CN103204629B - 一种手征性耦合芯径光纤及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种手征性耦合芯径光纤及其制造方法，涉及光纤激光传输与放大领域，该制造方法包括以下步骤：对导引纤芯预制棒半成品和卫星纤芯预制棒半成品进行加工，形成卫星纤芯预制棒和开有纤芯槽的导引纤芯预制棒；将卫星纤芯预制棒嵌入纤芯槽；在导引纤芯预制棒的端部进行熔融拉锥，形成手征性耦合芯径光纤预制棒；将手征性耦合芯径光纤预制棒熔融拉丝，形成手征性耦合芯径光纤；手征性耦合芯径光纤的输出光束质量小于1.1，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m。本发明制造的手征性耦合芯径光纤，不仅光学性能好、可靠性较好，而且制造难度较低，适合大批量生产。

Description

一种手征性耦合芯径光纤及其制造方法
技术领域
本发明涉及光纤激光传输与放大领域，具体涉及一种手征性耦合芯径光纤及其制造方法。
背景技术
光纤激光器是采用光纤作为光纤介质的激光器，光纤激光器以其高转换效率、良好散热性能和稳定性的特点，已成为激光器应用领域的主流激光器之一。
随着激光器应用领域的不断扩展，用户对光纤激光器输出功率的需求越来越高。人们一般采用大模场面积光纤来提升光纤激光器的输出功率；由于大模场光纤纤芯中的激光模式振荡会造成光束质量下降，因此为了优化光束质量，人们一般采取降低光纤纤芯的数值孔径的方式。但是，光纤纤芯数值孔径下降会造成光纤光束缚能力下降，不利于光纤弯曲使用，并且现有降低数值孔径的幅度有限。
随着时代的进步，人们发现手征性耦合芯径光纤在能够实现大模场面积光纤特性的同时，可以通过周期性环绕的卫星纤芯抑制光纤中高阶模式传输，实现激光光纤的单模输出。因此，手征性耦合芯径光纤可以实现光纤激光器的输出功率的目的。手征性耦合芯径光纤包括石英包层材料、位于石英包层材料内部中心的导引纤芯和至少一根螺旋环绕于导引纤芯周围的卫星纤芯。
现有的手征性耦合芯径光纤的制造时一般采用管套棒（RIT）法或者机械钻孔法。但是，管套棒和钻孔法制造手征性耦合芯径光纤时，分别存在以下缺陷：
采用管套棒法制造手征性耦合芯径光纤时，将导引纤芯预制棒和卫星纤芯预制棒装在套管中，对套管进行加温和拉丝，形成手征性耦合芯径光纤，拉丝过程中控制卫星纤芯预制棒装的旋转速度与套管内的压力。管套棒法在拉丝过程中，由于套管与导引纤芯预制棒中有卫星纤芯预制棒，难以紧密贴合，旋转拉丝过程中需要在线调节套管中的气压，以避免空气线夹入光纤，而且波导结构容易变形，不同手征性耦合芯径光纤的精度难以统一，工艺重复性差，不适合大批量生产。
采用机械钻孔法制造手征性耦合芯径光纤时，首先通过机械钻在导引纤芯预制棒中略偏离中心轴的位置钻圆形的加工通孔，然后将卫星纤芯预制棒插入圆孔中，将导引纤芯预制棒和卫星纤芯预制棒通过旋转的拉丝工艺形成手征性耦合芯径光纤。采用机械钻孔法制造手征性耦合芯径光纤时的缺陷为：
（1）机械钻钻圆形的加工通孔时，由于需要保证加工通孔内表面的粗糙度、以及加工通孔与卫星纤芯预制棒匹配度，因此机械钻钻加工通孔时需要较高的机械加工精度；而且机械钻钻加工通孔，机械钻的钻头的力度难以控制，随着加工通孔深度的增大，机械钻的钻头的尖端会产生向导引纤芯预制棒外壁方向甩动的离心力，进而造成加工通孔的两端的尺寸不同。因此，采用机械钻孔法制造手征性耦合芯径光纤制造难度较大，不便于人们制造。
