CN102654603A - 一种空气间隙包层光纤的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双包层有源光纤。针对现有技术的不足，提供一种新型的空气包层光纤的实现方法，采用空气作为光学包层，采用新型结构的芯层，可用于改进传能光纤或空气包层光子晶体光纤，简化制作工艺，降低制作成本，提高泵浦耦合效率。其特征在于：从内到外依次由多边形截面的芯层、空气包层、圆环形截面的内保护层、圆环形截面的外保护层组成光纤；所述芯层通过其多边形结构的顶点与圆环形截面的内保护层的内壁相接；所述内保护层与芯层之间的空气间隙即是作为光学包层的空气包层。本发明解决了常规高能传输光纤及双包层光纤的低数值孔径与低折射率涂覆材料的耐高温问题，可改善光子晶体光纤空气包层结构与性能，提高光纤生产效率，大大推动了光纤在千瓦级、万瓦级高能传输，高功率激光系统等方面的应用。

Description

一种空气间隙包层光纤的实现方法

技术领域

本发明涉及双包层有源光纤。

技术背景

双包层有源光纤与对应尺寸的传能光纤是高功率光纤激光器与放大器的核心元器件，光纤内包层和纤芯数值孔径的高低以及外包层材料的性能直接影响光纤的高功率激光传输能力。

美国宝丽来公司的CN95194426.6专利中公开了双包层光纤的设计原理，双包层光纤光学包层材料采用石英玻璃或低折射率涂料作为外包层，可实现光纤内包层传输泵浦光，提高光纤输出功率。这种双包层有源光纤内包层数值孔径最高为0.46左右，光纤在应用过程受其低折射率涂覆材料的材料特性限制，很容易在高功率状态下着火燃烧。常规的传能光纤采用掺F包层，数值孔径在0.22左右，光纤的弯曲半径小，损耗大；也有采用低折射率涂覆树脂作包层来制作传能光纤，但该树脂材料与石英光纤结合面是光反射面，由于树脂的耐高温性能差，极易被激光损伤或在高温下燃烧，造成光纤失效。

空气包层光子晶体光纤也具有高数值孔径，其包层由均匀排布的微空气孔组成，空气包层的等效折射率在1.3左右，光纤的有效数值孔径在0.60至0.8之间。空气孔排列的空气包层光纤内包层为圆形，对泵浦光的耦合效率低；由于有很多的接触点，使光纤损耗大；光子晶体光纤预制棒制作工艺复杂，特别是毛细管组装光纤预制棒的技术难度大，成品率低，制作成本高，很难实现产业化生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种新型的空气包层光纤的实现方法，采用空气作为光学包层，采用新型结构的芯层，可用于改进传能光纤或空气包层光子晶体光纤，简化制作工艺，降低制作成本，提高泵浦耦合效率。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种空气间隙包层光纤的实现方法，其特征在于：从内到外依次由多边形截面的芯层、空气包层、圆环形截面的内保护层、圆环形截面的外保护层组成光纤；所述芯层通过其多边形结构的顶点与圆环形截面的内保护层的内壁相接；所述内保护层与芯层之间的空气间隙即是作为光学包层的空气包层；即，将预制棒通过光学冷加工成所需要的多边形；然后预制棒外套一根石英管作为内保护层，石英套管的内径保证预制棒的多边形结构的顶点与石英套管内壁相接；然后在拉丝塔上拉丝，并控制石英管内压力在5～20Pa，以控制空气包层空气缝隙的形状，再通过拉丝塔的速度及送棒控制内保护层直径，拉丝速度在10～60m/min；再通过涂覆技术，在内保护层表面涂覆紫外固化的外保护层。

所述芯层的多边形结构可以是正多边形或是异多边形结构。

所述芯层是由中心纤芯和纤芯外部的多边形结构的包层共同组成。

所述芯层是由多边形结构的纤芯直接构成。

本发明可带来以下有益效果：

本发明采用空气作为光学包层，中心的芯层结构为正多边形或异多边形结构；相比常规空气包层光子晶体光纤，其空气包层与石英层的接触点少，有效提高了光纤的数值孔径并降低了光纤损耗；多边形结构还能提高双包层有源光纤的包层耦合效率，是常规空气包层不具有的功能。

本发明的新型空气间隙包层光纤有效数值孔径达0.8以上，具有高的数值孔径、良好的抗弯曲性能、以及低的损耗，且制作工艺简单，有利于批量生产，降低了光纤制作成本，使空气间隙包层光纤大长度拉制工艺成熟。

本发明解决了常规高能传输光纤及双包层光纤的低数值孔径与低折射率涂覆材料的耐高温问题，可改善光子晶体光纤空气包层结构与性能，提高光纤生产效率，大大推动了光纤在千瓦级、万瓦级高能传输，高功率激光系统等方面的应用。

