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梯度掺稀土光纤的制备工艺研究

耿鹏程 庞璐 武洋
中国电子科技集团公司第四十六研究所

摘要: 为了提高掺稀土光纤的纵向温度分布均匀性和受激布里渊散射效应的阈值功率，研究了光纤纵向距离上
稀土离子掺杂浓度呈梯度分布的掺稀土光纤的制备方法。分析了制备梯度掺稀土光纤预制棒的工艺要求与光纤几何尺
寸的关系。基于离子液相掺杂方法，采用疏松层分区多次浸泡技术，在光纤预制棒中仅为28.0mm的长度区间内，镱离
子实现了含四个“台阶”的梯度掺杂。将梯度掺杂预制棒拉制成掺稀土光纤后，对长度为11.2m的梯度掺杂段光纤的
976nm波长处包层吸收系数进行了测试，高掺杂浓度区的吸收系数达到了低掺杂浓度区的2.57倍。
关键词: 受激布里渊散射；梯度掺杂；疏松层；液相掺杂

随着光纤激光器输出功率突破万瓦门槛，掺稀土光纤中 光强度以及制冷条件等因素密切相关 ［10］ 。通常用于降低掺稀
的热效应已经成为激光器输出功率进一步提升的主要限制因素 土光纤热负载的方案为对光纤进行强制冷却。尽管采用冷却技
之一 ［1-3］ 。由于激光能量主要限制在面积仅为数百平方微米 术可使掺稀土光纤温度有效降低，但制冷装置通常体积较大、
的纤芯内，所以随着激光功率的提升，纤芯内极高的功率密度 重量较高，不利于光纤激光器的小型化和轻量化。2008年，日
会导致光纤内部温度急剧升高，破坏纤芯内的折射率分布，使 立电线株式会社的姚兵及小岛正嗣等人提出了通过采用梯度掺
得光束质量劣化，甚至还会造成涂覆层与纤芯的热损伤。由于 稀土光纤（改变掺稀土光纤纵向稀土离子掺杂浓度的方法）调
目前光纤激光器主要采用端面泵浦方式，所以在掺稀土光纤端 节光纤温度分布这一技术方案 ［11］ ，理论仿真表明，采用此种
面处(即掺稀土光纤与无源光纤熔接点处)温度最高 ［4-6］ ，导 方案可使光纤泵浦光注入端的温度降低30%以上。然而，该研
致熔接点处这一薄弱点更易烧损。另一方面，受激布里渊散射 究小组制备梯度掺稀土光纤的方法为将多段稀土离子掺杂浓度
(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)效应是光纤激光器 不同的光纤进行熔接，由此制备的梯度掺稀土光纤会存在多个
输出功率进一步提升的另一个主要限制因素，尤其是对于脉冲 熔接点，而每个熔接点附近处的涂覆层均经历了剥除和再涂
激光器 ［7-9］ 。综上所述，对掺稀土光纤中的热分布进行控制优 覆等处理。因此，会导致此种梯度掺稀土光纤存在多个“薄
化、对非线性效应进行抑制，对于激光输出功率的进一步提升 弱点”。2012年，土耳其Elahi P，Yilmaz S等人理论研究表
是极为必要的。 明，采用低掺杂光纤和高掺杂光纤组合方式，不仅可以降低掺
根据激光器的速率方程及热传导理论，掺稀土光纤中的温 稀土光纤中的最高温度，还可以同时抑制光纤中的非线性效应
度分布与纤芯中稀土离子的掺杂浓度、泵浦光吸收系数、泵浦 ［12］ 。2016年，国防科学技术大学周子超与王小林等人进一步

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