CN111025456A - 一种微结构异形芯光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微结构异形芯光纤及其制备方法，光纤的纤芯是正方形、矩形或者多边形结构，光纤纤芯采用高纯石英或者GeO2掺杂材料。光纤的包层部分是多层毛细孔，其有效折射率低于光纤的纤芯。毛细孔之间的壁厚小于3μm，防止有光从纤芯里面外逸。通过将毛细管、方形芯棒、以及套管的组装，实现整体预制棒的制备。预制棒制备的过程需要在特殊的夹具上进行，并且保证制备环境的高度洁净，消除可能引入的杂志颗粒。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，纤芯是方形结构。

Description

一种微结构异形芯光纤及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤制作技术领域，尤其涉及一种微结构异形芯光纤及其制备方法。
背景技术
在激光加工应用的推动下，具有大功率、高亮度的半导体激光器已成为世界各国关注的焦点。这种激光器优势十分突出：功率率高，能耗小；使用寿命长；高的直接调制能力；体积小、重量轻，高性能价格比；可直接用于激光加工领域中。半导体激光光纤能量合束组件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。
方形纤芯传能光纤可用于光想能量合数组件的输出端。这种光线的纤芯呈正方形，可以将光的模场整形，输出方形平顶光模场。传统的模场的整形方法需要对光纤输出的圆形光束进行复杂的光束整形，聚合物包覆的方形芯光纤受限于数值孔径且在拉丝过程中形状容易发生变化，而本文提出的微结构方形芯光纤在拉丝过程中形状不会发生变化，不会出现所谓的纤芯圆化。这种模场分布的多模光束常被用于特殊的激光加工，比如薄膜表图案化。传统商业应用上的大芯光纤，一般是由一个低折射率的掺杂SiO2或聚合物包覆纯石英纤芯，它受限于可达到的数值孔径。微结构光纤由于是空气包覆纯石英纤芯，不仅能传输高功率的光束，而且有着很大范围的数值孔径。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。
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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种微结构异形芯光纤及其制备方法，结构相对灵活可控，保证任意模场直径的情况下光斑的匀化输出。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种微结构异形芯光纤，包括纤芯、低有效折射率空气包层和高分子材料光纤涂覆层，光纤的纤芯是石英基材的方形或矩形结构，所述光纤包层采用一层空气孔结构，由于空气折射率的影响，包层平均折射率低于纤芯，通过芯棒和毛细管的排列实现预制棒制备，芯棒长度范围为200～1000mm，横截面边长为6～27mm，毛细管的外径尺寸0.25～1.35mm，毛细管材料为纯石英材料或者掺氟玻璃材料，毛细管占空比(毛细管内径与外径的比值)大于80％。
按上述技术方案，纤芯通过化学气相沉积法(Chemical vapor deposition)制备，在制备的过程中掺入二氧化锗(Kato,1995)、氯气或者六氟化硫来调整纤芯的折射率。
按上述技术方案，多边形纤芯外部的空气包层，其结构是一层毛细孔，其有效折射率低于纤芯，可以实现光波导。毛细孔壁厚度为小于3μm，以避免芯层的光模场外逸。包层毛细孔由毛细管排列拉制形成，所用的原材料是石英衬管，由拉丝塔拉制，衬管的尺寸根据拉丝塔的大小和能力决定，一般外径尺寸为0.25～1.35mm之间，占空比大于80％。光纤的外包层是纯石英材料，由扇形石英片组装而成，扇形石英片的尺寸由所设计光纤的芯包比决定。拼接后的组合件外缘呈现一个圆形，用夹具使其固定后，插入匹配尺寸的石英套管中。在拉丝的过程中，组合件的零件之间要抽负压，拉丝环境负压的大小在-5mbar～-30mbar之间，一般拉丝温度在1950～2200℃之间。
