CN113253388B - 一种等离子体剥除光纤涂覆层的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光纤激光器技术领域，提供一种等离子体剥除光纤涂覆层的方法和系统，本发明将带涂覆层的光纤置于充满低温等离子体的反应管内，等离子体的电子与活性基团与光纤涂覆层材料发生反应，解析为新的气相物质而脱离表面，最后将气相物质排出即可，实现光纤涂覆层超高洁净度剥除，且不会对光纤表面造成损伤；另外，低温等离子体温度接近室温，不会对光纤造成热损伤或改变光纤波导结构；此外，等离子体均匀存储于腔室中，通过磁场驱动方式可使等离子体能够快速在反应管中均匀分布，从而实现更均匀、更高效地与石英光纤涂覆层反应，保证涂覆剥除分界线平整。

Description

一种等离子体剥除光纤涂覆层的方法和系统

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，尤其涉及一种等离子体剥除光纤涂覆层的方法和系统。

背景技术

高功率光纤激光器因具有高转化效率、良好的光束质量、结构紧凑和易于维修等优点，被广泛应用于工业制造、材料加工、空间通信、国防安全等领域。由于全光纤结构的光纤激光器中所有的光学器件，如光纤合束器、光纤光栅、有源光纤、包层光滤除器等，均是通过光纤尾纤彼此连接的，因此光纤与光纤熔接点的质量以及对其的热管理成为高功率光纤激光器功率提升的重要影响因素。

对光纤熔接点的处理主要分为以下四个步骤：1）涂覆层剥除，2）光纤切割，3）光纤熔接，4）重新涂覆。涂覆层剥除是处理光纤熔点的首要步骤，如果对涂覆层的剥除处理不当，则可导致后续的处理都不可用，因此对涂覆层的处理在光纤熔接过程至关重要。

按照工作原理，剥除涂覆层的方法主要分为机械剥除、热剥除、以及化学腐蚀。机械剥除一般采用剥纤钳或薄刀片手动剥除，前者是将光纤卡于剥纤钳的两篇半月形刀片中，光纤与刀片垂直，然后拉动光纤，使涂覆被刀片刮除；后者则先用刀片在光纤上环切一圈，然后顺着切口将涂覆层剥除。不管是采用剥纤钳还是刀片，其刀口都与光纤垂直且直接接触，很容易划伤光纤，产生肉眼看不见的细小划痕，由于这些划痕引入了波导缺陷，在激光或泵浦光经过时容易发生泄露，泄露部位非常容易产生高温，甚至烧毁光纤。另外，采用剥纤钳剥除涂覆层还有一个缺点，其涂覆剥除分界通常不够平滑，通常会存在很多毛刺或断层，这些缺陷会在再涂覆时产生空气层，引入杂质，十分不利于高功率光纤激光器系统运行。热剥除方法主要采用热剥钳剥除光纤涂覆，热剥钳和剥纤钳结构相似，都有两片与待处理光纤尺寸匹配的半月形刀片，不同的是，热剥钳中两刀片与外加电极相接，通电即可积累热量。因此，与刀片接触的光纤涂覆层将首先被加热软化，然后再被机械剥除。相比起机械剥除，热剥除虽然有所改进，但是其涂覆剥除分界仍然不够平滑，且没有彻底解决机械损伤的问题。

特别的，传统的机械剥除和热剥除法无法实现光纤涂覆中段剥除，虽然采用化学腐蚀法可以通过双层液体实现中段剥除，但是该种方法通常采用强酸作为腐蚀液体，存在一定危险性不利于后续清洁过程，且存在剥除时间较长、剥除效果容易受环境影响等缺点。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种等离子体剥除光纤涂覆层的方法和系统，旨在解决目前光纤涂覆层剥除方法存在容易引入机械损伤、涂覆分界不平滑以及操作复杂等技术问题。

本发明采用如下技术方案：

所述等离子体剥除光纤涂覆层的方法包括下述步骤：

将待剥除涂覆的光纤穿入石英玻璃反应管中，石英玻璃反应管两端的光纤旋转夹具将光纤夹紧，保持光纤呈直线且位于石英玻璃反应管的轴线位置；

将石英玻璃反应管以及与其连接的腔室抽真空；

等离子体发生器输出等离子体至腔室中，待传感器监测到等离体子达到预期浓度后关闭等离子体发生装置，静置使得等离子体在腔室中均匀分布；

打开腔室且同时开启磁场产生装置形成磁场，等离子体通过磁场作用进入石英玻璃反应管中，等离子体与光纤表面的聚合物涂覆层发生化学反应及物理冲击，使涂覆层被气化，完成无损剥除涂覆层。

