CN102515506B - 一种多芯激光光纤的拉制方法及其拉制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多芯激光光纤的拉制方法及其拉制系统，属于光纤技术领域。该拉制方法是先采用真空挤压装置将石英原材料，或掺稀土离子石英材料，或掺过渡族金属离子石英材料制备成多芯激光光纤细棒，再将光纤细棒切割成长度相同的若干光纤细棒，将若干光纤细棒按设计的几何图形进行排列堆积并套入石英套管内形成多芯光纤预制棒，再将光纤预制棒用拉制系统进一步拉制成多芯激光光纤。本发明多芯激光光纤整个拉制过程相对于现有技术的毛细管组合三次拉制法、溶胶-凝胶法和腐蚀法，其制作过程简单、快速，制作成本低，且减少了多次热处理过程中引入缺陷的可能性，所拉制的多芯激光光纤质量好、精度高。

Description

一种多芯激光光纤的拉制方法及其拉制系统

技术领域

本发明涉及一种光纤制造技术，特别涉及一种包含激光增益介质的大模场多芯激光光纤的拉制方法及其拉制系统，属于光纤技术领域。

背景技术

将光纤结构应用于激光器和激光放大器的思想是由Snitzer于1961年提出并加以验证，他采用纤芯为300μm的掺Nd光纤作为激光增益介质。然而低损耗光纤制造技术和半导体激光器的发展与应用为光纤激光器带来了新的前景。以掺杂光纤为核心的光纤激光器、光纤激光放大器具有如下许多优势：稳定性高，对环境要求低；散热快、损耗低、效率高；输出波长多，可调谐；光纤导出，以及系统设计方便简单等优点。

经研究，光纤纤芯尺寸影响着光纤传输功率，大直径光纤纤芯可以传输更高功率，而小直径光纤纤芯会产生非线性，从而影响光纤输出功率，损伤光纤。而过大直径的光纤纤芯会影响光束质量，造成光纤激光器和光纤激光放大器的多模输出。因此，按照需求设计光纤纤芯尺寸结构显得尤为重要。通信用小直径光纤纤芯直径在6-10微米之间，包层直径125微米，大直径光纤代表即光子晶体光纤，纤芯可达20-50微米甚至更高。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)，又称为微结构光纤(Microstructurefiber，MF)。1996年，英国Southampton大学光电研究中心的P.St.J.Russel等人实现了第一根石英光子晶体光纤。石英光子晶体光纤一般由石英和空气孔构成，其横截面上周期性排列着沿轴向均匀分布的圆形空气孔，其周期性被破坏形成缺陷，这些空气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤纤芯区传播。近年来，石英光子晶体光纤被作为有源掺杂的载体，且引入了双包层结构，从而提高了光纤激光器的泵浦效率、增益、输出功率等性能。

类似于现有多芯光纤的制备工艺，由于多芯光纤种类繁多，其预制棒的制备是整个制备工艺的核心内容，而后续拉丝工艺和测试方法基本一致。英国Southampton大学首先提出毛细管组合法制作预制棒，经过三次拉丝过程将直径30mm的石英棒经过钻孔、拉伸、堆积、再拉伸，制作成多芯光纤。此方法结构调整灵活、简单易行；但是此方法容易带来夹杂和表面缺陷。韩国三星公司提出溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺，将溶胶浇注成设计尺寸的多芯光纤结构使其凝胶，其空气孔结构可由圆棒插入，而圆棒直径等于设计的空气孔的直径，待凝胶后移除插入的圆棒则形成多芯光纤预制棒，该方法在烧结时容易出现局部玻璃开裂，导致光纤作废。P.Falkenstein等人在2004年公布了化学腐蚀法实现预制棒的多孔结构。此方法在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材料，再按照设计要求排列好预制棒并融化成型后，利用酸腐蚀掉不需要的部分形成空气孔制作多芯光纤，此方法精度不高，不能精确控制光纤空气孔直径和纤芯直径。