附图说明

图1为本发明的第一个实施例的异六边形直边空气包层光纤示意图。

图2为本发明的第二个实施例的正八边形凹边空气包层掺镱双包层光纤示意图。

图3为本发明的第三个实施例的正三边形凸边空气包层的传能光纤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图1为本发明的第一个实施例的异六边形直边空气包层掺镱双包层光纤，掺镱纤芯11的外围是纯石英六边形内包层12，内包层12外是空气包层13，其次是一层石英内保护层14，在石英内保护层14上覆盖紫外固化丙烯酸树脂外保护层15。在本实施例中，采用MCVD工艺与高温气相掺杂工艺制作掺镱纤芯内包层预制棒，棒直径为32mm，长度500mm；然后把纤芯内包层预制棒通过光学冷加工成异六边形12；在纤芯预制棒外套一根石英管作为内保护层14，直径40mm；然在拉丝塔上拉丝，拉丝温度1960℃左右，并控制石英管内压力在5～20Pa，以控制空气包层13空气缝隙的形状，再通过拉丝塔的速度及送棒控制内保护层14直径，拉丝速度在10～60m/min；再通过传统的涂覆技术，在纯石英内保护层表面涂覆紫外固化丙烯酸树脂作为外保护层15；拉制内包层直径400μm光纤，单根预制棒可拉丝长度为3.2km，有效长度2.5km。

上述实施例的异六边形直边空气包层掺镱双包层光纤，纤芯直径25μm，纤芯数值孔径(NA)0.06，包层外接圆直径400μm，包层有效圆直径300μm，包层数值孔径0.6左右，内保护层直径480μm，外保护层直径680μm。该光纤具有高的数值孔径，可作为增益介质应用于高功率光纤激光器与放大器。

附图2为本发明的第二个实施例的八边形凹边空气包层掺镱双包层光纤，掺镱纤芯21的外围是纯石英八边形包层22，包层22外是空气包层23，其次是一层石英内保护层24，在石英内保护层24上覆盖紫外固化丙烯酸树脂外保护层25。在本实施例中，采用MCVD工艺与高温气相掺杂工艺制作掺镱纤芯内包层预制棒，棒直径为40mm，长度400mm；然后把纤芯内包层预制棒加工成凹边八边形22；在纤芯预制棒外套一根石英管作为内保护层24；然在拉丝塔上拉丝，拉丝温度1960℃左右，并控制石英管内压力在5～20Pa，以控制空气包层23空气缝隙的形状，再通过拉丝塔的速度及送棒控制内保护层24直径，拉丝速度在10～60m/min；；再通过传统的涂覆技术，在纯石英内保护层表面涂覆紫外固化丙烯酸树脂作为外保护层25，涂覆直径为600μm；单根预制棒可拉丝长度为4km，有效长度3.2km。

上述实施例的正八边形凹边空气包层掺镱双包层光纤，纤芯直径30μm，纤芯数值孔径(NA)0.06，内包层外接圆直径400μm，内包层内切圆直径360μm，内包层数值孔径0.65左右，内保护层直径500μm，外保护层直径700μm。该光纤具有高的数值孔径，可作为增益介质应用于高功率光纤激光器与放大器。

附图3为本发明的第三个实施例的正三边形凸边空气包层传能光纤，光纤以纯石英为芯层31，外围是空气包层32，在空气包层32外是一层石英内保护层33，在石英内保护层33上覆盖紫外固化丙烯酸树脂保护层34。在本实施例中，通过采用合成的纯石英棒作为纤芯预制棒；然后把纤芯预制棒加工成凸边三边形31；在纤芯预制棒外套一根石英管作为内保护层33；然在拉丝塔上拉丝，拉丝温度1960℃左右，并控制石英管内压力在5～20Pa，以控制空气包层32的空气缝隙的形状，再通过拉丝塔的速度及送棒速度控制内保护层33直径，拉丝速度在10～60m/min；；通过传统的涂覆技术，在纯石英内保护层表面涂覆紫外固化丙烯酸树脂作为外保护层34，涂覆直径为600μm。

上述实施例的正三边形凸边空气包层传能光纤采用纯石英作为纤芯，纤芯内接圆直径400μm，三顶点外接圆直径460μm，数值孔径(NA)大于0.65。该光纤具有高入射角与高发射角，在传能、光信号接收、光纤照明等方面有广泛的用途。

Claims (4)

1.一种空气间隙包层光纤的实现方法，其特征在于：从内到外依次由多边形截面的芯层、空气包层、圆环形截面的内保护层、圆环形截面的外保护层组成光纤；所述芯层通过其多边形结构的顶点与圆环形截面的内保护层的内壁相接；所述内保护层与芯层之间的空气间隙即是作为光学包层的空气包层；即，将预制棒通过光学冷加工成所需要的多边形；然后预制棒外套一根石英管作为内保护层，石英套管的内径保证预制棒的多边形结构的顶点与石英套管内壁相接；然后在拉丝塔上拉丝，并控制石英管内压力在5～20Pa，以控制空气包层空气缝隙的形状，再通过拉丝塔的速度及送棒控制内保护层直径，拉丝速度在10～60m/min；再通过涂覆技术，在内保护层表面涂覆紫外固化的外保护层。

2.按照权利要求1所述的一种空气间隙包层光纤的实现方法，其特征在于：所述芯层的多边形结构可以是正多边形或是异多边形结构。

3.按照权利要求1所述的一种空气间隙包层光纤的实现方法，其特征在于：所述芯层是由中心纤芯和纤芯外部的多边形结构的包层共同组成。

4.按照权利要求1所述的一种空气间隙包层光纤的实现方法，其特征在于：所述芯层是由多边形结构的纤芯直接构成。

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