进一步的，所述方法还包括：

涂覆层被气化后产生的废气从石英玻璃反应管中抽出并处理。

进一步的，通过等离子体剥除涂覆层过程中，光纤旋转夹具驱动光纤匀速转动。

进一步的，所述方法还包括：

完成一段光纤涂覆层剥除后，光纤旋转夹具松开光纤，控制石英玻璃反应管或光纤移动一工位距离，实现下一段光纤涂覆层剥除。

另一方面，所述等离子体剥除光纤涂覆层的系统，包括石英玻璃反应管，所述石英玻璃反应管两端为光纤旋转夹具，所述石英玻璃反应管侧壁沿长度方向开有若干条入口槽，所有入口槽均匀分布，所述入口槽内有开关机构，每条入口槽外部均设有腔室，所述腔室上安装有传感器和磁场产生装置，所述系统还包括等离子体发生装置和气体处理装置，所述等离子体发生装置与各腔室通过连接管连通，所述气体处理装置与所述石英玻璃反应管连通，系统中与等离子体的接触面，包括连接管内壁、腔室内壁、入口槽、开关机构表面、石英玻璃反应管内壁以及光纤旋转夹具内端面均形成有惰性材料层。

进一步的，所述等离子体发生装置通过连接管连通各腔室的左右两端。

进一步的，每个腔室的磁场产生装置有多个，且左右对称分布。

进一步的，所述系统还包括导轨，所述导轨上安装有移动支架，所述石英玻璃反应管安装在所述移动支架上。

进一步的，所述连接管外周有散热装置。

进一步的，所述气体处理装置集成有气泵和废气处理机构。

本发明的有益效果是：本发明方法将带涂覆层的光纤置于充满低温等离子体的反应管内，等离子体的电子与活性基团与光纤涂覆层材料（一般为丙烯酸酯、聚酰亚胺等高分子材料）发生反应，解析为新的气相物质而脱离表面，最后将气相物质排出即可，实现光纤涂覆层超高洁净度剥除，且不会对光纤表面造成损伤；另外，低温等离子体温度接近室温，不会对光纤造成热损伤或改变光纤波导结构；此外，等离子体均匀存储于腔室中，通过磁场驱动方式可使等离子体能够快速在反应管中均匀分布，从而实现更均匀、更高效地与石英光纤涂覆层反应，保证涂覆剥除分界线平整。

附图说明

图1是本发明实施例提供的等离子体剥除光纤涂覆层的系统的结构图；

图2是石英玻璃反应管和腔室的侧向剖视图；

图3是光纤旋转夹具的结构图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的等离子体剥除光纤涂覆层的系统的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

如图1、2所示，本实施例提供的等离子体剥除光纤涂覆层的系统，包括石英玻璃反应管1，所述石英玻璃反应管1两端为光纤旋转夹具2，所述石英玻璃反应管1侧壁沿长度方向开有若干条入口槽3，所有入口槽3均匀分布，所述入口槽3内有开关机构4，每条入口槽3外部均设有腔室5，所述腔室5上安装有传感器51和磁场产生装置6，所述系统还包括等离子体发生装置7和气体处理装置8，所述等离子体发生装置7与各腔室5通过连接管71连通，所述气体处理装置8与所述石英玻璃反应管1连通，系统中与等离子体的接触面，包括连接管内壁、腔室内壁、入口槽、开关机构表面、石英玻璃反应管内壁以及光纤旋转夹具内端面均形成有惰性材料层。

所述等离子体发生装置用于产生等离子体，等离子体流的流量和流速由中央计算机通过控制进气原料的流量与流速来调控。等离子体发生装置的出口端有连接管，连接管为柔性管道，分为多路，分别连接至各腔室左右两端，用于传输等离子体，可采用塑料或橡胶等材料，管道内壁用等离子体惰性材料处理，管道连接处保证气密性。图示腔室上个各有一个，且对称设置。

所述腔室用于暂时存储等离子体，材质为金属或石英玻璃，两个腔室结构完全相同。产生的等离子体不能直接通入石英玻璃反应管，因为浓度达不到反应要求，且不能保证涂覆层剥除一致性。腔室设置磁场产生装置，磁场产生装置可以产生要求方向的磁场，通过磁场偏转，使得腔室内的等离子体能够朝向入口槽加速运动进入快速进入石英玻璃反应管中。磁场产生装置的开启、磁场强度及方向的调控均可通过中央计算机实现。每个腔室的磁场产生装置有多个，且左右对称分布。

