CN110777429A - 一种晶体光纤的制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤制备技术领域，特别涉及晶体光纤的制备装置及方法。一种晶体光纤的制备装置,其特征在于，包括：保温炉，炉体内设有石墨件；加热光源组件，包括CO2激光器和抛物镜；送棒装置，用于固定晶体预制棒，并将棒体送入炉内；提拉装置，用于提拉牵引晶体；所述保温炉内设有支架；所述抛物镜安装在所述支架的顶部；所述CO2激光器的光束经抛物镜的汇聚在石墨件内部温场中形成加热源。本发明的晶体光纤的制备装置及方法，通过将保温炉与LHPG技术结合，LHPG技术提供加热源，保温炉提供合理的温场对晶体光纤制备环境的温度进行精确控制，发挥二者的优势，从而使晶体光纤在制备过程中可以更好的结晶并逐步释放应力，达到制备高质量晶体光纤的目的。

Description

一种晶体光纤的制备装置及方法
技术领域
本发明属于光纤制备技术领域，特别涉及晶体光纤的制备装置及方法。
背景技术
晶体光纤是一种新型的高性能光纤材料，区别于传统石英光纤，晶体光纤采用晶体（如：蓝宝石，YAG）作为纤芯材料，具有与石英光纤类似的波导结构。与传统石英光纤相比，晶体光纤具有稀土离子掺杂浓度高，损伤阈值高，受激布里渊散射系数小，抗拉伸强度高，热性能好，抗腐蚀等优点，因此，可以广泛应用于高功率光纤激光器，高温、强酸、强碱等恶劣环境传感等领域。
激光加热基座法(LHPG)是制备晶体光纤的一种常用的技术。该技术通过激光加热熔化晶体棒的上端面，再通过种子牵引向上提拉制成光纤。LHPG技术在真空中利用CO2激光进行加热，生长过程可由电脑精确控制，不需要使用坩埚等晶体生长容器，因此具有无污染的优点，且加热温度高，能够生长多种高熔点晶体。
然而，目前利用LHPG技术制备高质量晶体光纤仍存在问题。在LHPG技术中，采用CO2激光在真空中汇聚加热的方式，因此高温加热区仅存在于激光焦点处，加热区域纵向长度在百微米量级，并且温度可高于2000℃，离开该区域后温度迅速降低至室温，经历的温度落差过大，因此，晶体光纤内部容易积蓄较大的应力，导致制备的晶体光纤出现裂纹，使用过程中易碎裂；同时，也极大的影响所制备的晶体光纤的表面光滑度、芯径均匀性，降低晶体光纤的光纤质量。
与晶体光纤不同的是，石英光纤通常采用拉丝塔进行拉制。在LHPG技术中，通过汇聚激光进行加热，其形成的温场高温区近似为点状，适合对狭窄的晶体棒端面进行熔化；而在拉丝塔的保温炉装置中，通过对石墨件通电进行加热，与LHPG技术中激光形成的温场不同，石墨件形成的温场高温区域纵向长度较长，如果用于熔化晶体棒会导致较长长度的晶体棒整体熔化，正因如此拉丝塔不被用于制备晶体光纤。石墨件虽然不适合作为制备晶体光纤的加热源，但是可以为晶体光纤制备提供较为合理的温场；相反，LHPG技术适合作为制备晶体光纤的加热源，却无法形成合理的温场。
发明内容
为解决现有技术中光纤制备过程中温度变化过大，而导致晶体光纤质量变差的问题，本发明提供一种新型晶体光纤的制备装置。通过将保温炉与LHPG技术结合， LHPG技术提供加热源，保温炉提供合理的温场对晶体光纤制备环境的温度进行精确控制，从而使晶体光纤在制备过程中可以更好的结晶并逐步释放应力，从而达到制备高质量晶体光纤的目的。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种晶体光纤的制备装置,包括：
