CN108267813A - 一种光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤及其制备方法，特别是涉及光纤技术领域。所要解决的技术问题是全固态激光器中工作介质在与半导体激光器耦合时，由于现有的半导体激光器产品普遍存在光斑强度分布不均，工作介质的端面膜层容易被光斑中的强光点破坏。包括:内芯、中芯、外层。内芯的折射率为n₁；中芯包裹在内芯的外侧，中芯的折射率为n₂，n₂大于n₁；外层包裹在中芯的外侧。光纤的中芯的折射率大于内芯的折射率，使得光功率的一部分转移到了中芯，同时有利于泄露于外层的光束进入内芯，使能量均匀分布于内芯，降低了内芯功率密度的分布，从而达到匀化的效果，使得光斑强度分布均匀，工作介质的端面膜层不易被光斑中的强光点破坏。

Description

一种光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，特别是涉及一种光纤及其制备方法。

背景技术

全固态激光器因其具有峰值功率高，输出能量大，光束质量高，结构紧凑耐用等特点，在科学研究、国防军工、工业生产、医疗健康等领域获得了大量的运用，随着激光器的不断进步与发展，目前激光器的研究重点方向是使器件的体积愈来愈小、器件的重量愈来愈轻、效率愈来愈高、光束质量愈来愈好、可靠性愈来愈高、寿命愈来愈长、运转愈来愈敏捷，因此全固态激光器成为激光器的研发主流。半导体激光二极管(Laser diode，简写LD)作为泵浦源在全固态激光器中属于核心部件，但由于高功率半导体激光器在军事领域扮演的角色越来越重要，美国等国家已经将高功率半导体激光器放在了禁运之列。目前，国内市场上现有的半导体激光器产品普遍存在光斑强度分布不均的问题，LD光源光斑强度分布不连续且不均匀，存在强度极度集中的现象，在固态激光器的工作过程中，由于端面泵浦方式，泵浦光源与工作物质接触时，极强的光点容易造成工作物质端面膜层的破坏，严重影响了激光器的寿命及输出的光束质量，限制了激光器的研发及性能的进一步提升。因此如何实现快速、高重复性的LD光强匀化技术，提高LD激光器的光束质量是亟需解决的重要问题。

当前，全固态激光器的匀化作用主要通过两种途径来实现，一是经过一系列孔径不同的透镜对泵浦光进行整形，其操作简单，但可靠性差，稳定性低，当LD光源和工作介质位置移动时，需要重新布置透镜阵列。二是采用光纤合束的方法，对半导体激光器的阵列光束进行整形后，将半导体激光进行光纤耦合输出，不仅可以提高光束质量，也可实现激光的柔性传输，但现有的光纤合束在与大功率半导体激光器耦合传输时，纤芯已被大光率激光熔化，导致破损。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种新型结构的光纤，所要解决的技术问题是全固态激光器中工作介质在与半导体激光器耦合时，由于现有的半导体激光器产品普遍存在光斑强度分布不均，工作介质的端面膜层容易被光斑中的强光点破坏。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种光纤，其包括:

内芯，内芯的折射率为n₁；

中芯，包裹在内芯的外侧，中芯的折射率为n₂，n₂大于n₁；

外层,包裹在中芯的外侧。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的光纤，其中所述的内芯的折射率为1.5-1.6，所述中芯的折射率为1.61-1.8。

优选的，前述的光纤，其中所述的外层，折射率为n3，n3小于n2。

优选的，前述的光纤，其中所述的n3小于n1。

优选的，前述的光纤，其中所述的外层和中芯的壁厚和内芯的直径比例为1.5-2.5:0.5-2：5-20。

优选的，前述的光纤，其中所述的外层和中芯的壁厚和内芯的直径比例为1.8-2.2:1-2:6-8。

优选的，前述的光纤，其中所述的外层、中芯和内芯采用硅酸盐玻璃制成。

一种光纤的制备方法，其包括:

单纤维拉制，包括：将折射率为n2的中芯套在折射率为n1内芯的外侧，将外层套在中芯外侧，形成棒管组合；

将所述棒管组合成型光纤。

优选的，前述的光纤的制备方法，其中将所述棒管组合成型光纤，包括：

在拉丝炉中加热软化至下垂成丝后，牵引拉制成复合玻璃纤维；

对复合玻璃纤维进行复丝制备、排板、熔压成型、熔拉法制备锥形光纤。

优选的，前述的光纤的制备方法，其中将所述棒管组合成型光纤，包括：

在拉丝炉中加热软化至下垂成丝后，牵引拉制成圆柱式光纤。

借由上述技术方案，本发明光纤至少具有下列优点：

本发明提出的实施例的光纤的中芯的折射率大于内芯的折射率，使得光功率的一部分转移到了中芯，同时有利于泄露于外层的光束进入内芯，使能量均匀分布于内芯，降低了内芯功率密度的分布，从而达到匀化的效果，使得光斑强度分布均匀，工作介质的端面膜层不易被光斑中的强光点破坏。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明提出的实施例的光纤结构的立体图。

