CN106291809B - 一种大芯径石英传能光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大芯径石英传能光纤，包括纤芯和包层，其特征在于所述纤芯为纯石英玻璃层，所述包层为双包层结构，纤芯外从内向外依次包覆辅空包层和掺氟玻璃外包层，所述的纤芯直径D1为200~800μm，所述的辅空包层直径D2为220~1000μm，所述掺氟玻璃外包层直径D3为240~1200μm。本发明具有较高的抗激光损伤阈值，可有效增强大芯径石英传能光纤的传输效率，提高激光出射功率。纤芯周围为辅助空气作为包层，使得其折射率n2值与空气折射率1接近，体现了纤芯对激光的强束缚力，并提高了光纤的抗弯曲性能，有利于激光能量的耦合以及传输，进一步增强了大芯径石英传能光纤的激光传输稳定性。本发明具有较广的传输波段，较高的抗弯曲损耗、抗能量损伤阈值、耦合与传输效率，且制作工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种大芯径石英传能光纤，尤其是涉及一种具有辅空包层结构的大芯径石英传能光纤，属于传能光纤技术领域。
背景技术
随着科技的进步，激光行业迅速发展，广泛应用于国家安全、国防建设、3D打印加工等高新技术工业和医疗救治等领域。
相对于纤芯直径不大于10μm的单模光纤而言，芯径大于100μm的纯石英大芯径光纤，是用于传输中高功率能量的良好材料。大芯径光纤具有较大的纤芯直径，较大的纤芯直径与较大的数值孔径等特征，非常有利于能量光的耦合及传输。
在中国专利200910048566.0中，描述了一种高抗损伤传能光纤及制作方法，但其包层均为有机物，有机物的化学稳定性及热稳定性导致了其在高功率>100W时激光传输稳定性的弱势。
在中国专利201310269329.3中，描述了大模场石英传能光纤，该光纤通过在纤芯周围交错围绕两种或两种以上折射率交错设置的环状包层，层数3-12层，提高模场面积，其制作工艺十分复杂，不利于实际光纤的制造。
综上所述，现有的大芯径石英传能光纤在抗弯曲性能与简化工艺上仍有待提高和改善。
发明内容
为了方便介绍本发明内容，定义以下术语：
一般的，掺杂剂会改变石英玻璃的相对折射率。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。
折射率剖面：光纤中玻璃折射率与其半径之间的关系
相对折射率差：
其中，ni和n0分别为各对应部分的折射率和纯二氧化硅石英玻璃的折射率，下文中取n0＝1.457进行计算。
空气孔的占空比：(如附图1中)为环形包层区域2截面之内包含的空气孔的横截面积之和与环形包层区域2的截面积的比值，用百分比表示。
本发明所要解决的问题在于克服上述现有技术存在的不足提供一种传输性能稳定的中高功率用大芯径石英传能光纤，该传能光纤具有较高的耦合与传输效率，较低的弯曲损耗，且制作工艺简单。
本发明为解决上述问题的技术方案为：包括纤芯和包层，其特征在于所述纤芯为纯石英玻璃层，所述包层为双包层结构，纤芯外从内向外依次包覆辅空包层和掺氟玻璃外包层，所述的纤芯直径D1为200～800μm，所述的辅空包层直径D2为220～1000μm，所述掺氟玻璃外包层直径D3为240～1200μm。
按上述方案，所述的纤芯的相对折射率差Δ1为-0.2～0.2％，所述的辅空包层的相对折射率差Δ2范围为-30～-20％，所述掺氟玻璃外包层的相对折射率差Δ3为-1.2～-0.9％。
按上述方案，所述的辅空包层直径与纤芯直径的比值D2/D1为1.1～1.3，所述的掺氟玻璃外包层直径与纤芯直径的比值D3/D1为1.2～1.5。
按上述方案，所述的辅空包层由一圈紧密排列且与辅空包层外周内切的小孔构成，小孔的直径等于或小于辅空包层的单边厚度。或者，辅空包层为含有不规则空气孔所形成的环形区域。
按上述方案，辅空包层中空气孔的占空比的范围是20％～99％，优选的范围是35％～65％。
按上述方案，光纤的数值孔径大于0.22。
按上述方案，所述的外包层外涂覆有涂料保护层，所述的涂料保护层从内向外依次包括内涂覆层和外涂覆层。
