CN111399110A - 一种多功能光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多功能光纤，特别是涉及用于激光加工和医疗领域的多功能柔性光纤，该光纤，包括位于内侧的功能纤维，以及包裹所述功能纤维的照明纤维，其特征在于：所述功能纤维为芯包结构或光子带隙结构光纤，用于传输高功率激光，所述照明纤维用于传输可见光，所述功能纤维和所述照明纤维同心设置。该多功能光纤，只需要单根纤维即可在实现柔性激光传输的前提下，同时实现照明以及瞄准等功能的高度集成，在激光材料加工以及医疗领域具有广泛的应用。

Description

一种多功能光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤及其制备方法，特别是涉及一种集瞄准、照明和激光消融多种功能为一体的光纤及其制备方法。
背景技术
激光技术作为20世纪人类最伟大的科学发明之一，由于其高相干性、高亮度、高方向性、高单色性等优点广泛用于传感、材料加工、增材制造、成像、通信、医疗等领域。其中，激光医疗，作为一种代替传统金属刀以及高频电刀的治疗方式，成为现阶段最为安全、高效、低损伤的手术方法。另外，激光加工作为一种新兴的加工，其相比较于现有加工方式具有高效率、低成本、无接触、可在极端环境下加工、无磨损、普适性广、易处理与控制等多个优点。
在激光加工领域，如公开号为CN110497083A的中国发明专利提供了一种激光加工设备，通过采用双杆气缸驱动挡光板以及多个固定块的方式可提高激光加工时的效率与通用性，但该设备对于复杂环境下的加工无能为力。公开号为CN110497102A的中国发明专利提供了一种物料传输系统及激光加工设备，通过载物台的方式可提高产能，同时有效解决了与后段工序均衡产出受限的瓶颈问题，但激光的高精度高灵活性加工方式并未得到实现。综上所述，现有激光加工领域中一款灵活的，具有普适性、高效率、高稳定性、低成本的激光加工方式仍是缺失的，现有技术中，基于光纤激光器的激光传输系统和加工已通过石英光纤实现。但石英光纤加工时的高温特性限制了其它功能的附加。如何为现有技术中的光纤激光器传输用的石英光纤附加其它功能是亟需解决的问题之一。
而在激光医疗领域，激光手术刀利用光路传输实现了非接触式医疗，在现今被广泛应用，如公开号为CN109452968A的中国发明专利公开了一种用于口腔疾病治疗的CO2激光治疗仪，通过激光技术治疗，作用精准、快捷，软硬组织切割没有瘁痛感，干净卫生。公开号为CN109975921A的中国发明专利公开了一种红外传能光纤及其制造方法以及红外激光医疗传输系统，通过金属介电层结构实现激光传输。公开号为CN109946786A的中国发明专利公开了一种可控自变形光纤的多功能激光手术刀和激光加工设备，其采用形变可控的保护层以及多功能光纤复合技术，实现检测、传输、气体流通的功能一体化。公开号为CN108671415A的中国发明专利公开了一种医用光纤，由多个预定长度的空芯金属波导光纤连接而成，一定程度上提高了柔性。然而激光手术刀虽然具有无直接接触，感染率小，手术时间短，损伤小，无噪声，无振动，高精度等优点，但由于柔性传输方式的匮乏，其应用长久以来受到限制。
然而医疗以及加工领域中应用的激光，通常为非可见光，由于非可见光的不可见性，在利用非可见光进行工业加工时，往往需要可见光提供光照以及瞄准功能。因此，现有技术中可用于的实现光照的纤维有如公开号为CN108152882A的中国发明专利申请公开的一种带有螺旋沟槽的侧发光光纤，该侧发光光纤由柱形纤芯外圆周裹包层组成，所述包层上设有深入该包层内部的螺旋沟槽，所述螺旋沟槽的内部宽度小于其外部宽度，即螺旋沟槽内窄外宽。此发明缺点在于工艺复杂、不可批量生产、光纤易损坏。
由此可见，现有的激光手术或者加工中所用的光纤，都只能单独传输激光而无法同时实现照明，现有技术中的照明方式也往往无法与传输系统结合，而是通过另一端开孔直接增加照明纤维来实现，将光照功能集成到传输用石英纤维上的技术亟需解决。因此，集瞄准、照明和激光加工一体化的用于光纤激光器材料加工的多波段激光传输光纤将会是新一代光纤应用的选择。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种能够兼具激光传输功能以及照明功能的柔性光纤及其制备方法，该多功能光纤集瞄准、照明和激光消融功能为一体。
为了解决上述问题，本发明实施例主要提供如下技术方案：一种多功能光纤，其特征在于：包括位于内侧的功能纤维，以及包裹所述功能纤维的照明纤维，所述功能纤维用于传输高功率激光，为芯包结构或光子带隙结构光纤，所述照明纤维用于传输可见光，所述功能纤维和所述照明纤维同心设置。
优选地，所述芯包结构包括位于内侧的芯层和位于外侧的同心设置的包层，芯层的折射率高于包层；
所述光子带隙结构光纤包括位于中心的空气层，以及位于空气层外侧的外包层，所述外包层包括第一包层和第二包层，所述第一包层和第二包层交替层叠设置，并且所述第一包层的折射率高于第二包层的折射率，所述空气层与所述第一包层相邻。
优选地，所述照明纤维为光导纤维、发光纤维或包含微型LED发光组件的结构。
优选地，所述光导纤维为至少两层结构，包括位于内侧的低折射率材料层和位于外侧的高折射率材料层，所述低折射率材料层用于分隔功能纤维与照明纤维，可见光在所述高折射率材料层中传输。
优选地，所述低折射率材料层和高折射率材料层，为折射率差小于0.01的任意两种热塑性聚合物。
