CN103472530B - 一种大芯径弯曲不敏感传能光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大芯径弯曲不敏感传能光纤，包括有芯层和包层，其特征是芯层呈渐变型折射率分布，分布幂指数α为1.8～2.1，芯层相对折射率差最大值Δ1%max为1.0～2.5%，芯层半径R1为95～500μm，从芯层往外依次为内包层和外包层，内包层相对折射率差Δ2%为-0.6～-1.3%，内包层半径与芯层半径的比值为W1=R2/R1=1.05～1.2，外包层为纯石英玻璃层，外包层半径与芯层半径的比值为W2=R3/R1=1.1～1.4。本发明能够显著提高光纤的收光和聚光能力，具有良好的传输效率，能承载高能激光传输；芯层采用渐变折射率剖面设计，使光纤具有自聚焦效应，在激光加工等实际应用中更有优势。

Description

一种大芯径弯曲不敏感传能光纤

技术领域

本发明涉及一种大芯径弯曲不敏感传能光纤，该光纤能承载高能激光传输，具有良好的弯曲不敏感性能和优良的传输效率，属于光纤能量传输技术领域。

背景技术

大芯径多模传能光纤可以在三维复杂空间内灵活安全的传输较高的激光能量，能将高功率激光传送到特定的位置，起到简化光路系统和提升激光系统应用工作平台灵活性的作用，已被广泛的应用于军事、激光加工、医疗、传感、照明等众多领域。

现有技术中，常规的大芯径传能光纤主要分为两种结构，一种为阶跃型折射率剖面结构，另一种为渐变型折射率剖面结构，两种结构的大芯径光纤均能起到传输高能激光的作用，但在实际应用中，由于渐变型折射率剖面光纤在传输中具有自聚焦效应，在激光加工、医疗、传感等实际使用中相对阶跃型折射率剖面光纤会更有优势。

目前还有一种传能光纤是通过在光纤的表面涂上一层低折射率涂料，从而使这种光纤达到高的数值孔径，增加纤芯的接受角度，起到传输能量和简化光路系统的作用。如中国专利CN102721998A就是采用这种方式，这种传能光纤能够提供方便高效的耦合操作，但缺点是低折射率涂料的成本较高，而且在相同的环境条件下，传输较高能量时涂层容易发热，从而引起低折射率涂层的软化甚至烧损而导致光纤失效，并且此种结构光纤的弯曲不敏感性能也较差。

此外，由于光在光纤中传输时，其光束质量因子M²随光纤的芯径大小呈指数变化，而且经芯径和数值孔径一定的光纤传输后，其光束质量因子M²最大值和光纤芯径和数值孔径角有关，而我们在使用时，光纤将会不可避免的有不同程度的弯曲，当光纤长期承受大的弯曲应力，光纤的使用寿命必然减短，传输性能指标也会下降，为此，需要光纤具有一定的抗弯特性，来满足不同场合的需要。

发明内容

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

石英衬管：管状的基底管，其内壁承载PCVD化学反应的玻璃态氧化沉积物；

芯层：居于光纤横截面的中心部分，是光纤的主要导光的区域；

内包层：光纤截面中紧邻芯层的环形区域；

外包层：光纤横截面中紧邻中间包层的环形区域；

相对折射率差：

$\mathrm{\Δ}\%=\frac{n_i^2-n_0^2}{2n_i^2}*100\%\≈\frac{n_i-n_0}{n_0}*100\%$

数值孔径：

$\mathrm{NA}=n_0*\sqrt{2\mathrm{\Δ}}$

其中n_i为不同沉积层所对应的折射率，n₀为纯SiO₂的折射率

幂指数折射率分布剖面：满足下面幂指数函数的折射率分布形态，其中n₁为光纤轴心的折射率；r为离开光纤轴心的距离；a为光纤芯半径；α为分布幂指数；Δ为芯/包相对折射率差；

$n^2\left(r\right)=n_1^2[1-2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r}{a}\right)}^a]r<a$

α=2：平方率分布

α=∞：阶跃分布

平方率光纤聚焦参数

近轴光线聚焦周期

光束质量因子M²：光束在光纤中传输时，光束质量因子的最大值符合以下公式：

$M_{\&infin;}^2=\mathrm{\&pi;}*C*a*\arcsin \left(\mathrm{NA}\right)/\mathrm{\&lambda;}$

