CN107429420A - 用于使用激光加热基座生长来生产薄晶光纤的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示用于经由光学加热来生长薄晶光纤的设备及方法。所述设备可包含且所述方法可采用：光能源，其用于加热源材料以形成熔化源材料的熔融区；上光纤导轨，其用于沿着经界定平移轴将生长晶体光纤拉离所述熔融区；及下馈送导轨，其用于沿着经界定平移轴将额外源材料推向所述熔融区。对于某些此类设备及采用所述设备的所述方法，所述下馈送导轨的平移轴及上光纤导轨的平移轴大体上竖直且轴向对准，以在一些情况下在约5μm的水平容限内将所述源材料水平定位在从所述光能源发射的光能路径中。

Description

用于使用激光加热基座生长来生产薄晶光纤的设备及方法
相关申请案的交叉参考
本公开主张2015年3月25日申请的标题为“用于使用激光加热基座生长来生产薄晶光纤的设备及方法(APPARATUSES AND METHODS FOR PRODUCING THIN CRYSTAL FIBERSUSING LASER HEATING PEDESTAL GROWTH)”的美国临时专利申请案第62/138,301号(代理人档案编号第SCRSP001PUS号)的优先权，所述案以引用的方式并入本文中。
背景技术
光纤激光器优于其传统对应物，这归因于光纤激光器实施极长激光增益介质(且由此产生极高功率激光辐射)的能力，其相当于极紧凑几何形状。图1示意性地说明如沿着光纤的中心轴查看的简单光纤激光设计的横截面。所述图展示基础光纤100由经掺杂激光材料的芯110构成，所述芯110被外覆层120围绕，所述外覆层120充当波导且还提供设定光学谐振器所必需的反射。在常规光纤激光器中，激光光纤的芯110由经掺杂玻璃制成；然而，玻璃材料的使用损及常相关联于如通常在普通(非光纤)激光设计中采用的结晶激光增益介质的使用的诸多优势。
发明内容
本文中揭示用于经由光学加热来生长薄晶光纤的设备。所述设备可包含：光能源，其用于加热源材料以形成熔化源材料的熔融区；上光纤导轨，其用于沿着经界定平移轴将生长晶体光纤拉离所述熔融区(由此还将与所述晶体光纤连接的未结晶熔化源材料撤离所述熔融区，使得熔化源材料可冷却、结晶且添加到所述生长晶体光纤)；及下馈送导轨，其用于沿着经界定平移轴将额外源材料推向所述熔融区。在某些此类实施例中，所述下馈送导轨的平移轴经对准，以将所述源材料水平定位在从所述光能源发射的光能路径中。在某些此类实施例中，所述上光纤导轨的平移轴经对准，以将所述源材料水平定位在从所述光能源发射的光能路径中。在某些此类实施例中，所述下馈送导轨的平移轴及上光纤导轨的平移轴大体上竖直且轴向对准，以将所述源材料水平定位在从所述光能源发射的光能路径中。在一些实施例中，所述上光纤导轨经配置以按一定平移速率将所述晶体光纤拉离所述熔融区，所述平移速率大于所述下馈送导轨经配置以将所述源材料推向所述熔融区的平移速率。
在一些实施例中，所述设备可进一步包含直径控制反馈系统。所述直径控制反馈系统可包含：光纤直径测量模块，其经配置以测量所述生长晶体光纤的直径；及控制器，其经配置以响应于从所述光纤直径测量系统接收的信号而调整所述下馈送导轨推动所述源材料的所述平移速率，以使所述生长晶体光纤的所述直径保持近似恒定。在某些此类实施例中，所述光纤直径测量模块包含：探测激光器，其经配置以使用激光辐射照射所述生长晶体光纤；及光检测器，其经配置以测量通过所述激光辐射与所述生长晶体光纤的相互作用产生的一或多个干涉条纹。
取决于实施例，所述下馈送导轨可包含：下导管，其具有界定所述下馈送导轨将源材料推向所述熔融区所沿着的所述平移轴的内部；导块，其具有沟槽；及馈送带。取决于实施例，所述上光纤导轨可具有界定所述上光纤导轨将所述生长晶体光纤拉离所述熔融区所沿着的所述平移轴的内部，且所述上光纤导轨可包含一对导引衬垫，所述对导引衬垫经配置以从两侧施加水平压力于所述晶体光纤上，以在所述晶体光纤被拉离所述熔融区时进一步稳定所述晶体光纤的水平位置，且所述上光纤导轨可进一步包含卷筒，所述卷筒经配置以通过旋转来拉动所述晶体光纤穿过所述对导引衬垫且拉离所述熔融区。
本文中还揭示用于经由光学加热来生长薄晶光纤的方法。所述方法可包含：使用光能加热源材料以形成熔化源材料的熔融区；沿着由光纤导轨界定的平移轴将生长晶体光纤拉离所述熔融区(由此还将与所述晶体光纤连接的未结晶熔化源材料撤离所述熔融区，使得所述熔化源材料可冷却、结晶且添加到所述生长晶体光纤)；及沿着由馈送导轨界定的平移轴将额外源材料推向所述熔融区。在某些此类实施例中，由所述馈送导轨界定的所述平移轴及由所述光纤导轨界定的所述平移轴大体上竖直且轴向对准，以在约5μm的水平容限内将所述源材料水平定位在光能路径中。
