CN101414028B - 新型紫外传输光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型紫外光传输光纤及其制备方法。它的光纤剖面结构包括纯硅石英的光纤芯层，掺氟石英下陷内包层，纯硅石英外包层，在下陷内包层和纯石英芯层、下陷内包层和外包层这两个过渡层界面采用了梯度变化的折射率设计结构。该光纤可使用在600nm以下窗口，在紫外波长窗口具有较低的衰减，在使用的过程中能够保持其稳定的传输特性。它在工业应用、光纤传感、光纤医疗领域都有着广泛的应用。

Description

新型紫外传输光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及工业应用、光纤传感和医疗领域中的一种传输光纤及其制备方法，具体说是一种新型紫外光传输光纤及其制备方法。该光纤可使用在600nm以下窗口，在紫外波长窗口具有较低的衰减，在使用的过程中能够保持其稳定的传输特性。该光纤在工业应用、光纤传感、光纤医疗领域都有着广泛的应用。

背景技术

紫外激光具有波长短、能量高、无热效应、与物质相互作用直接断键等特点。用光纤传输紫外激光，可以将紫外激光引入到远距离的复杂工作目标上，大大扩展紫外激光的应用范围。例如，借助于紫外光纤，可以进行紫外线淬火树脂固化、机械微加工和制造、医学治疗、光栅制造、紫外光探测、环境保护等领域的工作。当一个光纤被用来传输紫外光时，在许多场合要求其具有传输短波长、高能量的特性，但是波长短、高能量的紫外光在石英玻璃中产生了色心缺陷使其发生了结构变化，这将阻止紫外光的传输，并增加了损耗，大大地降低了光纤在紫外光的传输性能。当一个标准的高0H紫外石英光纤，用一个未滤波的氘灯连续照射24小时后，它的传输性能将下降约50％。紫外光的波长越短，功率越高，那么这种降低紫外光传输性能的问题就越突出，这可称为光纤紫外抑制效应。所以，当一个准分子激光器被用来作为光源时，石英光纤的传输性能就要发生异变，特别是KrF准分子激光器(波长：248nm)，F₂准分子激光器(波长：157nm)和ArF准分子激光器(波长：193nm)等作为光源时更为明显。

对紫外传输光纤的制造，国际上有过很多相关专利的报道：

美国专利US6588236里面介绍了一种增强光纤紫外传输性能的方法，使用紫外光照射光纤端面，同时使用加热装置对光纤进行加热。这种方法是在光纤拉制之后对光纤进行处理，使用紫外光在光纤的端面照射，由于紫外光在光纤中的传输效率并不高，所以这种方法只能处理较短的光纤，并且由于加热，会引起光纤的微裂纹的扩大，降低光纤的强度，减少使用寿命。

在日本专利：Hei4-342427和Hei4-342436中，采用在石英玻璃光纤芯中增加氢氧根含量(大于500ppm)的方法。但是这种方法，当氢氧根的含量增高时，紫外线吸收边缘的波长会加长，结果短波长(特别是真空紫外区域)的紫外光不能在光纤中传输。另外，并不是氢氧根越高效果越好，它的改进能力是有限的，当氢氧根含量浓度高出一定值(如2000ppm)时，光纤的损耗也会加大。

美国专利US6622527中使用高羟基的原料来生产紫外传输光纤预制棒，是用原材料的组分上对光纤的性能进行优化。但没有从光纤的折射率剖面设计上对光纤的性能进行优化。

也有方法在紫外光纤中进行载氢处理，这样也会改进短波长、高能量紫外光在光纤中的传输性能，然而，载氢需要10¹⁹cm^-3浓度的氢气，并且要在高压容器中几个星期才能完成，它不仅投资大、时间长，而且由于温度等环境的变化会使一部份载氢逸出光纤，仍会降低它的传输性能。

中国专利CN1455274A中也有报道，对光纤预制棒进行处理，从而优化拉制出的光纤的紫外传输性能。但此专利中没有对处理后的效果进行描述，也就无法得知专利的可行性了。