保温炉，炉体内设有石墨件；
加热光源组件，包括CO2激光器和抛物镜；
送棒装置，用于固定晶体预制棒，并将棒体送入温场；
提拉装置，用于提拉牵引晶体；
所述保温炉内设有支架；所述抛物镜安装在所述支架的顶部；所述CO2激光器的光束经抛物镜的汇聚在石墨件内部温场中形成加热源。
作为本发明的进一步改进，所述的石墨件为沙漏形。
作为本发明的进一步改进,所述的抛物镜中部开设有供所述提拉装置通过的孔。
作为本发明的进一步改进,所述的抛物镜采用钨钼合金制成，表面镀有金属铱。
作为本发明的进一步改进，所述保温炉的顶部开设有上炉口，所述上炉口的直径可调节；上炉口中心位于所述抛物镜中心的正上方。
作为本发明的进一步改进，所述保温炉的底部设有退火管，所述退火管的管口设有硒化锌窗口片，所述硒化锌窗口片上开设供晶体预制棒通过的孔。
作为本发明的进一步改进，所述保温炉的炉体上设有充气管，所述充气管用于向炉内冲入惰性气体。
作为本发明的进一步改进，所述的保温炉外部设有循环冷却水，用于对炉体降温。
作为本发明的进一步改进，所述石墨件上设有CCD相机，所述CCD相机安装在石墨件中部开设的孔内。
本发明还提供了一种晶体光纤的制备方法，包括：
启动保温炉，在保温炉中通入氮气，并开启外部水循环，保温炉温度逐渐提高至1800℃后改通氩气；
将YAG晶体棒固定于送棒装置上，穿过硒化锌窗口片中心的小孔进入石墨件内；将种子固定于上方的提拉装置上；
打开CO2激光器，光束经反射，透过硒化锌窗口片竖直进入保温炉，经抛物镜汇聚为一点，调节YAG晶体棒上端面位于激光反射焦点处；
通过CCD相机观察到晶体棒上端面熔化后，保持CO2激光器功率稳定；
下降种子与熔区接触，调节种子位置使之处于熔区中心，缓慢提升提拉装置，拉制出晶体光纤。
作为本发明的进一步改进，所述提拉装置的提拉速度与送棒装置的送棒速度比为9:1。
通过CCD相机可以实时监控熔融区的状态，以便于及时对CO2激光器功率做出调整，同时也可以实时测量拉制的晶体光纤直径，及时对送棒装置速度和提拉装置速度做出调整。
本发明的晶体光纤的制备装置及方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明的装置，在保温炉内放置沙漏形石墨件，石墨件内径越大对应圆心处的温度越低，从而形成温度由中间向两端逐渐降低的温场。通过石墨件形成的温场来使晶体光纤缓慢均匀降温，释放晶体光纤内部应力，减少裂纹出现，同时改善光纤直径均匀度差的问题，提高晶体光纤质量。
2.本发明创新性地将抛物镜与保温炉通过支架连接，实现LHPG技术与保温炉结合的同时，又不影响石墨加热件的更换。
3.本发明选材独特，抛物镜基料采用耐高温的钨钼合金制成，并在其表面镀铱处理，耐高温的同时还增强了抛物镜表面的反光效果。
附图说明
图1是本发明实施例的晶体光纤的制备装置整体结构连接图；
图2为保温炉剖面图；
图3为开孔处理后的石墨件以及保温炉的立体示意图；
图4是直径大小可调的上炉口示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本发明实施例的晶体光纤的制备装置,整体结构如图1所示,主要包括：10.6μm波长的CO2激光器1，与CO2激光器共线的He-Ne激光器2、扩束器3，分光器4，环形反射镜5，抛物镜12，提拉装置13，送棒装置6，保温炉9。