在一些实施例方法中，按比所述源材料被推向所述熔融区的平移速率大的平移速率将所述晶体光纤拉离所述熔融区，且在某些此类实施例中，所述晶体光纤被拉动的所述平移速率介于所述源材料被推动的所述平移速率的2倍与25倍之间。在一些实施例中，所述薄晶光纤生长方法可进一步包含测量所述生长晶体光纤的直径，及调整所述下馈送导轨推动所述源材料的所述平移速率，以使所述生长晶体光纤的所述直径保持近似恒定。一些实施例方法可进一步包含在所述晶体光纤生长时在其长度的一定部分内按介于拉制晶体光纤的每cm约0.1％与10％之间的速率来改变平移拉动对比平移推动的比率。
在一些实施例方法中，被推向所述熔融区的所述源材料是多晶材料棒，例如经掺杂多晶YAG，而在一些实施例方法中，被推向所述熔融区的所述源材料是在光学加热的先前操作中生长的晶体光纤，且所述生长晶体光纤的直径小于所述源晶体光纤的直径达介于约1.5与5之间的倍数。
在一些实施例中，使用前述方法及/或设备生产的所述晶体光纤可具有40μm或更小的直径及30cm或更大的长度，且在某些实施例中，所述晶体光纤可由经掺杂结晶YAG组成。
附图说明
图1是沿着激光光纤的轴的横截面图，所述激光光纤具有被外覆层围绕的经掺杂激光材料的芯。
图2是符合本文中揭示的各种实施例的激光加热基座生长(LHPG)光纤晶体生产设备的总体示意图。
图3A是LHPG过程的起始阶段的示意图。
图3B是LHPG过程的连续光纤生长阶段的示意图。
图4是符合本文中揭示的各种实施例的光纤晶体生产设备的下馈送导轨组件的特写示意图。
图5是符合本文中揭示的各种实施例的光纤晶体生产设备的上光纤导轨组件的特写示意图。
图6是符合本文中揭示的各种实施例的光纤晶体生产设备的光能源组件的特写示意图。
图7是使用闭环直径控制反馈系统生长的晶体光纤对比未使用直径控制反馈系统生长的晶体光纤的直径的纵向变动的比较曲线图。
具体实施方式
在下文描述中，阐述众多具体细节以提供本发明的透彻理解。然而，可在没有一些或所有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它例项中，并未详细描述熟知过程操作或硬件，以免不必要地模糊本作品的发明方面。虽然将结合具体的详细实施例描述本发明，但应理解，这些具体的详细实施例并非意图限制本文中揭示的发明概念的范围。
引言
单晶光纤可被视为介于激光晶体与经掺杂玻璃光纤之间的中间体。在一些实施例中，单晶光纤可拥有用作用于激光的高效波导并且匹配通常在块状晶体中所见的效率的能力。此组合使单晶光纤成为高功率激光及光纤激光应用的候选。因此，虽然常规光纤激光设计中的芯激光材料(参见图6A)确实由经掺杂玻璃制成，但本文中揭示薄、经掺杂单晶光纤及用于生产此类薄晶光纤的基于LHPG的方法(及设备)，所述薄晶光纤适于用作光纤激光应用中的芯激光材料。
例如，钇铝石榴石(YAG，Y3Al5O12)的单晶光纤提供电势路径到具有较高输出功率的光纤激光。与非晶硅玻璃光纤相比，单晶YAG光纤提供较高导热性、较高受激布里渊(Brillouin)散射阈值、较高熔化温度及较高掺杂浓度以及极佳环境稳定性。表1比较非晶硅玻璃光纤与单晶YAG光纤的热、物理及光学性质。
表1
LHPG设备及方法
本文中揭示各种光纤晶体生产设备及相关联方法，其采用激光加热基座生长(LHPG)技术来生产各种材料的薄晶光纤。对于有关技术在其最初被提出时的细节，参见(例如)M.M.费耶尔(M.M.Fejer)、J.L.奈廷格尔(J.L.Nightingale)、G.A.梅其尔(G.A.Magel)及R.L.拜尔(R.L.Byer)的“用于单晶光纤的激光加热微型基座生长设备(Laser-HeatedMiniature Pedestal Growth Apparatus for Single-Crystal Optical Fibers)”，“科学仪器评论(Rev.Sci.Instrum.)”55,1791-17(1984)，其全文出于所有目的以引用方式并入本文。传统上，通过此类方法生产的晶体光纤已限于具有约100μm或更大的数量级的直径。本文中揭示能够生产具有约100μm或更小(或甚至约90μm或80μm或70μm或60μm或50μm或40μm或30μm或更小，这取决于实施例)的直径的薄晶光纤的改进LHPG设备及相关联方法。此外，(通过这些设备及相关联方法生产的)这些薄晶光纤可具有约20μm或更大(或甚至约30cm或40cm或50cm或60cm或70cm或80cm或90cm或100cm或更大，这取决于实施例)的长度。如所陈述，此类薄晶光纤可用于各种应用，举例来说例如，用作光纤激光器中的波导芯(如在图1中展示)。
图2显示符合本文中描述的各种实施例的此类LHPG光纤晶体生产设备的总体示意图。如在图中展示，设备200包括下馈送导轨400、上光纤导轨500及光能源600，所述光能源600包含激光源610(例如，10.6μm波长的红外线CO2激光，通常具有介于约1W与100W之间的功率)及各种光学组件620等以用于将激光发射从其源610导引到经由光学加热形成晶体光纤所在的区域。还如在图中展示，此光学加热及晶体形成区域被称为熔融区310且所述区域定位在下馈送导轨400与上光纤导轨500之间—在此实施例中，刚好在下馈送导轨的稍微竖直上方。
