CN108761631B - 一种掺镱光纤及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种掺镱光纤，涉及光纤技术领域，所述光纤由内到外依次为纤芯、包层、内涂层、外涂层，所述包层横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成。本发明提供的掺镱光纤，此种掺镱光纤适应于大规模大长度的连续生产，更易被制造，而且涂层一致性更高。

Description

一种掺镱光纤及其制造方法
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种掺镱光纤及其制造方法。
背景技术
掺镱光纤为在纤芯中掺有镱元素的一种光纤，是当前主流光纤激光器的核心元件。随着激光标刻市场容量继续扩展，以及激光传输、激光存储、激光测距、激光焊接等领域中光纤激光器应用比例的快速提升，光纤激光器对掺镱光纤的需求也越来越高，同时，在激光打标领域，低功率的光纤激光器非常关注掺镱光纤的均匀性和一致性。
现有技术中，一般用于光纤激光器的掺镱光纤为D型、正方形或八边形结构，其制造方法首先是先制备D型、正方形或八边形结构的光纤预制棒，然后在拉丝塔上经高温熔融形成光纤的石英部分，之后经过涂覆后成为光纤。
然而，当前的掺镱光纤由于制造工艺和设计的原因，导致在生产过程中，其批量生产时的一致性较差，影响光纤激光器生产的效率和产品质量，进而对光纤激光器的生产成本带来影响。上述用于光纤激光器的掺镱光纤具体存在的不足如下：当上述D型、正方形或八边形结构的光纤在涂覆器里被涂覆上涂层时，其会在涂覆器内受外界作用力发生旋转，而由于不规整的D型、正方形或八边形结构，导致涂覆器内的液态涂料会因为光纤的旋转导致涂料分布的不均匀，造成涂覆后，光纤的涂层难以长距离的保持良好的一致性，导致此种掺镱光纤的均匀性和一致性较差。
因此，在此种掺镱光纤的均匀性和一致性较差的情况下，必须采取严格的光纤检测，挑选出均匀性和一致性较好的掺镱光纤。业内通常的光纤检测方法为：将掺镱光纤分割成百米或几十米的长度，分别进行仔细的测量，剔除不均匀的异常涂层区。上述这种光纤检测方法一方面非常繁琐，浪费较多的人力物力，检测成本较高，另一方面并没有从根本上解决连续长度的涂层一致性问题。
与此同时，由于目前掺镱光纤的形状是业内诸多专家经过诸多科学实验千锤百炼而来，其兼顾了激光性能与传输效率等，制造厂家现有的光纤生产设备成本高昂，不会轻易改变当前的掺镱光纤结构，可见，如何在现有掺镱光纤结构的设计基础上，形成新的掺镱光纤结构设计成为当前亟待解决的问题，使新的掺镱光纤结构既能兼顾激光性能与传输效率，不影响光纤性能，使应用厂家可以良好使用，又能适应于大规模的制造，可以快速批量性制造出一致性较高的掺镱光纤，从根本上解决连续长度的涂层不一致性问题，以适应快速发展的市场化的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种掺镱光纤，此种掺镱光纤适应于大规模大长度的连续生产，更易被制造，而且涂层一致性更高。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种掺镱光纤，所述光纤由内到外依次为纤芯、包层、内涂层、外涂层，所述包层横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成。
本发明的掺镱光纤的包层横截面为中心对称的十六边形，与圆形对称结构相比，此种非圆形对称结构设计仍然具有多个角的突出设计，使掺镱光纤保持良好的激光性能；与正八边形结构相比，此种十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，短边的设计可以减少突出尖锐结构设计，在生产制造过程中，所述十六边形可以是在正八边形结构的基础上通过削掉八个角而成，原正八边形的边被削掉一部分后形成所述十六边形的长边，削掉八个角后形成所述十六边形的短边，掺镱光纤在涂覆器中旋转时，八个短边首先来对接触的涂料起到良好的引导，从而可以避免掺镱光纤在涂覆器中旋转时，会因为其不对称结构或正方形及八边形的尖锐结构导致涂覆器中涂料的异常流动，从而使得本发明实施例中的掺镱光纤适应于大规模大长度的连续生产，而且更易被制造出涂层一致性更高的掺镱光纤。
