CN111308611A - 一种掺氟拉锥套管及其应用 - Google Patents

一种掺氟拉锥套管及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种掺氟拉锥套管及应用。所述拉锥套管为圆形毛细管，包括掺氟石英层、以及内嵌于掺氟石英层的第一纯硅层，形成掺氟石英层阶跃型折射率分布；所述掺氟石英层，其NA值在0.15至0.23之间，其外径与内径之比大于等于1.1。本发明提供的掺氟拉锥套管，应用于制备合束器，能显耐受高功率，使用寿命长，且能著提高激光合束时的传输效率。

Description

一种掺氟拉锥套管及其应用
技术领域
本发明属于光纤激光领域，更具体地，涉及一种掺氟拉锥套管及其应用。
背景技术
高功率合束器是高功率光纤激光器中的核心器件，可以把多个中低功率的光纤激光器的能量进行合成，使之形成更高功率的激光进行输出。
在合束器的制作过程中熔融合束拉锥是最基础并且最为关键的一步，而针对不同类型不同应用的光纤合束器，有着不同的组束方式，相应地也有着不同的合束拉锥方法。目前制作合束器的主流方法可以归纳为两种：扭转法和套管法。套管法是将全部输入光纤的全部裸纤区域和部分带涂覆层区域一起插入内径略大于光纤束等效直径的石英管里(根据拉锥比例的不同以及用途的不同，石英管可用纯石英管或掺杂其他元素的低折射率石英管)，然后将套着石英管的光纤束放到拉伸台上进行加热拉锥。这种方法中所使用的套管直径对于后续步骤的操作具有重要的影响。当制作泵浦合束器时，由于TFB直径与输出光纤直径相仿，因此套管的壁厚应该尽量的薄，这样更有利于高质量的熔接；而当制作功率合束器时，由于TFB直径通常都远小于输出光纤的包层直径，如此大的直径差距会给熔接带来很大的难度，因此就需要选择壁厚尽可能大的套管，弥补直径上的差距。相比于扭转法，用套管法来制作合束器有着自身的优势：由于不需要扭转，各路输入光纤都是保持顺直的状态，这就避免了由于光纤扭转造成的模场变化，有利于保持光束质量。另一方面，由于光纤束与石英管融合到一起，便于夹持与施加应力，因此在切割与熔接的过程中操作起来比较方便。
套管法同时也存在自身的劣势，石英管材质的好坏对于合束器的性能有着严重的影响，例如石英管材尺寸不均匀导致拉锥不均匀；石英管材质比较脆，在拉丝或者拉锥完成后切割过程端面裂开；纯石英材质不能束光，不能耐受高功率，需要额外添加低折射率涂层导致使用寿命缩短。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种掺氟拉锥套管及其应用，其目的在于通过在低折射率的掺氟石英层以及内嵌于掺氟石英层的纯硅层，形成内部低折射率外部高折射率的多层结构的掺氟毛细管，在具有良好的拉锥性能的同时形成低折射率的外包层，用于制备合束器，应用内反射原理提高合束器的束光能力，降低光纤传能过程的损耗，且石英材质能耐受高功率的激光，由此解决现有的采用有机材料形成低折射率层导致不耐受高功率激光或者采用掺氟石英层由于拉锥性能不佳导致成品率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种掺氟拉锥套管，其特征在于，为圆形毛细管，包括掺氟石英层、以及内嵌于掺氟石英层的第一纯硅层，形成掺氟石英层阶跃型折射率分布；所述掺氟石英层，其NA值在0.15至0.23之间，其外径与内径之比大于等于1.1。
优选地，所述掺氟拉锥套管，其所述第一纯硅层，厚度在5μm至50μm，优选厚度在10μm至20μm之间。
优选地，所述掺氟拉锥套管，其还包括外包于掺氟石英层的第二纯硅层。
优选地，所述掺氟拉锥套管，其按照以下方法制备：
采用管外气相沉积OVD技术，在纯硅石英衬管外表面沉积掺氟石英层形成掺氟管，或者
采用PCVD技术在纯石英玻璃衬管上先沉积掺氟石英层再沉积纯硅层，从而制作内部低折射率外部高折射率的多层结构掺氟管；
将掺氟管通过抛光拉丝切割等工艺加工成掺氟毛细管。
按照本发明的另一个方面，提供了本发明提供的掺氟拉锥套管的应用，所述掺氟拉锥套管应用于制备高功率合束器。
优选地，所述应用，其包括以下步骤：
(1)按照激光合束器制备所采用的拉锥工艺的长度拉伸比例，根据目标光纤的芯包结构，确定掺氟拉锥套管的内径和外径关系，使得拉丝后的掺氟拉锥套管与目标光纤的包层匹配；