在生长薄晶光纤的操作中，设备200通过将源材料光纤或棒340(后文中仅被称为源材料)从下方(参见下馈送导轨400的所显示细节)馈送到图1A中被称为熔融区310的空间区域中而操作。源材料340可为未加工多晶原材料的经压制及/或经烧结及/或经切割粒或棒，或其可为在先前LHPG操作中生长的晶体光纤—此处其再次经处理以使晶体光纤更薄，或经由另一回合的熔化及结晶而改进其晶体结构，或通常达成这两个目标。在前者情况下，例如，源材料可为约1英寸长且1平方毫米的经掺杂多晶YAG原料。对于此类源材料，可在介于约10W与15W之间的功率水平下操作CO2激光器，但应理解，进料的不同厚度可能需要更大或更小功率以使充分加热发生，且此外，先前生长的光纤上的后续光纤生长操作(由于更薄)通常将需要对应更小激光功率。(例如，在用于循序减小光纤直径的一系列LHPG操作中，最终减小可需要小于1瓦特的功率。)
一旦在熔融区内，便使用来自源600的光能加热源材料340直到源材料340被融化为熔融状态的程度为止。接着，将熔融材料上拉且从熔融区撤出，借此熔融材料冷却、结晶且添加到生长晶体光纤350。一般来说，此过程连续发生—即，通过使用下馈送导轨400从下方(朝向熔融区)推动源材料340同时通过上光纤导轨500从上方将生长薄晶光纤350拉出且拉离熔融区而使源材料340以连续方式移动到熔融区310中。
然而，在可从熔化物连续拉制晶体光纤之前，必须起始LHPG过程。如图3A中说明，这通过将源材料340(例如，未加工多晶棒或粒，由先前LHPG操作形成的晶体光纤等)定位在激光束370的路径中而完成，所述激光束370向下聚焦在此材料的尖端上以熔化所述材料从而形成熔化物345，且因此形成前述熔融区310。如图3A中进一步展示，接着将晶种360放低到熔化物345中—例如，通过将所述晶种附接到绳且机械地放低所述晶种—且当晶种360随后从熔化物撤出/拉出时(如图3B中展示)，黏合/连接到晶种360的熔化源材料从聚焦激光附近移除，借此晶种360可开始冷却且结晶以形成晶体光纤350。晶体光纤可接着在其从熔化物345拉制时继续生长，只要从下方为熔融区充分馈送如刚才描述的充分额外源材料。应注意，通过在晶种360被放低到熔化物345中及从熔化物345撤出/拉出时选择晶种360的定向，可生产具有与晶种360大体上相同的晶体定向的晶体光纤350。还应注意，图3A及3B中的激光束370是以示意性横截面描绘，因此尽管在图中出现两个箭头以指示激光传播到熔化物中的方向，但应理解，这两个箭头可表示两个激光束，或其可更优选地表示单一锥形光束的横截面，例如将通过图2中展示的所述光学元件(下文参考图6详细描述)—具体来说，反射锥面镜(reflaxicon)650、椭圆形转向镜660及拋物线聚焦镜670产生的单一锥形光束。
虽然前述基于LHPG的技术可用来将多晶源材料转换成晶体光纤(例如，单晶光纤)，但所述过程还可运作以达成光纤的直径相对于源材料的直径减小(或如果如下文指示将先前生长的晶体光纤用作源材料，那么达成进一步直径减小)。如图3B中说明，这可通过使(通过上光纤导轨500)从上方将晶体光纤350拉离熔融区310的平移速率395大于(通过下馈送导轨400)从下方将未加工源材料340推向熔融区的平移速率390而完成。概念上，这类似于熔融源材料在其冷却及结晶以形成晶体光纤时被拉伸或拉制。因此，离开熔融区的晶体光纤的直径一般小于进入熔融区的源材料的直径达一定直径减小倍数。取决于实施例，光纤直径可减小达介于约1.5与5之间的倍数，或更特定来说，介于约2与4之间的倍数，或又更特定来说，介于约2与3之间的倍数。对应地，上光纤导轨经配置以从上方拉动晶体光纤的平移速率可介于下馈送导轨经配置以从下方推动源材料的平移速率的约2倍与25倍之间，或更特定来说，介于约4倍与16倍之间，或又更特定来说，介于约4倍与9倍之间。
应注意，在实践中，“恒定”厚度的光纤沿着其长度仍将展现一定直径变化。因此，出于本发明的目的，光纤的直径或厚度在此被定义为在光纤长度的一部分内求平均值的其径向平均厚度(例如，光纤可为略微椭圆形)。一般来说且除非另外指示，被求平均值的光纤长度的所述部分是经由LHPG过程生产的已稳定的光纤的区域。此外，除非另外指示，被求平均值的此长度被假定为2cm。使用这些定义，恒定直径光纤是其平均厚度在据称具有恒定直径的光纤长度的部分内偏差约2％或更小的光纤。