优选地，所述低折射率材料层和高折射率材料层，在104poise-108poise粘度区间内具有温度区间的重叠区域，拉制温度为100℃-500℃。
优选地，所述低折射率材料层和高折射率材料层，可以为碳酸酯类聚合物(如聚碳酸酯PC)、砜类聚合物(例如聚醚砜PES，聚亚苯基砜树脂PPSU)、醚酰亚胺类聚合物(例如聚醚酰亚胺PEI)、丙烯酸酯类聚合物(例如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物SMMA)，环烯烃共聚物(COC)、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、含氟聚合物中的任意一种或者上述物质中任意组合组成的共混物。
优选地，所述发光纤维包含基材、电极以及电致发光材料，所述基材包裹所述电极丝和电致发光材料。
优选地，所述照明纤维包含微型LED发光组件，所述微型LED发光组件的直径小于100μm，直接附加在照明纤维表面或者集成在照明纤维端面。
优选地，所述功能纤维的材料可为热塑性聚合物、硫系玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、金属氧化物玻璃、石英、蓝宝石、氟化物玻璃或上述材料的任意组合。
优选地，所述电致发光材料为液晶。
上述多功能光纤的制备方法，其特征在于：
S1：制备位于内侧的功能纤维；
S2：制备内侧为功能纤维，外层为照明纤维层的光纤预制棒，所述功能纤维与所述照明纤维层同心设置；
S3：将光纤预制棒进行拉制。
优选地，所述步骤S2，可以是先制备中心具有细孔的照明纤维层，将功能纤维放入照明纤维层中心的细孔，并且在步骤S3中，将功能纤维与照明纤维层同时固定进行拉制；
或者所述步骤S2是直接在所述功能纤维外侧制作照明纤维层，得到所述光纤预制棒。
上述多功能光纤的另一种制备方法，其特征在于：
S1：制备内层为功能纤维预制棒、外层为照明纤维层的光纤预制棒；
S2：将所述光纤预制棒进行拉制。
优选地，所述步骤S1具体包括：
S11，制备位于内侧的功能纤维预制棒；
S12，制备中心具有细孔的照明纤维层；；
S13，将所述功能纤维预制棒放入所述照明纤维层的细孔内，得到所述光纤预制棒；
或者所述步骤S1为直接在功能纤维预制棒的外侧制备照明纤维层。
优选地，所述功能纤维预制棒的制备方法，可以是双坩埚法、熔铸法、管棒法、热拉伸法、热蒸镀法、薄膜卷绕法或者挤压法。
优选地，所述制备照明纤维层的方法，可以为热压法或者薄膜卷绕法。
借由上述技术方案，本发明实施例提供的技术方案至少具有下列优点：
单根纤维实现激光传输、照明以及瞄准等功能的高度集成，还能确保光纤的柔性，在激光材料加工或者医疗领域具有广泛的应用。
可以在高精度加工或者手术的同时，在不增加额外部件的前提下，提供瞄准和照明功能。用可见光代替非可见光实现瞄准，可以在无其他程序控制或者其他部件的参与下解决加工激光难以观察的问题。并且避免了另外增加照明部件，避免了手术中人体额外的负担。
该光纤能够采用的材料广泛，进而可实现全波段的激光低损耗传输。特别是本发明所提供的芯包结构硫系玻璃光纤以及空芯一维光子带隙光纤可解决现阶段CO2激光传输方式缺失的问题，利用光子带隙效应以及硫系玻璃在红外波段的高透过率实现CO2激光的柔性低损耗传输。
生产方式简单，生产效率高，可规模化量产，但实现单次百米-千米级长度制备。
附图说明
图1为本发明实施例1的光纤示意图；
图2为本发明实施例2的光纤的示意图；
图3为本发明实施例3的光纤的示意图；
图4为本发明实施例4的光纤的示意图；
图5为本发明实施例5的光纤的示意图；
图6为本发明实施例6的光纤的示意图；
图7为本发明实施例7的光纤的示意图；
图8为本发明实施例1的光纤预制棒拉制的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明的多功能光纤结构，包括位于内侧的功能纤维，和位于外侧的照明纤维。该功能纤维用于传输高功率激光，该高功率激光用于实施材料加工，或者进行医学手术中的生物组织消融。该照明纤维包裹所述功能纤维，并且与所述功能性纤维同心设置。所述照明纤维用于传输可见光，进而实现加工或者手术中的瞄准和照明功能。此外，可见光还可用于模拟非可见光的聚焦点，实现瞄准，便于在实际操作过程中的随时观察。
优选地，该功能纤维为芯包结构或光子带隙结构光纤。该芯包结构包括芯层和包层，芯层的折射率高于包层，使得激光在芯层内传输。光子带隙结构光纤包括位于中心的空气层以及包围所述空气层的外包层，所述外包层包括第一包层和第二包层，所述第一包层和第二包层周期性依次交替层叠设置，并且所述第一包层的折射率高于第二包层的折射率，所述空气层与所述第一包层相邻，即该第一包层限定所述空气层的范围。该功能纤维的材料可为热塑性聚合物、硫系玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、金属氧化物玻璃、石英、蓝宝石、氟化物玻璃或上述材料的任意组合等可适用于不同激光传输波段的光纤材料。
优选的，对于芯包结构的功能纤维，芯层直径为50μm-200μm，包层厚度为50μm-500μm。
优选的，对于光子带隙结构光纤的功能纤维，中心空气层的直径为200μm-1000μm，外包层的厚度为50μm-500μm，其中第一、第二包层的单层厚度为2.5μm-5μm，交替各10层-50层。
优选的，对于照明纤维，低折射率材料层的厚度为25μm-250μm，高折射率材料层的厚度为150μm-1000μm。
优选的，光纤整体直径为500μm-4000μm。