发明内容

本发明的目的正是在于克服现有多芯光纤设计和制造中所存在的缺陷和不足，而提供一种包含激光增益介质的大模场多芯激光光纤的拉制方法及其拉制系统，该拉制方法是先采用真空挤压装置将石英原材料制备成多芯激光光纤细棒，再将光纤细棒切割成长度相同的若干光纤细棒，然后将若干光纤细棒按设计几何图形进行排列堆积并套入石英套管内形成多芯激光光纤预制棒，最后将多芯激光光纤预制棒采用拉制系统进一步拉制成多芯激光光纤。

本发明的另一目的还提供一种激光光纤细棒的挤压装置和拉制多芯激光光纤的拉制系统。

本发明的目的是通过下述措施构成的技术方案来实现的：

本发明一种采用真空挤压法制备多芯光纤细棒的真空挤压装置，其特征在于包括容纳石英材料的加热腔，在加热腔外部设置扫描氢氧焰，加热腔底部设置一真空挤压口，于真空挤压口外连接一真空腔，真空腔下部右侧连接一抽真空阀，真空挤压口处还增设一顶针。

上述技术方案中，所述加热腔为漏斗形状；所述真空腔高度设计为30cm；所述真空挤压口直径设置在0.5mm-5mm之间；其形状设计为圆形，或矩形，或正六边形，或三角形；所述顶针直径小于真空挤压口的直径。

本发明一种多芯激光光纤的拉制方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

(1)多芯激光光纤细棒的制备

采用真空挤压装置制备多芯激光光纤细棒：将石英原材料置于加热腔中，利用扫描氢氧焰对其进行加热，其加热温度为2500-3000℃，待石英原材料融化后，在加热腔上端施加5-20牛顿的压力，使熔融石英材料从加热腔底部真空挤压口处的顶针挤出圆形，或矩形，或正六边形，或三角形的光纤细棒，整个挤压过程均在真空腔内进行；

(2)多芯激光光纤预制棒的形成

将步骤(1)得到的光纤细棒切割成长度相同的若干光纤细棒，再将若干光纤细棒按设计的几何图形和数量进行排列堆积，将排列堆积好的光纤细棒套入能容纳所排列堆积细棒数量的石英套内，即形成多芯激光光纤预制棒；

(3)多芯激光光纤的拉制

将步骤(2)形成的多芯激光光纤预制棒置于加热管内，光纤预制棒左端固定，右端由步进电机牵引，加热管由两束扫描氢氧焰对其加热，以保持其管内温度的均匀分布，待多芯激光光纤预制棒融化时则驱动步进电机对其进行拉伸，在拉制过程中，为进一步保护光纤的拉制，于加热管惰性气体注入口通入He惰性气体；即得到拉制的多芯激光光纤；

(4)多芯激光光纤拉制过程中温度和其直径的监控

在步骤(3)拉制过程的同时，利用温度传感器对加热管内温度进行监控；利用光纤测径仪对拉制出来的多芯激光光纤直径进行监控；将监控到的温度信息和直径信息送入到计算机系统处理，计算机系统将处理后的信息再反馈给步进电机，根据反馈信息来控制步进电机拉伸速度和氢氧焰加热温度，如果直径过大，则增加温度、降低步进电机拉伸速度，如果直径过小，则降低温度、增加步进电机拉伸速度；

(5)在多芯激光光纤上增加涂覆层

在步骤(3)得到的多芯光纤上喷涂丙烯酸树脂涂覆层，并用固化装置对其进行固化，即制备成用于激光整形、激光放大器、高功率光纤激光器领域的多芯激光光纤。

上述技术方案中，所述制备的多芯激光光纤细棒为实心棒，或带空气孔的空心棒。

上述技术方案中，所述石英原材料为纯净石英原材料，或掺稀土离子的石英原材料，或掺过渡族金属离子的石英原材料。

上述技术方案中，所述石英原材料中掺稀土离子方式是在制备同一根细棒的石英原材料中掺一种稀土离子，或者是多种稀土离子混掺于制备同一根细棒的石英原材料中；或者是在制备多根细棒的石英原材料中掺多种稀土离子。

上述技术方案中，所述石英原材料中掺过渡族金属离子方式是在制备同一根细棒的石英原材料中掺一种过渡族金属离子，或者是多种过渡族金属离子混掺于制备同一根细棒的石英原材料中；或者是在制备多根细棒的石英原材料中掺多种过渡族金属离子。

