CN113126201B

CN113126201B - 基于空间整形的单晶光纤及其加工方法、系统

Info

Publication number: CN113126201B
Application number: CN202110327128.9A
Authority: CN
Inventors: 李明; 李珣
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2041-03-26
Also published as: CN113126201A

Abstract

本发明公开了一种空间整形的单晶光纤及其加工方法、系统。该单晶光纤包括包层和纤芯；包层是通过激光辐照改变单晶折射率的方式形成，且包层的折射率小于纤芯的折射率。包层的折射率在径向方向可以是恒定的，也可以是渐变的，同样在沿着光纤长度方向包层的折射率相同，也可以不相同。这种单晶光纤及其加工方法仅通过改变单晶原料一定区域内的折射率从而达到了制备包层的目的，避免了在单晶原料通过增加或者去除材料的方式制备包层所带来的诸多问题。

Description

基于空间整形的单晶光纤及其加工方法、系统

技术领域

本发明属于光纤加工技术领域，具体涉及一种基于空间整形的单晶光纤及其加工方法、系统。

背景技术

光纤是光导纤维的简写，是一种基于光的全反射机理进行光传导的介质。可以分为石英玻璃及单晶光纤两种，其中石英光纤是目前应用最为广泛制造技术最为成熟的一种，但是石英光纤在高温条件下应用于光传输会有不稳定性。单晶光纤（SCF）被认为是块状晶体和常规纤维的组合，是一种新型的一维功能晶体材料，与传统的玻璃光纤相比较具有有热导率高、红外透过性好、损伤阈值高、非线性效应低等优点。因此，单晶光纤优越的性能使其在高功率激光应用（高功率激光器、高功率激光武器等方面）具有重大应用前景，其次在军事、信息通讯、材料加工、医疗等领域也具有重大应用价值。

现有提出的制备单晶光纤的方式分为两种：

一是增材制造，例如溶胶凝胶法、磁控溅射法、液相外延法与离子注入法，即是在光纤表面增加物质，形成薄膜/或者微结构，作为光纤的包层，从而由光纤本体与包层共同组成单晶光纤，实现光束的传输。该方法属于现有的单晶光纤制备手段中较为成熟的技术。

但该方法存在工艺繁琐、效率低、表面制备一致性低、成本高昂等问题，例如融凝溶胶方法中需要严格控制融凝溶胶浓度、镀膜的厚度、溶胶液黏度、以及烧结气氛，制备工艺复杂，成本高且只适用于小尺寸的光纤，并且光纤膜层不稳定，甚至有可能脱落。

二是减材制造：例如离子束刻蚀、化学腐蚀等，是通过将光纤表面将一部分的材料去除，形成微结构，形成折射率较低的光纤包层。若采用离子束刻蚀微纳米级的结构，需要制作极为精细的掩膜版，加工困难、制造成本极其高昂、研制周期很长。而化学腐蚀腐蚀精度不可控、一致性差，不太适用于微纳米级的高精度加工。

发明内容

为了解决现有单晶光纤采用增材制造的方式存在的工艺繁复、成本高昂、效率低下等问题，以及采用减材制造的方式存在的微结构加工精度极高造成对装备加工精度要求极高的问题，本发明提出了一种基于空间整形的单晶光纤及其加工方法。