该照明纤维可以为光导纤维，包含微型LED发光组件的结构或者发光纤维等可见光传输结构。
该照明纤维为光导纤维时，包括至少两层结构，包括位于内侧的低折射率材料层，和位于外侧的高折射率材料层。所述低折射率材料层用于分隔内侧的功能纤维与外侧照明纤维，避免可见光与激光传输互相影响。可见光可以在高折射率材料层中传输。位于外侧的高折射率材料层，不但可以实现可见光的传输，而且优选为热塑性聚合物具有良好的拉伸性能与柔韧性，为整根纤维提供足够大的机械支撑。该低折射率材料也为热塑性聚合物，用于阻挡高折射率材料层中传输的可见光泄露至内侧的功能纤维。并且该低折射率材料层和高折射率材料层，在104poise-108poise粘度区间内具有温度区间的重叠区域，这样的设置，是为了实现低折射率材料层和高折射率材料层的同时热拉制。
所述低折射率材料层和高折射率材料层，可以为碳酸酯类聚合物(例如聚碳酸酯PC)、砜类聚合物(例如聚醚砜PES，聚亚苯基砜树脂PPSU)、醚酰亚胺类聚合物(例如聚醚酰亚胺PEI)、丙烯酸酯类聚合物(例如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物SMMA)，环烯烃共聚物(COC)、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、含氟聚合物中的一种或者其任意组合组成的共混物，只要是满足折射率差大于0.01的任意两种热塑性聚合物均可。
该照明纤维为电致发光纤维可见光传输结构时，包括电极、基材和电致发光材料，所述电极包括至少一组平行布置的电极丝，所述电极丝设置在所述基材内，所述基材包裹所述电极丝和电致发光材料。优选地，所述电致发光材料可以为液晶材料，所述基材具有与电极丝平行的至少一个孔状结构，所述液晶材料填充在所述基材的孔状结构内。
优选的，所述电极丝为金属丝，更加优选的，所述电极丝为不锈钢丝、铜丝或钨丝。具体的，所述电极丝的直径为10μm至500μm。所述基材为热塑性聚合物材料，透明度不低于75％；优选的，所述基材为PMMA、SMMA、环烯烃类共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯或ABS中的一种或者其任意组合组成的共混物。具体的，所述液晶材料为胆甾型液晶材料；具体的，所述液晶材料为向列型液晶和手性剂混合而成的胆甾型液晶材料。
所述至少一组电极包括一根正极电极丝和至少两根负极电极丝，所述正极电极丝位于基材中心，所述至少两根负极电极丝分布在正极电极丝周围，当所述电致发光材料液晶时，所述基材内还设有孔状结构，所述孔状结构设置在每根负极电极丝与正极电极丝之间，液晶材料填充在所述每个孔状结构内。
该照明纤维包含微型LED发光组件时，所述微型LED发光组件为直径小于100μm的LED，可直接附加在纤维表面，或集成在纤维端面。
在实际应用场景中，功能纤维为低损耗光纤，可以选取不同给激光光源，传输的激光用于加工切割，或者用于医学手术中的组织消融。照明纤维中传输可见光，由于加工激光的不可见，照明纤维中传输的可见光不但用于照明，还可以用于瞄准。
该光纤的制备方法，具体包括：S1：制备位于内侧的功能纤维，S2：制备内层为功能纤维，外层为照明纤维层的光纤预制棒，S3：将光纤预制棒进行拉制。该方法适用于在104poise-108poise粘度区间内，功能纤维的材料和照明纤维的材料有温度区间的重叠区域，也适用于在104poise-108poise粘度区间内，功能纤维的材料与照明纤维的材料没有温度区间的重叠区域，即适用于任何材料。
该方法的步骤S2，可以直接制备出中心具有细孔的照明纤维层，将功能纤维放入照明纤维层得到光纤预制棒，该照明纤维层的中心细孔的孔径一般大于该功能纤维的外径，因此，在步骤S3中，需要将照明纤维层和功能纤维的端部同时固定后进行拉制，在拉制过程中，照明纤维层的中心细孔收缩，进而使得照明纤维层与功能纤维贴合。
该步骤S2也可以直接在功能纤维的外侧制作照明纤维层，即在制作照明纤维层的过程中加入所述功能纤维，进而得到光纤预制棒。这样制作出来的光纤预制棒，功能纤维与照明纤维层已经相互贴合。
或者，该光纤的制备方法还可以为：S1：制作内层为功能纤维预制棒、外层为照明纤维层的光纤预制棒，S2：将该光纤预制棒进行拉制。该方法仅适用于在104poise-108poise粘度区间内，功能纤维的材料与照明纤维的材料有温度区间的重叠区域。
该方法中的步骤S1可以具体分为S11：制备位于内侧的功能纤维预制棒，S12：制备中心具有细孔的照明纤维层，S13：将功能纤维预制棒放入照明纤维层中心的细孔形成同心结构，进而得到光纤预制棒。
或者该步骤S1包括S11’：制备位于内侧的功能纤维预制棒，S12’：在该功能纤维预制棒外侧制备照明纤维层，进而得到光纤预制棒。
或者该方法中的步骤S1为直接一步制作出内层为功能纤维预制棒、外层为照明纤维层的光纤预制棒。
具体的，该制备功能纤维预制棒的方法，可以为双坩埚法、熔铸法、管棒法、热拉伸法、热蒸镀法、挤压法或薄膜卷绕法等等。
具体的，该制备外侧照明纤维层的方法，可以是热压法，或者是薄膜卷绕法等等。
实施例1：
图1为本发明第一实施例的光纤结构示意图，如图所示，该光纤结构包括位于中心的用于传输激光的功能纤维，以及围绕于功能纤维外侧的照明纤维，该照明纤维用于传输可见光，该功能纤维和照明纤维同心设置。
具体的，该功能纤维为石英光纤结构，用于传输2μm的光纤激光器的激光。所述照明纤维包括两层光导结构，包括位于内侧的低折射率材料层121，以及位于外侧的高折射率材料层122。
