CN108363140B - 一种耐高温的放大光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光领域，具体涉及一种耐高温的放大光纤。所述放大光纤包括纤芯、包层和金属膜涂覆层，所述金属膜涂覆层包括镍金属层和非镍金属层，其中，镍金属层设置在非镍金属层和包层之间，并与非镍金属层和包层相连接。本发明主要有以下三个方面的优势:1.增强了光纤的散热，降低光纤内部温度；2.减小光纤内部的温度梯度，使光纤内部温度分布更均匀，减小光纤内部的热应力，提高光纤强度；3.由于光纤改善了其不同层的材料选择，且一并优化了其相对厚度的比例等，所以整体光纤失效的温度远远比传统光纤高，提高了光纤的损伤阈值。增强光纤散热，提高放大光纤的耐腐蚀性，适当提高放大光纤的机械强度。
Description
技术领域
本发明涉及激光领域，具体涉及一种耐高温的放大光纤。
背景技术
放大光纤是光纤激光器中十分重要的器件组成部分。目前放大光纤主要是以掺镱光纤为主，掺镱光纤具有增益效果好、光-光转换效率高等特点，是现在光纤激光器的主要应用产品。随着光纤激光器输出功率的不断提高，对放大光纤的非线性效应也随之增强，非线性效应引起的热效应最容易引起涂覆层失效而烧断光纤，所以放大光纤的热效应极大限制了光纤激光器功率的提高。传统的增益光纤的结构一般由纤芯、包层以及涂覆层组成，纤芯为掺镱的石英玻璃材料、包层为玻璃材料，涂覆层为导热性能较差的丙烯酸酯；纤芯、包层的热传导系数为1.38W/m*℃，而涂覆层热传导系数为0.2W/m*℃，这样的结构给光纤热管理带来两个方面的问题：1、涂覆层导热系数较小，对于光纤内部的温度差值会增大，直接导致光纤内部温度梯度过大，热应力较大引起光纤断裂；2、涂覆层的温度阈值较低，工作温度超过80℃，会引起涂覆层失效，进而导致整个光纤失效；现在急需一种能够提高温度阈值，能够解决其热效应问题的新型光纤。
本发明主要是针对光纤激光器中的增益光纤，也称为放大光纤的表面处理，现有技术主要是指针对普通传输光纤进行耐高温防腐处理，光纤的种类有着本质区别。本发明主要的效果是有利于光纤散热，也有利于光纤防腐。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种耐高温的放大光纤。
所述放大光纤包括纤芯、包层和金属膜涂覆层，所述金属膜涂覆层包括镍金属层和非镍金属层，其中，镍金属层设置在非镍金属层和包层之间，并与非镍金属层和包层相连接。
所述金属膜涂覆层中的非镍金属层的金属材料选自铜、镍、银、铝等金属中的至少一种。当采用上述金属进行镀膜时，更具有导热性能好、耐腐蚀、价格低廉等优势。优选铜。
镍金属层和非镍金属层按照本发明的组合方式，能够进一步提高镀膜的附着力。
上述镍金属层和非镍金属层可采用本领域常规镀膜方式进行镀膜，在此不做特殊限定，仅提供优选方式：所述镍金属层和非镍金属层均采用真空离子溅射的方法进行镀膜。以离子溅射的方式进行镀膜能够使得涂层更均匀，以达到更好的机械性能和散热效果。
上述非镍金属层和镍金属层不仅能够起到传统光纤涂覆层隔离水和空气腐蚀、增强光纤机械性能等作用，还能够增强光纤散热，提高涂覆层的温度阈值，对大功率光纤激光器的发展提供了条件。
上述金属膜涂覆层(包括非镍金属层和镍金属层)的总厚度与纤芯(以直径计)的比例为(5-6)：3。在此比例时，能够进一步提升散热效果。
作为优选，所述非镍金属层与镍金属层的相对厚度(以厚度计)为(1.5-4):1。在这个比例时，涂层之间/涂层与包层之间的附着力最佳，并能够最大程度发挥涂层的散热效果；其中以7:3的比例更佳。
或，
所述非镍金属层的厚度相对于纤芯的直径的比例为为(3-4)：3，和/或，所述镍金属层的厚度相对于纤芯的直径的比例为(1-2)：3。
所述包层的制备材料选自石英玻璃、硫系玻璃或氟系玻璃中的一种；优选为石英玻璃。
所述纤芯是在石英玻璃基础上掺杂镱离子所制备而得；包层吸收率是25-30dB/m@975nm；优选27dB/m@975nm。
所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率，优选地，所述纤芯的折射率范围在1.3-1.4之间；
和/或，所述包层折射率在1.2-1.3之间；
作为优选方案，所述放大光纤中，包层的厚度与纤芯的直径的相对比例为(10-12)：3。发明人通过大量研究发现，低于或高于这个比例皆不能达到更好的机械强度及其散热效果，以11:3的比例最佳。
更进一步地，在上述金属膜涂覆层的比例下，包层以及纤芯的尺寸的选择分别为110±10um(按厚度计)、30±5um(按直径计)时散热效果最好；尤其以包层110um，纤芯30um时效果最好。
作为本发明的优选方案，所述放大光纤由纤芯、包层以及金属膜涂覆层组成，所述金属膜涂覆层由铜金属层和镍金属层组成；
所述纤芯为掺镱石英玻璃，直径为30-35um，包层为石英玻璃，厚度100-110um，铜金属层35-45um，镍金属层15-20um；所述铜金属层设置在镍金属层和包层之间，并与镍金属层和包层相连接。