同时还提供了一种具有在线监测能力的基于空间整形的单晶光纤加工系统。

本发明的具体技术方案是：

提供了一种基于空间整形的单晶光纤，包括包层和纤芯，包层是通过激光辐照改变单晶折射率的方式形成，且包层的折射率小于纤芯的折射率。

进一步地，上述光纤中包层的折射率恒定，或者包层的折射率由光纤表面至纤芯的方向等间隔减小或者变间隔减小。

进一步地，上述光纤中沿着光纤长度方向包层的折射率相同，或者沿着光纤长度方向包层的折射率不相同。

本发明还提供了上述基于空间整形的单晶光纤加工方法，其主要实现步骤如下：

步骤1：建立折射率与激光功率映射关系表；

所述映射关系表为单晶原料在不同激光功率辐照下，所测得不同折射率；

步骤2：制备单晶光纤的包层；

步骤2.1：确定单晶光纤的包层折射率；

若所需单晶光纤的包层折射率恒定，则执行步骤2.2；

若所需单晶光纤包层折射率渐变，则执行步骤2.3：

步骤2.2：根据包层的折射率，通过查找映射关系表，得到激光纵向多焦点空间整形器中激光器的加工功率，驱动激光焦点沿着单晶原料光轴方向运动，加工出包层折射率恒定的单晶光纤；

步骤2.3：根据设计要求的单晶光纤直径D、纤芯直径D1、包层中不同折射率层层数以及每层所需折射率，确定所需焦点的个数N、每个折射率层厚度h以及不同折射率层加工时对应的激光功率W_i；

其中， N=包层中不同折射率层层数；

h=（D- D₁）/2N；

W_i通过查询映射关系表得到；

步骤2.4：将步骤2.3获取的N、h，W_i作为边界条件，编制激光纵向多焦点全息图并将其加载至空间整形器SLM中，驱动激光焦点沿着单晶原料光轴方向运动，通过改变包层区域折射率的方式实现单晶光纤包层的制备。

进一步地，上述步骤1的具体实现过程为：

准备多个单晶光纤原料平片，且多个平片激光辐照之前的折射率均为n，用不同激光功率辐照每个单晶光纤材料平片表面，并对多个单晶光纤材料平片的折射率进行测定，得到不同激光功率{w₁，w₂，…，w_i}以及与其相对应的折射率{n₁，n₂，…，n_i}，从而得到折射率与激光功率映射关系表；其中，折射率n_i均小于n。

进一步地，在执行步骤2.4之前，还包括判断焦深hf与折射率层单层厚度h的关系：

当h=hf时，直接进行加工；

当h＞hf，当包层中每一折射率层的厚度等间隔时，通过向空间整形器SLM中搭载贝塞尔全息图对焦深进行整形，或者在激光光源与待加工单晶原料之间依次设置锥镜和平凸镜进行长焦深整形，使得焦深hf=h之后再进行加工；

当h＞hf，当包层中每一折射率层的厚度变间隔时，通过向空间整形器SLM中搭载贝塞尔全息图对焦深进行整形，或者在激光光源与待加工单晶原料之间依次设置锥镜和平凸镜进行长焦深整形，使得焦深hf=h，再向空间整形器SLM中的多焦点全息图中的加载任一焦点的菲涅尔透镜全息图，通过调整菲涅尔透镜全息图透镜的焦距实现对多个焦点之间间隔的调整，之后再进行加工。

另外，本发明还提供用于实施上述加工方法的加工系统，包括激光器、SLM、第一分光器、第二分光器、激光功率计以及光束质量分析仪；

激光器的出射光路上依次设置SLM、第一分光器；

第一分光器的透射光路上设置激光功率计，用于在线监测激光器的功率值，同时实时反馈至激光器进行激光功率的调整；

第一分光器的反射光路上设置第二分光器；

第二分光器的反射光路上设置光束质量分析仪，用于在线监测光斑质量，并将误差实时反馈至SLM，SLM通过对位相图中算法进行更改实现光斑质量的调整；

第二分光器的透射光路上设置待加工单晶原料。

优选地，上述系统还包括依次设置在第二分光器与待加工单晶原料之间的锥镜和平凸镜。

优选地，上述系统还包括用于在线观测光纤加工工况的CCD相机， CCD相机与激光加工光路同轴。

本发明的有益效果：

1、本发明采用激光对单晶原料进行改性，从而形成具有包层和光纤的单晶光纤，不需要在其表面进行材料的去除，可以极大的降低实际加工中，对基底材料的损伤、粗糙度控制等技术难度。