其中C由光纤材料本身及传输时的状态（扭曲，应力等）决定，a为光纤芯半径，λ为光束的波长。

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的不足而提供一种传输高功率，弯曲性能良好的大芯径弯曲不敏感传能光纤。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有芯层和包层，其特征是芯层呈渐变型折射率分布，分布幂指数α为1.8～2.1，芯层相对折射率差最大值Δ1%max为1.0～2.5%，芯层半径R1为95～500μm，从芯层往外依次为内包层和外包层，内包层相对折射率差Δ2%为-0.6～-1.3%，内包层半径与芯层半径的比值为W1=R2/R1=1.05～1.2，外包层为纯石英玻璃层，外包层半径与芯层半径的比值为W2=R3/R1=1.1～1.4。

按上述方案，所述的芯层为氟锗共掺石英玻璃层，材料组分为SiO₂-GeO₂-F。

按上述方案，所述芯层的数值孔径NA为0.2～0.325。

按上述方案，所述的内包层为掺氟（F）石英玻璃层，材料组分为SiO₂-F。

按上述方案，所述的光纤外包层外包覆涂覆层，所述的涂覆层为单层或多层，涂料为丙烯酸树脂、聚酰亚胺、硅橡胶中的一种或两种。

按上述方案，所述的涂覆层为两层，内层为硅橡胶涂覆层，外层为丙烯酸树脂涂覆层，涂覆层经热固化而成，涂覆层单边厚度为10～120μm。

本发明大芯径弯曲不敏感传能光纤制造方法的技术方案为：

将纯石英玻璃衬管固定在等离子化学气相沉积（PCVD）车床上进行掺杂沉积，在反应气体四氯化硅（SiCL₄）和氧气（O₂）中通入含氟（F）的气体，引进F掺杂，通入四氯化锗（GeCL₄）引入Ge掺杂，通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁；根据所述光纤剖面结构的掺杂要求，通过改变混合气体中掺杂气体的摩尔比，依次沉积内包层和芯层；沉积完成后，再用熔缩车床将沉积管熔缩成实心预制棒，之后将预制棒置于拉丝塔进行拉丝，拉丝后在裸光纤外分别涂覆硅橡胶涂料和耐高温的丙烯酸树脂涂料，并进行热固化。

本发明的有益效果在于：1、通过增大芯径直径和数值孔径，能够显著提高光纤的收光和聚光能力，具有良好的传输效率，能承载高能激光传输；2、通过优化光纤剖面结构，使大芯径光纤具有更低的附加弯曲损耗和良好的弯曲不敏感性能，从而减少光纤弯曲时光功率传输的损失；3、芯层采用渐变折射率剖面设计，使光纤具有自聚焦效应，在激光加工等实际应用中更有优势。

附图说明

图1为本发明一个实施例的光纤径向截面结构示意图。

图2为本发明一个实施例的光纤折射率剖面结构示意图。

图3为本发明的测量光纤弯曲状态下功率输出示意图。

图4为本发明一个实施例400微米芯径弯曲不敏感光纤（1#样品）与普通400微米光纤（2#样品）在不同弯曲直径下的输出功率比较。（LED输出功率为100W）。

具体实施方式

下面将给出详细的实施例来对本发明进行进一步的说明。表1中R1为芯层半径，R2为内包层半径，R3为外包层半径，W1=R2/R1，W2=R3/R1。下面如表1所示。

表1

Claims (5)

1.一种大芯径弯曲不敏感传能光纤，包括有芯层和包层，其特征是芯层呈渐变型折射率分布，分布幂指数α为1.8～2.1，芯层相对折射率差最大值Δ1％max为1.0～2.5％，芯层半径R1为100～500μm，从芯层往外依次为内包层和外包层，内包层相对折射率差Δ2％为-0.6～-1.3％，内包层半径与芯层半径的比值为W1＝R2/R1＝1.05～1.2，外包层为纯石英玻璃层，外包层半径与芯层半径的比值为W2＝R3/R1＝1.1～1.4；所述芯层的数值孔径NA为0.2～0.325。

2.按权利要求1所述的大芯径弯曲不敏感传能光纤，其特征在于所述的芯层为氟锗共掺石英玻璃层，材料组分为SiO₂-GeO₂-F。

3.按权利要求1或2所述的大芯径弯曲不敏感传能光纤，其特征在于所述的内包层为掺氟石英玻璃层，材料组分为SiO₂-F。

4.按权利要求1或2所述的大芯径弯曲不敏感传能光纤，其特征在于所述的光纤外包层外包覆涂覆层，所述的涂覆层为单层或多层，涂料为丙烯酸树脂、聚酰亚胺、硅橡胶中的一种或两种。

5.按权利要求4所述的大芯径弯曲不敏感传能光纤，其特征在于所述的涂覆层为两层，内层为硅橡胶涂覆层，外层为丙烯酸树脂涂覆层，涂覆层经热固化而成，涂覆层单边厚度为10～120μm。