CN107561636B - 一种用于天文望远镜系统的光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于天文望远镜系统的光纤，包括有芯层和包层，其特征是芯层半径为17.0～18.0μm，芯层折射率为阶跃型折射率分布，芯层相对折射率差Δ1％为0.29％～0.33％，紧邻芯层向外为包层，包层半径为52.0～53.0μm，相对折射率差Δ2％为0％。本发明的光纤波导结构能与天文望远镜系统较好匹配，具有较好的观测效率；采取芯层氟‑锗共掺设计，改善了在430～900nm波段Si‑O键结构的部分色芯缺陷，优化光纤在430～900nm的可见光及近红外波段的衰耗性能，尤其是在650nm波段具有较低的焦比退化；单层涂覆固化工艺，提高了光纤端头的几何精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于天文望远镜系统的阶跃型折射率分布光纤，该光纤在430～900nm的可见光及近红外波段有较低的衰耗性能。
背景技术
光纤在通信、传感和图像传输等领域里的应用越来越广泛，随着天文望远镜系统的发展，作为望远镜重要组成部分，光纤可以把望远镜得到的星像传到光谱分析仪中，因而也早已得到较广泛应用；特别是随着近年天文领域多目标光谱学、整场光谱学、光度学等的发展，单个望远镜匹配的光纤数由数百向数千根发展，光纤在望远镜系统的应用作为密排阵列使用，阵列光纤端头加工需要带涂层研磨处理，这对天文望远镜系统用光纤的涂层与端头几何精度提出了更高要求。
在天文望远镜系统里，光纤传输特性非常重要，如传输特性不好，系统的接收效率和分析精度都会大幅降低；衡量光纤传输质量的最主要因素有两个：一个是光纤的衰耗，还有一个就是光纤焦比退化特性。
光纤衰耗主要由两方面因素决定：一是制造光纤材料本身性质各种杂质种类和掺杂比例等因素；二是光纤波导结构设计以及使用波段。在通信领域，主要针对的是1000nm波段以上范围的光纤衰耗研究；而天文望远镜系统观测和使用的重要波段在430～900nm。
光纤焦比的定义为：F/#＝f/D；其中F代表焦比，#为对应焦比的数值；f是像面到光纤端面的距离，D是光斑的直径。光纤在理想情况下，输入焦比等于输出焦比，然而实际情况是出射光的焦比要比入射光的焦比要小，也就是说通过光纤传输后，光束更加发散，即为焦比退化(focal ratio degradation，FRD)。对于望远镜系统光谱仪而言，f/D固定，即光纤入射端f/D可控固定，则光纤输出要在适当范围保持较大的能量，而FRD效应会使系统接收孔径内的光束能量密度下降，从而影响天文望远镜的观测效率。图1为焦比以及焦比退化示意图。
在出射焦比测量时，以出射光斑内的能量占出射总能量比例值为界定来量取光斑直径D以及对应的光纤出射端面到光斑像面的直径f；一般的，以能量占比90％(EE90)和占比95％(EE95)为测量点来测量出射焦比。
目前应用于天文望远镜系统光纤的性能研究较少，所应用的光纤也较难实现上述主要性能的要求。
发明内容
为方便介绍本发明内容，定义部分术语：
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；
包层：光纤横截面中紧邻芯层的环形区域；
相对折射率差:
氟(F)的贡献量：掺氟(F)石英玻璃相对于纯二氧化硅石英玻璃的相对折射率(ΔF)，以此来表示掺氟(F)量；
锗(Ge)的贡献量：掺锗(Ge)石英玻璃相对于纯二氧化硅石英玻璃的相对折射率(ΔGe)，以此来表示掺锗(Ge)量；
光纤衰耗(dB/km)：光纤的衰减系数(dB/km)测试方法是根据国家标准GBT15972.40-2008方法A截断法测试衰减系数(dB/km),通过稳定的宽谱光源注入被测光纤中，测试被测光纤的输出功率和截断后的被测光纤的输出功率，通过计算分析得到光纤的不同波长的衰减系数(dB/km)；
光纤焦比：F/#＝f/D；
其中F代表焦比，#为对应焦比的数值，f是像面到光纤端面的距离，D是光斑的直径；
光纤焦比的测量：在对光纤的焦比退化特性检验中，采用一定波长半导体激光器作为入射光源，用CCD测量光纤输出焦比：先找到光纤出射远场光斑的质心，然后以质心为圆心画圆，使圆中能量占总能量90％(EE90)、95％(EE95)时的直径为光斑直径；在本发明中，使用650nm波长半导体激光器，验证光纤长度均为20m。
本发明所要解决的技术问题在于针对天文望远镜系统应用光纤的特性需求而设计一种用于天文望远镜系统的光纤，该光纤在430～900nm波段衰耗性能优异，在650nm波段具有较低的焦比退化，能较好应用于天文望远镜系统。
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，其特征是芯层半径为17.0～18.0μm，芯层折射率为阶跃型折射率分布，芯层相对折射率差Δ1％为0.29％～0.33％，紧邻芯层向外为包层，包层半径为52.0～53.0μm，相对折射率差Δ2％为0％。