优选地，该位于最外侧的高折射率材料层122为高折射率热塑性聚合物材料PPSU，厚度为150μm，为整根光纤提供足够大的机械制成同时实现可见光的传输，实现光纤的照明瞄准。位于内侧的低折射率材料层121为PMMA，厚度为25μm，用于阻挡高折射率包层中的可见光泄漏至功能纤维被吸收。
其中的功能纤维为高能激光传输结构，芯层111为掺杂GeO2的高纯石英，包层112为高纯石英，芯层111直径为50μm，包层112厚度为50μm，纤芯与包层为同心结构。
该光纤的制备方法，包括S1：制备功能纤维，S2：制作可传输可见光的照明纤维层，并且在该照明纤维层的中心预留细孔；将功能纤维放入照明纤维层预留的细孔中，进而得到需要拉制的光纤预制棒，S3：将功能纤维110的端部和照明纤维层的端部均分别固定，将照明纤维层与功能纤维进行共拉，得到具有多功能的用于光纤激光器材料加工的多波段激光传输光纤。
具体的步骤S3中，如图8所示，该功能纤维110的末端通过限位孔302限位和固定，所述照明纤维层120即整个光纤预制棒的外侧通过固定夹303固定，305为加热炉，位于光纤预制棒的外侧，307为牵引装置，306为激光测距仪，用于测量拉制后的光纤直径。308即为拉制后的光纤。
其中S2步骤中，该照明纤维层的制作方法，为通过薄膜卷绕法制成。具体为通过薄膜卷绕法将厚度为20μm的PMMA薄膜围绕直径为1.5mm Teflon棒卷绕25层，随后再在卷绕棒外围继续卷绕厚度为25μm的PPSU薄膜60层。在所得的卷绕棒外围包裹一层Teflon胶带并裹上高温胶带固定，随后将整个卷绕棒置于管式炉中真空固化，在105℃保温5h，除水后，升温至240℃保温10min，除去该中心的Teflon卷绕棒即可得到具有中心细孔的照明纤维层。其中，中心细孔的直径为1.5mm。由于该照明纤维层的中心的细孔直径为1.5mm，而石英光纤的外径只有150μm。因此，在上述步骤S3中，石英光纤和照明纤维层需要分别固定，在拉制的过程中，照明纤维层中心的细孔使得照明纤维层贴紧所述石英光纤。
实施例2：
作为本发明的第二实施例，如图2所示，该实施例中的结构与第一实施例相同，同样该光纤结构包括位于中心的用于传输激光的功能纤维，以及围绕与功能纤维外侧的照明纤维，该照明纤维用于传输可见光，该功能纤维和照明纤维同心设置。
具体的，该功能纤维为石英光纤结构，用于传输1.5μm的光纤激光器的激光。所述照明纤维包括两层光导结构，为位于内侧的低折射率材料层221，以及位于外侧的高折射率材料层222。
优选地，该位于最外侧的高折射率材料层222为高折射率热塑性聚合物材料PPSU，为整根光纤提供足够大的机械支撑，同时实现可见光的传输，实现光纤的照明瞄准。位于内侧的低折射率材料层221为COC，用于阻挡高折射率材料层中的可见光泄漏至功能纤维而被吸收。
其中，功能纤维为芯包结构，芯层211为掺杂GeO2的高纯石英，包层212为高纯石英，芯层211直径为200μm，包层212的厚度为500μm，芯层与包层为同心圆结构；低折射率材料层为COC，厚度为250μm，高折射率材料层为PPSU，厚度为1000μm，该光纤的直径为3.7mm，PMMA、PPSU、掺Ge石英、高纯石英均为同心圆结构。
该实施例中，制备该光纤的方法包括：
制备用于传输激光的低损耗石英光纤；即功能纤维。
制备中心具有细孔的照明纤维层，中心的细孔用于放入石英光纤预制棒，进而得到需要拉制的光纤预制棒；
将石英光纤放入照明纤维层中心的细孔，并且细孔将石英光纤的末端固定，并且同时将照明纤维层的端部也固定。将照明纤维层和石英光纤实施共拉，得到所述光纤。
该光纤预制棒的直径为37mm，拉制后得到的光纤直径为3.7mm。由于该照明纤维层的中心的细孔直径为12mm，而石英光纤的外径只有1200μm。因此，石英光纤和照明纤维层需要分别固定，在拉制的过程中，照明纤维层中心的细孔使得照明纤维层贴紧所述石英光纤。
其中，制备照明纤维层的方法为薄膜卷绕法，将厚度为10μm的COC薄膜围绕直径为12mm Teflon棒卷绕25层，随后再在COC薄膜外围继续卷绕厚度为25μm的PPSU薄膜400层。在所得卷绕棒外围包裹一层Teflon胶带并裹上高温胶带固定，随后将整个卷绕棒置于管式炉中真空固化，在105℃保温5h除水后，升温至240℃保温10min，除去该中心的Teflon卷绕棒即可得到照明纤维层，其中的细孔直径为12mm。
实施例3
该实施例中，该光纤结构包括位于中心的用于传输激光的功能纤维，以及围绕于功能纤维外侧的照明纤维，该照明纤维用于传输可见光，该功能纤维和照明纤维同心设置。
具体的，该功能纤维为石英光纤结构，用于传输1.5μm的光纤激光器的激光。所述照明纤维包括两层光导结构，为位于内侧的低折射率材料层321，以及位于外侧的高折射率材料层322。
优选地，该位于最外侧的高折射率材料层322为高折射率热塑性聚合物材料PPSU，为整根光纤提供足够大的机械制成同时实现可见光的传输，实现光纤的照明瞄准。位于内侧的低折射率材料层321为COC，用于阻挡高折射率材料层中的可见光泄漏至功能纤维被吸收。
其中，功能纤维为芯包结构，芯层311为掺杂GeO2的高纯石英，包层312为高纯石英，芯层311直径为100μm，包层312厚度为100μm，芯层与包层为同心圆结构；低折射率材料层为COC，厚度为250μm，高折射率材料层为PPSU，厚度为1000μm，该光纤的直径为2.8mm，PMMA、PPSU、掺Ge石英、高纯石英均为同心圆结构。
该实施例中，制备该光纤的方法包括：