在上述技术方案的基础上，所述包层边缘进行抛光处理。
包层边缘进行抛光处理可以对多孔预制棒表面的硅氧键排列重组，一方面降低了光纤预制棒的表面粗糙度，解决光纤低损耗问题，另一方面，为实现高性能高一致性掺镱光纤的制造奠定良好的结构设计基础。
在上述技术方案的基础上，八条所述长边的延长线相互交叉后可围合成一正八边形，所述正八边形的边长长度为L0，所述十六边形的短边长度为L1，L1：L0＝1:4～1:8。
此种比例尺寸的设计使得掺镱光纤在生产制造时，短边对接触的涂料起到更好的引导作用，可避免长边和短边形成的角过于尖锐而导致异常涂料流动。
在上述技术方案的基础上，所述正八边形的每个顶角处超出所述十六边形的区域面积为S1，所述正八边形相邻两边围合而成的三角形面积为S2，S1：S2＝1:3～1:5。
在上述技术方案的基础上，所述内涂层的折射率范围为1.369～1.382，所述外涂层的折射率范围为1.475～1.520，可以在外涂层4位置发生全反射，从而减少外部光的干扰，使光纤性能更加优良。
在上述技术方案的基础上，所述纤芯的直径范围10.0um～12.0um，所述包层相对两长边的距离范围为125um～131um，所述外涂层的直径范围为230.0um～260.0um。
在上述技术方案的基础上，所述纤芯和包层的同心度不大于3.0um，所述纤芯数值孔径范围为0.065～0.075，所述包层数值孔径大于等于0.46。
在上述技术方案的基础上，所述掺镱光纤在915nm波长的吸收系数为0.85dB/m～1.55dB/m，在975nm波长的吸收系数为2.40dB/m～3.40dB/m。
一种基于上述掺镱光纤的制造方法，所述十六边形是在正八边形结构的基础上通过削掉八个角而成。
本发明中，正八边形的边被削掉一部分后形成所述十六边形的长边，削掉八个角后形成所述十六边形的短边，掺镱光纤在涂覆器中旋转时，八个短边首先来对接触的涂料起到良好的引导，从而可以避免掺镱光纤在涂覆器中旋转时，会因为其不对称结构或正方形及八边形的尖锐结构导致涂覆器中涂料的异常流动，从而使得本发明实施例中的掺镱光纤适应于大规模大长度的连续生产，而且更易被制造出涂层一致性更高的掺镱光纤。
在上述技术方案的基础上，对所述包层边缘进行抛光处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的掺镱光纤所述包层横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，使得掺镱光纤在涂覆器中旋转时，八个短边首先来对接触的涂料起到良好的引导，从而可以避免掺镱光纤在涂覆器中旋转时，会因为其不对称结构或正方形及八边形的尖锐结构导致涂覆器中涂料的异常流动，从而使得本发明实施例中的掺镱光纤适应于大规模大长度的连续生产，更易被制造，而且涂层一致性更高。
(2)本发明的所述包层边缘进行抛光处理，可以对多孔预制棒表面的硅氧键排列重组，一方面降低了光纤预制棒的表面粗糙度，解决光纤低损耗问题，另一方面，为实现高性能高一致性掺镱光纤的制造奠定良好的结构设计基础。
附图说明
图1为本发明实施例1中掺镱光纤的结构示意图；
图2为本发明实施例1中包层的结构示意图；
图3为本发明实施例1中包层长边延长线围合的图形示意图；
图4为未经过抛光处理的预制棒粗糙度测试结果；
图5为经过抛光处理后的预制棒粗糙度测试结果。
图中：1-纤芯，2-包层，3-内涂层，4-外涂层。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1和图2所示，本发明实施例1提供一种掺镱光纤，所述光纤由内到外依次为纤芯1、包层2、内涂层3、外涂层4，所述包层2横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，且所述包层2边缘通过气相反应腐蚀和火焰抛光组合进行抛光处理。