按上述方案，所述的内涂覆层直径D4为260～1250μm，所述的外涂覆层直径D5为300～1400μm。
按上述方案，所述的内涂覆层直径D4与掺氟玻璃外包层直径D3的差值D4-D3为20～50μm，内涂覆层的杨氏模量为1～300Mpa；所述的外涂覆层直径D5与内涂覆层直径D4的差值为40～150μm，外涂覆层的杨氏模量为500～2000MPa。
按上述方案，所述内、外涂覆层的涂料为紫外固化树脂，或热固化硅橡胶，或热固化聚酰亚胺。所述的涂料保护层耐受温度为100℃～300℃。
本发明的有益效果在于：1、纤芯采用纯硅芯，具有较高的抗激光损伤阈值，非常适合较高功率的激光传输，可有效增强大芯径石英传能光纤的传输效率，提高激光出射功率。2、纤芯周围为辅助空气作为包层，使得其折射率n2值与空气折射率1接近，与纤芯纯石英玻璃材料经过计算，其Δ2高达近-30％，换算成数值孔径值为1，远远高于常规大芯径石英传能光纤，体现了纤芯对激光的强束缚力，并提高了光纤的抗弯曲性能，有利于激光能量的耦合以及传输，进一步增强了大芯径石英传能光纤的激光传输稳定性。3、纤芯的折射率高于掺氟玻璃外包层的折射率，进一步束缚激光能量在芯层传播。4、内、外涂覆层具有良好的耐高温性能，可以防止部分不可避免的功率泄漏到外包层引起能量的积累导致涂覆层被高温破坏。进一步保证光纤的传输性能。5、本发明具有较广的传输波段，较高的抗弯曲损耗、抗能量损伤阈值、耦合与传输效率，且制作工艺简单。
附图说明
图1是本发明一个实施例的径向结构示意图。
图2是本发明另一个实施例的径向结构示意图。
图3是本发明一个实施例的光纤折射率分布图。
图4是本发明实施例1与比较例在1064nm处弯曲损耗与弯曲半径关系对比图，比较例的曲线在上，实施例的曲线在下。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：如图1所示，包括纤芯1，所述纤芯为纯石英玻璃层，纤芯直径D1为200μm，所述包层为双包层结构，纤芯外从内向外依次包覆辅空包层2和掺氟玻璃外包层3，所述的辅空包层直径D2为220μm，辅空包层由一圈紧密排列且与辅空包层外周内切或与辅空包层内周外切的小孔构成，小孔的直径等于辅空包层的单边厚度，空气孔的占空比为50％，所述掺氟玻璃外包层直径D3为240μm。外包层外涂覆有涂料保护层，所述的涂料保护层从内向外依次包括内涂覆层4和外涂覆层5，内涂覆层直径D4为260μm，外涂覆层直径D5为300μm。内涂覆层的杨氏模量为1～300Mpa，外涂覆层的杨氏模量为500～2000MPa。
实施例2：如图2所示，包括纤芯1，所述纤芯为纯石英玻璃层，纤芯直径D1为800μm，所述包层为双包层结构，纤芯外从内向外依次包覆辅空包层2和掺氟玻璃外包层3，所述的辅空包层直径D2为1000μm，辅空包层为含有不规则空气孔的环形区域，空气孔的直径小于或等于辅空包层的单边厚度，空气孔的占空比为65％，所述掺氟玻璃外包层直径D3为240～1200μm。外包层外涂覆有涂料保护层，所述的涂料保护层从内向外依次包括内涂覆层4和外涂覆层5，内涂覆层直径D4为1250μm，外涂覆层直径D5为1400μm。内涂覆层的杨氏模量为1～300Mpa，外涂覆层的杨氏模量为500～2000MPa。
按上述技术方案，在所规定的范围内对光纤的参数进行设计，制造过程如下：光纤纤芯纯石英预制棒可以采用直接拉伸低羟基纯石英棒或管材，也可以使用PCVD工艺、MCVD工艺、OVD工艺或VAD工艺制造纯石英芯棒；芯棒外圈四周环绕多根玻璃管材，根数随玻璃管材与芯棒直径设计变化；外套匹配的掺氟玻璃管材，完成了整个预制棒的制造；随后进行拉丝工艺，并在拉丝过程中涂覆如紫外固化树脂或热固化橡胶或聚酰亚胺的两层不同模量的涂料，根据涂料类型选择使用紫外固化或热固化。所拉光纤的折射率剖面使用NR-9200设备(EXFO)检测。
传输测试：取5m光纤经过装配连接器制作成D80等类型跳线，并进行端面研磨处理后，即可在激光传输平台进行测试；激光器为Nd：YAG固体激光器，工作波长为1064nm；使用功率计在线测试光纤跳线60分钟后的输出功率。