制备用于传输激光的低损耗石英光纤，即所述功能纤维
制备中心具有细孔的照明纤维层，中心的细孔用于放入石英光纤；
将石英光纤放入照明纤维层，并且使石英光纤穿过细孔，将石英光纤的端部与所述照明纤维层的端部均固定，将照明纤维层和石英光纤实施共拉，得到所述光纤。该光纤预制棒的外径为28mm，拉制后得到的光纤直径为2.8mm。
其中，制备照明纤维层的方法为薄膜卷绕法，将厚度为50μm的COC薄膜围绕直径为3mm Teflon棒卷绕50层，随后再在COC薄膜外围继续卷绕厚度为50μm的PPSU薄膜200层。在所得卷绕棒外围包裹一层Teflon胶带并裹上高温胶带固定，随后将整个卷绕棒置于管式炉中真空固化，在105℃保温5h除水后，升温至240℃保温10min，除去中心的Teflon棒，即可得到照明纤维层，其中的细孔直径为3mm。
实施例4
该实施例中，如图4所示，该光纤结构包括位于中心的用于传输激光的功能纤维，以及围绕与功能纤维外侧的照明纤维，该照明纤维用于传输可见光，该功能纤维和照明纤维同心设置。
具体的，该功能纤维为石英光纤结构，用于传输1μm的光纤激光器的激光。所述照明纤维为电致变色纤维。优选的，该照明纤维包含基材421，至少一组电极422以及发光粉复合材料423，其中该至少一组电极包含内电极和透明外电极，内电极丝为不锈钢丝，直径为10μm，基材包裹在电极、发光粉复合材料的外侧，可以为聚合物材料，例如PMMA等。照明纤维的厚度为1.25mm，即该光纤的直径为3.7mm。
其中，功能纤维为芯包结构，芯层411为掺杂GeO2的高纯石英，包层412为高纯石英，芯层411直径为200μm，包层412直径为500μm，芯层与包层为同心圆结构。
该实施例中的光纤的制备方法，包括：
制备功能纤维，该功能纤维为低损耗石英光纤。
制备中心具有细孔的照明纤维层，中心的细孔用于放入功能纤维和内电极丝；该照明纤维层的外径为37mm。
将功能纤维放入照明纤维层中心的细孔中，并且将功能纤维以及照明纤维层的端部均固定，将功能纤维和照明纤维层实施共拉，得到该光纤。
其中照明纤维层通过热压法制作，将聚甲基丙烯酸甲酯聚合物(PMMA)颗粒填充到热压机模具中，模具有直径为20mm、长为180mm的半圆柱体凹槽，将模具放入热压机上下加热板之间，设置热压温度为120℃，热压压强为30MPa，将聚甲基丙烯酸甲酯聚合物颗粒热压成直径为20mm、长为180mm的半圆柱体棒；重复步骤上述过程制备另外一根半圆柱体棒。将上述步骤制得的两根半圆柱体分别放进两个模具中，并将两个模具堆叠，使两根半圆柱棒拼接成一根完整圆柱体，放入热压机中热压成圆柱实心棒，表面经过抛光打磨处理使其光滑，使用钻铣床在圆柱实心棒中心钻孔，孔径为12mm，即可得到具有中心细孔的照明纤维中的低折射率层。同理，制备具有中心孔径为20mm，外径为37mm的PPSU圆棒。将两个中心都具有孔的圆棒套接，即可到中心细孔为12mm的具有PPSU-PMMA结构的照明纤维层。
实施例5：
该实施例中，该光纤结构包括位于中心的用于传输激光的功能纤维，以及围绕与功能纤维外侧的照明纤维，该照明纤维用于传输可见光，该功能纤维和照明纤维同心设置。
具体的，该功能纤维为石英光纤结构，用于传输1μm的光纤激光器的激光。所述照明纤维包括微型LED发光组件。该照明纤维包括聚合物基材521，以及设于聚合物基材内的金属丝和微型LED发光组件522，该聚合物基材用于给整根光纤提供足够大的机械支撑，金属丝用于与微型LED发光组件522连接，并且同时与电源连接使得微型LED发光组件能够提供照明。该聚合物基材为PPSU，厚度为1750μm。
功能纤维为芯包结构，芯层511为掺杂GeO2的高纯石英，包层512为高纯石英，芯层511直径为100μm，包层512直径为200μm，芯层与包层为同心圆结构。
该光纤的制备方法，包括：
制备功能纤维预制棒，所述功能纤维为低损耗石英光纤；
制备中心具有细孔的照明纤维层，中心的细孔用于放入功能纤维和金属丝；该照明纤维层的外径为40mm，中心细孔的直径为1.2mm。
将功能纤维放入照明纤维层的中心细孔中，并且功能纤维的末端和照明纤维层均固定，将功能纤维与照明纤维层共拉，得到该光纤。光纤直径为4mm。
其中，制备照明纤维层为热压法，具体包括：将PPSU颗粒填充到热压机模具中，模具有直径为40mm、长为180mm的半圆柱体凹槽，将模具放入热压机上下加热板之间，设置热压温度为120℃，热压压强为30MPa，将PPSU颗粒热压成直径为20mm、长为180mm的半圆柱体棒；重复步骤上述过程制备另外一根半圆柱体棒；将上述步骤制得的两根半圆柱体分别放进两个模具中，并将两个模具堆叠，使两根半圆柱棒拼接成一根完整圆柱体，放入热压机中热压成圆柱实心棒；表面经过抛光打磨处理使其光滑；使用钻铣床在圆柱实心棒中心钻孔，孔径为1.2mm，即可得到具有中心细孔的照明纤维层。在中心细孔内放入金属丝，最终在金属丝端部连接微型LED发光组件。
实施例6：
该实施例中，如图6所示，该光纤结构包括位于中心的用于传输激光的功能纤维，以及围绕与功能纤维外侧的照明纤维620，该照明纤维用于传输可见光，该功能纤维和照明纤维同心设置。
具体的，该功能纤维为芯包结构，用于传输激光。所述照明纤维620包括两层的光导结构，包括位于内侧的低折射率材料层621，以及位于外侧的高折射率材料层622。
优选地，该位于最外侧的高折射率材料层622为高折射率热塑性聚合物材料PPSU，为整根光纤提供足够大的机械支撑，同时实现可见光的传输，实现光纤的照明瞄准。位于内侧的低折射率材料层621为PMMA，用于阻挡高折射率材料层中的可见光泄漏至功能纤维610被吸收。
