CN108975675A - 方型芯光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种方型芯光纤及其制备方法，光纤的纤芯不是圆形，呈正方形或矩形或多边形结构。光纤纤芯采用纯石英或者GeO2掺杂材料，预制棒制备的过程需要芯棒和包层衬管在加温的条件下抽真空，消除预制棒中纤芯和包层的空气，实现熔缩后的预制棒外缘是一个方型结构。预制棒的尺寸一般是几十毫米直径，拉成光纤后，光纤的截面是圆形，纤芯是多边形结构。为了克服由于高温引起的材料表面张力过大及平衡由于低温拉制时光纤本身的张力过大，对光纤拉制温度和拉制速度进行相应控制。该方型芯光纤可拓展半导体激光器功率，具有更高效率、更低成本、结构简单、可直接用于柔性加工现场的优势，大幅提升了半导体激光器应用。
Description
技术领域
本发明属于光纤制备技术领域，尤其涉及一种方型芯光纤及其制备方法。
背景技术
在激光加工应用的推动下，大功率半导体激光器得到了迅速发展，其输出光束功率大、亮度高，成为世界各国关注的焦点。半导体激光器与其它类型的激光器相比，优势十分突出，可直接用于激光焊接、熔覆以及表面处理等激光制造领域中。半导体激光光纤能量合束组件作为大功率高亮度半导体激光器的核心器件之一，能高效提升半导体激光器的输出功率，与其他半导体激光器合束系统相比，其具有高效率、低成本、结构简单的优势，是当前半导体激光合束研究领域中最新的热点之一。
方形芯传能光纤的纤芯呈正方形或矩形，和半导体激光器输出端的模式匹配较好，可以提高耦合效率，可以广泛应用于半导体激光器光纤合束器组件中，可将N个半导体激光模块输出激光合束输出，半导体激光器合束后的激光光束质量达到最大限度地保持，合束器组件亮度比接近1。通过对方形输出光纤的自主研发和工艺研究，推动新一代可高效率半导体激光合束器件的研制。目前，国内外高功率光纤合束组件主要被加拿大ITF实验室垄断，该实验室是生产的光纤合束器类型多，性能高且稳定，大部分高功率光纤激光生产厂商及实验室所用的光纤合束组件均从其公司采购。2004年到2009年间，加拿大ITF实验室报道了一系列种高亮度功率合束器的实验成果。其端面耦合结构从4×1到19×1型不等，耦合器的耦合效率最高可达93％。同时，美国OFS实验室以朗讯贝尔实验室为强力依托，也在高功率无源光纤组件领域保持着技术领先优势。2016年，该实验室报道了一种7×1型端面耦合结构的高亮度功率合束器，其耦合器的亮度比为1.1。商业化的该类合束器的传输效率约90％，OFS实验室报道了其同类合束器可实现泵浦传输效率达99％。国内的珠海光库，深圳朗光科技、清华大学、国防科技大学等在高功率低亮度光纤合束组件领域表现优秀。而对于高亮度光纤合束组件的研制，国内的相关报道罕见，相关的国产产品几乎没有出现。
以半导体激光器为核心的激光技术，在科学研究、工业制造、国防建设、生物医疗、信息产业、资源环境以及文化娱乐等领域获得了广泛的应用。在中国制造业转型升级的大环境下，半导体激光器的效率高、能耗小、寿命长、性价比高等优势更加突显。最新研究表明，半导体激光器不仅仅是作为复杂及高成本的光纤激光器和碟片激光器的泵浦源，在很多领域半导体激光器成为一项新科技去替代传统技术，直接应用于激光医疗，材料处理如熔覆、焊接等领域。半导体激光器如果能够在亮度和功率上进一步拓展，这还将大大增加半导体激光器的应用范畴。
光纤能量合束器组件作为一种新型用于拓展半导体激光器功率的合束组件，具有高效率、低成本、结构简单、可直接用于柔性加工现场的优势，大幅提升了半导体激光器应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种方型芯光纤及其制备方法，可拓展半导体激光器功率，具有更高效率、更低成本、结构简单、可直接用于柔性加工现场的优势，大幅提升了半导体激光器应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种方型芯光纤，包括有纤芯和包层，该光纤的纤芯是多边形纤芯(正方形或矩形或其它多边形)，包层采用折射率低于纤芯材料的掺氟衬管，通过把芯棒套入掺氟衬管实现预制棒制备，纤芯为石英基材，掺杂二氧化锗，纤芯的折射率是1.4570-1.4750。