此外，可对相同物理材料循序重复前述过程以形成逐渐更窄直径的光纤及(在一些实施例中)逐渐更高质量(更均匀)的晶体结构。因此，例如，如果直径减小倍数是约3，那么为了达到从1mm YAG源馈送棒开始的次100μm光纤，可执行3阶段直径减小过程，例如：从约1000μm下至约350μm的第一阶段；从约350μm到约120μm的第二阶段；及最后实现从约120μm到约40μm的直径减小的第三阶段。应注意，可使用单一LHPG设备通过将来自先前阶段的已形成晶体光纤重新馈送回设备中以用作用于下一阶段的源材料而循序进行这些阶段，或可经由具有多个LHPG工作台的设备执行连续直径减小，每一LHPG工作台个别地专用于完整直径减小过程的特定阶段。
取决于实施例，晶体光纤可在此类过程中生长的速率通常是(例如)对于500μm到1000μm直径晶体的生长介于约1mm/min与2mm/min之间，且(例如)对于30μm到120μm直径晶体(开始于适当直径的源材料)的生长介于约3mm/min与5mm/min之间。取决于实施例，光纤可以此方式生长到介于约10cm到90cm之间的长度。晶体光纤在其直径减小时变得更柔性，其中约100μm直径的光纤具有约1cm的弯曲半径，且更薄光纤具有对应更紧密的弯曲半径。因此，前述基于LHPG的技术可用来生长长、柔性晶体光纤。此外，应注意，可在环境温度及压力条件下执行前述技术以生产此类光纤。
除设置从上方拉动晶体光纤对比从下方推动源材料的相对平移速率以实现直径减小以外，在特定实施例中，在晶体光纤形成过程期间调整推动及拉动的相对平移速率是可行的。这可作为闭环直径控制反馈系统的部分而完成，所述闭环直径控制反馈系统经设计以确保所生产的光纤具有在大体上其整个长度内(或在其长度的特定部分内)的持续均匀直径。此闭环直径控制反馈系统可通过在生产光纤时测量光纤的直径且因此自动进行过程调整而操作—下文提供进一步细节。
在其它实施例中，可完成调整相对拉动/推动平移速率，以有意地改变所生产的晶体光纤的直径以达成适合于晶体光纤在特定应用中使用的一定预定径向轮廓。例如，在一些应用中，生产具有径向扩口端或使每一端径向扩口的光纤或沿着其长度的一定部分具有恒定渐缩直径的光纤可为有利的。原则上，可通过调整推动速率、调整拉动速率或调整两者而完成控制相对拉动及推动速率。在实践中，已发现在使拉动速率保持恒定时仅调整推动速率是有效的(两者都是为了经由闭环直径控制反馈系统生产恒定直径晶体光纤，且在其中期望产生具有一定预定轮廓的可变直径晶体光纤的情况下也是一样)。
除生产具有扩口端(及/或使每一端扩口及/或具有恒定渐缩区域)的光纤以外，一般来说，可使用任何适当功能(结合此技术)来界定(且产生)沿着光纤长度(或沿着光纤长度的一定部分)的所期望直径变动。如上文陈述，为了从较厚源原料生产薄光纤，通过按比光纤被推到熔融区中的平移速率大的平移速率将光纤从熔融区拉出而拉制光纤。因此，为了在生产光纤时改变其直径以达成沿着其长度的某些直径变动，可在拉制光纤时对应地调整平移拉动对比平移推动的比率。在此比率改变时，将产生光纤直径的对应变动；同样地，一旦再次使所述比率保持固定，将再次产生沿着其长度具有恒定直径的光纤直径的对应部分(尽管直径可能是不同于最初生产的直径；即，在拉/推比率不同于最初使用的比率的情况下)。取决于实施例，可按拉制光纤的每单位长度调整/改变/变更拉/推比率以达成拉制光纤中的特定直径变动(渐缩)的速率可介于拉制光纤的每cm约0.1％与75％之间，或更特定来说，介于拉制光纤的每cm约0.1％与50％之间，或又更特定来说，介于拉制光纤的每cm约0.1％与25％之间，或甚至仅介于拉制光纤的每cm约0.1％与10％之间。应认识到，光纤直径将相对于拉/推比率的变动(按每单位长度)的平方根大致相反地改变(按每单位长度)。取决于实施例，光纤的一定部分内的每单位长度的直径变动可介于拉制光纤的每cm约0.1％与10％之间，或更特定来说，介于拉制光纤的每cm约1％与5％之间。
如图2中展示，用于(经由激光加热基座生长(LHPG)技术)生长薄晶光纤(例如刚才描述的薄晶光纤)的设备可包含：光能源600，其用于加热源材料以形成熔化源材料的熔融区；上光纤导轨500，其用于将生长晶体光纤拉离熔融区；及下光纤导轨400，其用于将额外源材料推向熔融区。通过将生长晶体拉离熔融区，上光纤导轨300还将与晶体光纤连接的未结晶熔化源材料从熔化物撤出(且撤离熔融区)，使得撤出的熔化源材料可冷却、结晶且添加到生长晶体光纤(如图1C中的其初始阶段中展示)。
然而，为了实现前述精密晶体生长过程，重要的是晶体生长设备能够将经结晶材料精确定位在从光能源发射的光能路径内。为此，下馈送导轨400经配置以精确界定源材料被推向熔融区所沿的平移轴，且同样地，上光纤导轨500经配置以精确界定生长晶体光纤被拉离熔融区所沿的类似平移轴。晶体生长设备接着作为整体经配置使得这两个平移轴彼此轴向对准，且通常还大体上竖直(如图2中展示)，使得源材料及生长晶体光纤以及熔融区内的熔化部分都竖直对准且精确地水平定位在光能路径中。在一些实施例中，下馈送导轨400及上光纤导轨500经配置使得其在约25μm的水平容限内，或更特定来说，在约10μm的水平容限内，或又更特定来说，在约5μm的水平容限内，或甚至在仅约2μm的水平容限内，将源材料水平定位在(从光能源600发射的)光能路径中。