CO2激光器1通过与He-Ne激光器2光束共线来标定光路；扩束器3中心、分光器4的中心与激光光路共轴，保证CO2激光能够均匀扩束，并且光束能够被分光器均匀分成环形；且环形反射镜5、扩束器3、分光器4中心水平方向共轴，环形反射镜5与水平光轴成45°放置在保温炉9的正下方，保证沿水平传播的激光反射后垂直透过硒化锌窗口片7进入保温炉内部。
如图1和图2所示，在保温炉9的内部，设有石墨件10。石墨件10为两端开口的中空腔体，石墨件10的形状优选沙漏形。
石墨件10放置在炉体内的电极上，通电后可对石墨件进行加热。由于沙漏形石墨件的内径从中间向两端逐渐增大，内径越大对应圆心处的温度越低，从而形成温度由中间向两端逐渐降低的温场。通过此温场来使晶体光纤缓慢降温，释放内部应力，减少裂纹出现，同时改善光纤直径均匀度差的问题，提高晶体光纤质量。
在石墨件10的内部，设有支架16，支架的下端固定在保温炉9底部，支架16的上部安装有抛物镜12。
保温炉9、石墨件10及支架16的中心轴线共线，并且抛物镜12的焦点也位于该中心轴线上。
在保温炉9的底部设有退火管14，退火管14的下端管口安装有硒化锌窗口片7。硒化锌窗口片可以透过波长为10.6μm的CO2激光，并且在退火管底部温度较低，不会达到破坏硒化锌窗口片的阈值温度。在硒化锌窗口片7的中部开设有一个小孔，用于供晶体预制棒通过。
送棒装置6设置在保温炉的退火管14下方，用于固定晶体预制棒，并将晶体预制棒送入保温炉内。
提拉装置13设置在保温炉的上方，用于固定种子11，并对液态晶体进行提拉使之形成光纤。
保温炉9的上炉口15直径大小可调，如图1和4所示。上炉口15的设置用于在保温炉9的顶部打开一个孔，便于提拉装置13通过，并且孔径可以根据需要进行调整，使孔径尽可能接近提拉装置13的外径，但又不能与提拉装置外壁接触，影响提拉装置通过。因为保温炉9内的石墨件10通电时在有氧气的情况下达到高温可能会燃烧，为了避免石墨件燃烧，要尽可能减少氧气的进入，对提拉装置通过的孔径进行调整的目的便在于此。
在本发明的一些实施例中，环形反射镜5的内环直径为1.5-2.5cm，外径3-6cm。
在本发明的一些实施例中，抛物镜12基料采用耐高温的钨钼合金制成，由于铱的金属光泽好且耐高温，为了增加反射效果，在抛物镜表面镀铱处理。
在本发明的一些实施例中，为了实时监测晶体光纤直径以及熔融区状态，沙漏形石墨件最细的中心处直径为10cm，在中心位置垂直的两个方向各做出一个孔洞用于放置CCD相机，直径为5cm，石墨件总高度可根据实际调整。如图3所示，同时保温炉9外壁对应的位置也做同样开孔处理。
在本发明的一些实施例中，保温炉9外壁设有循环冷却水，增强散热效果，制备过程中需要不断向保温炉中充入氩气，防止石墨件在通电情况下与氧气接触而燃烧。
本发明提供的晶体光纤的制备方法，以制备直径为200μm的YAG晶体光纤为例，制备流程如下：
1、清洁炉腔、抛物镜和环形反射镜，在制备YAG晶体光纤之前，启动保温炉，在保温炉中通入氮气，并开启外部水循环，保温炉温度逐渐提高至1800℃后改通氩气；石墨件通电后产生温度呈现由中心向两端递减分布的温场。
2、将直径600μm的YAG晶体棒固定于送棒装置上，并且穿过硒化锌窗口片中心直径2mm的小孔进入保温炉内，将种子固定于上方的提拉装置上。