按上述技术方案，纤芯折射率是1.4570-1.4750。多边形芯采用石英基材料，折射率是1.4570-1.4750，通过CVD工艺掺入二氧化锗、氯气或者六氟化硫等材料，调节折射率大小；内包层是石英和空气孔的排列结构，由于空气折射率的影响，包层的有效折射率小于纤芯。
按上述技术方案，光纤的外径尺寸从60μm微米量级到1000μm量级。
按上述技术方案，光纤的纤芯进行内应力控制，正方形或者矩形的芯棒在玻璃磨床上打磨完成后进行火焰抛光处理。使其表面光滑，否则在拉丝熔缩过程中会在纤芯和包层之间产生气线，增大光传输的损耗。
按上述技术方案，火焰温度为1750℃-2000℃。
本发明提供一种微结构异形芯光纤制备方法，该方法包括以下步骤，
步骤一：采用CVD法准备芯棒；
步骤二：将芯棒进行拉伸打磨处理；
步骤三：将芯棒打磨成方形或者矩形；
步骤四：火焰抛光；
步骤五：外包层打磨；
步骤六：毛细管拉制以及火焰封口；
步骤七：预制棒组装；
步骤八：拉丝。
按上述技术方案，在光纤拉制工艺过程中，为了保持光纤毛细孔以及方形芯结构，采用的温度范围是1750-2200℃，同时，为了平衡由于低温拉制时光纤本身的张力过大在造成易断，光纤拉制速度也相应降低，光纤拉制速度为5-20m/min。
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。
本发明光纤纤芯是一种多边形结构，材料是石英或者石英基材料，通过多边形芯棒、毛细管、扇形石英片以及套管的组装，进行整体预制棒的制备。预制棒制备的过程中，各部分组装的配件需提前进行计算，在组合件插入套管之前，整体外缘呈现一个圆形，拉成光纤后，整体截面是一个圆形，纤芯保持多边形结构。本发明光纤制作方法包括：磨制出多边形的石英玻璃芯棒，预制棒组装，之后通过光纤拉制工艺，制备出多边形芯光纤。在光纤拉制工艺过程中，为了保持光纤毛细孔以及方形芯结构，所用的温度一般比较低，温度范围是1750-2200℃。同时，为了平衡由于低温拉制时光纤本身的张力过大，光纤拉制速度也相应降低，拉制速度一般为5-20米/分钟。
本发明产生的有益效果是：结构相对灵活可控，纤芯大小可根据具体应用进行设计，异形纤芯边长尺寸可由20um-1000um不等。同时，调节包层的空气孔的尺寸以及占空比可以得到任意数值孔径的传能光纤，数值孔径最大可做到0.9，保证任意模场直径的情况下光斑的匀化输出。
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是本发明实施例微结构方形芯光纤的机构示意图；
图2是本发明实施例中方形芯预制棒示意图；
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。
实施例一：如图1所示，本发明实施例中一种微结构异形芯光纤，包括纤芯、低有效折射率空气包层和高分子材料光纤涂覆层，光纤的纤芯是石英基材的方形结构，光纤包层采用一层空气孔结构，由于空气折射率的影响，包层平均折射率低于纤芯，通过芯棒和毛细管的排列实现预制棒制备，芯棒长度范围为200～1000mm，横截面边长为6～27mm，毛细管的外径尺寸0.25～1.35mm，毛细管材料为纯石英材料或者掺氟玻璃材料，毛细管占空比(毛细管内径与外径的比值)大于80％。纤芯通过化学气相沉积法(Chemical vapor deposition)制备，在制备的过程中掺入二氧化锗、氯气或者六氟化硫来调整纤芯的折射率。多边形纤芯外部的空气包层，其结构是一层毛细孔，其有效折射率低于纤芯，可以实现光波导。毛细孔壁厚度为2μm，以避免芯层的光模场外逸。包层毛细孔由毛细管排列拉制形成，所用的原材料是石英衬管，由拉丝塔拉制，衬管的尺寸根据拉丝塔的大小和能力决定，一般外径尺寸为0.25～1.35mm之间，占空比大于80％。光纤的外包层是纯石英材料，由扇形石英片组装而成，扇形石英片的尺寸由所设计光纤的芯包比决定。拼接后的组合件外缘呈现一个圆形，用夹具使其固定后，插入匹配尺寸的石英套管中。在拉丝的过程中，组合件的零件之间要抽负压，拉丝环境负压的大小在-5mbar～-30mbarbar之间，一般拉丝温度在1950～2200℃之间。方形芯采用石英基材料，折射率是1.4570-1.4750，通过CVD工艺掺入二氧化锗、氯气或者六氟化硫等材料，调节折射率大小；内包层是石英和空气孔的排列结构，由于空气折射率的影响，包层的有效折射率小于纤芯。