在以上专利中对光纤的折射率剖面进行优化的没有提及，一般都是对拉制出来的光纤进行后续的处理，使得被处理的那部分光纤的紫外传输性能得到改善。然而光纤在紫外波段传输的稳定性在光纤的应用中同样重要，光纤在紫外波段的传输稳定性与光纤中的缺陷含量有着直接的关系，而上述专利中都未提及如何通过光纤参量的控制来达到减少光纤中缺陷含量的要求。

紫外光纤的制造一般都是对光纤的成分进行优化，增强光纤在紫外波段的传输效率和传输稳定性。一般采用的光纤设计是采用的包层纯硅设计，芯层掺杂增加其折射率来达到芯层导光的效果。如图1所示，在包层103和芯层101的界面102采用的是阶跃结构设计。采用这样的设计，芯层掺杂将会增加芯层的缺陷含量，增加光纤紫外波段的吸收。另一方面由于光纤设计和制造工艺过程中产生的缺陷，将导致光纤紫外波段的传输性能的下降。普通阶跃型光纤设计，在包层和芯层的界面上采用跳跃过渡，形成垂直的界面。这样的界面在拉丝的过程中由于界面两侧的材料性能差别很大，拉丝过程中容易断键而形成缺陷，会降低光纤的紫外传输性能。因此发明一种性能优良的紫外传输光纤及制造方法一直是亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明目的就是针对现有紫外传输光纤的不足，提供一种新型紫外传输光纤，该光纤可使用在600nm以下窗口，在紫外波长窗口具有较低的衰减，且在使用的过程中能保持稳定的传输特性。

本发明不同于现有技术的方法是：从光纤的折射率剖面设计入手，从光纤的设计、光纤的制造这些源头上来对光纤的紫外传输性能进行优化，提升光纤本征的性能，这将极大地降低后续处理的成本和时间，并且对光纤的其他性能如：机械稳定性、环境稳定性等都不会由于热处理和紫外光处理而带来不良的影响。

对紫外传输的光纤来说，最重要的参数有如下几个：

1、光纤的紫外光透过率：紫外光透过率是指从光纤的一端入射紫外光，入射端有一个功率值P₀，从光纤的另一端会出射紫外光，出射端有一个功率值P₁，则透过率为T＝P₁/P₀(1)；

2、光纤的紫外传输稳定性：指的是一段光纤传输紫外光，当入射端紫外光功率一定的情况下，在使用期内出射端紫外光的出光功率的变化值，计算公式为：

3、光纤的拉丝吸收峰：630nm对应着非桥氧空心缺陷(Si-O··O-Si)和Si-E’心缺陷(Si·)的吸收峰，而此类缺陷主要是在光纤拉丝过程中产生的，也是光纤的主要缺陷。通过测量630nm的衰减值的大小可以判断光纤中缺陷的含量，从而可以判断光纤的紫外光传输性能的优劣及使用过程中的稳定性。

光纤在紫外波段的衰减的来源是：一是光纤纤芯中有掺杂，会产生Ge—O缺陷和色心缺陷，这两种缺陷的吸收峰在紫外区，二是由于光纤在拉丝过程中，拉丝张力引起的应力导致的断键，这些断键会引起光纤在紫外波段的衰减增大，传输稳定性下降。第一个因素可以通过优化光纤芯层的材料设计来减少，第二个因素通过改变光纤的折射率剖面并优化拉丝条件来进行控制。两个因素的共同控制可以使得光纤在紫外波段的传输性能得到很好的提升。

为了从光纤的折射率剖面的设计上对光纤在紫外波段的传输效率和传输稳定性进行优化，本发明采用了纯硅石英的光纤芯层结构设计，掺氟石英内包层，纯硅石英外包层，并且在内/外包层和内包层/芯层这两个界面上采用了梯度变化的设计。纯硅石英光纤芯层产生的缺陷较少，能够减少紫外波段的吸收，同时在界面上的梯度设计能够将拉丝的时候产生的应力分散在内包层之中，减少芯层产生缺陷的数量，也可以起到增加紫外传输性能的效果。采用这种光纤折射率剖面的设计，在拉丝的过程中对工艺进行精确的控制，可以得到紫外波段传输性能优良的新型光纤。