按上述方案，所述的芯层为氟-锗共掺石英玻璃层，其中氟(F)的贡献量在-0.05％～-0.04％，锗(Ge)的贡献量在0.33％～0.38％。
按上述方案，所述光纤包层半径为52.0～53.0μm。
按上述方案，所述光纤包层为纯二氧化硅石英玻璃层。
按上述方案，所述光纤为单层树脂涂覆层，涂覆层半径为61.0～64.0μm。
按上述方案，所述的光纤在430～550nm波段衰耗小于或等于40dB/km，在550～700波段衰耗小于或等于15dB/km，在700～900nm波段衰耗小于或等于10dB/km。
按上述方案，所述的光纤在波长650nm处，20m长度光纤在F/5的入射焦比条件下，出射焦比EE90大于或等于F/4.7，EE95大于或等于F/4.5。
本发明的有益效果在于：1、光纤波导结构能与天文望远镜系统较好匹配，具有较好的观测效率；2、采取芯层氟-锗共掺设计，改善了在430～900nm波段Si-O键结构的部分色芯缺陷，优化光纤在430～900nm的可见光及近红外波段的衰耗性能；3、在可见光波段，尤其是在650nm波段具有较低的焦比退化；4、采取优化的单层涂覆固化工艺，较好的解决了天文望远镜光纤应用中的带涂层端面研磨处理问题，提高了光纤端头的几何精度。
附图说明
图1是焦比及焦比退化示意图。
图2是本发明一个实施例的径向截面示意图。图中00对应光纤的芯层，11对应光纤包层。
图3是本发明一个实施例的折射率剖面示意图。
具体实施方式
下面给出详细的实施例，对本发明作进一步的说明。
本发明实施例中的天文望远镜系统用光纤，包括有芯层和包层，芯层00由氟-锗共掺的石英玻璃组成，芯层相对折射率差Δ1％为0.29％～0.33％，其中锗的贡献量(ΔGe incore)在0.33％～0.38％，氟的贡献量(ΔF in core)在-0.05％～-0.04％；围绕芯层的是包层11，包层为纯二氧化硅石英玻璃层，相对折射率差Δ2％为0％。
按上述技术方案，对光纤的参数进行设计，并通过熟知的PCVD工艺来根据光纤的设计要求制造芯棒，通过套管工艺来完成整个预制棒的制造。预制棒制备完成后，在拉丝塔上进行光纤拉丝，该类型光纤预制棒的拉丝速度不高于500m/min，拉丝张力为30～40g。
光纤的折射率剖面使用NR-9200设备(EXFO)进行测试。
所制光纤折射率剖面的主要结构及设计参数如表1所示。
所制光纤在430～900nm衰耗性能如表2所示。
所制光纤在650nm处、20m样纤、F/5的入射焦比条件下的出射焦比数据如表3所示。
表1：光纤结构与设计参数
表2：光纤在430～900nm衰耗参数
表3：在650nm半导体光源、入射焦比为5的20m出射焦比
从实施例中可以归纳出，当芯层半径在17.0～18.0μm，包层半径在52.0～53.0μm，而且芯层中氟(F)的贡献量ΔF在-0.05％～-0.04％，锗(Ge)的贡献量ΔGe在0.33％～0.38％时候，光纤会有较优的衰耗性能，如实施例4、5、6，满足430～550nm波段衰耗小于40dB/km，在550～700波段衰耗小于15dB/km，在700～900nm波段衰耗小于10dB/km的设计目标。
从实施例中也可以归纳出，光纤的焦比退化特性主要与芯层相对折射率差Δ1％有关，当Δ1％为0.29％～0.33％时，能满足波长650nm处，20m光纤在F/5的入射焦比下，出射焦比EE90大于F/4.7，EE95大于F/4.5的设计目标。
Claims (6)
1.一种用于天文望远镜系统的光纤，包括有芯层和包层，其特征是芯层半径为17.0～18.0μm，芯层折射率为阶跃型折射率分布，芯层相对折射率差Δ1％为0.29％～0.33％，紧邻芯层向外为包层，包层半径为52.0～53.0μm，相对折射率差Δ2％为0％；所述的光纤在波长650nm处，20m长度光纤在F/5的入射焦比条件下，出射焦比EE90大于或等于F/4.7，EE95大于或等于F/4.5；所述的相对折射率差定义为:
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。
2.按权利要求1所述的用于天文望远镜系统的光纤，其特征在于所述的芯层为氟-锗共掺石英玻璃层，其中氟的贡献量在-0.05％～-0.04％，锗的贡献量在0.33％～0.38％。
3.按权利要求1或2所述的用于天文望远镜系统的光纤，其特征在于所述的光纤包层半径为52.0～53.0μm。
4.按权利要求1或2所述的用于天文望远镜系统的光纤，其特征在于所述光纤包层为纯二氧化硅石英玻璃层。
5.按权利要求1或2所述的用于天文望远镜系统的光纤，其特征在于所述光纤为单层树脂涂覆层，涂覆层半径为61.0～64.0μm。
6.按权利要求1或2所述的用于天文望远镜系统的光纤，其特征在于所述的光纤在430～550nm波段衰耗小于或等于40dB/km，在550～700波段衰耗小于或等于15dB/km，在700～900nm波段衰耗小于或等于10dB/km。
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