一种涡旋增益光纤及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于光纤技术领域，公开了一种涡旋增益光纤及其制备方法与应用，所述光纤由内向外依次包括未掺杂纤芯、掺杂纤芯及包层，所述未掺杂纤芯和包层为多组分玻璃，所述未掺杂纤芯的折射率和包层的折射率相同且小于掺杂纤芯的折射率，所述光纤采用管棒法制备。与传统的石英基涡旋光纤不同，本发明专利技术的涡旋增益光纤纤芯和包层的折射率差值大、增益高，可应用于全光纤、紧凑型涡旋光光纤激光器，特别是应用于涡旋光单频光纤激光器和涡旋光锁模光纤激光器。光器。光器。

【技术实现步骤摘要】
一种涡旋增益光纤及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于光纤
，特别涉及一种涡旋增益光纤及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]涡旋光束是具有螺旋形波前相位的光束，其光场强度呈环形分布。涡旋光每个光子都携带的轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)，并且不同拓扑荷值l的OAM光彼此正交。涡旋光由于具有以上性质应用广泛，对不同拓扑荷值l的OAM光进行空分复用能够实现多通道独立传输光信息，提高了信息传输的容量。涡旋光能够用作光镊来捕捉微观粒子并对其实现操纵，此外还可以应用到材料加工、超分辨成像、非线性光学、信息编码与储存，传感等诸多领域。
[0003]能产生涡旋光的方式主要分为两大类：腔外调制和腔内直接产生。腔外调制主要是利用螺旋相位板、空间光调制器、q板、回音廊和超表面等相位元件进行调制而产生涡旋光，但这些元件的损伤阈值低、损耗过大且成本较高。在腔内直接产生的涡旋光激光稳定好、模式纯度高、效率高以及功率高等优势。制作涡旋光放大器、涡旋光激光器以及高阶模式的宽谱光源等器件必须使用到增益光纤。
[0004]目前，涡旋增益光纤大多为石英基光纤，石英玻璃的稀土离子掺杂浓度低，导致石英基光纤的增益低，且纤芯和包层的折射率差值小；其次，石英玻璃本身声子能量较大、红外透过范围窄，无法应用在波长超过2.5μm的中红外波段；此外，石英基涡旋光纤大都采用MCVD或原子层沉积制备，制备工艺复杂，成本高。文献《Optical Orbital Angular Momentum Amplifier Based on an Air
‑
Hole Erbium
‑
Doped Fiber》通过化学气相沉积(MCVD)的方式制备石英基涡旋光纤，Er
3+
掺杂浓度仅为3500ppm，掺杂纤芯和包层的折射率差值仅为1％，因此，制备一种折射率差值大、增益高的涡旋增益光纤，具有广阔的应用前景。