图2是本发明提出的实施例的光纤折射率分布示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的光纤其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本发明的原理是，通过引入折射率分布一般函数来研究折射率对光功率传播特性(包括：光波在光纤内的传播途径及在光纤横截面的光能量分布情况)的影响，特别是基模在横截面功率分布的最大值随折射率形状参数变化的影响。根据光纤实际制作工艺和条件，采用如下函数表达式来描述实际光纤中可能出现的各种折射率分布形式：

式中n1、n2分别表示芯区最大折射率及包层折射率，d为芯区中心r＝0处折射率下限的百分比，a为纤芯半径，c为纤芯最大折射率n1所在的位置(c取值范围为0～a)，Δ为相对折射率差，q1表示0＜r＜c区域折射率的变化形式，q2表示c＜r＜a区域折射率的变化形式，例如q2＝1为线性变化，q2＝2为抛物线变化，q2＝∞为阶跃型变化，q1，q2，c，d统称为折射率参数，如图2所示。

A半径；c是0-a位置；

当d＞0时中芯的折射率大于内芯的折射率，使得光功率的一部分转移到了纤芯边缘，同时有利于泄露于内包层的光束进入内芯，使能量均匀分布于内芯，降低了内芯功率密度的分布，从而达到匀化的效果。

通过折射率分布一般函数来确定折射率对光功率传播特性，包括：光波在光纤内的传播途径及在光纤横截面的光能量分布情况，特别是基模在横截面功率分布的最大值随折射率形状参数变化的影响。首先确定匀化器用光纤折射率分布类型，然后进一步确定光纤参数，包括各部分的折射率以及中芯厚度，即图2中c的位置。

通过光学计算及模拟确定光纤的折射率分布形式后，通过模拟软件对该分布形式的光纤进一步模拟，确定折射率的分布，以及对应几何参数对纤芯能量分布的影响，从而优化光纤参数。

如图1和图2所示，本发明的一个实施例提出的一种光纤，其包括:内芯1，内芯1的折射率为n1；中芯2，包裹在内芯1的外侧，中芯2的折射率为n2，n2大于n1；外层3,包裹在中芯2的外侧。

本发明提出的实施例的光纤的中芯的折射率大于内芯的折射率，使得光功率的一部分转移到了中芯，同时有利于泄露于外层的光束进入内芯，使能量均匀分布于内芯，降低了内芯功率密度的分布，从而达到匀化的效果，使得光斑强度分布均匀，工作介质的端面膜层不易被光斑中的强光点破坏。

所述的内芯1的折射率为1.5-1.6，所述中芯2的折射率为1.61-1.8。

经过发明人研究，内芯的折射率在1.5-1.6，所述中芯的折射率在1.61-1.8之间，光斑强度的均匀效果达到最好。

进一步的，作为一个实施例，所述的外层3，折射率为n3，n3小于n2。

进一步的，作为一个实施例，所述的n3小于n1。

为了使得光斑达到最佳均匀效果，优选外层、内芯和中芯的折射率为n3＜n1＜n2。

进一步的，作为一个实施例，所述的外层3和中芯2的壁厚和内芯1的直径比例为1.5-2.5:0.5-2：5-20。

本发明的光纤的外层和中芯的壁厚以及内芯的直径范围在上述比例下能够达到光斑均匀的良好的效果。

进一步的，作为一个实施例，所述的外层3和中芯2的壁厚和内芯1的直径比例为1.8-2.2:1-2:6-8。

经过长期研究与多次试验，上述比例为优选值，在此范围内，光斑均匀效果达到最佳。

进一步的，作为一个实施例，所述的外层3、中芯2和内芯1采用硅酸盐玻璃制成。

本发明的优选硅酸盐玻璃制备光纤，能够使得光板强度均匀达到最佳效果。

一种光纤的制备方法，其包括:

(1)单纤维拉制：分别选择内径和壁厚按照前述的比例的外层3玻璃管和中芯2玻璃管，选择前述的比例的内芯1玻璃棒，经过清洗、烘干后进行装配成1个玻璃棒2层套管组合，将其装卡在高精度纤维拉丝机上，棒管组合在拉丝炉中加热软化后下垂成丝，通过拉丝轮的牵引拉制成特定规格尺寸的形成棒管组合的圆柱式光纤。

(2)一次复丝棒排列：将拉制成型的单纤维紧密排列在正六边形模具里，排列根数由单纤维直径和模具尺寸决定，一次复丝棒排列完成后，用铜丝或铁丝将两端紧密捆扎，中间部分用棉线进行一定间距的捆扎。

(3)一次复丝拉制：将一次复丝棒装卡后悬挂在拉丝机上进行一次复丝拉制，拉制方法与单丝相同。在一次复丝拉制过程中，要调整椭圆度以及严格控制送料速度、拉丝温度和拉丝速度，以确保一次复丝正六边形的几何形状、特定的尺寸规格以及保持单元丝的复合状态。

(4)二次复丝棒排列：将拉制成型的六方形一次复丝维紧密排列在正六边形模具里，排列根数由一次复丝直径和模具尺寸决定，二次复丝棒排列完成后，用铜丝或铁丝将两端紧密捆扎，中间部分用棉线进行一定间距的捆扎。

(5)二次复丝拉制：将二次复丝棒装卡后悬挂在拉丝机上进行二次复丝拉制，拉制方法与一次复丝相同。在二次复丝拉制过程中，同样要严格控制送料速度、拉丝温度和拉丝速度，以确保一次复丝正六边形的几何形状、特定的尺寸规格以及保持单元丝的复合状态。

(6)排板：将拉制成型的二次复丝根据熔压模具的高度进行定长切割，然后根据成品尺寸的不同，并综合考虑热熔压收缩量及后续工序的加工余量，进行特定对边尺寸的紧密的六边形纤维排列，排列过程中要仔细检查复丝与复丝之间的契合状态是否正确。

(7)熔压成型：将排列好的板段放入热熔压模具中，置于加热炉中进行熔压成型，根据所用玻璃材料的性能设定熔压温度和升温、降温曲线，根据成品的尺寸要求设计压缩量；

(8)熔拉法制光纤锥：将熔压成型后的坯板，利用熔拉法，通过控制腰粗、腰长和变形区形状等各种参数拉制锥形光纤。

通过上述制备方法制成的本发明的光纤的实施例如下：

实施例一：

针对固态激光器用国产LD光源均化的问题，利用光纤内芯折射率对最大功率密度分布的影响规律，通过设计内芯结构来实现对LD光源的匀化。作为优选方案，为使基膜传输达到最大值，所述的全固态激光器用LD光源匀化光纤的中芯壁厚为10μm，内芯直径8μm，数值孔径为0.12。为了便于匀化器与LD光源以及工作介质之间的耦合，本实施例采用光纤光锥的形式，按照发明内容中步骤(1)-(8)进行制备，其工艺参数如表1所示：

表1

实施例二

与实施例一的计算模拟过程相同，为减小出射端的发散角，采用圆柱式光纤柱。按照发明内容中步骤(1)进行大芯径纤维圆柱的拉制。其工艺参数如表2所示：

表2

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光纤，其特征在于：其包括:

内芯，内芯的折射率为n₁；

中芯，包裹在内芯的外侧，中芯的折射率为n₂，n₂大于n₁；

外层,包裹在中芯的外侧。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，

所述纤芯的折射率为1.5-1.6，所述中芯的折射率为1.61-1.8。

3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，

外层，折射率为n₃，n₃小于n₂。

4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，

n₃小于n₁。

5.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，

外层和中芯的壁厚和内芯的直径比例为1.5-2.5:0.5-2：5-20。

6.根据权利要求5所述的光纤，其特征在于，

外层和中芯的壁厚和内芯的直径比例为1.8-2.2:1-2:6-8。

7.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，

外层、中芯和内芯采用硅酸盐玻璃制成。

8.一种光纤的制备方法，其特征在于：其包括:

单纤维拉制，包括：将折射率为n2的中芯套在折射率为n1内芯的外侧，将外层套在中芯外侧，形成棒管组合；

将所述棒管组合成型光纤。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，

将所述棒管组合成型光纤，包括：

在拉丝炉中加热软化至下垂成丝后，牵引拉制成复合玻璃纤维；

对复合玻璃纤维进行复丝制备、排板、熔压成型、熔拉法制备锥形光纤。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，

将所述棒管组合成型光纤，包括：

在拉丝炉中加热软化至下垂成丝后，牵引拉制成圆柱式光纤。