按上述技术方案，光纤的数值孔径在0.10-0.25之间。采用高分子材料光纤涂覆层。通过化学气相沉积法掺杂一定比例的二氧化锗调整纤芯的折射率。
按上述技术方案，掺氟包层的折射率是1.4360-1.4534。
按上述技术方案，光纤的裸纤外径纤芯尺寸为20μm-1000μm。
本发明还提供一种方型芯光纤制备方法，包括以下步骤，步骤一：制备芯棒，将芯棒进行拉伸处理；采用CVD法准备芯棒；将芯棒进行拉伸处理，将制作的玻璃棒外径拉伸到接近于所需外径，必要时在车床上将其打磨成圆形，以保证外径均匀，并且接近与所需外径尺寸：误差达到±0.1mm，方便标记打磨方形芯棒。
步骤二：将芯棒打磨成正方形或矩形或多边形；
步骤三：制备掺氟套管，所用的材料是石英衬管，壁厚1-3mm，沉积的掺氟层壁厚0.5-3.1mm，沉积之后的内径呈轴对称；
步骤四：将芯棒插入掺氟衬管内部，高温条件下抽真空熔缩成预制棒，将熔缩后的预制棒放在退火炉里退火，释放内部的应力；
步骤五：打磨预制棒；
步骤六：打磨后的预制棒进行清洗操作后架在光纤拉丝塔上进行光纤制备，光纤拉制温度为1600-1900℃，拉制速度为5-20m/min，裸纤外径纤芯尺寸为20μm-1000μm。
光纤的纤芯需要进行内应力控制。方型的芯棒在玻璃磨床上打磨完成后进行火焰抛光，使其表面光滑，否则在熔缩过程中会在纤芯和包层之间产生气泡，影响光传输的损耗。因此熔缩完成后，需要将整根预制棒放如退火炉里面退火5-8个小时，释放内部应力，避免内部应力不均匀很有可能会导致预制棒炸裂。
按上述技术方案，所述步骤二中，芯棒长度范围是200-1000mm，等边情况下芯棒横截面边长是6-27mm，不等边情况下芯棒横截面边长是2-27mm，步骤二中还包括火焰抛光，将芯棒放在实验台上，用氢氧焰进行手动抛光，去除磨砂，使其表面光滑。
按上述技术方案，所述步骤四中，熔缩时将芯棒插入掺氟衬管内部，用氢氧焰加热并且抽负压使芯棒与掺氟衬管贴合，氢氧焰的温度在1750℃-2200℃之间，压力在-90KPa到-105KPa之间；熔缩棒的截面是一个多边形结构，角度处呈弧形。退火时间为5-8个小时，退火温度是1000℃-1300℃。为了方便操作，一般地，方形芯棒的一端接延长棒，另一端进行拉锥处理。
按上述技术方案，所述步骤三中，衬管的外径尺寸为20-50mm，内径尺寸为15-42.8mm；所述步骤五中，熔缩后的预制棒的外缘是一个类方形的结构，将预制棒放在车床上打磨成外径16-74mm。
按上述技术方案，涂层材料是丙烯酸树脂。涂层可以加强此类大芯径光纤的柔韧性，使其易于弯曲。
本发明产生的有益效果是：本发明在光纤拉制工艺过程中，为了克服由于高温引起的材料表面张力过大，而改变了方形芯结构，对光纤拉制温度进行了控制，同时为了平衡由于低温拉制时光纤本身的张力过大，光纤拉制速度也进行了相应调整，该方型芯光纤可拓展半导体激光器功率，具有更高效率、更低成本、结构简单、可直接用于柔性加工现场的优势，大幅提升了半导体激光器应用。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中正方形芯大芯径光纤截面示意图；
图2是本发明实施例中矩形芯大芯径光纤截面示意图；
图3是本发明实施例中六边形芯大芯径光纤截面示意图；
图4是采用本发明方法实施例制备的正方形芯预制棒；
图5是采用本发明方法实施例制备的矩形芯预制棒；
图6是采用本发明方法实施例制备的六边形芯预制棒。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例一中，提供一种方型纤光纤，如图1-3所示，该光纤的纤芯是多边形纤芯，包层采用折射率低于纤芯材料的掺氟衬管，通过把芯棒套入掺氟衬管实现预制棒制备，纤芯为石英基材，掺杂二氧化锗，纤芯的折射率是1.4570-1.4750，光纤的数值孔径在0.10-0.25之间，掺氟包层的折射率是1.4360-1.4534，裸纤外径纤芯尺寸为20μm-1000μm。光纤的纤芯有多个边，呈多边形(正方形、矩形或其他多边形)的结构，方形芯的顶角处呈弧形。光纤纤芯是方形的石英基材料，通过方形芯棒套入一个略低折射率的玻璃套管工艺，实现整体预制棒的制备。预制棒制备的过程在芯棒和包层衬管之间进行高温抽真空工艺，消除预制棒中纤芯和包层的空气部分。熔缩后的预制棒外缘是一个类方形结构，尺寸比较大，在车床上将外缘打磨成圆形，拉成光纤后，整体截面是一个圆形，纤芯保持多边形结构。