实施例二：本发明实施例中提供一种方形芯大芯径光纤制备发法，该发法包括以下步骤：
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，多边形芯棒边长的长度为6-27mm；方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.毛细管拉制，一定占空比的纯石英衬管清洗干燥，放在拉丝塔上进行拉制。拉制后的毛细管在氢氧焰上进行封口处理，以免灰尘或者水汽进入。
6.预制棒组装，将毛细管排列在方形芯棒表面，排好固定；毛细管外层组装外包层扇形石英片，组装完成后用铁丝绑紧。组合件组装完成后插入匹配的圆形套管中。
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.拉丝，组合后的预制棒架在拉丝塔上进行光纤制备，裸纤外径纤芯边长尺寸可以实现60μm-1000μm，所用涂层材料为丙烯酸树脂。
图2为采用本发明方法制备的方形芯预制棒示意图，预制棒的外径是11-50mm，预制棒中多边形芯的边长是6-27mm。预制棒长度为200-1000mm。
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 (10)

1.一种微结构异形芯光纤，其特征在于，包括纤芯、空气包层和光纤涂覆层，光纤的纤芯是石英基材的方形或矩形结构，所述光纤包层采用一层空气孔结构，通过芯棒和毛细管的排列实现预制棒制备，芯棒长度范围为200～1000mm，横截面边长为6～27mm，毛细管的外径尺寸0.25～1.35mm，毛细管占空比大于80％。
2.根据权利要求1所述的微结构异形芯光纤，其特征在于，纤芯通过化学气相沉积法制备，在制备的过程中掺入二氧化锗、氯气或者六氟化硫。
3.根据权利要求1或2或所述的微结构异形芯光纤，其特征在于，多边形纤芯外部的空气包层，其结构是一层毛细孔，毛细孔壁厚度小于3μm，拉丝环境负压的大小在-5mbar～-30mbar之间，一般拉丝温度在1950～2200℃之间。
4.根据权利要求1或2或所述的微结构异形芯光纤，其特征在于，纤芯折射率是1.4570-1.4750。
5.根据权利要求1或2或所述的微结构异形芯光纤，其特征在于，光纤的外径尺寸从60μm微米量级到1000μm量级。
6.根据权利要求1或2或所述的微结构异形芯光纤，其特征在于，光纤的纤芯进行内应力控制，正方形或者矩形的芯棒打磨完成后进行火焰抛光处理。
7.根据权利要求6或所述的微结构异形芯光纤，其特征在于，火焰温度为1750℃-2000℃。
8.一种权利要求1-7任一项所述微结构异形芯光纤制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，
步骤一：采用CVD法准备芯棒；
步骤二：将芯棒进行拉伸打磨处理；
步骤三：将芯棒打磨成方形或者矩形；
步骤四：火焰抛光；
步骤五：外包层打磨；
步骤六：毛细管拉制以及火焰封口；
步骤七：预制棒组装；
步骤八：拉丝。
9.根据权利要求8所述的微结构异形芯光纤制备方法，其特征在于，在光纤拉制工艺过程中，采用的温度范围是1750-2200℃，光纤拉制速度为5-20m/min。
10.根据权利要求8或9所述的微结构异形芯光纤制备方法，其特征在于，涂层材料是丙烯酸树脂。
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