图4中展示下馈送导轨的一个实施例的详细示意图，所述下馈送导轨经配置以具有用于将源材料推向熔融区的经精确界定平移轴。如图中展示，下馈送导轨400可包含下导管410及馈送带440，所述馈送带440在其前进时，向上推动未加工源光纤或棒340穿过下导管410且推向熔融区。在此特定实施例中，下导管410由导管安装座420支撑，所述导管安装座420本身附接到安装座结构450。如图中展示，安装座结构450还具有支撑铁氟龙(Teflon)导块430的功能(但应理解，可用其它适当低摩擦材料替代，例如，迭尔林(Delrin))，所述导块430在未加工源材料被向上推向熔融区时对未加工源材料提供额外支撑。
取决于实施例，导块430可具有形成在其中的沟槽(从图4的视角未展示)，未加工源在其被馈送带440抵推时驻存在所述沟槽内。因此，未加工源材料夹置在馈送带440与导块430中的沟槽(例如，铁氟龙沟槽)之间，使得当馈送带前进时，未加工源材料被抵推且向上穿过导块中的沟槽，及被推到下导管410的内部中且穿过下导管410的内部。此类设计提供未加工源材料到熔融区中的平滑移动，如图2中展示。此外，下导管410在未加工源离开光纤馈送导轨400时为未加工源定向，且因此下导管的内部界定在源材料被推向熔融区时对准源材料的平移轴。下导管410可具有仅略大于未加工源材料的直径的内径，使得下导管能够在未加工源材料被推向熔融区时精确地水平定位未加工源材料，且将未加工源材料精确地水平定位在从光能源600发射的光能路径中。因此，在一些实施例中，下导管410的内径可经选择以大于所处理未加工源材料的直径约15％或更少，或更特定来说，约10％或更少，或又更特定来说，约5％或更少。类似地，导块430中的沟槽的半径可经选择以大于所处理未加工源材料的半径约15％或更少，或更特定来说，约10％或更少，或又更特定来说，约5％或更少。因此，为了生产合适薄晶光纤(例如，在最终直径减小步骤中)，下导管410的内径可经选择以具有约250μm或更小的内径，或约200μm或更小的内径，或约150μm或更小的内径，或又更特定来说，约100μm或更小的内径。
如上文陈述，为使得晶体光纤的直径减小，一般使用上光纤导轨500按比使用下馈送导轨400从下方推动光纤的平移速率大的平移速率从上方拉动光纤。图5中展示上光纤导轨的一个实施例的详细示意图，所述上光纤导轨经配置以具有用于将生长晶体光纤拉离熔融区的经精确界定平移轴。如图中展示，上光纤导轨500包含框架550，所述框架550支撑上导管510、一对导引衬垫520及卷筒530。
上光纤导轨500(包含上导管510)可用作下导管410的相反作用，即，上光纤导轨界定晶体光纤被拉离熔融区所沿的平移轴。因此，上光纤导轨500在光纤被向上拉动时在水平维度上精确定位且稳定所述光纤，然而，由于离开熔融区的单晶光纤一般比进入熔融区的晶体光纤或未加工多晶源材料薄，所以在一些实施例中，上导管510一般可具有相对于下导管410的内径成比例更小的内径。例如，取决于实施例，上导管510的内径可经选择以具有约100μm或更小的内径，或更特定来说，约75μm或更小的内径，或甚至仅约50μm或更小的内径。因此，取决于实施例，上导管510的内径可经选择以大于离开熔融区的晶体光纤的直径约10％或更少，或更特定来说，约5％或更少，或又更特定来说，约2％或更少。然而，在一些实施例中，上导管510可具有比下导管大体上更大的内径(例如高达1mm的直径)，且因此上光纤导轨的其它组件可为生长晶体光纤提供额外水平稳定性。
例如，可通过上光纤导轨500的一组导引衬垫(例如一对导引衬垫520)提供在通过上光纤导轨500向上拉动晶体光纤时的额外水平稳定性。导引衬垫520可为可压缩的及/或弹性的，且经配置以施加轻微水平力/压力于晶体光纤上，以在水平维度上定位光纤及/或在光纤被拉离熔融区时进一步稳定光纤的水平位置。因此，导引衬垫520可施加轻微力/压力到光纤以精确定位所述光纤，但并非如此多压力以形成大量摩擦力，所述摩擦力将在光纤被向上拉动时阻碍光纤的竖直运动。为了达成这些考虑之间的正确平衡，导引衬垫可由泡沫或其它合适可压缩材料制成，且涂覆有光滑低摩擦材料(例如聚合物材料的薄层)，及在光纤被拉动时还不会大体上黏合到光纤的材料。在一些实施例中，可通过导引衬垫定向装置调整通过导引衬垫施加到光纤的压力，所述导引衬垫定向装置可使一个衬垫朝向另一衬垫水平平移或使两个衬垫朝向彼此平移。定向装置可采用螺钉、弹簧承载或一些其它合适压力产生机构以达成前述目的。
