无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤

1.本发明属于光纤技术领域，涉及一种无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤。
技术背景
2.激光传感、激光雷达、大气探测等重要领域对大能量超短脉冲光纤激光器和放大器的需求量急剧增加。大能量超短脉冲光纤激光器的主要运行方式主要集中在主振荡脉冲放大器，其增益介质为稀土掺杂光纤。然而，大能量超短脉冲激光对增益光纤的模场面积要求较高；目前，商用石英光纤受到工艺限制，提升模场面积难度大。
3.磷酸盐玻璃光纤具有高光学均匀性等特点，可以获得超低na和超大模场面积，能够简单解决上述问题。
4.掺er磷酸盐大模场光纤可实现60μm超大芯径、3mj的脉冲能量(参见ieee photonics technology letters，32，2020，1481-1484)。
5.中国专利cn105826799a和cn106356702b公开了利用多组分玻璃(包括磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲酸盐玻璃等)作为稀土掺杂大模场光纤的增益介质，有效提升了脉冲激光产生非线性效应的阈值能量。但是，在这些方案中，多组分玻璃存在热膨胀系数大(比石英玻璃高2个数量级)导致热畸变严重等问题，严重影响了激光脉冲运行的模式稳定性、输出功率和能量，极大增加了该方案实际应用的难度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有方案中磷酸盐玻璃光纤热膨胀系数大导致热畸变严重的问题，提供一种无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤。本发明光纤具有模场面积大、批次稳定性高等特点，可用于大能量超短脉冲光纤激光器，对激光雷达、大气探测等领域的发展具有重大的推动意义。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤，自内向外依次包括纤芯、内包层和外包层，其特点在于,所述的纤芯为稀土离子掺杂的磷酸盐玻璃，按摩尔百分比，其成分包括：p2o5含量为40-65mol％，al2o3含量为5-15mol％，na2o+k2o的含量为10～20mol％，zno+mgo+bao的含量为5～20mol％，re2o3含量为0.2-20mol％，其中re为稀土离子er、yb、tm、ho、nd中的一种或多种；所述的纤芯玻璃的热光系数小于0.2
×
10-7
/℃。
9.所述的光纤纤芯的模式，由纤芯与包层之间的阶跃折射率差引导，所述的光纤纤芯的数值孔径(na，等于纤芯折射率与内包层折射率的平方差的平方根)在大约0.01与大约0.04之间,所述的纤芯直径为30～100μm。
10.所述的外包层与内包层之间的数值孔径na大于0.4。为了增加包层泵浦的吸收效率，内包层的形状可以是圆形、六边形、八边形等。
11.本发明的技术效果：
12.1、本发明利用零热光系数的大模场磷酸盐光纤，打破了现有方案中对纤芯数值孔
径的限制，解决了大功率、大能量脉冲激光运行时产生的热畸变问题，从而达到维持纤芯na、提升有效模场面积和模式稳定性的有益效果。
13.2、本发明的制备方法没有采用复杂的微结构，这也降低了光纤的制作难度。
14.本发明光纤具有模场面积大、批次稳定性高等特点，可用于大能量超短脉冲光纤激光器，对激光雷达、大气探测等领域的发展具有重大的推动意义。
附图说明
15.图1为本发明大模场磷酸盐光纤横截面示意图。其中，1-1为纤芯，1-2为内包层，1-3为外包层。
16.图2为对比例1大模场磷酸盐光纤输出的激光光斑。
17.图3为本发明实施例1无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤输出的激光光斑。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
19.先请参阅图1,图1是本发明稀土掺杂大模场磷酸盐光纤的横截面示意图。由图可见,本发明无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤，自内向外依次包括纤芯1-1、内包层1-2、外包层1-3，所述的纤芯为稀土离子掺杂的磷酸盐玻璃，按摩尔百分比，其成分包括：p2o5含量为40-65mol％，al2o3含量为5-15mol％，na2o+k2o的含量为10～20mol％，zno+mgo+bao的含量为5～20mol％，re2o3含量为0.2-20mol％，其中re为稀土离子er、yb、tm、ho、nd中的一种或多种；所述的纤芯玻璃的热光系数小于0.2