2、工艺制造方法简单高效：不需要复杂的工艺流程

由于实际加工能力有限（无法满足先进的仿真结构）、工艺繁琐、效率低、表面制备一致性低、成本高昂等问题，例如融凝溶胶方法中需要严格控制融凝溶胶浓度、镀膜的厚度、溶胶液黏度、以及烧结气氛，制备工艺复杂，成本高且只适用于小尺寸的光纤，并且光纤膜层不稳定，甚至有可能脱落。而本加工方法仅需要激光直写进行加工，无需经过上述复杂的过程。

3、本发明制备出的单晶光纤可基于单晶加工出纤芯更细的光纤，有利于光学模式的约束。由于此种加工时，激光能量相比减材制造的能量要偏弱，因此有利于在同等的激光光斑尺寸下加工出极小的纤芯直径。

4、有利于提高光能利用率。本发明利于降低加工过程中对材料的二次伤害，避免了表面微结构光纤制备过程中可能会对材料造成损伤，微结构的形貌不易于控制，以及微结构的制造品质（例如粗糙度等）难以控制等缺陷所导致的传输光能利用率大大降低的问题。

5、本发明的加工系统还包括了对激光功率以及光斑质量进行在线检测反馈补偿的装置，这有利于进一步提高光纤包层制备的品质。

6、此类空间整形方法更为灵活，不但可以包层折射率等间隔变化的光纤，还可以加工包层折射率变间隔变化的光纤。

附图说明

图1（a）为包层折射率恒定的单晶光纤主视图；

图1（b）为图1的A向截面图；

图2（a）为包层折射率渐变的单晶光纤主视图；

图2（b）为图2的A向截面图；

图3为单晶光纤加工系统的结构示意图。

附图标记如下：

1-激光器、2-SLM、3-第一分光器、4-第二分光器、5-激光功率计、6-光束质量分析仪、7-锥镜、8-平凸镜、9-CCD相机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

飞秒激光聚焦到透明介质内部后，当脉冲能量密度超过一定阈值时，将会对聚焦区域的材料造成永久性的结构改性。依据激光辐照参数（脉宽、能量、频率和偏振等）和材料自身的结构特性的不同，对激光辐照区域的材料将引起光学着色、折射率变化、微孔洞、微裂纹等四类改性。

不同能量的飞秒激光可以使辐照区域产生不同的折射率变化，能量较高时，由于激光能量使得焦点区域材料产生不均匀结构改变导致辐照区域折射率下降。经前期试验，单晶未辐照前折射率约n_折射率=1.9左右，经激光在（0.1w-0.3w）区域进行辐照，可以实现单晶光纤折射率在(1.9-1.5)之间改变。

光纤结构

基于以上理论，本发明提供一种基于空间整形的单晶光纤，该单晶光纤包括包层和纤芯；包层是通过激光辐照改变单晶折射率的方式形成，且包层的折射率小于纤芯的折射率。

如图1（a）和图1（b）所示，该单晶光纤中包层的折射率可以是恒定的，也可以渐变的，如图2（a）和图2（b）所示，当为渐变时，其变化可以是由光纤表面至纤芯的方向等间隔减小或者变间隔减小，并且通过图1（b）和图2（b）可以看出，包层的截面为一个完成的圆环（圆环上没有任何的微孔结构或其他附加结构），纤芯的截面为一个包括在圆环内的实心圆（实心圆上亦没有任何的微孔结构或其他附加结构）。

同理，根据实际的使用场景，制备的单晶光纤包层折射率沿光传输方向上可以是相同的，也可以是不同的。这种单晶光纤仅通过改变单晶原料一定区域内的折射率从而达到了制备包层的目的，避免了在单晶原料通过增加或者去除材料的方式制备包层所带来的诸多问题。