同时本发明还提供一种衡量光纤的紫外波段传输稳定性的参考方法：由于光纤紫外波段的传输稳定性取决于光纤中的缺陷含量，而这种缺陷将导致光纤在630nm波长的衰减值增加，从而可以利用测试630nm波长的光纤的衰减值来对光纤的紫外波段传输稳定性进行评估。

经过以上的分析和研究，本发明采取了以下技术方案：光纤的剖面结构包括纯硅石英的光纤芯层，掺氟石英下陷内包层，纯硅石英外包层，在下陷内包层和纯石英芯层、下陷内包层和外包层这两个过渡层界面采用了梯度变化的折射率设计结构。

折射率剖面设计如图2所示，光纤的芯层201采用纯石英材料，芯层的直径范围是：25μm—65μm；下陷内包层203的厚度范围是：5μm—25μm，光纤下陷内包层的折射率相对于光纤芯层折射率的减小值Δ为-0.6％—-1.5％，芯层和下陷内包层所构成的数值孔径(NA)值为：0.15-0.25；第一过渡层202的厚度范围是：2μm—20μm；第二过渡层204的厚度范围是：2μm—20μm。

本发明的制备方法是根据上述折射率剖面设计来进行光纤的制造工艺的设定，光纤的下陷内包层相对于光纤芯层的折射率差值Δ为：-0.6％—-1.5％；首先沉积外包层、内包层，然后沉积芯层，在沉积下陷内包层的过程中掺入氟；将沉积后的衬管进行融缩；得到预制棒，预制棒拉丝得到光纤。

本发明采用纯硅石英芯设计，可以降低芯层掺杂所引起的缺陷，从而降低光纤在紫外波段的衰减。在每层分界的界面上采用了梯度折射率设计，可以降低光纤在拉丝过程中产生缺陷的数量，同样减少光纤芯层的缺陷，降低光纤在紫外波段的衰减。光纤各层的材料组成如表1所示：

 

位置	芯层	第一过渡层	下陷内包层	第二过渡层	外包层
						组成	纯石英	掺氟石英	掺氟石英	掺氟石英	纯石英

表1

本发明的紫外传输光纤，光纤的芯层采用的是纯石英材料，不含任何掺杂物质，而环绕着芯层的是一层掺氟元素的较低折射率的下陷包层，在纯石英芯层和掺氟下陷包层之间的转变界面为梯度变化的结构设计；下陷掺杂包层的外面又是一层纯石英外包层，为光纤提供保护，同样的在下陷掺杂包层和纯石英外包层之间的转变界面为梯度变化的结构设计。掺氟下陷内包层和纯石英芯层的折射率相对差值为：-0.6％—-1.5％，掺氟下陷内包层的厚度控制范围是：5μm—25μm。由于本发明采取的纯石英芯层的设计，并且在内包层和外包层这两个过渡界面上都采用了梯度折射率变化的设计，在拉丝的过程中对光纤的拉丝参数进行严格的控制，将会使得光纤在紫外波段的传输特性和传输稳定性得到很大的提高，为光纤在紫外波段的广泛应用提供了很好的保证。

按照上述技术方案，本发明的光纤具有如下优点：

1、采用纯石英芯层的光纤设计，使得光纤在紫外波段的传输性能得到很大的提高，光纤的紫外光透过率可以达到95％以上；

2、在纯石英芯层外设计了下陷折射率的内包层，其中掺入了大量的氟元素，保证了此下陷内包层相对纯石英芯层的折射率差值很大，为光纤提供了较高的数值孔径，并且控制下陷内包层的厚度，为光纤的传输性能提供了保证；

3、在下陷内包层和纯石英芯层、内包层和外包层这两个过渡层界面采用了梯度变化的结构设计，减少了芯层所受到的拉丝过程中的张力引起的应力的影响，减少了芯层产生缺陷的可能性，优化了光纤的紫外传输性能和传输稳定性，使得光纤的长期传输稳定性在90％以上；