在图5中示意性地说明的实施例中，通过卷筒530的旋转来产生实际拉力，所述卷筒530经配置以通过旋转来拉动晶体光纤350穿过导引衬垫520且将晶体光纤350拉离熔融区。如图中展示，卷筒530经定位使得正切于其表面的竖直向量—即，在晶体光纤350被卷绕时首先接触晶体光纤350的筒上点处正切的竖直向量—与上光纤导轨510竖直对准(再次，如图中展示)。如陈述，卷筒提供竖直拉力，且对于足够薄且柔性光纤，其还可使所述光纤卷绕/缠绕其主体以用于处理期间的紧凑光纤存储。在其它情况下—其中光纤350并非足够薄及柔性—光纤的端部可附接(通过一些机制，例如，胶合)到另一薄柔性材料(例如，线及/或绳等，图5中未展示)，接着通过卷筒直接拉动另一薄柔性材料且使所述另一薄柔性材料卷绕/缠绕所述卷筒—以在光纤形成时在光纤上提供竖直拉力但并不损坏光纤(通过迫使其弯曲成卷筒的圆周)。
虽然下馈送导轨400及上光纤导轨500将生长晶体光纤精确地水平定位在LHPG设备内，但在LHPG操作中具有稳定且均匀光能源以用于加热且熔化熔融区310内的源材料也是重要的。如图6中详述，在一些实施例中，光能源600可包含激光源610、各种平面转向镜621及622、衰减器630、光束扩展器640、反射锥面镜650、椭圆形转向镜660、及拋物线聚焦镜670。图6中示意性地指示(如还在图2中缩小比例展示)从激光源610穿过这些各种光学组件且最终到熔融区310的光学路径。
如图6中展示，相干光束离开激光源610，通过转向镜621及622引导穿过衰减器630以将光束的强度减小到合适水平，且接着进入光束扩展器640中。因此在已被初步径向扩展的情况下，增大直径的光束接着冲击反射锥面镜650，所述反射锥面镜650进一步径向扩展光束但在中心留下间隙—即，所述反射锥面镜650形成仍沿着其传播轴轴向对称的环状光束。应注意，图6中描绘反射锥面镜650的横截面图，且因此其示意性地表现为三个解体件，但当然应理解，反射锥面镜650是具有两个环形且同心反射表面的光学装置，所述反射表面运作以产生刚才描述的扩展环状光束。此时，环状光束仍水平传播，但沿着光学路径的下一元件是椭圆形转向镜660(再次在横截面中展示，但应理解，其表示一个反射表面)，所述椭圆形转向镜660重新引导水平环状光束竖直传播，其中现在竖直的环状光束的中心轴与上及下导轨与生长晶体光纤的轴大致对准。因此，此时，光束平行于光纤依围绕光纤的环传播，但未与光纤接触。拋物线聚焦镜670(在图6中再次以横截面展示为两个件，但此描绘应被理解为表示单一环状反射表面)使光束向下对称地聚焦在熔融区310上，以形成大致均匀光学辐射强度及充分光学辐射强度的空间区域，从而引起光纤晶体源材料(无论其是未加工多晶源材料或是在先前操作(例如，先前LHPG操作)中形成的晶体光纤材料)加热及熔化。
如上文指示，所揭示晶体光纤生长设备(及相关联方法)可采用闭环直径控制反馈电路/系统，所述闭环直径控制反馈电路/系统通过在生产晶体光纤时大体上连续测量(及/或按特定离散间隔测量)晶体光纤的直径且因此自动进行过程调整以使生长晶体光纤的直径保持近似恒定/均匀而操作。因此，再次参考图4，在一些实施例中，闭环直径控制反馈系统可包含：光纤直径测量模块460，其经配置以测量生长晶体光纤350的直径；及控制器470，其经配置以响应于从光纤直径测量模块460接收的信号而调整下馈送导轨400推动源材料340的平移速率(如图中通过连接测量模块460与控制器470的信号线461来示意性地指示)。应注意，出于确定适当调整源材料340被下馈送导轨400推动的速率的目的而测量直径的是生长晶体光纤350(参见图4中的Z字形线，其示意性地指示被下馈送导轨400推动的源材料340与已在光学加热操作后结晶的生长晶体光纤350之间的中断)。在此特定实施例中，控制器470发送信号到馈送带440以调整源材料被推动的平移速率(如图4中通过连接两者的信号线471指示)。
虽然原则上可采用用于测量光纤直径的任何技术，但已发现尤其有效的是，在使用激光辐射照射/撞击时监测生长晶体光纤的衍射图案，以在生产特定光纤段时确定特定光纤段的近似直径。因此，如图4中展示，在一些实施例中，光纤直径测量模块460可包含探测激光器462(例如，红色He-Ne激光器)及光检测器464(例如，CCD线相机及可能的数据处理单元)，其中探测激光器经配置以使用激光辐射463照射生长晶体光纤350，且光检测器464经配置以测量通过所述激光辐射463与生长晶体光纤的相互作用产生的一或多个干涉条纹(或一系列干涉条纹)。相关联于直径控制反馈系统的数据分析软件(或硬件，这取决于实施例)(所述数据分析软件可物理地驻存于光纤直径测量模块、反馈系统的控制器内或其它地方内，这取决于实施例)接着解译所测量干涉条纹，且经由评估使光纤的直径相关于其干涉图案的各种公式而根据所测量干涉条计算近似光纤直径，如在L.S.