下表1、2为本发明4个具体实施例与1个常规比较例的对比数据。
表1：比较例与实施例的几何参数
| 比较例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| D1(μm) | 200 | 200 | 400 | 600 | 800 |
| Δ1(％) | -0.04 | -0.05 | 0.08 | -0.02 | 0.1 |
| D2(μm) | 240 | 240 | 520 | 720 | 880 |
| Δ2(％) | -0.64 | -29 | -30 | -28 | -29 |
| D3(μm) | 260 | 260 | 600 | 800 | 1000 |
| Δ3(％) | -1.00 | -0.99 | -0.85 | -1.10 | -0.95 |
| D4(μm) | 280 | 280 | 650 | 850 | 1050 |
| D5(μm) | 330 | 330 | 750 | 950 | 1200 |
表2：比较例与实施例的激光参数设置及传输测试结果
实验表明，本发明的光纤，具有良好的激光传输性能，具体的为：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96％以上；光纤可以传输达600W的中高功率激光；光纤具有良好的稳定性，可以长期保持工作条件下的传输效率稳定。
图4为比较例与实施例1在波长1064nm处弯曲损耗随弯曲半径变化关系对比图，由图可知，实施例1弯曲损耗远远小于比较例。由上述实验和图4证明，按照本发明采用的辅空包层结构设计，减少了激光在大芯径石英光纤中传播的弯曲损耗，减少了激光能量扩散到外包层的机率，提高了激光传输效率，进一步增强了大芯径石英传能光纤的激光传输稳定性。
Claims (8)
1.一种大芯径石英传能光纤，包括纤芯和包层，其特征在于所述纤芯为纯石英玻璃层，所述包层为双包层结构，纤芯外从内向外依次包覆辅空包层和掺氟玻璃外包层，所述的纤芯直径D1为200～800μm，所述的辅空包层直径D2为220～1000μm，所述掺氟玻璃外包层直径D3为240～1200μm；所述的纤芯的相对折射率差Δ1为-0.2～0.2％，所述的辅空包层的相对折射率差Δ2范围为-30～-20％，所述掺氟玻璃外包层的相对折射率差Δ3为-1.2～-0.9％；所述的辅空包层直径与纤芯直径的比值D2/D1为1.1～1.3，所述的掺氟玻璃外包层直径与纤芯直径的比值D3/D1为1.2～1.5。
2.按权利要求1所述的大芯径石英传能光纤，其特征在于所述的辅空包层由一圈紧密排列且与辅空包层外周内切的小孔构成，小孔的直径等于或小于辅空包层的单边厚度；或者辅空包层为含有不规则空气孔所形成的环形区域。
3.按权利要求2所述的大芯径石英传能光纤，其特征在于所述的辅空包层中空气孔的占空比的范围是20％～99％。
4.按权利要求1或2所述的大芯径石英传能光纤，其特征在于所述的外包层外涂覆有涂料保护层，所述的涂料保护层从内向外依次包括内涂覆层和外涂覆层。
5.按权利要求4所述的大芯径石英传能光纤，其特征在于所述的内涂覆层直径D4为260～1250μm，所述的外涂覆层直径D5为300～1400μm。
6.按权利要求5所述的大芯径石英传能光纤，其特征在于所述的内涂覆层直径D4与掺氟玻璃外包层直径D3的差值D4-D3为20～50μm，内涂覆层的杨氏模量为1～300Mpa；所述的外涂覆层直径D5与内涂覆层直径D4的差值为40～150μm，外涂覆层的杨氏模量为500～2000MPa。
7.按权利要求5或6所述的大芯径石英传能光纤，其特征在于所述内、外涂覆层的涂料为紫外固化树脂，或热固化硅橡胶，或热固化聚酰亚胺。
8.按权利要求5或6所述的大芯径石英传能光纤，其特征在于所述的涂料保护层耐受温度为100℃～300℃。
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