙包層光纖的內包層上，並固定好兩纖的相對位置，泵浦光即可由泵浦光纖側面耦合進入雙包層光纖的內包層。通常該技術要求泵浦光纖端面的磨拋角較大（約 80 度），對於光纖端面磨拋工藝提出了很高的要求。更致命的弱點是，在高泵浦功率下，光學膠難以承受其功率密度會導致揮發或分解，使耦合效率下降。雖然該耦合方式獲得了高達 90%的耦合效率，但是獲得的光纖雷射輸出功率也僅僅是 1W 左右。
光纖側面泵浦耦合器是一種實現側面泵浦耦合的新型器件，耦合器包括泵浦輸入端、信號輸入端和輸出端三個可用連線埠。耦合器的信號輸入、輸出端光纖一般為無源的雙包層光纖，泵浦輸入端一般根據所使用泵浦光源的情況，選擇相應的匹配多模光纖，閒置端可以取消。
與普通光纖耦合器不同，側面泵浦耦合器的主要設計目的是為了實現泵浦光功率向信號傳輸光纖的單向耦合，因此拉錐完成後，兩根光纖的纖芯之間相距較遠，能量耦合主要發生在側面泵浦光纖的纖芯與信號光纖的包層之間，泵浦功率從泵浦輸入端光纖的纖芯耦合進入信號傳輸光纖的內包層，而在信號傳 輸光纖的纖芯中傳輸的雷射信號（包括正向和反向光），被限制在傳輸光纖的纖芯中與泵浦輸入端不發生能量耦合，因此側面泵浦耦合器就起到了泵浦耦合與信號隔離的雙重作用，泵浦輸入端對反向傳輸信號光的隔離度一般能達到 15dB以上。
光纖側面泵浦耦合器通過全光纖化設計實現了線上泵浦，它可以實現增益光纖的多點泵浦，有利於提高光纖雷射器和放大器的轉換效率和輸出功率，更重要的是它可以有效的禁止增益光纖中的後向傳輸光，保護泵浦光源的安全工作，這對於高功率全光纖化結構的雷射器和放大器的研究意義重大。