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10-7
/℃；
20.所述的光纤纤芯的模式，由纤芯与包层之间的阶跃折射率差引导，所述的光纤纤芯的数值孔径(na，等于纤芯折射率与内包层折射率的平方差的平方根)在大约0.01与大约0.04之间,所述的纤芯直径为30～100μm。
21.所述的外包层与内包层之间的na大于0.4。为了增加包层泵浦的吸收效率，内包层的形状可以是圆形、六边形、八边形等。
22.在大能量、高功率脉冲激光的运行过程中，稀土掺杂大模场磷酸盐光纤纤芯由于热积累，造成纤芯中心与边缘出现温度差，而磷酸盐玻璃存在较大的热膨胀系数，从而形成较大的光程差，导致严重的光学热畸变，不利于大能量脉冲激光运行和放大的稳定性。该效应可由热光系数w进行衡量：
[0023][0024]
其中，s为激光在玻璃中的光程，t为温度，n为折射率，α为纤芯玻璃的热膨胀系数，dn/dt是玻璃的折射率温度系数。
[0025]
由于磷酸盐玻璃存在较大的热膨胀系数，因此式中(n-1)α为较大正值，本发明采用具有较大负值折射率温度系数的磷酸盐玻璃作为纤芯，以达到热光系数为零的有益效果。
[0026]
对比例1
[0027]
为了突出本发明中无热光效应磷酸盐玻璃的有益效果，本对比例采用常用的纤芯
热光系数较大的掺yb大模场磷酸盐光纤，光纤纤芯尺寸为30μm，纤芯na为0.03，其热光系数为14
×
10-7
/℃。图2本对比例中掺yb大模场磷酸盐光纤在976nm激光泵浦下对1064nm信号光放大后的光斑，泵浦功率为50w，持续时间10min。
[0028]
实施例1
[0029]
本实施例为掺yb大模场磷酸盐光纤，光纤纤芯尺寸为30μm，纤芯na为0.03，其热光系数为0.1
×
10-7
/℃。图3为本实施例中掺yb大模场磷酸盐光纤在976nm激光泵浦下对1064nm信号光放大后的光斑，泵浦功率为50w，持续时间10min。
[0030]
由图2和图3可知，对比例1中常用的稀土掺杂大模场光纤在脉冲放大后输出的激光光斑，严重的热光效应造成了光斑变形，模式劣化等问题；而本发明在采用具有热光系数非常小的稀土掺杂磷酸盐光纤，其在脉冲放大后的输出光斑保持较好的高斯光斑，模式稳定性具有明显优化的有益效果。
[0031]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述的实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤，自内向外依次包括纤芯、内包层、外包层,其特征在于,所述的纤芯为稀土离子掺杂的磷酸盐玻璃，按摩尔百分比，其成分包括：p2o5含量为40-65mol％，al2o3含量为5-15mol％，na2o+k2o的含量为10～20mol％，zno+mgo+bao的含量为5～20mol％，re2o3含量为0.2-20mol％，其中re为稀土离子er、yb、tm、ho、nd中的一种或多种；所述的纤芯玻璃的热光系数小于0.2
×
10-7
/℃。2.根据权利要求1所述的无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤，其特征在于，所述的光纤纤芯的模式，由纤芯与包层之间的阶跃折射率差引导，所述的光纤纤芯的数值孔径(na，等于纤芯折射率与内包层折射率的平方差的平方根)在大约0.01与大约0.04之间，所述的纤芯直径为30～100μm。3.根据权利要求1所述的无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤，其特征在于，所述的外包层与内包层之间的na大于0.4。4.根据权利要求1或3所述的无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤，其特征在于，所述内包层的形状是圆形、六边形或八边形。

技术总结
一种无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤，所述的无热光效应的稀土掺杂大模场磷酸盐光纤自内向外依次包括纤芯、内包层、外包层。所述的纤芯玻璃的热光系数小于0.2


技术研发人员：孙焰 王欣 王亚飞 王璠 冯素雅 胡丽丽 陈树彬 于春雷 廖梅松
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/8/9