本发明主要有以下三个方面的优势:1.增强了光纤的散热，降低光纤内部温度；2.减小光纤内部的温度梯度，使光纤内部温度分布更均匀，减小光纤内部的热应力，提高光纤强度；3.由于光纤改善了其不同层的材料选择，且一并优化了其相对厚度的比例等，所以整体光纤失效的温度远远比传统光纤高，提高了光纤的损伤阈值。增强光纤散热，提高放大光纤的耐腐蚀性，适当提高放大光纤的机械强度。
附图说明
图1为实施例1自然对流温度模拟示意图；
图2为实施例2自然对流温度模拟示意图；
图3为实施例3自然对流温度模拟示意图；
图4为实施例4自然对流温度模拟示意图；
图5为对比例1自然对流温度模拟示意图；
图6为对比例2自然对流温度模拟示意图；
图7为对比例3自然对流温度模拟示意图；
图8为对比例4自然对流温度模拟示意图；
图9为实施例5自然对流温度模拟示意图；
图10为实施例1风扇对流温度模拟示意图；
图11为实施例2风扇对流温度模拟示意图；
图12为实施例3风扇对流温度模拟示意图；
图13为实施例4风扇对流温度模拟示意图；
图14为对比例1风扇对流温度模拟示意图；
图15为对比例2风扇对流温度模拟示意图；
图16为对比例3风扇对流温度模拟示意图；
图17为对比例4风扇对流温度模拟示意图；
图18为实施例5风扇对流温度模拟示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
以下各实施例所采用的纤芯为掺镱石英玻璃，其包层吸收率为25-30dB/m@975nm。
实施例1
本实施例提供一种耐高温的放大光纤。
所述放大光纤包括纤芯、包层以及金属膜涂覆层。
其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4，直径为30um；包层为石英玻璃，折射率为1.2-1.3，厚度110um；金属膜涂覆层包括镍金属层和铜金属层(其中，铜金属层35um，镍金属层15um)，所述金属膜涂覆层的厚度为50um。
实施例2
本实施例提供一种耐高温的放大光纤。
所述放大光纤包括纤芯、包层以及金属膜涂覆层。
其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4，厚度30um；包层为石英玻璃，折射率为1.2-1.3，厚度110um；金属膜涂覆层包括镍金属层和铝金属层(其中，铝金属层35um，镍金属层15um)，所述金属膜涂覆层的厚度为50um。
实施例3
本实施例提供一种耐高温的放大光纤。
所述放大光纤包括纤芯、包层以及金属膜涂覆层。
其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4，厚度30um；包层为石英玻璃，折射率为1.2-1.3，厚度135um；金属膜涂覆层包括镍金属层和铜金属层(其中，铜金属层35um，镍金属层15um)，所述金属膜涂覆层的厚度为50um。
实施例4
本实施例提供一种耐高温的放大光纤。
所述放大光纤包括纤芯、包层以及金属膜涂覆层。
其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4，直径30um；包层为石英玻璃，折射率为1.2-1.3，厚度110um；金属膜涂覆层包括镍金属层和铜金属层(其中，铜金属层45um，镍金属层15um)，所述金属膜涂覆层的厚度为60um。
实施例5
本实施例提供一种放大光纤。
所述放大光纤包括纤芯、包层以及金属膜涂覆层。
其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4，厚度30um；包层为石英玻璃(折射率为1.2-1.3)，厚度120um；金属膜涂覆层包括镍金属层和铜金属层(其中，铜金属层35um，镍金属层15um)，所述金属膜涂覆层的厚度为50um。
对比例1
本对比例提供一种放大光纤。
所述放大光纤包括纤芯、包层和传统涂覆层(聚丙烯酸酯)。
其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4，厚度30um；包层为石英玻璃(折射率为1.2-1.3)，厚度110um；传统涂覆层50um。
对比例2
本对比例提供一种放大光纤。
所述放大光纤包括纤芯、包层以及金属膜涂覆层。
其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4，厚度50um；包层为石英玻璃(折射率为1.2-1.3)，厚度100um；金属膜涂覆层包括镍金属层和铜金属层(其中，铜金属层35um，镍金属层15um)，所述金属膜涂覆层的厚度为50um。
对比例3
本对比例提供一种放大光纤。
所述放大光纤包括纤芯、包层以及金属膜涂覆层。
其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4，厚度20um；包层为石英玻璃(折射率为1.2-1.3)，厚度110um；金属膜涂覆层包括镍金属层和铜金属层(其中，铜金属层55um，镍金属层15um)，所述金属膜涂覆层的厚度为70um。
对比例4
本对比例提供一种放大光纤。