上述技术方案中，所述石英原材料中所掺稀土离子为钕离子、或镱离子、或铒离子、或镨离子、或铥离子，或钬离子；所掺过渡族金属离子为铁离子、或钴离子、或铬离子、或铜离子。

上述技术方案中，所述掺稀土离子和过渡族金属离子的掺杂浓度均为500ppm-5000ppm。

本发明一种多芯激光光纤的拉制系统，其特征在于包括加热管，其左端接一惰性气体注入口，置于加热管内的多芯激光光纤预制棒，多芯激光光纤预制棒左端固定，其右端由连接多芯激光光纤预制棒的步进电机牵引，加热管上下面分别设置的对其加热的扫描氢氧焰，加热管内设置的温度传感器用于监控加热管内温度，由步进电机拉制出的光纤侧面设置一监控光纤直径的光纤测径仪，增加光纤涂覆层喷口位于拉制出的光纤侧面并于光纤测径仪之后，固化涂覆层的固化装置位于拉制出的光纤侧面并于涂覆层喷口之后，用于处理温度信息和光纤直径信息的计算机系统与整个光纤拉制系统连接。

本发明拉制的多芯激光光纤包含激光增益介质的大模场多芯激光光纤，其结构包括纤芯区、包层区和涂覆层区，所述多芯光纤纤芯在包层中按设计的几何图形，如圆形，或矩形，或正六边形，或三角形的规律排列有2-10根亚波长直径的纤芯根据需要或者模拟结果佐证，根据需要，模场需求越大需要的纤芯越多，在实施例5或6进行佐证。所述光纤包括石英区和空气孔区；掺稀土离子的多根纤芯按一定规律排列，所述纤芯中为掺入相同稀土离子和不同的稀土离子，或掺入相同的过渡族金属离子或不同的过渡族金属离子；所述包层区的折射率小于纤芯区的折射率。对不同结构多芯光纤进行模拟，分析不同结构多芯光纤对模场的影响，从而可进行优化设计。

本发明对激光模场的控制是通过计算机软件设计不同多芯光纤纤芯直径尺寸和纤芯排列方式的不同结构、以及所用材料来指导多芯光纤的拉制，在实际使用过程中起到保证光束质量，模式控制、模式转换的作用。

本发明与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：

1、本发明制备光纤细棒的挤压装置中将挤压口设计成圆形、或矩形、或正六边形、或三角形等形状，可直接得到有表面形状的较细的，并省去了进一步拉制和打磨细棒表面形状的过程；在挤压口处增设一直径稍微小于其挤压口直径的顶针，可以直接得到中空的细棒；同时在挤压口外接一个真空腔，真空环境更利于细棒的挤压形成，同时也降低了环镜中杂质和空气流动等影响。

2、本发明制备的多芯激光光纤预制棒中，掺稀土离子和不掺稀土离子的纤芯可控制其掺杂的浓度、掺杂组合和灵活规律排列，可使拉制的激光光纤折射率范围宽，模场大，同时可以提高激光光纤的有源输出功率；不同的稀土离子可以实现多种激光波长输出，对于同时掺不同稀土离子的多芯激光光纤，可以实现多种波长的同时输出，且覆盖激光波长范围较宽。

3、本发明使用真空挤压装置制作小尺寸的细棒，省去了将大尺寸预制棒拉细的第一次拉伸过程；从设计好几何图形的挤压口挤压出的细棒不需要进行进一步的打磨就能达到所需细棒表面的形状；其次，所述采用的真空挤压装置减少了多次拉制和后期进一步打磨工序、钻孔引起的误差和表面不均匀性等，因此该方法更加简洁方便；同时使用真空挤压装置还可制作大直径的石英套管。

4、本发明多芯激光光纤整个拉制过程相对于现有技术的毛细管组合三次拉制法、溶胶-凝胶法和腐蚀法，其制作过程简单、快速，制作成本低，且减少了多次热处理过程中引入缺陷的可能性，所拉制的多芯激光光纤质量好、精度高。