（2）钻孔法加工时，卫星纤芯预制棒的横截面为圆形，卫星纤芯位于卫星纤芯预制棒的中心，由于卫星纤芯预制棒外部设置有一定厚度的包层，因此卫星纤芯与导引纤芯之间的间距较大；为了减小卫星纤芯与导引纤芯之间的间距，必须减小加工通孔的孔径和卫星纤芯预制棒的体积，减小加工通孔的孔径和卫星纤芯预制棒的体积比较困难，制造难度较大。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种手征性耦合芯径光纤及其制造方法，本发明制造的手征性耦合芯径光纤不仅光学性能和可靠性均较好，而且制造难度较低，适合大批量生产。
为达到以上目的，本发明提供的种手征性耦合芯径光纤的制造方法，包括以下步骤：A、对导引纤芯预制棒半成品和卫星纤芯预制棒半成品进行加工，形成卫星纤芯预制棒和开有纤芯槽的导引纤芯预制棒；所述纤芯槽的形状与卫星纤芯预制棒的外形匹配；B、将所述卫星纤芯预制棒嵌入纤芯槽，所述卫星纤芯预制棒内的卫星纤芯、纤芯槽的中心和导引纤芯预制棒内的导引纤芯位于同一平面；在导引纤芯预制棒的端部进行熔融拉锥，形成手征性耦合芯径光纤预制棒；C、将所述手征性耦合芯径光纤预制棒在1800℃～2200℃的温度下熔融拉丝，拉丝速度为15m/min～180m/min，拉丝张力为0.25N～1.42N；拉丝过程中以18r/min～89r/min的旋转速度旋转卫星纤芯，将卫星纤芯螺旋环绕于导引纤芯周围，手征性耦合芯径光纤预制棒拉丝后形成手征性耦合芯径光纤；所述手征性耦合芯径光纤的输出光束质量小于1.1，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m。
在上述技术方案的基础上，步骤A包括以下流程：在导引纤芯预制棒半成品的外侧壁沿径向开纤芯槽，形成开有纤芯槽的导引纤芯预制棒；根据纤芯槽的形状对卫星纤芯预制棒半成品进行加工，形成卫星纤芯预制棒，所述纤芯槽的形状与卫星纤芯预制棒的外形匹配。
在上述技术方案的基础上，步骤A包括以下流程：对卫星纤芯预制棒半成品进行加工；形成卫星纤芯预制棒；根据卫星纤芯预制棒的形状，在导引纤芯预制棒半成品的外侧壁沿径向开纤芯槽，形成开有纤芯槽的导引纤芯预制棒，所述纤芯槽的形状与加工后的卫纤芯预制棒的外形匹配。
在上述技术方案的基础上，所述纤芯槽的横截面和导引纤芯预制棒的横截面均为矩形。
在上述技术方案的基础上，所述卫星纤芯预制棒的横截面的长度为4.22mm～33mm，宽度为2.17mm～17.87mm，所述卫星纤芯预制棒与纤芯槽的尺寸偏差小于0.25mm。
在上述技术方案的基础上，步骤B中将所述卫星纤芯预制棒嵌入纤芯槽后，所述卫星纤芯预制棒靠近导引纤芯的侧壁与卫星纤芯之间的间距为1.84mm～4.02mm。
在上述技术方案的基础上，步骤A和步骤B之间还包括以下步骤：对所述纤芯槽进行抛光。
在上述技术方案的基础上，所述导引纤芯预制棒半成品的包层的直径为12mm～72.02mm，所述导引纤芯的直径为3.50mm～16.50mm。
本发明提供的手征性耦合芯径光纤，采用上述制造方法制成，所述手征性耦合芯径光纤的输出光束质量小于1.1，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m。