在本发明的实施例二中，提供一种正方形芯光纤制备方法，包括以下步骤：
1.采用CVD法准备石英基材料的芯棒；
2.芯棒拉伸，将芯棒进行拉伸处理，将制作的玻璃棒外径拉伸到接近于所需外径，需要在车床上将其打磨成圆形，并且接近与所需外径尺寸误差达到±0.1mm；
3.将芯棒打磨成多边形，多边形边长的长度为6-27mm；多边形芯棒的一端接延长棒，另一端进行拉锥处理；
4.火焰抛光，将多边形芯棒放在实验台上，用氢氧焰进行抛光，使其表面光滑；
5.采用化学气象沉积法(CVD)制备掺氟套管，所用的材料是石英衬管，壁厚1-3mm，沉积的掺氟层壁厚0.5-3.1mm；
6.熔缩预制棒，将制备的芯棒插入掺氟衬管里，高温条件下抽真空熔缩成预制棒，如图4-6所示，将熔缩后的预制棒放在退火炉里退火7个小时，释放内部的应力。光纤预制棒通过氢氧焰进行熔缩的过程，火焰的温度为2000℃，光纤预制棒的长度为500mm。
7.预制棒的外缘打磨，熔缩后的预制棒的外缘是一个类方形的结构。将其放在车床上打磨成外径16-74mm。
8.清洗干燥，将打磨后的预制棒进行清洗，主要是要在酸碱环境下清洗，去除表面杂质，并在洁净环境下干燥8小时以上。
9.预制棒拉丝，本方案要求的光纤裸纤外径20-1000μm，涂层外径27-1352μm。在高温的条件下拉制光纤，所用涂层材料为丙烯酸树脂。
图1中方型芯光纤的外径是740μm，正方形芯边长为400μm，包层厚度为30μm。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种方型芯光纤，包括有纤芯和包层，其特征在于，该光纤的纤芯是多边形纤芯，包层采用折射率低于纤芯材料的掺氟衬管，通过把芯棒套入掺氟衬管实现预制棒制备，纤芯为石英基材，掺杂二氧化锗，纤芯的折射率是1.4570-1.4750。
2.根据权利要求1所述的方型芯光纤，其特征在于，光纤的数值孔径在0.10-0.25之间。
3.根据权利要求1或2所述的方型芯光纤，其特征在于，掺氟包层的折射率是1.4360-1.4534。
4.根据权利要求1或2所述的方型芯光纤，其特征在于，光纤的裸纤外径纤芯尺寸为20μm-1000μm。
5.一种权利要求1-4任一项所述的方型芯光纤制备方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤一：制备芯棒，将芯棒进行拉伸处理；
步骤二：将芯棒打磨成正方形或矩形或多边形；
步骤三：制备掺氟套管，所用的材料是石英衬管，壁厚1-3mm，沉积的掺氟层壁厚0.5-3.1mm，沉积之后的内径呈轴对称；
步骤四：将芯棒插入掺氟衬管内部，高温条件下抽真空熔缩成预制棒，将熔缩后的预制棒放在退火炉里退火，释放内部的应力；
步骤五：打磨预制棒；
步骤六：打磨后的预制棒进行清洗操作后架在光纤拉丝塔上进行光纤制备，光纤拉制温度为1600-1900℃，拉制速度为5-20m/min，裸纤外径纤芯尺寸为20μm-1000μm。
6.根据权利要求5所述的方型芯光纤制备方法，其特征在于，所述步骤二中，芯棒长度范围是200-1000mm，等边情况下芯棒横截面边长是6-27mm，不等边情况下芯棒横截面边长是2-27mm，步骤二中还包括火焰抛光，将芯棒放在实验台上，用氢氧焰进行手动抛光，去除磨砂，使其表面光滑。
7.根据权利要求5或6所述的方型芯光纤制备方法，其特征在于，所述步骤四中，熔缩时将芯棒插入掺氟衬管内部，用氢氧焰加热并且抽负压使芯棒与掺氟衬管贴合，氢氧焰的温度在1750℃-2200℃之间，压力在-90KPa到-105KPa之间；退火时间为5-8个小时，退火温度是1000℃-1300℃。
8.根据权利要求5或6所述的方型芯光纤制备方法，其特征在于，所述步骤三中，衬管的外径尺寸为20-50mm，内径尺寸为15-42.8mm；所述步骤五中，将预制棒放在车床上打磨成外径16-74mm。
9.根据权利要求5或6所述的方型芯光纤制备方法，其特征在于，涂层材料是丙烯酸树脂。
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