4、通过折射率剖面的优化，并且控制芯棒的沉积和熔缩工艺，控制光纤的拉丝工艺来达到减少光纤缺陷的作用，将光纤在630nm的衰减值降到了20dB/km以下。

本发明的一个显著特点在于其具有很高的紫外传输性能和紫外传输稳定性，使得这种光纤能够成为紫外波段应用的稳定的传输界质。

附图说明

图1：普通阶跃光纤剖面结构设计图

图2：本发明所采用的光纤剖面结构设计图

图3：拉丝得到的光纤剖面测试图

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：(下陷内包层Δ＝-1.0％，厚度为12μm)

在本实施例中，采用图2所示的纯石英芯层、掺杂下陷内包层的折射率剖面来进行光纤的PCVD工艺的设定，光纤的下陷内包层的折射率差值为：-1.0％。首先沉积外包层、内包层，然后沉积芯层，在沉积下陷内包层的过程中掺入氟；将沉积后的衬管进行融缩，得到预制棒，将预制棒拉丝得到光纤。其中内包层的折射率变化值为：—1.0％，光纤芯层相对于下陷内包层的NA值为：0.22，下陷内包层的厚度为12μm。

制得光纤，光纤的芯层直径为40μm，图3是光纤拉丝后折射率剖面测试的结果，实现了光纤预制棒设计所预期的结构。对这种光纤进行了405nm波长激光传输性能的测试，对光纤的传输效率、传输稳定性都进行了测试。使用光纤衰减测试设备进行光纤衰减谱的测试，测试波长范围是：600nm-1600nm。其中630nm的衰减值见表3。

根据图2所示的描述波导的折射率分布曲线，按照表1的材料组成实现如下表2所示的实施例2-8，各实施例所制得的光纤数据如表3所示：

实施例	芯层直径(μm)	第一过渡层厚度(μm)	下陷内包层与芯层折射率差	芯层NA值	下陷内包层厚度(μm)	第二过渡层厚度(μm)
							1	40	5	-1.00％	0.22	12	5
2	25	5	-0.70％	0.17	8	5
							3	35	2	-1.00％	0.2	5	2
4	40	15	-0.80％	0.18	15	15
							5	45	8	-1.30％	0.23	20	8
6	50	16	-0.90％	0.19	10	16
							7	55	18	-1.40％	0.24	18	18
8	65	20	-1.50％	0.25	25	20

表2

上述8个实施例的主要光学参数如表3所示：

实施例	1米光纤在405nm的传输效率(T)	光纤传输405nm激光2周传输稳定性(S)	光纤在630nm衰减值(dB/km)
				1	96.0％	91.5％	15
2	96.5％	92.8％	14
				3	97.0％	92.7％	13
4	98.0％	93.5％	18
				5	99.0％	95.0％	12
6	96.0％	96.8％	15
				7	96.5％	93.0％	14
8	97.0％	92.0％	16

表3

Claims (3)

1.一种紫外光传输光纤，它的光纤剖面结构包括纯硅石英的光纤芯层，掺氟石英下陷内包层，纯硅石英外包层，下陷内包层和纯硅石英的光纤芯层之间的过渡层界面、下陷内包层和外包层之间的过渡层界面采用了梯度变化的折射率设计结构，其中光纤下陷内包层的折射率相对于光纤芯层折射率的减小值Δ为-0.6％--1.5％，芯层和下陷内包层所构成的数值孔径NA值为：0.15-0.25，下陷内包层的厚度范围是：5μm-25μm，下陷内包层和外包层之间的过渡层的厚度范围是：2μm-20μm。

2.根据权利要求1所述的紫外光传输光纤，其中光纤芯层的直径范围是：25μm-65μm。

3.根据权利要求1所述的紫外光传输光纤，其中下陷内包层和纯硅石英的光纤芯层之间的过渡层的厚度范围是：2μm-20μm。

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