在上述技术方案的基础上，所述手征性耦合芯径光纤的直径为400μm～410μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明制造手征性耦合芯径光纤时，在导引纤芯预制棒半成品的外侧壁沿径向开纤芯槽，将外形与纤芯槽匹配的卫星纤芯预制棒嵌入纤芯槽内。与现有技术中通过机械钻钻加工通孔制造的手征性耦合芯径光纤相比，本发明只需通过数控机床在导引纤芯预制棒半成品的外侧壁沿径向开纤芯槽，开纤芯槽不需要高精度的机械钻，开纤芯槽的过程不仅比较容易，制造成本较低；而且纤芯槽内壁的光洁度处理的工艺难度较低，纤芯槽的形状和卫星纤芯预制棒的外形容易匹配。因此，通过本发明的方法制造手征性耦合芯径光纤时，不仅制造难度较低，工作效率较高，而且适合大批量、规模化生产。
（2）本发明将卫星纤芯预制棒嵌入纤芯槽后，卫星纤芯预制棒内的卫星纤芯、纤芯槽的中心和导引纤芯预制棒内的导引纤芯位于同一平面，卫星纤芯在拉丝时能够按照需求准确的环绕于导引纤芯周围；卫星纤芯预制棒靠近导引纤芯的侧壁与卫星纤芯之间的间距为1mm～49mm，卫星纤芯与导引纤芯的距离较近，便于拉丝。因此，本发明制造手征性耦合芯径光纤时，容易将卫星纤芯环绕于导引纤芯周围，卫星纤芯和导引纤芯的位置控制难度不仅较低，而且能够精确的实现波导结构设计。
（3）通过本发明的制造方法制得的手征性耦合芯径光纤的输出光束质量小于1.1，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m；手征性耦合芯径光纤光学性能和可靠性均较好。
附图说明
图1为本发明中方法的流程图；
图2为本发明中手征性耦合芯径光纤预制棒的结构示意图；
图3为本发明中手征性耦合芯径光纤的结构示意图。
图中：1-导引纤芯预制棒，2-纤芯槽，3-卫星纤芯预制棒，4-卫星纤芯，5-导引纤芯，6-手征性耦合芯径光纤预制棒，7-手征性耦合芯径光纤。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1、图2所示，本发明实施例中的手征性耦合芯径光纤的制造方法，包括以下步骤：
S1：对导引纤芯预制棒半成品和卫星纤芯预制棒半成品进行加工，形成卫星纤芯预制棒3和开有纤芯槽2的导引纤芯预制棒1；纤芯槽2的形状与卫星纤芯预制棒3的外形匹配，纤芯槽2的横截面和导引纤芯预制棒1的横截面均为矩形。
导引纤芯预制棒半成品的包层的直径为12mm～72.02mm，导引纤芯5的直径为3.50mm～16.50mm；卫星纤芯预制棒3的横截面的长度为4.22mm～33mm，宽度为2.17mm～17.87mm，卫星纤芯预制棒3与纤芯槽2的尺寸偏差小于0.25mm。
为了满足用户不同的需求，S1可以通过以下两种方式实现：
（1）在导引纤芯预制棒半成品的外侧壁沿径向开纤芯槽2，形成开有纤芯槽2的导引纤芯预制棒1；根据纤芯槽2的形状对卫星纤芯预制棒半成品进行加工，形成卫星纤芯预制棒3，纤芯槽2的形状与卫星纤芯预制棒3的外形匹配；
（2）对卫星纤芯预制棒半成品进行加工；形成卫星纤芯预制棒3；根据卫星纤芯预制棒3的形状，在导引纤芯预制棒半成品的外侧壁沿径向开纤芯槽2，形成开有纤芯槽2的导引纤芯预制棒1，纤芯槽2的形状与加工后的卫纤芯预制棒3的外形匹配。