所述放大光纤包括纤芯、包层以及金属膜涂覆层。
其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4，厚度30um；包层为石英玻璃(折射率为1.2-1.3)，厚度110um；金属膜涂覆层包括镍金属层和铜金属层(其中，铜金属层15um，镍金属层45um)，所述金属膜涂覆层的厚度为60um。
试验例1
本试验例提供在自然对流条件下，实施例1-5所提供的放大光纤与对比例1-4所提供的放大光纤的温度模拟实验及其结果。
表1在自然对流条件下实施例1-5与对比例1-4的放大光纤温度模拟实验结果
| 最高温度(℃) | 最低温度(℃) | 温差(℃) | |
| 实施例1 | 472.43 | 470.91 | 1.52 |
| 实施例2 | 486.58 | 485.02 | 1.56 |
| 实施例3 | 428.82 | 427.14 | 1.68 |
| 实施例4 | 383.81 | 382.12 | 1.69 |
| 实施例5 | 409.57 | 407.85 | 1.72 |
| 对比例1 | 487.95 | 485.02 | 2.93 |
| 对比例2 | 1244.9 | 1241.2 | 3.7 |
| 对比例3 | 532.61 | 530.53 | 2.08 |
| 对比例4 | 428.84 | 427.14 | 1.7 |
结果正如附图1-9所示。
本试验例一并提供在风扇散热条件下，实施例1-5所提供的放大光纤与对比例1-4所提供的放大光纤的温度模拟实验及其结果。
表2在风扇散热条件下实施例1-5与对比例1-4的放大光纤温度模拟实验结果
| 最高温度(℃) | 最低温度(℃) | 温差(℃) | |
| 实施例1 | 68.409 | 66.891 | 1.518 |
| 实施例2 | 69.86 | 68.30 | 1.56 |
| 实施例3 | 64.194 | 62.514 | 1.68 |
| 实施例4 | 59.693 | 58.012 | 1.68 |
| 实施例5 | 62.304 | 60.585 | 1.719 |
| 对比例1 | 71.23 | 68.3 | 2.93 |
| 对比例2 | 147.59 | 143.91 | 3.68 |
| 对比例3 | 74.937 | 72.853 | 2.08 |
| 对比例4 | 64.213 | 62.514 | 1.699 |
结果如附图10-18所示。
试验例2
本试验例提供实施例1-5、对比例1-4的放大光纤的断裂特性测试。
试验方法：
将光纤卷绕在直径3mm的心轴上1圈。断裂特性通过直到光纤断裂为止的时间来评价。
断裂特性的评价基准如下：
优等品：断裂时间1个月(30天)以上(含30天)；
合格品：断裂时间1周以上～不足1个月；
不合格品：断裂时间不足一周。
试验结果：如表3所示。
表3
| 断裂特性等级 | |
| 实施例1 | 合格品 |
| 实施例2 | 合格品 |
| 实施例3 | 合格品 |
| 实施例4 | 优等品 |
| 实施例5 | 合格品 |
| 对比例1 | 不合格品 |
| 对比例2 | 合格品 |
| 对比例3 | 优等品 |
| 对比例4 | 不合格品 |
试验例3
本试验例提供实施例1-5、对比例1的放大光纤的抗老化性能的测试。
试验方法：
通过将实施例1-5、对比例1-4所提供的光纤在不同条件下维持30天来进行老化测试。
1.通过将光纤浸没在20℃和60℃的水中来进行水浸泡测试，每天测量。
2.通过将光纤在干燥条件下(相对湿度小于30％)维持在85℃来进行干加热测试，每天测量。
3.通过将光纤在85％的相对湿度下维持在85℃来进行湿加热测试，在老化时间的开始和结束时进行测量(在20℃、-30℃、+60℃、-30℃、+60℃、+20℃的衰减)。
试验结果：如表4所示。
表4
分级标准：在30天内出现分层、气泡等外观问题视为未通过。试验例4
本试验例提供实施例1-5、对比例1-4的放大光纤的氧化温度的测试。
试验对象：实施例1-5，对比例1-4所提供的放大光纤；
试验方法：测定放大光纤加热前后的直流比电阻(欧姆/厘米)来确定，若电阻呈数量级变化，则认为放大光纤已发生氧化。
氧化程度评级如表5所示。
表5
试验结果：如表6所示。
表6
| 大气环境下的氧化评级 | 惰性气体环境下的氧化评级 | |
| 实施例1 | A | A |
| 实施例2 | B | A |
| 实施例3 | A | B |
| 实施例4 | A | A |
| 实施例5 | A | A |
| 对比例1 | C | B |
| 对比例2 | A | A |
| 对比例3 | A | A |
| 对比例4 | B | B |
上述试验例证实了本发明所提供的放大光纤满足耐磨性好，光纤散热效果优良；因此本发明所提供的放大光纤适用于激光器的主放模块。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (44)