所述开关机构为一圆弧挡板，通过驱动圆弧挡板，保证圆弧挡板闭合时入槽口的气密性。如图2所示，所述石英玻璃反应管内层针对每条入槽均开有圆弧槽41，所述圆弧挡板4密封嵌入所述圆弧槽41内，所述圆弧挡板4背面连接有驱动板42，比如，所述驱动板为弧形板，表面有齿条，通过微型电机与齿条啮合驱动所述驱动板转动。

所述传感器为集成传感器，用于监测等离子体浓度、密度、流速及流动方向等。

所述光纤旋转夹具为直径可变的光夹具，光纤夹紧后，光纤呈直线且位于石英玻璃反应管的轴线位置。作为一种具体结构，如图3所示，所述光纤旋转夹具2包括环形端盖21，所述环形端盖21内圈有旋转马达22，所述旋转马达22内圈有光纤夹具23，所述光纤夹具23内环绕有多片活动胶夹块24，活动胶夹块24可展开和缩进，当展开时可松开光纤，当缩进时活动胶夹块可夹紧光纤，因此本结构可对不同尺寸的光纤夹紧实现涂覆剥除，无需更换夹具，大大简化了操作流程，更加便利。环形端盖为金属外壳，固定不动，内圈设置有旋转马达，通过旋转马达带动光纤夹具转动，保证反应一致性，根据所需精度可选择不同的活动胶夹块数量，为了保护光纤避免损伤，活动胶夹块有一定弹性，同时也可以保证活动胶夹块与光纤表面之间的密封性。通过计算机控制缩进距离从而控制孔径大小，以适应不同尺寸的光纤。同样光纤旋转夹具内端面与反应管腔内壁等离子体接触面均采用惰性材料涂覆处理。

所述气体处理装置集成有气泵和废气处理机构。一方面可以在反应前将石英玻璃反应管以及与其连接的腔室抽真空；另一方面，可以将反应后的废气从石英玻璃反应管中抽出并处理，避免直接排出污染环境。

另外，本系统还包括导轨9，所述导轨9上安装有移动支架10，所述石英玻璃反应管1安装在所述移动支架10上，位移精度可通过计算机控制。

基于上述系统，本实施例还提供了一种等离子体剥除光纤涂覆层的方法包括下述步骤：

S1、将待剥除涂覆的光纤穿入石英玻璃反应管中，石英玻璃反应管两端的光纤旋转夹具将光纤夹紧，保持光纤呈直线且位于石英玻璃反应管的轴线位置。

本步骤实现固定光纤。首先，将待剥除涂覆的光纤通过光纤旋转夹具插入石英玻璃反应管内，将需要剥除涂覆的部分置于石英玻璃反应管中，通过计算机控制调整光纤旋转夹具中央的孔径大小和施加的压力大小，使光纤被牢牢固定形成一条水平直线，且与反应管同轴，在外部作用力下不会轻易移动或错位，同时保持光纤呈直线状，避免弯曲产生应力。

S2、将石英玻璃反应管以及与其连接的腔室抽真空。

固定好光纤后，启动气体处理装置，将石英玻璃反应管和腔室中空气抽出。

S3、等离子体发生器输出等离子体至腔室中，待传感器监测到等离体子达到预期浓度后关闭等离子体发生装置，静置使得等离子体在腔室中均匀分布。

然后开启等离子体产生装置，控制等离子体流的流速与流量，等离子体快速流经连接管时，通过连接管与室温快速换热，等离子体温度迅速降低，变为低温等离子。如果环境温度不合适，所述连接管外周还可以设置散热装置，确保温度合适。低温等离子体分别从两侧进入上下两腔室，待传感器监测到等离体子达到一定浓度且在整个腔室中分布均匀。

S4、打开腔室且同时开启磁场产生装置形成磁场，等离子体通过磁场作用进入石英玻璃反应管中，等离子体与光纤表面的聚合物涂覆层发生化学反应及物理冲击，使涂覆层被气化，完成无损剥除涂覆层。

打开弧形挡板，同时磁场产生装置开始工作，使得等离子体从上下两个入口槽通道中源源不断进入石英反应管中，通过计算可控制磁场强度及方向，从而控制等离子体进入反应管的速度与方向。进入反应管内的等离子体与光纤聚合物涂覆层发生化学反应及物理冲击，使涂覆材料被气化，从而达到无损剥除涂覆的目的。由于等离子体携带有电荷，因此可以通过产生磁场的方式驱动等离子体定向运动。图2中，腔室朝向入口槽内壁为弧形过渡，便于等离子体进入反应管。

对应不同的涂覆层材料可以采用不同的气体组合形成具有强烈蚀刻性的气相等离子体。在剥除过程中，可以通过控制旋转马达带动夹具及光纤一起匀速转动，使得涂覆能够被更快、更均匀地剥除。