其中，功能纤维为芯包结构，芯层611和包层612都为硫系玻璃材料，并且芯层611的折射率高于包层612的折射率，优选地，芯层为Ge20As20Se15Te45，包层为Ge20As20Se18Te42，芯层直径为200μm，包层厚度为500μm，芯层与包层为同心圆结构。
低折射率材料层厚度为0.25mm，高折射率材料层厚度为1mm。整个光纤的直径为3.7mm。
该光纤的制备方法，包括：S1：制作内层为功能纤维预制棒、外层为照明纤维层的光纤预制棒，S2：将该光纤预制棒进行拉制。其中步骤S1包括
S11：双坩埚法制备功能纤维预制棒。采用玛瑙研钵将硫系玻璃Ge20As20Se15Te45与Ge20As20Se18Te42研磨成颗粒态，分别将Ge20As20Se15Te45与Ge20As20Se18Te42填至内坩埚与外坩埚，同时选取与双坩埚匹配的真空配件接口，采用法兰密封，将装有两种硫系玻璃材料的双坩埚顶端密封，Ge20As20Se15Te45玻璃的装料为200g，Ge20As20Se18Te42玻璃的装料为200g。在所述坩埚炉顶端与坩埚炉底端分别通入氩气，氩气压力为2MPa以实现气氛保护，通气时间为1.5h，确保炉内气体完全替换为氩气，避免硫系玻璃在制备过程中氧化；在所述内坩埚内部与外坩埚内部分别通入氩气，用于控制内外坩埚的压力大小，实现挤压。通入保护气氛后，调整温度、压力即可得到具有不同芯包比例的功能纤维预制棒。
作为优选的方案，所述内外坩埚压力为6MPa，内外坩埚共同加热温度为205℃-215℃，所述功能纤维预制棒芯包比为5:1，外径为12mm。
S12：薄膜卷绕法制备照明纤维层，在上述S1步骤制备出的功能纤维预制棒上卷绕包裹多层PMMA聚合物薄膜，随后继续卷绕包裹多层PPSU薄膜，再外包特氟龙胶带与高温胶带，置于管式炉中真空固化，即可得到具有Ge20As20Se15Te45玻璃芯层、Ge20As20Se18Te42玻璃包层、PMMA低折射率聚合物层和PPSU高折射率聚合物层的光纤预制棒。
作为优选的方案，所述薄膜卷绕法中PMMA薄膜卷绕层数为50层，薄膜厚度为50μm，PPSU薄膜卷绕层数为50层，薄膜厚度为200μm，固化温度为230℃。该光纤预制棒的照明纤维层的厚度与功能纤维预制棒的厚度比为25:12，外径为37mm。
当然本领域技术人员也可以了解到，该步骤S2中，是直接在功能纤维外侧卷绕聚合物薄膜，来得到最终需要拉制的预制棒，当然，也可以是直接在其他材料上用薄膜卷绕法卷绕出中心具有细孔的照明纤维层，然后将功能纤维预制棒插入照明纤维层中心的细孔中，来得到最终需要拉制的光纤预制棒。
S2：热拉法拉制光纤预制棒。将光纤预制棒置于加热炉中心确保受热均匀，拉制温度为205℃-215℃，拉制后光纤直径为3700μm。采用双坩埚拉丝塔以及特种光纤拉丝平台可实现单次百米长度的瞄准、照明和激光消融一体化柔性光纤的制备。
实施例7：
该实施例中，如图7所示，该光纤结构包括位于中心的用于传输激光的功能纤维，以及围绕与功能纤维外侧的照明纤维，该照明纤维用于传输可见光，该功能纤维和照明纤维同心设置。
所述照明纤维包括两层光导结构，包括位于内侧的低折射率材料层721，以及位于外侧的高折射率材料层722。
优选地，该位于最外侧的高折射率材料层722为PC聚合物，为整根光纤提供足够大的机械支撑的同时实现可见光的传输，实现光纤的照明瞄准。位于内侧的低折射率材料层721为PE，用于阻挡高折射率材料层中的可见光泄漏至功能纤维被吸收。
该实施例中的功能纤维为光子带隙结构光纤，中心为空气层711，外侧为外包层，外包层为两种材料的薄膜交替层叠结构，包括第一包层712和第二包层713，第一包层712和第二包层713交替层叠，并且第一包层712为高折射率材料，第一包层712紧贴空气层设置，第二包层713为低折射率材料。优选地，该第一包层为As2Se3，第二包层为PPSU。中间空气层的直径为1000μm，外包层厚度为250μm，其中第一包层和第二包层的单层厚度均为2.5μm。
并且作为可选的，该第一包层和第二包层的折射率差为0.1-2.0，整个包层厚度为50μm-500μm。第一包层和第二包层单层的厚度可以为0.5μm-10μm，交替层数为各5层-100层。所述空气层的直径为200μm-1000μm，所述功能纤维整体的直径为250μm-1500μm。
优选地，该实施例中，照明纤维中的高折射率材料层的厚度为1mm，低折射率材料层的厚度为0.25mm，同样为同心圆结构，整个光纤的直径为4mm。
该实施例中的光纤的制备方法包括：先用热蒸镀法制备双层薄膜。采用玛瑙研钵将硫系玻璃As2Se3研磨成颗粒态，将As2Se3填至镀膜机坩埚内，同时选取与坩埚口径匹配的蒸发盖，蒸镀滚筒上贴敷所需的PPSU聚合物薄膜，密封整个镀膜腔室，将所装载的As2Se3玻璃均匀蒸镀到PPSU聚合物薄膜上，即可得到PPSU-As2Se3双层薄膜。
作为优选的方案，其中所述PPSU薄膜厚度为50μm，PPSU薄膜尺寸为30cm×90cm，As2Se3玻璃的装料为100g，所述As2Se3玻璃蒸镀时腔室内真空度为5×10-4Pa，所述As2Se3玻璃蒸镀温度为415℃，蒸镀速率为
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蒸镀厚度为50μm，所述PPSU在镀膜前需用酒精擦洗，且在镀膜前应用射频电源清洗，电源功率为49w，氩气通入后腔室内气压稳定为5.0Pa。PPSU所固定的滚筒转速为30rad/min。
