CN105278033A - 一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤 - Google Patents

Abstract

本发明一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，所述光纤包含有包裹于包层（102）中心的纤芯（101），所述纤芯（101）的折射率分布结构为由外缘向中心折射率逐渐降低，纤芯（101）中心最低点相对于纤芯（101）最外层边界的相对折射率差Δ1∈（-0.5%，-0.1%）,所述纤芯（101）的直径D1∈（100μm，1000μm）；纤芯（101）最外层边界的折射率值n1∈（1.454，1.459）；所述包层（102）为掺氟均质石英材料，其直径D2∈（110μm，1400μm），包层（102）相对于纤芯（101）最外层边界的相对折射率差Δ2∈（-1.4%，-0.6%）。本发明涉及一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，能增强大芯径石英光纤激光传输的传输有效距离和均匀性。

Description

一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤

技术领域

本发明涉及一种传输高斯分布中高功率能量激光的大芯径石英光纤，该光纤具有平坦的激光功率耦合分布和高的激光功率损伤阈值，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100μm的大芯径石英光纤是用于传输中高功率能量的优选材料。大芯径石英光纤具有较大的数值孔径、较大的纤芯直径，非常有利于能量激光的耦合及传输。

纯石英均质的材料结构使得光纤具有较高的材料激光耐受能力。在中国专利201010606651.7中，描述了一种用于阳光照明传能的大芯径石英光纤，该光纤采用纯石英玻璃芯层材料结构。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。在该专利中，没有说明该发明光纤在传输大功率阳光的过程中如何防止高能量光的聚集，从而导致光纤芯层损伤。

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。但采用正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。

发明内容

为方便介绍本发明内容，定义以下术语：

相对折射率差：该层折射率n与纯石英材料折射率的相对差值，计算公式如下：

△1=2×（n1-1.457）/（n1+1.457）×100%；

本发明所要解决的技术问题是针对前述的现有技术存在的不足而提供一种平坦的激光功率耦合分布和高的激光功率损伤阈值的中高功率用折射率负渐变型大芯径传能石英光纤。

一般的，掺杂剂会改变石英玻璃的相对折射率。锗（Ge）、磷（P）等掺杂剂可以使得掺杂后的石英玻璃的相对折射率增加，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减少，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、负值、或者为0。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，所述光纤包含有纤芯、包层和涂覆层，纤芯为负渐变型折射率分布、包层为均质折射率分布，所述的纤芯为掺锗和氟石英玻璃层，直径D1∈（100μm，1000μm），该层为负渐变折射率分布，从包层边界向纤芯中心材料的折射率值逐渐降低，纤芯的中心最低点相对于纤芯最外层边界的相对折射率差Δ1∈（-0.5%，-0.1%）；纤芯最外层边界的折射率值n1∈（1.454，1.459）；所述的石英包层为掺氟石英玻璃层，均质折射率分布，其直径D2∈（110μm，1400μm），包层相对于纤芯最外层边界的相对折射率差Δ2∈（-1.4%，-0.6%）。

按上述方案，所述的包层直径与纤芯直径的比值D2/D1∈（1.1，1.4）。

按上述方案，所述的光纤涂覆层为掺杂丙烯酸树脂材料。

本发明的有益效果在于：

1.掺锗和氟石英玻璃芯的纤芯材料，具有较高的粘度匹配，降低纤芯内的应力和纤芯/内包层界面的应力，负渐变折射率分布的设计与激光光斑104高斯分布正好相反，对高斯分布的激光能量起平均，能够将中心聚集的激光能量向纤芯外围分散，从而降低纤芯中心聚集的激光能量密度，使得中高功率的激光能量均匀平坦耦合分布在光纤的纤芯中，提高了光纤与激光光斑耦合时的耦合效率；

2.负渐变折射率分布的石英玻璃纤芯，当激光在光纤中传播时，激光能量的传播常数将会随着负渐变折射率的分布结果而逐渐变化调整，以保证中高功率激光能量在光纤纤芯中均匀稳定传输，提高光纤传输效率和稳定性。

附图说明

图1为本发明一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤的结构简图。

图2为本发明一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤的光纤折射率分布图。

其中：

纤芯101、包层102、涂覆层103。

本发明的具体实施例如下：

实施例：

图1~2，本发明涉及的一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，所述光纤包含有包裹于包层102中心的纤芯101，纤芯101的直径D1∈（100μm，1000μm），纤芯101中心最低点相对于纤芯101最外层边界的相对折射率差Δ1∈（-0.5%，-0.1%）；纤芯101最外层边界的折射率值n1∈（1.454，1.459）；包层102的直径D2∈（110μm，1400μm）,包层102相对于纤芯101最外层边界的相对折射率差Δ2∈（-1.4%，-0.6%）；应用时还在包层102外涂覆上内涂覆层103。

下面结合具体实验数据对本专利的折射率负渐变型大芯径传能石英光纤进行说明：

表1：

表1为7根不同几何尺寸结构的本发明折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，光纤的几何结构和纤芯直径、纤芯折射率差、内包层直径、内包层折射率差大小不同，实验表明，按照本发明的技术方案所制造的光纤，具有良好的激光光斑耦合性能和激光能量长距离传输性能，具体的为：激光能量经光纤1km传输之后，传输效率仍能保持在97%以上；光纤可以耦合传输的激光能量达到600w的中高功率激光；光纤具有良好的稳定性，在长距离传输长期工作条件下，光纤输入输出的连接头温度可以保持在38℃以下，传输效率稳定，这种性能的大芯径石英光纤能够满足长距离中高功率激光传输的应用。

由上述实验可知，本发明采用折射率负渐变型结构设计，平坦了激光能量耦合进光纤纤芯之后的功率分布，提高了激光能量在光纤纤芯的传输均匀性，降低了激光能量聚集导致光纤纤芯损伤的几率，延长了激光能量在光纤中传输的距离；折射率负渐变型结构能够配合激光高斯光束传播常数的变化要求，扩展了激光能量在光纤纤芯的传输截面；采用这种设计能够增强大芯径石英光纤激光传输的传输有效距离和均匀性。

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 (7)

1.一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，所述光纤包含有包裹于包层（102）中心的纤芯（101），其特征在于：该纤芯（101）的折射率为负渐变结构设计，即纤芯（101）由外缘向中心折射率逐渐降低。

2.如权利要求1所述一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，其特征在于：上述纤芯（101）内掺杂有锗和氟元素，且掺杂浓度由外缘向中心折射率逐渐降低，从而使得其折射率依次减少。

3.如权利要求1所述一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，其特征在于：所述纤芯（101）的直径D1∈（100μm，1000μm）。

4.如权利要求1、2或3所述一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，其特征在于：所述包层（102）为均质掺氟石英材料，其直径D2∈（110μm，1400μm）。

5.如权利要求1、2或3所述一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，其特征在于：纤芯（101）中心最低点相对于纤芯（101）最外层边界的相对折射率差Δ1∈（-0.5%，-0.1%），纤芯（101）最外层边界的折射率值n1∈（1.454，1.459），包层（102）相对于纤芯（101）最外层边界的相对折射率差Δ2∈（-1.4%，-0.6%）。

6.如权利要求1、2或3所述一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，其特征在于：所述包层（102）直径D2与纤芯（101）直径D1的比值：D2/D1∈（1.1，1.4）。

7.如权利要求1、2或3所述一种折射率负渐变型大芯径传能石英光纤，其特征在于：所述包层（102）外涂覆有内涂覆层（103）。