5、本发明多芯激光光纤利用若干纤芯不同排列结构有效地耦合，实现大模场，实现对高功率激光的传输和整形，同时利用掺稀土离子的纤芯提供增益，并且能对导入的激光进行空间整形，并可以应用于激光整形、激光放大器、高功率光纤激光器等领域。

6、本发明可对不同结构多芯激光光纤进行模拟，分析、优化不同结构的多芯激光光纤对模场的影响，同时分析、研究、优化增益的分布对模场的影响，得到需要的、优化的多芯激光光纤结构设计。

附图说明

图1是本发明采用真空挤压法制备多芯激光光纤细棒挤压装置的结构示意图；

图2是本发明制备的多芯激光光纤预制棒的一种横截面结构示意图；

图3是本发明拉制的多芯激光光纤的一种横截面结构示意图；

图4是本发明多芯激光光纤拉制系统结构示意图；

图5是本发明利用ANSYS软件模拟双纤芯激光光纤和六纤芯激光光纤模场结构示意图；

图6是是本实用新型利用ANSYS软件模拟19芯激光光纤和六纤芯激光光纤模场结构示意图。

图中，1-石英原材料，2-加热腔，3-真空腔，4-抽真空阀，5-真空挤压口，6-顶针，7-石英套管，8-光纤细棒，9-掺稀土离子细棒，10-空气孔，11-光纤涂覆层，12-包层，13-纤芯，14-增益层，15-多芯激光光纤预制棒，16-氢氧焰，17-蓝宝石管，18-光纤测径仪，19-涂覆层喷口，20-步进电机，21-惰性气体注入口，22-计算机系统，23-温度传感器，24-固化装置。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但它仅用于说明本发明的一些具体的实施方式，而不应理解为对本发明保护范围的任何限定。

实施例1

多芯光纤细棒的制备

本实例所用石英原材料1为纯石英原材料；所述加热腔2为蓝宝石作成。

本实施例中，采用图1所示的真空挤压装置结构图制备激光光纤细棒，按图1结构连接好各部件；将纯石英原材料1置于漏斗状蓝宝石加热腔2中，利用氢氧焰16对其加热，加热温度为2500℃，待石英原材料融化后，在蓝宝石加热腔2上端施加一20牛顿压力，使熔融石英原材料从蓝宝石加热腔2底部真空挤压口5挤出形成光纤细棒。本实例中，所述真空挤出口5直径设置为0.5mm的圆形，因此，当熔融石英原材料被挤出时，可直接得到表面形状为圆柱形的直径0.5mm的纯石英原材料的光纤细棒，当熔融石英材料从真空挤压口5被挤出时，由于受到尺寸更小的顶针6的阻挡，则可直接得到中空的细棒。此外，利用抽真空阀4控制真空腔3内真空度在100Pa以内，真空腔高度设计为30cm，制作出的光纤细棒长度则约为30cm，而真空腔为挤压出的光纤细棒提供了一个负压，同时也减少了环境中杂质和空气流动对光纤细棒的影响。

实施例2

多芯光纤细棒的制备

本实例所用石英原材料1为掺稀土钕离子的石英原材料，其钕离子浓度为1000ppm。

其他制备步骤和工艺条件与实施例1相同，得到掺杂离子为钕离子增益的光纤细棒。

实施例3

多芯光纤预制棒的制备

将实施例1和实施例2中制备的光纤细棒排列堆积成为多芯光纤预制棒，是将光纤细棒切割成长度相同的细棒160根左右，然后将带有空气孔10的纯净石英光纤细棒8和带有空气孔10的掺钕土离子光纤细棒9按照所设计的六边形结构排列堆积；六边形中间是实心的纯净石英光纤细棒8，在其周围排列堆积掺钕离子的光纤细棒9，再逐渐向外层排列堆积纯净的石英纤芯预制棒8；排列堆积完成之后，套入内径为能容纳所堆积的纤芯预制棒的内径为10mm的石英套管7内，则形成多芯光纤预制棒15，其横截面如图2所示。