采用高性能聚合物薄膜卷绕法，在卷绕棒上卷绕多层上述双层薄膜。然后继续卷绕PE薄膜和PC薄膜，最后外包一圈特氟龙胶带与高温胶带，置于管式炉中真空固化，取下圆棒，即可得到具有空芯结构与PPSU-As2Se3交替介质全向反射层的空芯反射层的光纤预制棒。
其中，作为优选的方案，所述PPSU-As2Se3双层薄膜的绕层数为各50层，制得的功能纤维预制棒的直径为15mm，卷绕棒直径为10mm，PE薄膜厚度为50μm，层数为50层，PC薄膜厚度为100μm，层数为100层，固化温度为230℃，所述瞄准、照明和激光消融一体化柔性光纤预制棒外径为40mm。
最后，通过热拉制法拉制所述光纤预制棒，将所述光纤预制棒置于加热炉中心确保受热均匀，拉制温度为205℃-215℃，纤维直径为4000μm。
因此，采用热蒸发镀膜技术、薄膜卷绕技术以及特种光纤拉丝平台可实现单次百米长度的瞄准、照明和激光消融一体化柔性光纤的制备。
并且，本领域技术人员可以了解，该多层薄膜，还可以通过旋涂法、薄膜卷绕法、热蒸镀法、电子束蒸发沉积法、热拉制法、热压法、或管套管法等方法制备。
实施例8：
该实施例中，该光纤结构包括位于中心的用于传输激光的功能纤维，以及围绕于功能纤维外侧的照明纤维，该照明纤维用于传输可见光，该功能纤维和照明纤维同心设置。
所述照明纤维包括两层光导结构，包括位于内侧的低折射率材料层，以及位于外侧的高折射率材料层。
优选的，该位于最外侧的高折射率材料层为PPSU材料，为整根光纤提供足够大的机械制成同时实现可见光的传输，实现光纤的照明瞄准。位于内侧的低折射率材料层为COC，用于阻挡高折射率材料层中的可见光泄漏至功能纤维被吸收。
该实施例中的功能纤维同样为芯包结构，芯层和包层均为石英材料，芯层的折射率高于包层折射率。具体的，芯层材料组分为37％GeO2，13％SiO2，30％PbO，15％CaO和5％ZnO；包层材料的组分为35％GeO2，15％SiO2，30％PbO，15％CaO和5％ZnO。芯层直径为200μm，包层厚度为500μm，芯层与包层为同心圆结构。所述低折射率材料层为COC，厚度为250μm，高折射率材料层为PPSU，厚度为1mm，整个光纤直径为3.7mm。
实施例9：
该实施例，该光纤结构包括位于中心的用于传输激光的功能纤维，以及围绕于功能纤维外侧的照明纤维，该照明纤维用于传输可见光，该功能纤维和照明纤维同心设置。
所述照明纤维包括两层光导结构，包括位于内侧的低折射率材料层，以及位于外侧的高折射率材料层。
优选地，该位于最外侧的高折射率材料层为PPSU材料，为整根光纤提供足够大的机械支撑的同时实现可见光的传输，实现光纤的照明瞄准。位于内侧的低折射率材料层为PMMA，用于阻挡高折射率材料层中的可见光泄漏至功能纤维被吸收。
该实施例中的功能纤维同样为芯包结构，芯层和包层均为氟化物玻璃材料，芯层的折射率高于包层折射率。具体的，芯层材料包含TeO2、BaF2和Y2O3；包层材料包含AlF3、MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、YF3和TeO2。芯层直径为200μm，包层厚度为500μm，芯层与包层为同心圆结构。所述低高射率材料层为PPSU，厚度为250μm，低折射率材料层为PMMA，厚度为1mm，整个光纤直径为3.7mm。
实施例10：
该实施例，该光纤结构包括位于中心的用于传输激光的功能纤维，以及围绕于功能纤维外侧的照明纤维，该照明纤维用于传输可见光，该功能纤维和照明纤维同心设置。
所述照明纤维包括两层光导结构，包括位于内侧的低折射率材料层，以及位于外侧的高折射率材料层。
优选地，该位于最外侧的高折射率材料层为PPSU材料，为整根光纤提供足够大的机械支撑的同时实现可见光的传输，实现光纤的照明瞄准。位于内侧的低折射率材料层为PMMA，用于阻挡高折射率材料层中的可见光泄漏至功能纤维被吸收。
该实施例中的功能纤维同样为芯包结构，芯层和包层均为氟化物玻璃材料，芯层的折射率高于包层折射率。具体的，芯层材料为InF3/GaF3氟化物玻璃；包层为ZBLAN玻璃。芯层直径为200μm，包层厚度为500μm，芯层与包层为同心圆结构。所述高折射率材料层厚度为1mm，低折射率材料层厚度为0.25mm，整个光纤直径为3.7mm。
实施例11：
该实施例中，功能纤维为芯包结构，芯层和包层都为硫系玻璃材料，并且芯层的折射率高于包层的折射率，优选地，芯层为Ge20As20Se15Te45，包层为Ge20As20Se18Te42，芯层直径为200μm，包层厚度为500μm，芯层与包层为同心圆结构。外层照明纤维中，内侧的低折射率材料层为COC，厚度为0.25mm，外侧的高折射率材料层为PPSU，厚度为1mm，整个光纤的直径为3.7mm。
该光纤的制备方法，包括
S1：制备功能纤维预制棒，采用双坩埚法，采用玛瑙研钵将硫系玻璃Ge20As20Se15Te45与Ge20As20Se18Te42研磨成颗粒态，分别将Ge20As20Se15Te45与Ge20As20Se18Te42填至所述内坩埚与外坩埚，同时选取与所述新型双坩埚匹配的真空配件接口，采用法兰密封，将所述装有两种硫系玻璃材料的双坩埚顶端密封，Ge20As20Se15Te45玻璃的装料为200g，Ge20As20Se18Te42玻璃的装料为200g。在坩埚炉顶端与坩埚炉底端分别通入氩气，氩气压力为2MPa以实现气氛保护，通气时间为1.5h，确保炉内气体完全替换为氩气，避免硫系玻璃在制备过程中氧化。在所述内坩埚内部与外坩埚内部分别通入氩气，用于控制内外坩埚的压力大小，实现挤压。通入保护气氛后，调整温度、压力即可得到具有不同芯包比例的功能纤维预制棒。