基于上述单晶光纤的介绍，现对加工该光纤的加工过程进行描述：

步骤1：建立折射率与激光功率映射关系表；

所述映射关系表为单晶原料在不同激光功率辐照下，所测得不同折射率；该映射关系表的具体建立过程为：

准备多个单晶光纤原料平片，且多个平片激光辐照之前的折射率均为n，用不同激光功率辐照每个单晶光纤材料平片表面，并对多个单晶光纤材料平片的折射率进行测定，得到不同激光功率{w₁，w₂，…，w_i}以及与其相对应的折射率{n₁，n₂，…，n_i}，从而得到折射率与激光功率映射关系表；其中，折射率n_i均小于n；

步骤2：制备单晶光纤的包层；

步骤2.1：确定单晶光纤的包层折射率；

若所需单晶光纤的包层折射率恒定，则执行步骤2.2；

若所需单晶光纤包层折射率渐变，则执行步骤2.3：

步骤2.2：根据包层的折射率，通过查找映射关系表，得到激光纵向多焦点空间整形器中激光器的加工功率，驱动激光器沿着单晶原料光轴方向运动，加工出包层折射率恒定的单晶光纤；

步骤2.3：根据设计要求的单晶光纤直径D、纤芯直径D1、包层中不同折射率层层数以及每层所需折射率，确定所需焦点的个数N、每个折射率层厚度h以及不同折射率层加工时对应的激光器功率W_i；

其中， N=包层中不同折射率层层数；

h=（D- D₁）/2N；

W_i通过查询映射关系表得到；

步骤2.4：判断焦深hf与折射率层单层厚度h的关系：

当h=hf时，直接进行加工；

当h＞hf，当包层中每一折射率层的厚度等间隔时，通过向空间整形器SLM中搭载贝塞尔全息图对焦深进行整形，或者在激光光源与待加工单晶原料之间依次设置锥镜和平凸镜进行长焦深整形，使得焦深hf=h之后再执行步骤2.5；

当h＞hf，当包层中每一折射率层的厚度变间隔时，通过向空间整形器SLM中搭载贝塞尔全息图对焦深进行整形，或者在激光光源与待加工单晶原料之间依次设置锥镜和平凸镜进行长焦深整形，使得焦深hf=h，再向空间整形器的SLM中的多焦点全息图中的加载任一焦点的菲涅尔透镜全息图，通过调整菲涅尔透镜全息图透镜的焦距实现多个焦点之间间隔的调整，之后再执行步骤2.5；

步骤2.5：将上述步骤获得的N、h，W_i作为边界条件，编制激光纵向多焦点全息图并将其加载至空间整形器的SLM中，驱动焦点沿着单晶原料光轴方向运动，通过改变包层区域折射率的方式实现包层折射率渐变的单晶光纤。

为了确保整个加工过程的激光功率以及激光光斑的质量满足使用要求，本发明还提供了一种加工系统，如图3所示，该系统包括激光器1、SLM2、第一分光器3、第二分光器4、激光功率计5以及光束质量分析仪6；激光器1的出射光路上依次设置SLM2、第一分光器3；第一分光器3的透射光路上设置激光功率计5，用于在线监测激光器的功率值，同时实时反馈至激光器进行激光功率的调整；第一分光器3的反射光路上设置第二分光器4；第二分光器4的反射光路上设置光束质量分析仪6，用于在线监测光斑质量，并将误差实时反馈至SLM，SLM通过对位相图中算法进行更改实现光斑质量的调整；第二分光器4的透射光路上设置待加工单晶原料。

优选地，该加工系统还包括设置在依次设置在第二分光器与待加工单晶原料之间的锥镜7和平凸镜8，其设置目的是为了实现长焦深整形，同时还包括用于在线观测光纤加工工况的CCD相机9， CCD相机9与激光加工光路同轴