沃特金(L.S.Watkins)的“从侧入射包层玻璃光纤散射用于确定光纤参数(Scattering from side-illuminatedclad glass fibers for determination of fiber parameters)”，“美国光学会志(Journal of the Optical Society of America)”64,767(1974)；及M.M.费耶尔(M.M.Fejer)、G.A.梅其尔(G.A.Magel)及R.L.拜尔(R.L.Byer)的“高速高分辨率光纤直径变动测量系统(High-speed high-resolution fiber diameter variation measurementsystem)”，“应用光学(Applied Optics)”24,2362(1985)中详细描述；所述案的每一者的全文出于所有目的以引用方式并入本文。在一些例项中，一系列干涉条纹中的峰之间的距离及/或峰的数目可用来估计光纤直径，或所述系列条纹中的峰随时间的移位可经监测以计量晶体光纤的直径的改变，或前述内容的某个组合(或甚至前述度量的任一个结合用于测量光纤直径的其它可能技术的某个组合)。
一旦经确定，便可通过反馈系统的控制软件(或硬件，这取决于实施例)使用近似光纤直径以调整馈送速率(例如，由如本文中详述的下馈送导轨400采用的推动速率)，以适当补偿光纤直径的任何计算改变/波动。再者，虽然原则上由上光纤导轨500采用的拉动速率(如本文中详述)也可用来补偿直径波动(或拉动速率结合推动速率)，但在实践中，已发现仅调整推动速率是更有效的。
图7显示使用前述闭环直径控制反馈电路生长的晶体光纤对比在开环模式中(即，在直径控制反馈系统脱离的情况下)生长的晶体光纤的直径的纵向变动的比较。经观察，在开环模式中，直径波动按总光纤直径的约7％的数量级发生—一般来说，源材料的直径的改变及/或激光功率的波动及/或潜在地其它环境因子的结果。相比之下，在闭环直径控制反馈电路接合的情况下，尽管存在这些不可避免的改变条件，但直径波动被减小到约1％。还应注意，在一些实施例中，可通过可变控制电路比例增益设置来预设在光纤生长期间允许干涉控制软件的程度。比例增益设置确定控制电路响应于所检测改变的敏感程度(采用校正因子的大小)。还可使用可调整maxV参数定制此控制电路，所述maxV参数用作允许控制电路按给定时间间隔改变推动速率(或在一些实施例中，拉动速率，或推动及拉动速率两者)的实际量的上限，前提是控制电路确定适合如此做。对于图7中展示的曲线图，闭环直径控制结果对应于已在比例增益设置为10且maxV设置为20％的情况下生长的光纤。
其它实施例
尽管已出于促进简明及理解的目的在特定实施例的上下文内详细描述前文揭示的技术、操作、过程、方法、系统、设备、工具、薄膜、化学物及成分，但将对所属领域的一般技术人员显而易见的是，在本发明的精神及范围内存在实施前述实施例的诸多替代方式。因此，本文中描述的实施例应被视为说明而非限制所揭示发明概念，且不应用作用于过度限制最终涉及本发明的主旨的任何权利要求书的范围的不许可基础。

Claims (29)

1.一种用于经由光学加热来生长薄晶光纤的设备，所述设备包括：
光能源，其用于加热源材料以形成熔化源材料的熔融区；
上光纤导轨，其用于沿着经界定平移轴将生长晶体光纤拉离所述熔融区，且由此还将与所述晶体光纤连接的未结晶熔化源材料撤离所述熔融区，使得熔化源材料可冷却、结晶且添加到所述生长晶体光纤；及
下馈送导轨，其用于沿着经界定平移轴将额外源材料推向所述熔融区；
其中所述下馈送导轨的平移轴及上光纤导轨的平移轴大体上竖直且轴向对准，以将所述源材料水平定位在从所述光能源发射的光能路径中。
2.根据权利要求1所述的设备，其中在约5μm的水平容限内将所述源材料水平定位在所述光能路径中。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述上光纤导轨经配置以按一定平移速率将所述晶体光纤拉离所述熔融区，所述平移速率大于所述下馈送导轨经配置以将所述源材料推向所述熔融区的平移速率。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述上光纤导轨经配置以拉动所述晶体光纤的所述平移速率介于所述下馈送导轨经配置以推动所述源材料的所述平移速率的约4倍与9倍之间。
5.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：
直径控制反馈系统，其包括：
光纤直径测量模块，其经配置以测量所述生长晶体光纤的直径；及
控制器，其经配置以响应于从所述光纤直径测量系统接收的信号而调整所述下馈送导轨推动所述源材料的所述平移速率，以使所述生长晶体光纤的所述直径保持近似恒定。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述光纤直径测量模块包括：
探测激光器，其经配置以使用激光辐射照射所述生长晶体光纤；及