本发明实施例1的掺镱光纤的包层2横截面为中心对称的十六边形，与圆形对称结构相比，此种非圆形对称结构设计仍然具有多个角的突出设计，使掺镱光纤保持良好的激光性能；与正八边形结构相比，此种十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，短边的设计可以减少突出尖锐结构设计，在生产制造过程中，所述十六边形可以是在正八边形结构的基础上通过削掉八个角而成，原正八边形的边被削掉一部分后形成所述十六边形的长边，削掉八个角后形成所述十六边形的短边，掺镱光纤在涂覆器中旋转时，八个短边首先来对接触的涂料起到良好的引导，从而可以避免掺镱光纤在涂覆器中旋转时，会因为其不对称结构或正方形及八边形的尖锐结构导致涂覆器中涂料的异常流动，从而使得本发明实施例中的掺镱光纤适应于大规模大长度的连续生产，而且更易被制造出涂层一致性更高的掺镱光纤。
同时，所述包层2边缘进行抛光处理，可以对多孔预制棒表面的硅氧键排列重组，一方面降低了光纤预制棒的表面粗糙度，解决光纤低损耗问题，另一方面，为实现高性能高一致性掺镱光纤的制造奠定良好的结构设计基础。
进一步地，参见图3所示，八条所述长边的延长线相互交叉后可围合成一正八边形，所述正八边形的边长长度为L0，所述十六边形的短边长度为L1，所述十六边形的长边长度为L2，L1：L0＝1:4～1:8。所述正八边形的每个顶角处超出所述十六边形的区域面积为S1，所述正八边形相邻两边围合而成的三角形面积为S2，S1：S2＝1:3～1:5，使得掺镱光纤在生产制造时，短边对接触的涂料起到更好的引导作用，可避免长边和短边形成的角过于尖锐而导致异常涂料流动。
实施例2
作为一种较好的可选方式，本发明实施例2提供一种掺镱光纤，所述光纤由内到外依次为纤芯1、包层2、内涂层3、外涂层4，所述包层2横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，且所述包层2边缘通过气相反应腐蚀和火焰抛光组合进行抛光处理。所述内涂层3为低折射率涂层，所述外涂层4为高折射率涂层。所述内涂层3的折射率范围为1.369～1.382，所述外涂层4的折射率范围为1.475～1.520。
由于光只有在从光密介质折射率大向光疏介质折射率小传播的情况下，才能发生全反射。在本实施例中，所述外涂层4为高折射率涂层，所述内涂层3为低折射率涂层，外涂层4的折射率大于内涂层3的折射率，当光纤外部有光射入时，可以在外涂层4位置发生全反射，从而减少外部光的干扰，使光纤性能更加优良。
实施例3
作为一种较好的可选方式，本发明实施例3提供一种掺镱光纤，所述光纤由内到外依次为纤芯1、包层2、内涂层3、外涂层4，所述包层2横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，且所述包层2边缘通过气相反应腐蚀和火焰抛光组合进行抛光处理。所述纤芯1的直径范围10.0um～12.0um。所述包层2相对两长边的距离范围为125um～131um。所述外涂层4的直径范围为230.0um～260.0um。经测量，该种参数的掺镱光纤性能较好，可以保持良好的激光性能。
实施例4
作为一种较好的可选方式，本发明实施例4提供一种掺镱光纤，所述光纤由内到外依次为纤芯1、包层2、内涂层3、外涂层4，所述包层2横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，且所述包层2边缘通过气相反应腐蚀和火焰抛光组合进行抛光处理。所述纤芯1和包层2的同心度不大于3.0um，所述纤芯1数值孔径范围为0.065-0.075，所述包层2数值孔径大于等于0.46。
实施例5
作为一种较好的可选方式，本发明实施例5提供一种掺镱光纤，所述光纤由内到外依次为纤芯1、包层2、内涂层3、外涂层4，所述包层2横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，且所述包层2边缘通过气相反应腐蚀和火焰抛光组合进行抛光处理。所述掺镱光纤在915nm波长的吸收系数为0.85dB/m～1.55dB/m，在975nm波长的吸收系数为2.40dB/m～3.40dB/m。
实施例6
作为一种较好的可选方式，本发明实施例6提供一种掺镱光纤，所述光纤由内到外依次为纤芯1、包层2、内涂层3、外涂层4，所述包层2横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，且所述包层2边缘通过气相反应腐蚀和火焰抛光组合进行抛光处理。所述纤芯1为掺锗、磷、镱的石英材料，所述包层2为石英材料的石英包层。