(2)按照合束方案，确定掺氟拉锥套管的内径，使得掺氟拉锥套管能容纳预设的多个被合束的光纤；
(3)根据步骤(1)确定的掺氟拉锥套管的内径和外径关系、以及步骤(2)确定的掺氟拉锥套管的内径，设计并制备本发明提供的掺氟拉锥套管；
(4)将预设的多个被合束的光纤或者光纤芯层，穿过所述掺氟拉锥套管，然后进行拉锥把光纤或光纤芯层和掺氟拉锥套管拉锥切断，最后与目标光纤熔接，即制得高功率合束器。
优选地，所述应用，其步骤(2)当被合束的光纤数量较多或直径较大时，根据被合束光纤的芯径确定掺氟拉锥套管的内径，使得掺氟拉锥套管能容纳预设的多个被合束光纤的纤芯。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的掺氟拉锥套管，具有低折射率层和内嵌的纯硅层，形成具有低折射率槽的阶跃结构，同时具有良好的拉锥性能，应用于制备合束器，可在保证成品率的前提下制备耐受高功率、束光能力强、传能损耗低的石英合束器。
本发明提供的掺氟拉锥套管，应用于制备合束器，能显耐受高功率，使用寿命长，且能著提高激光合束时的传输效率。
附图说明
图1是本发明提供的掺氟拉锥套管结构示意图；
图2是本发明实施例提供的掺氟拉锥套管制备合束器时与光纤装配示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为第二纯硅层，2为掺氟石英层，3为第一纯硅层，4为200/220/320光纤。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的掺氟拉锥套管，为圆形毛细管，包括掺氟石英层、以及内嵌于掺氟石英层的第一纯硅层，优选还包括外包于掺氟石英层的第二纯硅层，形成阶跃型折射率分布；
所述掺氟石英层，其NA值在0.15至0.23之间，其外径与内径之比大于等于1.1。所述掺氟石英层，由于其阶跃型的低折射率，形成折射率槽结构，用作激光合束器套管时，适应几乎所有的光纤纤芯、或纤芯及其石英包层，都能形成内反射，从而起到良好的防止激光泄露、降低光纤传能过程损耗的作用。
所述第一纯硅层，厚度在5μm至50μm，优选的厚度在10μm至20μm之间。第一纯硅层内嵌于掺氟石英层，能在利用高温热源或拉丝设备进行拉丝时，提供良好的支持，从而保证拉丝成功率，事实上这一点对于拉锥套管极为重要。因为氟掺杂量较高，掺氟石英材质在由预制管拉丝制备毛细套管过程中容易出现炸裂，且由套管拉锥制备合束器过程中容易出现内层塌陷的不良表现，导致拉锥套管成品率不高且制备的合束器耦合效果不佳的后果，因此掺氟石英层不能单独胜任拉锥套管，本发明通过内嵌拉锥性能良好的纯硅层来提供支持，改善套管整体的拉锥性能，同时利用纯硅层和掺氟石英层的阶跃型折射率分布，使得套管发生内全反射，降低激光传输及耦合过程中的损耗，提高激光功率。然而，过厚的第一纯硅层，可能影响将此传能损耗的效果，同时可能会导致耦合过程中熔接损耗的增加，而过薄的第一纯硅层在进行拉丝工艺时，无法提供良好的支持，故第一纯硅层的厚度选择是本发明提供的掺氟拉锥套管的重要参数之一。
所述第二纯硅层，为掺氟石英层的制备提供支撑作用，降低掺氟石英层在拉丝过程中的制造难度。
本发明提供的掺氟拉锥套管，可采用管外气相沉积OVD技术，在纯硅石英衬管外表面沉积掺氟石英层形成掺氟管，或者
采用PCVD技术在纯石英玻璃衬管上先沉积掺氟石英层再沉积纯硅层，从而制作内部低折射率外部高折射率的多层结构掺氟管；
将掺氟管通过抛光拉丝切割加工艺加工成掺氟毛细管，即制得本发明提供的掺氟拉锥套管。
由于本发明采用全石英材质，因此在有效提高激光功率时，降低光纤传能损耗，同时能耐受高功率，能长时间在高温状态下工作，器件寿命较有机低折射率方案或低折射率涂层方案大幅提高。
应用本发明提供的掺氟拉锥套管制备激光合束器的方法，包括以下步骤：
(1)按照激光合束器制备所采用的拉锥工艺的长度拉伸比例，根据目标光纤的芯包结构，确定掺氟拉锥套管的内径和外径关系，使得拉丝后的掺氟拉锥套管与目标光纤的包层匹配；
(2)按照合束方案，确定掺氟拉锥套管的内径，使得掺氟拉锥套管能容纳预设的多个被合束的光纤；优选的当被合束的光纤数量较多或直径较大时，可根据被合束光纤的芯径确定掺氟拉锥套管的内径，使得掺氟拉锥套管能容纳预设的多个被合束光纤的纤芯；