光检测器，其经配置以测量通过所述激光辐射与所述生长晶体光纤的相互作用产生的一或多个干涉条纹。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述下馈送导轨包括：
下导管，其具有界定所述下馈送导轨将源材料推向所述熔融区所沿着的所述平移轴的内部。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述下导管具有约150μm或更小的内径。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述下馈送导轨进一步包括：
导块，其具有沟槽；及
馈送带；
其中所述下馈送导轨经配置以通过使所述馈送带前进而将源材料推向所述熔融区，所述馈送带使所述源材料抵靠所述导块中的所述沟槽移动且进入及穿过所述下导管的所述内部。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述导块包括铁氟龙。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述上光纤导轨包括：
上导管，其具有界定所述上光纤导轨将所述生长晶体光纤拉离所述熔融区所沿着的所述平移轴的内部。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述上导管具有约1mm或更小的内径。
13.根据权利要求11所述的设备，其中所述上光纤导轨进一步包括：
一对导引衬垫，其经配置以从两侧施加水平压力于所述晶体光纤上，以在所述晶体光纤被拉离所述熔融区时进一步稳定所述晶体光纤的水平位置；及
卷筒，其经配置以通过旋转来拉动所述晶体光纤穿过所述对导引衬垫且拉离所述熔融区。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述导引衬垫包括涂覆有光滑材料的可压缩材料。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述可压缩材料是泡沫，且所述光滑材料是聚合物材料的薄层。
16.根据权利要求13所述的设备，其中所述卷筒经配置以通过使所述光纤缠绕所述筒的主体而拉动所述晶体光纤。
17.根据权利要求13所述的设备，其中所述卷筒经配置以通过使附接到所述晶体光纤的线缠绕所述筒的所述主体而拉动所述晶体光纤。
18.一种用于经由光学加热来生长薄晶光纤的方法，所述方法包括：
使用光能加热源材料以形成熔化源材料的熔融区；
沿着由光纤导轨界定的平移轴将生长晶体光纤拉离所述熔融区，由此还将与所述晶体光纤连接的未结晶熔化源材料撤离所述熔融区，使得所述熔化源材料可冷却、结晶且添加到所述生长晶体光纤；及
沿着由馈送导轨界定的平移轴将额外源材料推向所述熔融区；
其中由所述馈送导轨界定的所述平移轴及由所述光纤导轨界定的所述平移轴大体上竖直且轴向对准，以在约5μm的水平容限内将所述源材料水平定位在光能路径中。
19.根据权利要求18所述的方法，其中按比所述源材料被推向所述熔融区的平移速率大的平移速率将所述晶体光纤拉离所述熔融区。
20.根据权利要求19所述的方法，其中拉动所述晶体光纤的所述平移速率介于推动所述源材料的所述平移速率的2倍与25倍之间。
21.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括：
测量所述生长晶体光纤的直径；及
调整所述下馈送导轨推动所述源材料的所述平移速率，以使所述生长晶体光纤的所述直径保持近似恒定。
22.根据权利要求18所述的方法，其中被推向所述熔融区的所述源材料是多晶材料棒。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述源材料是经掺杂多晶YAG。
24.根据权利要求18所述的方法，其中被推向所述熔融区的所述源材料是在光学加热的先前操作中生长的晶体光纤。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述生长晶体光纤的所述直径小于所述源晶体光纤的所述直径达介于约1.5与5之间的倍数。
26.根据权利要求18所述的方法，其中所述生长晶体光纤的所述直径是40μm或更小，且其长度是30cm或更大。
27.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括在所述晶体光纤生长时在其长度的一定部分内按介于拉制晶体光纤的每cm约0.1％与10％之间的速率来改变平移拉动对平移推动的比率。
28.一种通过激光加热操作生长的晶体光纤，其具有40μm或更小的直径及30cm或更大的长度。
29.根据权利要求28所述的晶体光纤，其包括经掺杂结晶YAG。
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