S2：对纤芯槽2进行抛光处理。
对纤芯槽2进行抛光处理能够使得纤芯槽2的光洁度较高，将纤芯槽2内的杂质降到最低，卫星纤芯预制棒3嵌入抛光后的纤芯槽2时，卫星纤芯预制棒3能够与纤芯槽2紧密贴合。
S3：将卫星纤芯预制棒3嵌入纤芯槽2，卫星纤芯预制棒3嵌入纤芯槽2后，卫星纤芯预制棒3内的卫星纤芯4、纤芯槽2的中心5和导引纤芯预制棒1内的导引纤芯5位于同一平面，卫星纤芯预制棒3靠近导引纤芯5的侧壁与卫星纤芯4之间的间距为1.84mm～4.02mm。
卫星纤芯预制棒3内的卫星纤芯4、纤芯槽2的中心5和导引纤芯预制棒1内的导引纤芯5位于同一平面能够保证卫星纤芯4能够准确的螺旋环绕于导引纤芯5周围。
S4：在导引纤芯预制棒1的端部进行熔融拉锥，形成手征性耦合芯径光纤预制棒6。
在导引纤芯预制棒1的端部进行熔融拉锥能够防止导引纤芯预制棒1和导引纤芯预制棒1内部的卫星纤芯预制棒3发生位于，熔融拉锥形成的手征性耦合芯径光纤预制棒6便于拉丝。
S5：将手征性耦合芯径光纤预制棒6在1800℃～2200℃的温度下熔融拉丝，拉丝速度为15m/min～180m/min，拉丝张力为0.25N～1.42N；拉丝过程中以18r/min～89r/min的旋转速度旋转卫星纤芯4，将卫星纤芯4螺旋环绕于导引纤芯5周围，手征性耦合芯径光纤预制棒6拉丝后形成手征性耦合芯径光纤。手征性耦合芯径光纤7的直径为400μm～410μm、输出光束质量小于1.1、基模损耗小于0.5dB/m、高阶模损耗大于100dB/m。
参见图3所示，本发明实施例中的手征性耦合芯径光纤7通过上述制造方法制成，手征性耦合芯径光纤7包括导引纤芯5和螺旋环绕于导引纤芯5周围的卫星纤芯4。该手征性耦合芯径光纤7的直径为400μm～410μm、输出光束质量小于1.1、基模损耗小于0.5dB/m、高阶模损耗大于100dB/m。
下面通过三个实施例进行具体说明。
实施例1：制造光束质量为1.07的手征性耦合芯径光纤7。
选择包层直径为42.10mm、导引纤芯5的直径为7.50mm的导引纤芯预制棒半成品，在导引纤芯预制棒半成品的外侧壁沿径向开纤芯槽2，形成开有纤芯槽2的导引纤芯预制棒1。纤芯槽2的横截面为矩形，根据纤芯槽2的形状对卫星纤芯预制棒半成品（卫星纤芯预制棒半成品内部的卫星纤芯4稀土掺杂）进行加工，形成卫星纤芯预制棒3。卫星纤芯预制棒3的横截面也为矩形，其长度为17.05mm，宽度为9.60mm；卫星纤芯预制棒3与纤芯槽2的尺寸偏差为0.15mm。
对纤芯槽2进行抛光，将卫星纤芯预制棒3嵌入纤芯槽2，卫星纤芯预制棒3嵌入纤芯槽2后，卫星纤芯预制棒3内的卫星纤芯4、纤芯槽2的中心5和导引纤芯预制棒1内的导引纤芯5位于同一平面，卫星纤芯预制棒3靠近导引纤芯5的侧壁与卫星纤芯4之间的间距为4.02mm。
在导引纤芯预制棒1的端部进行熔融拉锥，形成手征性耦合芯径光纤预制棒6；将手征性耦合芯径光纤预制棒6在2050℃的温度下熔融拉丝，拉丝速度为110m/min，拉丝张力为0.88N；拉丝过程中以57r/min的旋转速度旋转卫星纤芯4，将卫星纤芯4螺旋环绕于导引纤芯5周围，手征性耦合芯径光纤预制棒6拉丝后形成手征性耦合芯径光纤7。