实施例4

多芯光纤的拉制

所述加热管为蓝宝石管17，其内径为50mm-100mm，长度为25-30cm，壁厚为2-5mm；

所用惰性气体为He气；所述固化装置为固化炉；光纤涂覆层11为丙烯酸树脂。

将实施例3排列堆积好的多芯光纤预制棒拉制成多芯激光光纤，拉制系统结构如图4所示。按图4连接好各部件，将多芯光纤预制棒15置于蓝宝石管17中，其左端固定，右端由高精度步进电机20牵引；蓝宝石管17由两束扫描氢氧焰16加热，两束扫描氢氧焰16和蓝宝石管17可以很好的控制和维持对多芯光纤预制棒15的加热温度分布均匀。待多芯光纤预制棒15融化时驱动步进电机20拉伸；在这个拉伸过程进行的同时对加热管蓝宝石管17内温度利用温度传感器23进行监控；对拉制出来的多芯光纤直径由光纤测径仪18监控，根据监测到的温度信息和多芯光纤直径信息的反馈来控制氢氧焰16扫描速度以控制蓝宝石管17内温度和控制步进电机20的拉伸速度，所有监控反馈调节都通过计算机系统22完成。同时通过惰性气体注入口21向蓝宝石管17通入惰性气体He气，以维持蓝宝石管17内部的气压平衡，进一步保护多芯光纤的拉制；拉制成型的多芯光纤由涂覆层喷口19及固化装置24中固化炉增加光纤涂覆层11，增加的涂覆层为丙烯酸树脂，起到保护光纤作用。

本发明所拉制的多芯激光光纤其横截面如图3所示，从图3可看到得到了微结构多芯激光光纤。

在本发明实施例2中，纯净石英纤芯预制棒8由掺钕离子的纤芯预制棒9按六边形结构包围，在拉制成光纤之后在纤芯13周围形成增益层14，堆积在外层的纤芯预制棒形成了多芯光纤的包层12，最后整根光纤由涂覆层11保护。

实施例5

双芯和六芯光纤的模场模拟

本实施例中，利用有限元法计算的双芯多芯光纤和六芯多芯光纤的模场图如图5所示。

先用ANSYS建立光子晶体光纤横截面的二维模型，把空气孔和石英用不同的材料参数编号来区分。为了进行有限元数值分析，这里把二维模型划分为有限个三角形单元，每个单元有六个节点，然后导出单元节点的数据，包括单元节点坐标、材料参数和边界条件等。

根据有限元数值计算法，利用c++语言编译特征矩阵计算程序，把建模数据文件导入，计算得到的最大特征值就是所求光子晶体光纤基模的传播常数，对应的特征向量就是基模场振幅的分布数据。

最后利用有限元后处理软件Tecplot，导入基模场振幅的数据文件，绘制出基模场振幅分布示意图。

如图5中(a)图设计的两芯多芯光纤，在占空比40％，波长1.55μm情况下对其模场进行模拟，作为对照，同时在相同占空比和波长情况下模拟6芯的多芯光纤的模场，如图5中(b)图所示。因此，通过不同的纤芯数和不同的排列方式对多芯光纤模场进行了所需要的调整和整形。

实施例6

多芯光纤不同直径情况的模场模拟

本实施例中，计算的19芯多芯光纤模场，步骤是设计19芯多芯光纤，在孔间距5μm，波长1.55μm，不同孔直径的情况下对其模场进行模拟，如图6所示，图6中(a)(b)和(c)图分别为空气孔直径1.3μm、1.9μm、2.2μm情况下的多芯光纤模场分布图，不同孔直径对多芯光纤模场进行了所需要的调整和整形。

对于所述其他稀土离子，如镱离子、或铒离子、或镨离子、或铥离子，或钬离子等掺入所用石英原材料1中，其制备步骤和其他工艺条件与实施例1相同，均可制备成掺有稀土离子的光纤细棒；同样，掺稀土离子可在制备同一根细棒的石英原材料中掺一种稀土离子，或者是将多种稀土离子混掺于制备同一根细棒的石英原材料中；或者是在制备多根细棒的石英原材料中掺多种稀土离子制备的光纤细棒；将光纤细棒排列堆积成光纤预制棒采用光纤拉制系统即可拉制成多芯激光光纤。