在光纤中掺杂稀土元素的目的是，促成被动的传输光纤转变为具有放大能力的主动光纤，这种光纤的激光特性、光放大特性、磁光特性等均与掺杂稀土元素离子的种类、性质、浓度及其分布等密切相关。
实施例7
本发明实施例还提供了一种掺镱光纤的制造方法，所述光纤由内到外依次为纤芯1、包层2、内涂层3、外涂层4，其特征在于：所述包层2横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，且所述包层2边缘进行抛光处理，在制造过程中，所述十六边形是在正八边形结构的基础上通过削掉八个角而成。
在本实施例中，正八边形的边被削掉一部分后形成所述十六边形的长边，削掉八个角后形成所述十六边形的短边，掺镱光纤在涂覆器中旋转时，八个短边首先来对接触的涂料起到良好的引导，从而可以避免掺镱光纤在涂覆器中旋转时，会因为其不对称结构或正方形及八边形的尖锐结构导致涂覆器中涂料的异常流动，从而使得本发明实施例中的掺镱光纤适应于大规模大长度的连续生产，而且更易被制造出涂层一致性更高的掺镱光纤。
进一步地，一种掺镱光纤的制造方法还包括对所述包层2边缘进行抛光处理，可以对多孔预制棒表面的硅氧键排列重组，一方面降低了光纤预制棒的表面粗糙度，解决光纤低损耗问题，另一方面，为实现高性能高一致性掺镱光纤的制造奠定良好的结构设计基础。
参见图4和图5所示，经过气相反应腐蚀和火焰抛光组合处理后的预制棒表面粗糙度极大的降低了。
本发明实施例中掺镱光纤结构的参数示例如下表1所示：
表1：光纤结构参数表
Figure BDA0001649496290000091
Figure BDA0001649496290000101
通过对本发明实施例中上述不同参数的掺镱光纤进行性能测试，得到上述掺镱光纤的性能指标范围如下表2所示：
表2：掺镱光纤的性能指标范围
Figure BDA0001649496290000102
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种掺镱光纤，所述光纤由内到外依次为纤芯(1)、包层(2)、内涂层(3)、外涂层(4)，其特征在于：所述包层(2)横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，所述十六边形是在正八边形结构的基础上通过削掉八个角而成；
八条所述长边的延长线相互交叉后可围合成一正八边形，所述正八边形的边长长度为L0，所述十六边形的短边长度为L1，L1：L0＝1:4～1:8；
所述正八边形的每个顶角处超出所述十六边形的区域面积为S1，所述正八边形相邻两边围合而成的三角形面积为S2，S1：S2＝1:3～1:5。
2.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于：所述包层(2)边缘进行抛光处理。
3.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于：所述内涂层(3)的折射率范围为1.369～1.382，所述外涂层(4)的折射率范围为1.475～1.520。
4.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于：所述纤芯(1)的直径范围10.0um～12.0um，所述包层(2)相对两长边的距离范围为125um～131um，所述外涂层(4)的直径范围为230.0um～260.0um。
5.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于：所述纤芯(1)和包层(2)的同心度不大于3.0um，所述纤芯(1)数值孔径范围为0.065～0.075，所述包层(2)数值孔径大于等于0.46。
6.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于：所述掺镱光纤在915nm波长的吸收系数为0.85dB/m～1.55dB/m，在975nm波长的吸收系数为2.40dB/m～3.40dB/m。
7.一种基于如权利要求1所述的掺镱光纤的制造方法，其特征在于：所述十六边形是在正八边形结构的基础上通过削掉八个角而成。
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