1.一种耐高温的放大光纤，其特征在于，所述放大光纤包括纤芯、包层和金属膜涂覆层，所述金属膜涂覆层包括镍金属层和非镍金属层，其中，镍金属层设置在非镍金属层和包层之间，并与非镍金属层和包层相连接；所述非镍金属层与镍金属层的厚度比为(1.5-4):1。
2.根据权利要求1所述的放大光纤，其特征在于，所述金属膜涂覆层中的非镍金属层的金属材料选自铜、镍、银、铝金属中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的放大光纤，其特征在于，所述金属膜涂覆层中的非镍金属层的金属材料选自铜。
4.根据权利要求3所述的放大光纤，其特征在于，所述镍金属层和非镍金属层以离子溅射的方式涂覆。
5.根据权利要求1-4任一项所述的放大光纤，其特征在于，所述金属膜涂覆层的总厚度与纤芯的直径的比例为(5-6)：3。
6.根据权利要求5所述的放大光纤，其特征在于，所述纤芯的直径为25um-35um。
7.根据权利要求1-4任一项所述的放大光纤，其特征在于，所述非镍金属层与镍金属层的厚度比为7:3。
8.根据权利要求5所述的放大光纤，其特征在于，所述非镍金属层与镍金属层的厚度比为7:3。
9.根据权利要求1-4任一项所述的放大光纤，其特征在于，所述非镍金属层的厚度与纤芯的直径的比例为(3-4)：3；
和/或，
所述镍金属层的厚度与纤芯的直径的比例为(1-2)：3。
10.根据权利要求5所述的放大光纤，其特征在于，所述非镍金属层的厚度与纤芯的直径的比例为(3-4)：3；
和/或，
所述镍金属层的厚度与纤芯的直径的比例为(1-2)：3。
11.根据权利要求1-4任一项所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的制备材料选自石英玻璃、硫系玻璃或氟系玻璃中的一种。
12.根据权利要求5所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的制备材料选自石英玻璃、硫系玻璃或氟系玻璃中的一种。
13.根据权利要求7所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的制备材料选自石英玻璃、硫系玻璃或氟系玻璃中的一种。
14.根据权利要求9所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的制备材料选自石英玻璃、硫系玻璃或氟系玻璃中的一种。
15.根据权利要求11所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的制备材料为石英玻璃。
16.根据权利要求1-4任一项所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯是在石英玻璃基础上掺杂镱离子所制备而得；包层吸收率是25-30dB/m@975nm。
17.根据权利要求5所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯是在石英玻璃基础上掺杂镱离子所制备而得；包层吸收率是25-30dB/m@975nm。
18.根据权利要求7所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯是在石英玻璃基础上掺杂镱离子所制备而得；包层吸收率是25-30dB/m@975nm。
19.根据权利要求9所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯是在石英玻璃基础上掺杂镱离子所制备而得；包层吸收率是25-30dB/m@975nm。
20.根据权利要求11所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯是在石英玻璃基础上掺杂镱离子所制备而得；包层吸收率是25-30dB/m@975nm。
21.根据权利要求16所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯是在石英玻璃基础上掺杂镱离子所制备而得；包层吸收率是27dB/m@975nm。
22.根据权利要求1-4任一项所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的厚度与纤芯的直径的比例为(10-12)：3。
23.根据权利要求5所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的厚度与纤芯的直径的比例为(10-12)：3。
24.根据权利要求7所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的厚度与纤芯的直径的比例为(10-12)：3。
25.根据权利要求9所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的厚度与纤芯的直径的比例为(10-12)：3。
26.根据权利要求11所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的厚度与纤芯的直径的比例为(10-12)：3。