另外，通过等离子体剥除涂覆层过程中，光纤旋转夹具驱动光纤匀速转动，保证剥除一致性。

S5、涂覆层被气化后产生的废气从石英玻璃反应管中抽出并处理。

反应完成后，启动气体处理装置，对石英玻璃反应管和腔室内的废气进行抽出处理，避免污染环境。

S6、完成一段光纤涂覆层剥除后，光纤旋转夹具松开光纤，控制石英玻璃反应管或光纤移动一工位距离，实现下一段光纤涂覆层剥除。

本系统还可以实现光纤涂覆层连续剥除，通过光纤移动或者石英玻璃反应管在导轨上移动一工位距离即可进行下一轮剥除操作。

因此采用本系统可实现光纤端面涂覆剥除，也可实现中段涂覆剥除，通过来回剥除可控制剥除长度。

综上，本发明中低温等离子体与光纤涂覆层聚合物材料发生反应，从而在实现超高洁净度的涂覆剥除的同时不会给光纤石英层造成任何机械损伤；而且剥除之后通过气泵装置及废气处理装置及时对反应生产的废气进行处理，避免环境污染；另外通过上下两个储气腔室及进气方式使得等离子体能够快速在反应管中均匀分布，更均匀高效地与石英光纤涂覆层反应，保证涂覆剥除分界线平整，能够快速实现两端涂覆剥除分界线平整的中段剥除；最后光纤旋转夹具可适应对不同尺寸的光纤进行涂覆剥除，无需更换夹具，大大简化了操作流程，更加便利。

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 (10)

1.一种等离子体剥除光纤涂覆层的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

将待剥除涂覆的光纤穿入石英玻璃反应管中，石英玻璃反应管两端的光纤旋转夹具将光纤夹紧，保持光纤呈直线且位于石英玻璃反应管的轴线位置；

将石英玻璃反应管以及与其连接的腔室抽真空；

等离子体发生器输出等离子体至腔室中，待传感器监测到等离体子达到预期浓度后关闭等离子体发生装置，静置使得等离子体在腔室中均匀分布；

打开腔室且同时开启磁场产生装置形成磁场，等离子体通过磁场作用进入石英玻璃反应管中，等离子体与光纤表面的聚合物涂覆层发生化学反应及物理冲击，使涂覆层被气化，完成无损剥除涂覆层。

2.如权利要求1所述等离子体剥除光纤涂覆层的方法，其特征在于，所述方法还包括：

涂覆层被气化后产生的废气从石英玻璃反应管中抽出并处理。

3.如权利要求2所述等离子体剥除光纤涂覆层的方法，其特征在于，通过等离子体剥除涂覆层过程中，光纤旋转夹具驱动光纤匀速转动。

4.如权利要求3所述等离子体剥除光纤涂覆层的方法，其特征在于，所述方法还包括：

完成一段光纤涂覆层剥除后，光纤旋转夹具松开光纤，控制石英玻璃反应管或光纤移动一工位距离，实现下一段光纤涂覆层剥除。

5.一种等离子体剥除光纤涂覆层的系统，其特征在于，所述系统包括石英玻璃反应管，所述石英玻璃反应管两端为光纤旋转夹具，所述石英玻璃反应管侧壁沿长度方向开有若干条入口槽，所有入口槽均匀分布，所述入口槽内有开关机构，每条入口槽外部均设有腔室，所述腔室上安装有传感器和磁场产生装置，所述系统还包括等离子体发生装置和气体处理装置，所述等离子体发生装置与各腔室通过连接管连通，所述气体处理装置与所述石英玻璃反应管连通，系统中与等离子体的接触面，包括连接管内壁、腔室内壁、入口槽、开关机构表面、石英玻璃反应管内壁以及光纤旋转夹具内端面均形成有惰性材料层。

6.如权利要求5所述等离子体剥除光纤涂覆层的系统，其特征在于，所述等离子体发生装置通过连接管连通各腔室的左右两端。

7.如权利要求6所述等离子体剥除光纤涂覆层的系统，其特征在于，每个腔室的磁场产生装置有多个，且左右对称分布。

8.如权利要求7所述等离子体剥除光纤涂覆层的系统，其特征在于，所述系统还包括导轨，所述导轨上安装有移动支架，所述石英玻璃反应管安装在所述移动支架上。

9.如权利要求8所述等离子体剥除光纤涂覆层的系统，其特征在于，所述连接管外周有散热装置。

10.如权利要求9所述等离子体剥除光纤涂覆层的系统，其特征在于，所述气体处理装置集成有气泵和废气处理机构。

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