技术实现思路

[0005]针对目前涡旋增益光纤存在的问题，本专利技术的首要目的在于提供一种涡旋增益光纤，该涡旋增益光纤纤芯和包层均为多组分玻璃、折射率差值大、增益高。
[0006]本专利技术的又一目的在于提供涡旋增益光纤的制备方法，采用管棒法制备。
[0007]本专利技术的再一目的在于提供涡旋增益光纤的应用，可应用于全光纤、紧凑型涡旋光光纤激光器，特别是应用于涡旋光单频光纤激光器和涡旋光锁模光纤激光器。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种涡旋增益光纤，光纤由内向外依次包括未掺杂纤芯、掺杂纤芯及包层，所述未掺杂纤芯和包层为多组分玻璃，所述未掺杂纤芯的折射率和包层的折射率相同且小于掺杂纤芯的折射率。
[0010]优选地，所述光纤的掺杂纤芯与包层的折射率差值为5％～20％，高折射率差有利于增加模间等效折射率差值，减少模式耦合串扰，实现涡旋光场的稳定传输。
[0011]优选地，所述涡旋增益光纤所支持的OAM模式数为8～46，可通过纤芯和包层的折射率以及直径来调整输出的OAM模式数。
[0012]优选地，未掺杂纤芯和包层为同一种玻璃材料，具有相同的物化性能，有利于简化光纤制备工艺。
[0013]优选地，所述未掺杂纤芯直径6～40μm，掺杂纤芯直径7～48μm，包层直径120～130μm。
[0014]优选地，所述掺杂纤芯为稀土离子、过渡金属离子、主族金属离子、半导体或量子点中的一种或多种掺杂的多组分玻璃，玻璃中掺杂不同的增益介质可实现从可见到红外波段的发光。
[0015]优选地，所述稀土离子选自Tm
3+
、Er
3+
、Yb
3+
、Ho
3+
、Ce
3+
、Eu
3+
、Eu
2+
、Sm
3+
、Sm
2+
、Nd
3+
、Dy
3+
或Pr
3+
中的一种或多种，所述掺杂纤芯中稀土离子的掺杂浓度≥1mol％。
[0016]优选地，所述多组分玻璃选自多组分氟化物玻璃、多组分硅酸盐玻璃、多组分锗酸盐玻璃、多组分碲酸盐玻璃、多组分磷酸盐玻璃、多组分硫系玻璃、多组分硼酸盐玻璃、多组分铝酸盐玻璃中的一种或多种。
[0017]多组分玻璃的物化性能可根据组分进行调节，包括折射率、红外透过范围、热性能、声子能量等，以满足涡旋增益光纤设计和制备的要求，多组分玻璃可以实现增益介质的高浓度掺杂，进而实现高增益。
[0018]优选地，所述多组分玻璃采用高温熔融
‑
退火法制备，按照配方设计称取的相应原料放入玛瑙研钵中充分混合，然后倒入刚玉坩埚中，在高温熔炉中将原料熔融并进行搅拌、均化、澄清，得到玻璃液，然后倒入预先加热的模具中成型，并迅速转至退火炉中进行精密退火，得到多组分玻璃。
[0019]优选地，所述包层为全固结构或含有周期性气孔的微结构，可进一步调控光纤的性能，包括模场、非线性、色散平坦、双折射、泵浦吸收效率，进而满足不同涡旋增益光纤的需求；
[0020]所述光纤还包括包覆于所述包层表面的聚合物涂覆层，以提高光纤的机械强度。
[0021]上述涡旋增益光纤采用管棒法制备：
[0022](1)玻璃熔制：通过高温熔融
‑
退火法分别熔制未掺杂纤芯玻璃、掺杂纤芯玻璃和包层玻璃；
[0023](2)机械加工：将未掺杂纤芯玻璃机械加工成预设尺寸的未掺杂纤芯圆柱棒，将掺杂纤芯玻璃和包层玻璃通过机械加工成设定尺寸的玻璃管，采用物理和化学方法抛光内、外表面，分别得到掺杂纤芯玻璃管和包层玻璃管；
[0024](3)光纤拉制：先将未掺杂纤芯圆柱棒和掺杂纤芯玻璃管组装，在200～900℃下拉制成微结构纤芯，再将微结构纤芯与包层玻璃管组装，在300～1000℃下拉制得到涡旋增益光纤。
[0025]上述的涡旋增益光纤在制备涡旋光产生元件中的应用。
[0026]上述的涡旋增益光纤在制备涡旋光单频光纤激光器和涡旋光锁模光纤激光器中的应用。
[0027]采用高增益涡旋增益光纤构建全光纤涡旋光激光器，结构简单、紧凑、稳定性好，可有效减短光纤使用的长度，缩短腔长，实现涡旋光单频激光和涡旋光锁模激光输出。
[0028]与现有技术相比较，本专利技术具有如下有益效果：
[0029](1)本专利技术的涡旋光纤纤芯和包层的折射率差值高、增益高、采用管棒法制备工艺简单、成本低。
[0030](2)本专利技术的涡旋增益光纤可实现可见光到红外波段的涡旋光输出。
[0031](3)本专利技术的涡旋增益光纤可不采用相位元件而通过光纤结构设置直接输出涡旋光。
[0032](4)本专利技术的涡旋增益光纤可应用于全光纤涡旋光光纤激光器，特别是应用于涡旋光单频光纤激光器和涡旋光锁模光纤激光器。
附图说明
[0033]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡旋增益光纤，其特征在于，光纤由内向外依次包括未掺杂纤芯、掺杂纤芯及包层，所述未掺杂纤芯和包层为多组分玻璃，所述未掺杂纤芯的折射率和包层的折射率相同且小于掺杂纤芯的折射率。2.根据权利要求1所述的一种涡旋增益光纤，其特征在于，所述光纤的掺杂纤芯与包层的折射率差值为5％～20％。3.根据权利要求1所述的一种涡旋增益光纤，其特征在于，所述未掺杂纤芯直径6～40μm，掺杂纤芯直径7～48μm，包层直径120～130μm。4.根据权利要求1所述的一种涡旋增益光纤，其特征在于，所述掺杂纤芯为稀土离子、过渡金属离子、主族金属离子、半导体或量子点中的一种或多种掺杂的多组分玻璃。5.根据权利要求4所述的一种涡旋增益光纤，其特征在于，所述稀土离子选自Tm
3+
、Er
3+
、Yb
3+
、Ho
3+
、Ce
3+
、Eu
3+
、Eu
2+
、Sm
3+
、Sm
2+
、Nd
3+
、Dy
3+
或Pr
3+

【专利技术属性】
技术研发人员：杨中民，杨冬亮，陈东丹，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：