经验证得出，实施例1中的手征性耦合芯径光纤7外部涂层的直径为564μm，手征性耦合芯径光纤7的直径为402μm、工作波长为1082.05nm、内包层数值孔径为0.46、光束质量为1.07、包层吸收系数为2.97dB/m、基模损耗为0.35dB/m、高阶模损耗为102dB/m。
实施例2：制造光束质量为1.09的手征性耦合芯径光纤7。
选择包层直径为12.12mm、导引纤芯5的直径为3.60mm的导引纤芯预制棒半成品，在导引纤芯预制棒半成品的外侧壁沿径向开纤芯槽2，形成开有纤芯槽2的导引纤芯预制棒1。纤芯槽2的横截面为矩形，根据纤芯槽2的形状对卫星纤芯预制棒半成品（卫星纤芯预制棒半成品内部的卫星纤芯4稀土掺杂）进行加工，形成卫星纤芯预制棒3。卫星纤芯预制棒3的横截面也为矩形，其长度为4.22mm，宽度为2.17mm；卫星纤芯预制棒3与纤芯槽2的尺寸偏差为0.11mm。
对纤芯槽2进行抛光，将卫星纤芯预制棒3嵌入纤芯槽2，卫星纤芯预制棒3嵌入纤芯槽2后，卫星纤芯预制棒3内的卫星纤芯4、纤芯槽2的中心5和导引纤芯预制棒1内的导引纤芯5位于同一平面，卫星纤芯预制棒3靠近导引纤芯5的侧壁与卫星纤芯4之间的间距为1.84mm。
在导引纤芯预制棒1的端部进行熔融拉锥，形成手征性耦合芯径光纤预制棒6；将手征性耦合芯径光纤预制棒6在1800℃的温度下熔融拉丝，拉丝速度为15m/min，拉丝张力为0.25N；拉丝过程中以89r/min的旋转速度旋转卫星纤芯4，将卫星纤芯4螺旋环绕于导引纤芯5周围，手征性耦合芯径光纤预制棒6拉丝后形成手征性耦合芯径光纤7。
经验证得出，实施例2中的手征性耦合芯径光纤7外部涂层的直径为570μm，手征性耦合芯径光纤7的直径为405μm、工作波长为1070.94nm、内包层数值孔径为0.46、光束质量为1.09、包层吸收系数为2.76dB/m、基模损耗为0.32dB/m、高阶模损耗为103dB/m。
实施例3：制造光束质量为1.01的手征性耦合芯径光纤7。
选择包层直径为72.01mm、导引纤芯5的直径为16.40mm的导引纤芯预制棒半成品，在导引纤芯预制棒半成品的外侧壁沿径向开纤芯槽2，形成开有纤芯槽2的导引纤芯预制棒1。纤芯槽2的横截面为矩形，根据纤芯槽2的形状对卫星纤芯预制棒半成品（卫星纤芯预制棒半成品内部的卫星纤芯4稀土掺杂）进行加工，形成卫星纤芯预制棒3。卫星纤芯预制棒3的横截面也为矩形，其长度为32.92mm，宽度为17.87mm；卫星纤芯预制棒3与纤芯槽2的尺寸偏差为0.23mm。
对纤芯槽2进行抛光，将卫星纤芯预制棒3嵌入纤芯槽2，卫星纤芯预制棒3嵌入纤芯槽2后，卫星纤芯预制棒3内的卫星纤芯4、纤芯槽2的中心5和导引纤芯预制棒1内的导引纤芯5位于同一平面，卫星纤芯预制棒3靠近导引纤芯5的侧壁与卫星纤芯4之间的间距为3.08mm。
在导引纤芯预制棒1的端部进行熔融拉锥，形成手征性耦合芯径光纤预制棒6；将手征性耦合芯径光纤预制棒6在2200℃的温度下熔融拉丝，拉丝速度为180m/min，拉丝张力为1.42N；拉丝过程中以18r/min的旋转速度旋转卫星纤芯4，将卫星纤芯4螺旋环绕于导引纤芯5周围，手征性耦合芯径光纤预制棒6拉丝后形成手征性耦合芯径光纤7。