(3)根据步骤(1)确定的掺氟拉锥套管的内径和外径关系、以及步骤(2)确定的掺氟拉锥套管的内径，设计并制备本发明提供的掺氟拉锥套管；
(4)将预设的多个被合束的光纤或者光纤芯层，穿过步骤(3)制备的掺氟拉锥套管中，然后进行拉锥把光纤或光纤芯层和掺氟拉锥套管拉锥切断，最后与目标光纤熔接，即制得高功率合束器。
按照本发明提供的方法制备激光合束器，成品率高、产品耐受功率高、能够承受高功率激光、降低光纤传能损耗和熔接损耗。
以下为实施例：
合束器为高功率7*1光纤合束器，结构为输入端由7根200/220/320光纤组成，输出端由1根20/400/550无源匹配双包层光纤组成。合束器制备所采用的拉锥工艺为绝热拉锥工艺，通过控制热源温度及拉锥速度，优化锥区斜率，减少附加的拉锥损耗。
最终设计的掺氟拉锥套管结构为1.2/1.7；其中，第一纯硅层厚度0.005～0.015mm；掺氟石英层厚度0.13～0.18mm，数值孔径：0.22；余量为第二纯硅层厚度。采用PCVD技术在纯石英玻璃衬管上先沉积掺氟石英层再沉积纯硅层，从而制作内部低折射率外部高折射率的多层结构掺氟管；将掺氟管通过抛光拉丝切割加工艺加工成掺氟毛细管而制得。
合束器制备：首先对掺氟玻璃管进行第一次拉锥，将玻璃管的内径拉锥至正好塞入7根光纤的尺寸；第二步将7根光纤通过组束夹具平直插入玻璃管内，如图2所示；第三步将塞入光纤的玻璃管置于拉锥机中拉锥，至玻璃管内径拉至400μm以下；第四步将切平的光纤束与切平的20/400光纤进行熔接；第五步将熔接好的合束器置于封装盒内进行封装固定。
对样品的7臂传输效率进行分析：目标为工作波长915nm,光光效率≥95％，单臂承受功≥250w。测试中将首先将泵源尾纤切平测试泵源输出功率，标定输出功率后，将泵源与合束器其中一臂的尾纤进行熔接，再测合束器输出尾纤的输出功率。对熔接参数进行微调后，传输效率有明显的提升，可从93％最高提升至98％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种掺氟拉锥套管，其特征在于，为圆形毛细管，包括掺氟石英层、以及内嵌于掺氟石英层的第一纯硅层，形成掺氟石英层阶跃型折射率分布；所述掺氟石英层，其NA值在0.15至0.23之间，其外径与内径之比大于等于1.1。
2.如权利要求1所述的掺氟拉锥套管，其特征在于，所述第一纯硅层，厚度在5μm至50μm，优选厚度在10μm至20μm之间。
3.如权利要求1所述的掺氟拉锥套管，其特征在于，还包括外包于掺氟石英层的第二纯硅层。
4.如权利要求1至3任意一项所述的掺氟拉锥套管，其特征在于，按照以下方法制备：
采用管外气相沉积OVD技术，在纯硅石英衬管外表面沉积掺氟石英层形成掺氟管，或者
采用PCVD技术在纯石英玻璃衬管上先沉积掺氟石英层再沉积纯硅层，从而制作内部低折射率外部高折射率的多层结构掺氟管；
将掺氟管通过抛光拉丝切割等工艺加工成掺氟毛细管。
5.一种如权利要求1至4任意一项所述的掺氟拉锥套管的应用，其特征在于，所述掺氟拉锥套管应用于制备高功率合束器。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照激光合束器制备所采用的拉锥工艺的长度拉伸比例，根据目标光纤的芯包结构，确定掺氟拉锥套管的内径和外径关系，使得拉丝后的掺氟拉锥套管与目标光纤的包层匹配；
(2)按照合束方案，确定掺氟拉锥套管的内径，使得掺氟拉锥套管能容纳预设的多个被合束的光纤；
(3)根据步骤(1)确定的掺氟拉锥套管的内径和外径关系、以及步骤(2)确定的掺氟拉锥套管的内径，设计并制备本发明提供的掺氟拉锥套管；
(4)将预设的多个被合束的光纤或者光纤芯层，穿过所述掺氟拉锥套管，然后进行拉锥把光纤或光纤芯层和掺氟拉锥套管拉锥切断，最后与目标光纤熔接，即制得高功率合束器。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，步骤(2)当被合束的光纤数量较多或直径较大时，根据被合束光纤的芯径确定掺氟拉锥套管的内径，使得掺氟拉锥套管能容纳预设的多个被合束光纤的纤芯。
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