CN104849802A - 一种滤波环结构大芯径传能石英光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，所述光纤包含有位于中心的芯层（101），所述芯层（101）外依次包裹有内包层（102）、滤波环层（103）、外包层（104）和涂覆层（105）；且外包层（104）的折射率＜内包层（102）的折射率＜滤波环层（103）的折射率小于芯层（101）的折射率。本发明一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，具有较高的光纤端面激光耦合效率和良好的传输效率。

Description

一种滤波环结构大芯径传能石英光纤

技术领域

本发明涉及一种大芯径传能石英光纤,尤其是涉及一种具有滤波环结构的大芯径传能石英光纤,该大芯径传能石英光纤具有较高的光纤端面激光耦合效率和良好的传输效率,属于光纤激光技术领域。

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。相对于纤芯直径不大于10μm 的单模光纤而言，纤芯直径大于80μm 的大芯径石英光纤是用于传输中高功率能量的良好材料。大芯径石英光纤具有较大的数值孔径、较大的纤芯直径，非常有利于能量光的耦合及传输；

纯硅芯的材料结构使得光纤具有较高的能量损伤阈值，在中国专利201010606651.7中，描述了一种用于照明传能的大芯径石英光纤，该光纤纤芯直径在400μm左右，采用纯石英玻璃芯层材料结构；在该专利中，没有说明该发明光纤如何能够减少高斯型激光光斑与光纤芯层耦合时的光功率泄露。

在中国专利201410591146.8中，描述了一种简单阶梯型折射率分布，纯石英或掺氟石英芯层大芯径石英传能光纤；该专利中，同样没有考虑芯层折射率的正掺杂控制与光纤纤芯耦合损失的因素。

在中国专利201310435892.3 中，描述了一种芯层掺锗并且具有渐变折射率剖面的大芯径弯曲不敏感多模光纤，该光纤通过折射率下陷的包层来提高光纤的抗弯曲性能；但采用渐变折射率芯层设计，会导致传输的光斑的聚焦作用，输出端的光斑的激光能量会会聚到光纤芯层的中心区域，造成传输的失真。

综上所述，目前市面上常规的大芯径传能石英光纤在传输过程中无法解决光斑的聚焦作用以及因此造成的传输失真问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种具有较高的光纤端面激光耦合效率和良好的传输效率的滤波环结构大芯径传能石英光纤。

本发明的目的是这样实现的：

一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，所述光纤包含有位于中心的芯层，所述芯层外依次包裹有内包层、滤波环层、外包层和涂覆层；且外包层的折射率＜内包层的折射率＜滤波环层的折射率小于芯层的折射率。

本发明一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，上述芯层与纯石英材料的相对折射率差△1∈（-0.1%，0.5%）；

上述内包层与纯石英材料的相对折射率差Δ2 ∈（-1.2%，-0.9%）；

上述滤波环层与纯石英材料的相对折射率差Δ3 ∈（-0.6%，-0.2%）；

上述外包层与纯石英材料的相对折射率差Δ4∈（-1.4%，-1.0%）。

本发明一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，所述芯层为掺锗和氟玻璃层，所述内包层为掺氟玻璃层，所述滤波环层为掺锗和氟玻璃层，所述外包层为掺硼和氟玻璃层。

本发明一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，所述芯层的直径D1∈（80um，1000um），所述内包层的直径D2∈（88um，1100um），所述滤波环层的直径D3∈（100um，1400um），所述外包层的直径D4∈（125um，1500um）。

本发明一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，内包层直径与芯层直径的比值D2/D1 ∈（1.05，1.1），滤波环层直径与芯层直径的比值D3/D1 ∈（1.2，1.4），外包层直径与芯层直径的比值D4/D1 ∈（1.3，1.5）。

本发明一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，所述涂覆层为掺杂丙烯酸树脂材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、掺锗和氟玻璃芯的芯层材料，具有较高的粘度匹配，降低芯层内的应力和芯层/内包层界面的应力，阶梯型折射率分布有利于芯层激光能量的均匀散布，提高石英光纤的激光能量损伤阈值，适合于较高功率的激光能量的传输；2、深掺氟的内包层，使得光纤具有较高的数值孔径，有利于激光能量的耦合以及传输；3、 掺锗和氟的滤波环层，其折射率较高，这样，匹配激光光斑能量高斯分布，使得激光光斑与光纤芯层耦合过程中泄露的部分高斯光能量被滤波环层高效率地收集，防止泄露的激光能量再往外扩散，造成涂覆层的高温损伤；4、外包层通过掺硼和氟，其折射率得到再次降低，这样，将对内层已经很低几率可能泄露出来的激光能量进行强约束，更加有利于将激光能量约束在内层部分传输，阻止功率在传输过程中向涂覆层的泄漏。

附图说明

图1为本发明一种滤波环结构大芯径传能石英光纤的结构示意图。

图2为本发明一种滤波环结构大芯径传能石英光纤的光纤波导结构示意图和激光高斯光束包络示意图。

其中：

芯层101、内包层102、滤波环层103、外包层104、涂覆层105、高斯分布106。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明涉及的一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，所述光纤包含有位于中心的芯层101，所述芯层101外依次包裹有内包层102、滤波环层103、外包层104和涂覆层105；且外包层104的折射率＜内包层102的折射率＜滤波环层103的折射率小于芯层101的折射率；