27.根据权利要求16所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的厚度与纤芯的直径的比例为(10-12)：3。
28.根据权利要求22所述的放大光纤，其特征在于，
所述包层的厚度与纤芯的直径的比例为11:3。
29.根据权利要求1-4任一项所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率。
30.根据权利要求5所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率。
31.根据权利要求7所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率。
32.根据权利要求9所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率。
33.根据权利要求11所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率。
34.根据权利要求16所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率。
35.根据权利要求22所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率。
36.根据权利要求29所述的放大光纤，其特征在于，
所述纤芯的折射率范围在1.3-1.4之间；
和/或，所述包层折射率在1.2-1.3之间。
37.根据权利要求1-4任一项所述的放大光纤，其特征在于，
所述放大光纤由纤芯、包层以及金属膜涂覆层组成，所述金属膜涂覆层有铜金属层和镍金属层组成；
所述纤芯为掺镱石英玻璃，直径为30-35um，包层为石英玻璃，厚度100-110um，所述铜金属层35-45um，镍金属层15-20um；所述铜金属层设置在镍金属层和包层之间，并与镍金属层和包层相连接。
38.根据权利要求5所述的放大光纤，其特征在于，
所述放大光纤由纤芯、包层以及金属膜涂覆层组成，所述金属膜涂覆层有铜金属层和镍金属层组成；
所述纤芯为掺镱石英玻璃，直径为30-35um，包层为石英玻璃，厚度100-110um，所述铜金属层35-45um，镍金属层15-20um；所述铜金属层设置在镍金属层和包层之间，并与镍金属层和包层相连接。
39.根据权利要求7所述的放大光纤，其特征在于，
所述放大光纤由纤芯、包层以及金属膜涂覆层组成，所述金属膜涂覆层有铜金属层和镍金属层组成；
所述纤芯为掺镱石英玻璃，直径为30-35um，包层为石英玻璃，厚度100-110um，所述铜金属层35-45um，镍金属层15-20um；所述铜金属层设置在镍金属层和包层之间，并与镍金属层和包层相连接。
40.根据权利要求9所述的放大光纤，其特征在于，
所述放大光纤由纤芯、包层以及金属膜涂覆层组成，所述金属膜涂覆层有铜金属层和镍金属层组成；
所述纤芯为掺镱石英玻璃，直径为30-35um，包层为石英玻璃，厚度100-110um，所述铜金属层35-45um，镍金属层15-20um；所述铜金属层设置在镍金属层和包层之间，并与镍金属层和包层相连接。
41.根据权利要求11所述的放大光纤，其特征在于，
所述放大光纤由纤芯、包层以及金属膜涂覆层组成，所述金属膜涂覆层有铜金属层和镍金属层组成；
所述纤芯为掺镱石英玻璃，直径为30-35um，包层为石英玻璃，厚度100-110um，所述铜金属层35-45um，镍金属层15-20um；所述铜金属层设置在镍金属层和包层之间，并与镍金属层和包层相连接。
42.根据权利要求16所述的放大光纤，其特征在于，
所述放大光纤由纤芯、包层以及金属膜涂覆层组成，所述金属膜涂覆层有铜金属层和镍金属层组成；
所述纤芯为掺镱石英玻璃，直径为30-35um，包层为石英玻璃，厚度100-110um，所述铜金属层35-45um，镍金属层15-20um；所述铜金属层设置在镍金属层和包层之间，并与镍金属层和包层相连接。
43.根据权利要求22所述的放大光纤，其特征在于，
所述放大光纤由纤芯、包层以及金属膜涂覆层组成，所述金属膜涂覆层有铜金属层和镍金属层组成；
所述纤芯为掺镱石英玻璃，直径为30-35um，包层为石英玻璃，厚度100-110um，所述铜金属层35-45um，镍金属层15-20um；所述铜金属层设置在镍金属层和包层之间，并与镍金属层和包层相连接。
44.根据权利要求29所述的放大光纤，其特征在于，
所述放大光纤由纤芯、包层以及金属膜涂覆层组成，所述金属膜涂覆层有铜金属层和镍金属层组成；
所述纤芯为掺镱石英玻璃，直径为30-35um，包层为石英玻璃，厚度100-110um，所述铜金属层35-45um，镍金属层15-20um；所述铜金属层设置在镍金属层和包层之间，并与镍金属层和包层相连接。
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