双包层光纤设计

双包层光纤是由掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层4部分组成, 纤芯作为激光的波导，掺杂了镱离子，由于内包层包绕在纤芯的外围，耦合入内包层的多模泵浦光在内包层反射时，进入纤芯区域，就被镱离子所吸收，产生粒子数反转，当增益足够强时，就将多模泵浦光高效地转换为单模激光。双包层掺杂光纤与普通的单模光纤相比, 除了纤芯和内包层之间满足单模光纤条件外, 还有一层低折射率的外包层 ,使两个包层之间形成一个多模光波导层, 外包层的折射率小于内包层的折射率，内包层的折射率小于纤芯的折射率，其横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯，这样就可以比较容易地将高功率的多模半导体激光泵浦入光纤，并被限制在内包层中传输，不扩散，有利于保持高功率密度光泵。

针对石英玻璃掺杂稀土离子浓度低的缺点,选择对稀土离子具有较高溶解度的磷酸盐玻璃作为增益介质，大大提高了Yb2O3掺杂浓度。并通过熔融过程中通入纯氧和CCl4解决除水问题，提高Yb3+荧光寿命。

内包层采用与纤芯同基质的磷酸盐玻璃，确定纤芯数值孔径，通过调节组分严格控制内包层玻璃的折射率。玻璃折射率与玻璃分子体积和玻璃内阳离子的极化率有关，极化率越大，折射率越大；分子体积越小，折射率越大。阳离子极化率决定于离子半径及其外电子层结构，原子价相同的阳离子其半径越大，极化率越高,且氧离子与周围阳离子之间的键力越大，则氧离子的外电子被束缚得越牢固,其极化率也越小。故当阳离子半径增加时不仅其本身极化率上升而且提高了氧离子极化率。通过改变配方组分可以直接对磷酸盐玻璃的折射率产生影响。

外包层选用自制的磷酸盐玻璃，通过掺入氟化物降低外包层玻璃的折射率，

并掺入B

2O

3

稳定玻璃的网络结构，提高玻璃的热力学性能，以满足光纤拉制要求。

在此基础上采用管棒法拉制双包层磷酸盐光纤。

烧制大块磷酸盐玻璃的具体工艺制度：

大块磷酸盐玻璃采用精密退火制度，在退火温度保温120分钟后，每隔1200分钟温度下降100℃，当退火温度为500℃时，退火制度如下。

退火后得到的大块磷酸盐玻璃

在光纤制作过程中,首先要制出具有与光纤的折射率分布形状相同称为预制棒的原始材料,接着对预制棒的成丝端加热,使其软化,并从一端按一定的速度拉伸,才能制出具有所希望的外径的光纤。通过管棒法拉制光纤，对光纤折射率分布形状的控制是在制造预制棒时进行的,拉制时只控制外径尺寸。

具体加工方式：

1、将纤芯玻璃加工至圆柱体，抛光外表面，用拉丝塔拉制成直径1.5mm至2.5mm

的纤芯棒。

2、根据纤芯尺寸，将大块磷酸盐包层玻璃利用自动机械车床加工至所需尺寸，

并根据设计的参数进行打孔，以备后续预制棒的套管镶嵌。

3、对内外包层预制棒的表面和内孔进行抛光。抛光制度为600目粗砂抛30min，

1000目中砂抛30min，2000目细沙抛1h，最后用氧化铈抛光1h至表面光亮无划痕。

4、采用化学浸蚀的方法来改善磷酸盐玻璃表面平整性、去除玻璃表面杂质，提

高用管棒法制备光纤预制棒时纤芯和包层玻璃的表面质量，消除由于机械抛光工艺带来的表面缺陷和表面污染。9mol/L的盐酸溶液对此磷酸盐玻璃具有最大浸蚀速率，浸蚀 30min后，可消除玻璃表面的划痕，盐酸溶液对玻璃的浸蚀反应使磷酸盐玻璃表面平整。

表面处理后的双包层预制棒烘干后用洁净保鲜膜包裹，置于常温箱中备用。

双包层光纤预制棒

双包层光纤的拉制

将纤芯、内包层、外包层进行套管镶嵌，光纤预制棒的开口端用黏土和水玻璃进行封口处理，端口朝上悬挂在高温拉丝塔上，将预制棒底部缓缓下降至加热炉，用金属贴片封闭预制棒和加热炉之间的空隙。光纤预制棒下端悬挂重物，当加热至拉丝温度后，重物牵引软后的光纤下坠，达到拉丝的目的。后去除重物，将光纤固定于卷丝轴，通过卷丝轴的参数调整控制光纤的直径。

按照拉丝塔的标准升温制度将温度上升至500℃后，根据预制棒的软化程度进行手动升温，最终于620℃左右进行拉丝操作。所采用的高温拉丝塔的最高使用温度为900℃，升温制度如下：

拉丝过程中需要实时根据光纤的尺寸对拉丝塔的参数进行调整。如光纤尺寸较粗，则需要适当降低预制棒的下放速度，并提高卷丝轴的速度以达到降低光纤直径的目的。

拉丝温度过高或过低都会对光纤拉制产生巨大影响。若拉制温度过高，则拉丝炉内的预制棒加热部位软化严重，会直径影响光纤直径的控制，严重时可能会因为预制棒熔融脱落而导致拉丝失败；若温度过低，会导致预制棒成丝速率与卷丝机速率不匹配，导致光纤断裂或无法拉丝。

双包层磷酸盐光纤的拉制 双包层磷酸盐光纤