作为优选的方案，所述内外坩埚压力为6MPa，内外坩埚共同加热温度为205℃-215℃，所述功能纤维预制棒的芯包比为5:1，外径为12mm。
S2：制备照明纤维层，采用热压法，将COC聚合物颗粒填充到热压机模具中，模具有直径为17mm、长为180mm的半圆柱体凹槽，将模具放入热压机上下加热板之间，设置热压温度为120℃，热压压强为30MPa，将COC聚合物颗粒热压成直径为17mm、长为180mm的半圆柱体棒；重复步骤上述过程制备另外一根半圆柱体棒；将上述步骤制得的两根半圆柱体分别放进两个模具中，并将两个模具堆叠，使两根半圆柱棒拼接成一根完整圆柱体，放入热压机中热压成圆柱实心棒；表面经过抛光打磨处理使其光滑，得到COC聚合物棒。采用相同办法得到PPSU聚合物棒，并且将使用钻铣床在PPSU聚合物棒的中心钻孔，孔径为17mm，在孔内放入COC聚合物棒。再对COC聚合物棒进行打孔加工，即可得到PPSU-COC结构的且具有中心细孔结构的照明纤维层。
S3：将功能纤维预制棒放入照明纤维层，并且实施两者的共拉，得到该光纤。
实施例12：
该实施例中，功能纤维为芯包结构，芯层和包层都为硫系玻璃材料，并且芯层的折射率高于包层的折射率，优选地，芯层为Ge20As20Se15Te45，包层为Ge20As20Se18Te42，芯层直径为200μm，包层厚度为500μm，芯层与包层为同心圆结构。外层照明纤维中，内侧的低折射率材料层为聚合物材料COC，厚度为0.25mm，外侧的高折射率材料层为聚合物材料PS，PS材料的厚度为1mm，整个光纤的直径为3.7mm。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种多功能光纤，其特征在于：包括位于内侧的功能纤维，以及包裹所述功能纤维的照明纤维，所述功能纤维用于传输高功率激光，为芯包结构或光子带隙结构光纤，所述照明纤维用于传输可见光，所述功能纤维和所述照明纤维同心设置。
2.如权利要求1所述的多功能光纤，其特征在于：所述芯包结构包括位于内侧的芯层和位于外侧的同心设置的包层，芯层的折射率高于包层；
所述光子带隙结构光纤包括位于中心的空气层，以及位于空气层外侧的外包层，所述外包层包括第一包层和第二包层，所述第一包层和第二包层交替层叠设置，并且所述第一包层的折射率高于第二包层的折射率，所述空气层与所述第一包层相邻。
3.如权利要求1所述的多功能光纤，其特征在于：所述照明纤维为光导纤维、发光纤维或包含微型LED发光组件的结构。
4.如权利要求3所述的多功能光纤，其特征在于：所述光导纤维为至少两层结构，包括位于内侧的低折射率材料层和位于外侧的高折射率材料层，所述低折射率材料层用于分隔功能纤维与照明纤维，可见光在所述高折射率材料层中传输。
5.如权利要求4所述的多功能光纤，其特征在于：所述低折射率材料层和高折射率材料层，为折射率差大于0.01的任意两种热塑性聚合物；
并且，所述低折射率材料层和高折射率材料层，在104poise-108poise粘度区间内具有温度区间的重叠区域。
6.如权利要求4所述的多功能光纤，其特征在于：所述低折射率材料层和高折射率材料层，可以为碳酸酯类聚合物、砜类聚合物、醚酰亚胺类聚合物、丙烯酸酯类聚合物，环烯烃共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、含氟聚合物中的任意一种或者上述物质中任意组合组成的共混物。
7.如权利要求2所述的多功能光纤，其特征在于：所述功能纤维的材料可为热塑性聚合物、硫系玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、金属氧化物玻璃、石英、蓝宝石、氟化物玻璃或上述材料的任意组合。
8.一种多功能光纤的制备方法，其特征在于：
S1：制备位于内侧的功能纤维；
S2：制备内侧为功能纤维，外层为照明纤维层的光纤预制棒，所述功能纤维与所述照明纤维层同心设置；
S3：将光纤预制棒进行拉制。
9.如权利要求8所述的多功能光纤的制备方法，其特征在于：所述步骤S2，可以是先制备中心具有细孔的照明纤维层，将功能纤维放入照明纤维层中心的细孔，并且在步骤S3中，将功能纤维与照明纤维层同时固定进行拉制；
或者所述步骤S2是直接在所述功能纤维外侧制作照明纤维层，得到所述光纤预制棒。
10.一种多功能光纤的制备方法，其特征在于：
S1：制备内层为功能纤维预制棒、外层为照明纤维层的光纤预制棒；
S2：将所述光纤预制棒进行拉制。
11.如权利要求10所述的多功能光纤的制备方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括：
S11，制备位于内侧的功能纤维预制棒；
S12，制备中心具有细孔的照明纤维层；；
S13，将所述功能纤维预制棒放入所述照明纤维层的细孔内，得到所述光纤预制棒；
或者所述步骤S1为直接在功能纤维预制棒的外侧制备照明纤维层。
12.如权利要求8或10所述的多功能光纤的制备方法，其特征在于：所述功能纤维预制棒的制备方法，可以是双坩埚法、熔铸法、管棒法、热拉伸法、热蒸镀法、薄膜卷绕法或者挤压法。
13.如权利要求8-11中任一项所述的多功能光纤的制备方法，其特征在于：
所述制备照明纤维层的方法，可以为热压法或者薄膜卷绕法。
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