对于所述其他过渡族金属离子，如铁离子、或钴离子、或铬离子、或铜离子等掺入所用石英原材料1中，其制备步骤和其他工艺条件与实施例1相同，均可制备成掺有过渡族金属离子的光纤细棒；同样，掺过渡族金属离子可在制备同一根细棒的石英原材料中掺一种过渡族金属离子，或者是将多种过渡族金属离子混掺于制备同一根细棒的石英原材料中；或者是在制备多根细棒的石英原材料中掺多种过渡族金属离子制备的光纤细棒；将光纤细棒排列堆积成光纤预制棒采用光纤拉制系统即可拉制成多芯激光光纤。

Claims (6)

1.一种多芯激光光纤的拉制方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

（1）多芯光纤细棒的制备

采用真空挤压装置制备多芯光纤细棒：将石英原材料（1）置于加热腔（2）中，利用扫描氢氧焰（16）对其进行加热，其加热温度为2500-3000℃，待石英原材料融化后，在加热腔上端施加5-20牛顿的压力，使熔融石英材料从加热腔底部真空挤压口（5）处的顶针（6）挤出圆形，或矩形，或正六边形，或三角形的光纤细棒，整个挤压过程均在真空腔（3）内进行；

（2）多芯光纤预制棒的形成

将步骤（1）得到的光纤细棒切割成长度相同的若干光纤细棒，再将若干光纤细棒按设计的几何图形和数量进行排列堆积，将排列堆积好的光纤细棒套入能容纳所排列堆积细棒数量的石英套（7）内，即形成多芯激光光纤预制棒；

（3）多芯激光光纤的拉制

将步骤（2）形成的多芯光纤预制棒置于加热管内，光纤预制棒左端固定，右端由步进电机牵引，加热管由两束扫描氢氧焰对其加热，以保持其管内温度均匀分布，待多芯激光光纤预制棒融化时则驱动步进电机对其进行拉伸，在拉制过程中，为进一步保护光纤的拉制，于加热管惰性气体注入口通入He惰性气体；即得到拉制的多芯激光光纤；

（4）多芯激光光纤拉制过程中温度和其直径的监控

在步骤（3）拉制过程的同时，利用温度传感器对加热管内温度进行监控；利用光纤测径仪对拉制出来的多芯激光光纤直径进行监控；将监控到的温度信息和直径信息送入到计算机系统处理，计算机系统将处理后的信息再反馈给步进电机，根据反馈信息来控制步进电机拉伸速度和氢氧焰加热温度，如果直径过大，则增加温度、降低步进电机拉伸速度，如果直径过小，则降低温度、增加步进电机拉伸速度；

（5）在多芯激光光纤上增加涂覆层

在步骤（3）得到的多芯光纤上喷涂丙烯酸树脂涂覆层，并用固化装置对其进行固化，即制备成用于激光整形、激光放大器、高功率光纤激光器领域的多芯激光光纤。

2.根据权利要求1所述的多芯激光光纤的拉制方法，其特征在于所述石英原材料为纯净石英原材料，或掺稀土离子的石英原材料，或掺过渡族金属离子的石英原材料。

3.根据权利要求2所述的多芯激光光纤的拉制方法，其特征在于所述石英原材料中掺稀土离子方式是在制备同一根细棒的石英原材料中掺一种稀土离子，或者是多种稀土离子混掺于制备同一根细棒的石英原材料中；或者是在制备多根细棒的石英原材料中掺多种稀土离子。

4.根据权利要求2所述的多芯激光光纤的拉制方法，其特征在于所述石英原材料中掺过渡族金属离子方式是在制备同一根细棒的石英原材料中掺一种过渡族金属离子，或者是多种过渡族金属离子混掺于制备同一根细棒的石英原材料中；或者是在制备多根细棒的石英原材料中掺多种过渡族金属离子。

5.根据权利要求2所述的多芯激光光纤的拉制方法，其特征在于所述石英原材料中所掺稀土离子为钕离子、或镱离子、或铒离子、或镨离子、或铥离子，或钬离子；所掺过渡族金属离子为铁离子、或钴离子、或铬离子、或铜离子。

6.根据权利要求5所述的多芯激光光纤的拉制方法，其特征在于所述掺稀土离子和过渡族金属离子的掺杂浓度均为500ppm-5000ppm。

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