上述芯层101与纯石英材料的相对折射率差△1∈（-0.1%，0.5%）；

上述内包层102与纯石英材料的相对折射率差Δ2 ∈（-1.2%，-0.9%）；

上述滤波环层103与纯石英材料的相对折射率差Δ3 ∈（-0.6%，-0.2%）；

上述外包层104与纯石英材料的相对折射率差Δ4∈（-1.4%，-1.0%）；

具体的讲，掺杂剂会改变石英玻璃的相对折射率；如锗（Ge）、氯（Cl）、磷（P）等掺杂剂可以使得掺杂后的石英玻璃的相对折射率为正值，我们称之为“正掺杂剂”，而氟（F）、硼（B）等掺杂剂可以使得掺杂后的石英玻璃的相对折射率为负值，我们称之为“负掺杂剂”；如果同时使用一种“正掺杂剂”和一种“负掺杂剂”对石英玻璃进行掺杂，则掺杂后的石英玻璃的相对折射率可以为正值或者负值，或者为0；因此，所述芯层101为掺锗和氟玻璃层，所述内包层102为掺氟玻璃层，所述滤波环层103为掺锗和氟玻璃层，所述外包层104为掺硼和氟玻璃层；掺锗和氟的滤波环层103，其折射率较高，从而可以匹配激光光斑能量高斯分布106，使得激光光斑与光纤芯层耦合过程中泄露的部分高斯光能量被滤波环层高效率地收集，防止泄露的激光能量再往外扩散，造成涂覆层的高温损伤；

并且，对于其具体尺寸，所述芯层101的直径D1∈（80um，1000um），所述内包层102的直径D2∈（88um，1100um），所述滤波环层103的直径D3∈（100um，1400um），所述外包层104的直径D4∈（125um，1500um）；尤其需要注意的是：各层之间的直径关系需要满足：内包层102直径与芯层101直径的比值D2/D1 ∈（1.05，1.1），滤波环层103直径与芯层101直径的比值D3/D1 ∈（1.2，1.4），外包层104直径与芯层101直径的比值D4/D1 ∈（1.3，1.5）；

同时，所述涂覆层105为掺杂丙烯酸树脂材料；

本发明涉及一种滤波环结构大芯径传能石英光纤的制作方法，其制作方法为：首选通过PCVD 工艺、MCVD 工艺、OVD 工艺或VAD 工艺制造芯棒；然后通过等离子体外喷工艺、套管工艺或OVD 工艺完成整个预制棒的制造；随后进行拉丝工艺，并在拉丝过程中涂覆丙烯酸树脂材料构成涂覆层；最后通过紫外固定进行固化，并利用NR-9200 设备（EXFO）对光纤折射率剖面进行检测；

下表1为七例具体实施例：

表1 ：

表1为本发明七根不同几何尺寸结构的滤波环结构大芯径传能石英光纤，并对其折射率进行检测，通过实验表明，按照本发明的技术方案所制造的光纤，具有良好的激光传输性能：光纤具有较高的耦合效率和传输效率，光纤传输效率可以达到96% 以上；光纤可以传输达到700w 的中高功率激光；光纤具有良好的稳定性，在长期工作条件下，光纤跳线的连接头温度可以保持在40℃以下，传输效率稳定，这种性能的大芯径石英光纤能够满足中高功率激光传输的应用；

由上述实验可知，本发明采用滤波环结构设计，减少了激光器输出高斯光斑与大芯径石英光纤芯层端面的耦合激光损失，提高了激光与光纤芯层的耦合效率；滤波环还能够将耦合溢出的高斯光斑的高阶模式激光能量进一步约束，减少了激光能量扩散到外包层的几率；采用这种设计能够降低激光传输高阶激光能量溢出的比率，增强大芯径石英光纤激光传输的稳定性；

另外：需要注意的是，上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案，本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进，均在本专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，所述光纤包含有位于中心的芯层（101），其特征在于：所述芯层（101）外依次包裹有内包层（102）、滤波环层（103）、外包层（104）和涂覆层（105）；且外包层（104）的折射率＜内包层（102）的折射率＜滤波环层（103）的折射率小于芯层（101）的折射率。

2.如权利要求1所述一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，其特征在于：上述芯层（101）与纯石英材料的相对折射率差△1∈（-0.1%，0.5%）；

上述内包层（102）与纯石英材料的相对折射率差Δ2 ∈（-1.2%，-0.9%）；

上述滤波环层（103）与纯石英材料的相对折射率差Δ3 ∈（-0.6%，-0.2%）；

上述外包层（104）与纯石英材料的相对折射率差Δ4∈（-1.4%，-1.0%）。

3.如权利要求2所述一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，其特征在于：所述芯层（101）为掺锗和氟玻璃层，所述内包层（102）为掺氟玻璃层，所述滤波环层（103）为掺锗和氟玻璃层，所述外包层（104）为掺硼和氟玻璃层。

4.如权利要求1所述一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，其特征在于：所述芯层（101）的直径D1∈（80um，1000um），所述内包层（102）的直径D2∈（88um，1100um），所述滤波环层（103）的直径D3∈（100um，1400um），所述外包层（104）的直径D4∈（125um，1500um）。

5.如权利要求4所述一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，其特征在于：内包层（102）直径与芯层（101）直径的比值D2/D1 ∈（1.05，1.1），滤波环层（103）直径与芯层（101）直径的比值D3/D1 ∈（1.2，1.4），外包层（104）直径与芯层（101）直径的比值D4/D1 ∈（1.3，1.5）。

6.如权利要求1~5中的任一项所述一种滤波环结构大芯径传能石英光纤，其特征在于：所述涂覆层（105）为掺杂丙烯酸树脂材料。