使用该加工系统进行单晶光纤加工过程中的在线监测过程具体为：

1、若单晶光纤中包层折射率恒定，则通过查找映射关系表，得到激光器的加工功率W；

SLM加载透射/反射全息图；激光器按照功率W出射激光，激光功率计对未整形前的激光功率进行测量，若激光功率不满足要求，调整激光器的出射激光的功率为W’；

激光器按照功率W’出射激光，通过光束质量分析仪沿着第二分光器的反射光路移动，从而检测出光斑的能量分布及光斑的圆度，

若光斑的能量分布及光斑的圆度有误差，则将误差反馈至SLM，SLM通过对位相图中的算法进行数据更改，从而调整光斑的能量分布及光斑的圆度，反复更新迭代，直到光束质量分析仪测量的光斑质量满足需求，则驱动激光焦点沿着单晶光纤原料光轴方向运动，加工出包层折射率恒定的单晶光纤。

2、若单晶光纤中包层折射率渐变，则通过查找映射关系表，得到激光器的加工功率W；

首先，根据以上所述加工方法确定所需焦点的个数N、每个折射率层厚度h以及不同折射率层加工时对应的激光器功率W_i；

再判断调整完焦深hf与折射率层单层厚度h的关系；

之后将获取的（N、h，Wi）作为边界条件，编制激光纵向多焦点全息图并将其加载至空间整形器的SLM中；激光器按照功率W_i分别出射激光，激光功率计对不同折射率层的对应的功率W_i进行测量，若不满足要求，则分别将不同折射率层的对应的功率Wi调整为Wi’；

接着，激光器按照功率Wi’分别出射激光，通过光束质量分析仪沿着第二分光器的反射光路移动，从而检测出加工不同折射率层时的光斑的能量分布及光斑的圆度，

若光斑的能量分布及光斑的圆度有误差，则将误差反馈至SLM，SLM通过对位相图中的算法进行数据更改，从而调整光斑的能量分布及光斑的圆度，反复更新迭代，直到光束质量分析仪测量的光斑质量满足需求，则驱动激光焦点沿着单晶光纤原料光轴方向运动，加工出包层折射率渐变的单晶光纤。

Claims

1.一种单晶光纤加工方法，其特征在于，单晶光纤，包括包层和纤芯，包层是通过激光辐照改变单晶折射率的方式形成，且包层的折射率小于纤芯的折射率；所述包层的折射率恒定，或者包层的折射率由光纤表面至纤芯的方向等间隔减小或者变间隔减小；或者沿着光纤长度方向包层的折射率相同，或者沿着光纤长度方向包层的折射率不相同；

包括以下步骤：

步骤1：建立折射率与激光功率映射关系表；

步骤2：制备单晶光纤的包层；

步骤2.1：确定单晶光纤的包层折射率；

若所需单晶光纤的包层折射率恒定，则执行步骤2.2；

若所需单晶光纤包层折射率渐变，则执行步骤2.3：

其中， N=包层中不同折射率层层数；

h=（D- D₁）/2N；

W_i通过查询映射关系表得到；

2.根据权利要求1所述的单晶光纤加工方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现过程为：

准备多个单晶光纤原料平片，且多个平片激光辐照之前的折射率均为n，用不同激光功率辐照每个单晶光纤材料平片表面，并对多个单晶光纤材料平片的折射率进行测定，得到不同激光功率{w₁，w₂，…，w_i}以及与其相对应的折射率{n₁，n₂，…，n_i}，从而得到折射率与激光功率映射关系表；其中，折射率{n₁，n₂，…，n_i}均小于n。

3.根据权利要求1所述的单晶光纤加工方法，其特征在于，包括以下步骤：在执行步骤2.4之前，还包括判断焦深hf与折射率层单层厚度h的关系：

当h=hf时，直接进行加工；

当h＞hf，当包层中每一折射率层的厚度变间隔时，通过向空间整形器SLM中搭载贝塞尔全息图对焦深进行整形，或者在激光光源与待加工单晶原料之间依次设置锥镜和平凸镜进行长焦深整形，使得焦深hf=h，再向空间整形器SLM中的多焦点全息图中加载任一焦点的菲涅尔透镜全息图，通过调整菲涅尔透镜全息图透镜的焦距实现对多个焦点之间间隔的调整，之后再进行加工。