经验证得出，实施例3中的手征性耦合芯径光纤7外部涂层的直径为570μm，手征性耦合芯径光纤7的直径为410μm、工作波长为1068.77nm、内包层数值孔径为0.46、光束质量为1.01、包层吸系数为2.01dB/m、基模损耗为0.45dB/m、高阶模损耗为111dB/m。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种手征性耦合芯径光纤的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、对导引纤芯预制棒半成品和卫星纤芯预制棒半成品进行加工，形成卫星纤芯预制棒(3)和开有纤芯槽(2)的导引纤芯预制棒(1)；所述纤芯槽(2)的形状与卫星纤芯预制棒(3)的外形匹配；
B、将所述卫星纤芯预制棒(3)嵌入纤芯槽(2)，所述卫星纤芯预制棒(3)内的卫星纤芯(4)、纤芯槽(2)的中心和导引纤芯预制棒(1)内的导引纤芯(5)位于同一平面；所述卫星纤芯预制棒(3)靠近导引纤芯(5)的侧壁与卫星纤芯(4)之间的间距为1.84mm～4.02mm；在导引纤芯预制棒(1)的端部进行熔融拉锥，形成手征性耦合芯径光纤预制棒(6)；
C、将所述手征性耦合芯径光纤预制棒(6)在1800℃～2200℃的温度下熔融拉丝，拉丝速度为15m/min～180m/min，拉丝张力为0.25N～1.42N；拉丝过程中以18r/min～89r/min的旋转速度旋转卫星纤芯(4)，将卫星纤芯(4)螺旋环绕于导引纤芯(5)周围，手征性耦合芯径光纤预制棒(6)拉丝后形成手征性耦合芯径光纤(7)；所述手征性耦合芯径光纤(7)的输出光束质量小于1.1，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m。
2.如权利要求1所述的手征性耦合芯径光纤的制造方法，其特征在于，步骤A包括以下流程：在导引纤芯预制棒半成品的外侧壁沿径向开纤芯槽(2)，形成开有纤芯槽(2)的导引纤芯预制棒(1)；根据纤芯槽(2)的形状对卫星纤芯预制棒半成品进行加工，形成卫星纤芯预制棒(3)，所述纤芯槽(2)的形状与卫星纤芯预制棒(3)的外形匹配。
3.如权利要求1所述的手征性耦合芯径光纤的制造方法，其特征在于，步骤A包括以下流程：对卫星纤芯预制棒半成品进行加工；形成卫星纤芯预制棒(3)；根据卫星纤芯预制棒(3)的形状，在导引纤芯预制棒半成品的外侧壁沿径向开纤芯槽(2)，形成开有纤芯槽(2)的导引纤芯预制棒(1)，所述纤芯槽(2)的形状与加工后的卫纤芯预制棒(3)的外形匹配。
4.如权利要求1所述的手征性耦合芯径光纤的制造方法，其特征在于：所述纤芯槽(2)的横截面和导引纤芯预制棒(1)的横截面均为矩形。
5.如权利要求4所述的手征性耦合芯径光纤的制造方法，其特征在于：所述卫星纤芯预制棒(3)的横截面的长度为4.22mm～33mm，宽度为2.17mm～17.87mm，所述卫星纤芯预制棒(3)与纤芯槽(2)的尺寸偏差小于0.25mm。
6.如权利要求1至5任一项所述的手征性耦合芯径光纤的制造方法，其特征在于：步骤A和步骤B之间还包括以下步骤：对所述纤芯槽(2)进行抛光。
7.如权利要求1至5任一项所述的手征性耦合芯径光纤的制造方法，其特征在于：所述导引纤芯预制棒半成品的包层的直径为12mm～72.02mm，所述导引纤芯(5)的直径为3.50mm～16.50mm。
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