3、打开功率可调的CO2激光器与He-Ne激光器，扩束后的水平红色的激光束经过分光镜分光变成均匀环形，通过内径2cm外径4cm的环形反射镜反射，透过中心有2mm小孔的硒化锌窗口片竖直进入保温炉，经抛物镜点汇聚为一点，调节YAG晶体棒上端面位于激光反射焦点处。将功率缓慢调高至150W,通过石墨件开孔处放置的CCD相机观察到晶体棒上端面熔化后，保持功率稳定。
4、由于表面张力的作用，晶体上端面会形成水珠状的凸起，此时下降种子与熔区接触，调节种子位置使之处于熔区中心，种子在提拉装置的牵引下缓慢提升，蘸取的液态晶体离开聚焦点，当温度低于熔点时液态晶体开始结晶，随着种子的缓慢提拉得到高质量晶体光纤。
5、 YAG晶体光纤制备完成后依次关闭激光器和保温炉电源。
通过控制提拉装置与送棒装置的速度比可以制得不同直径的晶体光纤，其中晶体光纤直径与晶体预制棒直径比约为1:3时较为理想。制备过程中上部提拉速度为4.5cm/min，底部送棒装置速度为0.5cm/min，按照9:1的提拉送棒速度比得到直径约为200μm的YAG晶体光纤，通过CCD相机可以实时监控熔融区的状态，以便于及时对CO2激光器功率做出调整，同时也可以实时测量拉制的晶体光纤直径，及时对送棒装置速度和提拉装置速度做出调整。

Claims (10)

1.一种晶体光纤的制备装置,其特征在于，包括：
保温炉，炉体内设有石墨件；
加热光源组件，包括CO2激光器和抛物镜；
送棒装置，用于固定晶体预制棒，并将棒体送入炉内；
提拉装置，用于提拉牵引晶体；
其特征在于：所述保温炉内设有支架；所述抛物镜安装在所述支架的顶部；所述CO2激光器的光束经抛物镜的汇聚在石墨件内部温场中形成加热源。
2.根据权利要求1所述的晶体光纤的制备装置,其特征在于，所述的石墨件为沙漏形。
3.根据权利要求1所述的晶体光纤的制备装置,其特征在于，所述的抛物镜中部开设有供所述提拉装置通过的孔。
4.根据权利要求3所述的晶体光纤的制备装置,其特征在于，所述的抛物镜采用钨钼合金制成，表面镀有金属铱。
5.根据权利要求1所述的晶体光纤的制备装置,其特征在于，所述保温炉的顶部开设有上炉口，所述上炉口的直径可调节；上炉口中心位于所述抛物镜中心的正上方。
6.根据权利要求1所述的晶体光纤的制备装置,其特征在于，所述保温炉的底部设有退火管，所述退火管的管口安装硒化锌窗口片，所述硒化锌窗口片上开设供晶体预制棒通过的孔。
7.根据权利要求1所述的晶体光纤的制备装置,其特征在于，所述保温炉的炉体上设有充气管，所述充气管用于向炉内冲入惰性气体；保温炉外部设有循环水冷装置，用于对炉体降温。
8.根据权利要求1所述的晶体光纤的制备装置,其特征在于，所述石墨件上设有CCD相机，所述CCD相机安装在石墨件中部开设的孔内。
9.一种晶体光纤的制备方法，其特征在于：包括：
启动保温炉，在保温炉中通入氮气，并开启外部水循环，保温炉温度逐渐提高至1800℃后改通氩气；
将YAG晶体棒固定于送棒装置上，穿过硒化锌窗口片中心的小孔进入石墨件内；将种子固定于上方的提拉装置上；
打开CO2激光器，光束经反射，透过硒化锌窗口片竖直进入保温炉，经抛物镜汇聚为一点，调节YAG晶体棒上端面位于激光反射焦点处；
通过CCD相机观察到晶体棒上端面熔化后，保持CO2激光器功率稳定；
下降种子与熔区接触，调节种子位置使之处于熔区中心，缓慢提升提拉装置，拉制出晶体光纤。
10.根据权利要求9所述的晶体光纤的制备方法，其特征在于：所述提拉装置的提拉速度与送棒装置的送棒速度比为9:1。
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