CN113698090A - 一种光纤预制棒、匀化光纤及其制备方法、应用 - Google Patents

一种光纤预制棒、匀化光纤及其制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学及激光光电子领域，具体而言，涉及一种光纤预制棒、匀化光纤及其制备方法、应用。光纤预制棒包括主纤芯棒和副纤芯棒；主纤芯棒上有纤芯孔，副纤芯棒在纤芯孔内；主纤芯棒的轴线与副纤芯棒的轴线平行；主纤芯棒的相对折射率差低于副纤芯棒的相对折射率差。光纤预制棒的制备方法包括如下步骤：在衬管内进行芯棒的沉积，得到两种预制棒芯棒，分别为主纤芯棒和副纤芯棒，其中，主纤芯棒的相对折射率差小于副纤芯棒的相对折射率差；对主纤芯棒进行打孔；将副纤芯棒装入打好孔的主纤芯棒内，组装成的预制棒通过拉丝塔拉制成匀化光纤。本发明将光束通过匀化光纤后，可将输出的激光由高斯态整形为平顶态。本发明结构简单，稳定可靠。

Description

一种光纤预制棒、匀化光纤及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及光学及激光光电子领域，具体而言，涉及一种光纤预制棒、匀化光纤及其制备方法、应用。
背景技术
在高功率连续光纤激光器切割金属材料过程中，尤其在切割较厚(厚度超过18mm)的金属材料等，要求QBH光纤(光纤激光光缆)中出来的激光光斑能量必须均匀，且能量有一定的集中度。
而通常不做处理的激光从光纤激光器中出来光束呈高斯分布状，由于高斯光束的特性，连续高功率激光器在切割材料时，高斯光束中心部分的两侧也可能损伤目标区域以外的周围区域，从而扩展热影响区。
这对于诸如激光手术和精密材料加工这样的应用而言，是非常不利的，使用这种光束质量的激光，在切割金属厚板时断面纹路会比较粗糙，垂直度下降，底部有残渣等。
目前较多高功率激光器都是使用不同的方法，将有源光纤激发的激光进行光束整形，从QBH输出的激光由原来高斯光束转变为平顶光束。
将高斯光束转变为平顶光束，目前主要通过以下方法解决：1、可采用多个非球面透镜，或者一些衍射光学器件组合，通过组合的透镜及器件后高斯光束将被打破转变为平顶光束。2、从光纤的波导结构出发，在纤芯中设计不同的折射率剖面，当激光在光纤中传播时，由于纤芯中折射率不一致，高斯光束将被打破转变为平顶光束。
上述两种方法均可将高斯光束转变为平顶光束。但由于连续高功率激光器用于工业生产需要随时移动，同时用于工业生产中环境等因素多变，在激光器中安装透镜及衍射光学器件组合，容易出现不稳定因素，最终导致无法稳定完成高斯光束的转换。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤预制棒、匀化光纤及其制备方法、应用，匀化光纤能够稳定的实现将激光由高斯光束形态转换为平顶光束形态。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种光纤预制棒，包括主纤芯棒和副纤芯棒；
所述主纤芯棒上设置有纤芯孔，所述副纤芯棒设置在所述纤芯孔内；
所述主纤芯棒的轴线与所述副纤芯棒的轴线平行；
所述主纤芯棒的相对折射率差低于所述副纤芯棒的相对折射率差。
在可选的实施方式中，所述副纤芯棒为多根，多根所述副纤芯棒以所述主纤芯棒的轴线为中心轴呈圆形阵列设置。
在可选的实施方式中，所述主纤芯棒的外侧套设有包层。
在可选的实施方式中，所述包层包括内包层和外包层，所述内包层和所述外包层同轴套接设置；
所述内包层和所述外包层的材质不相同。
在可选的实施方式中，所述包层的外侧设置有涂层。
在可选的实施方式中，所述涂层包括内涂层和外涂层，所述外涂层设置所述内涂层的外侧；
所述内涂层和所述外涂层的折射率不相同。
第二方面，本发明提供一种前述实施方式任一项所述的光纤预制棒的制备方法，包括如下步骤：
步骤10：在衬管内进行芯棒的沉积，得到两种预制棒，分别为主纤芯棒和副纤芯棒，其中，主纤芯棒的相对折射率差小于副纤芯棒的相对折射率差，副纤芯棒外侧有掺氟层；
步骤20：对所述主纤芯棒进行打孔；
步骤30：将所述副纤芯棒装入所述主纤芯棒打好的纤芯孔内。
在可选的实施方式中，在进行步骤30之前，需要准备掺氟管和套管，所述掺氟管、所述套管、所述主纤芯棒和所述副纤芯棒的安装顺序为：
A，将所述掺氟管装入所述套管内；
B，将所述主纤芯棒装入所述掺氟管内；
C，将所述副纤芯棒装入所述主纤芯内，形成完成预制棒。
第三方面，本发明提供一种匀化光纤，通过前述任一项所述的光纤预制棒进行拉丝后制作。
第四方面，本发明提供了一种匀化光纤的制备方法，将前述任一项所述的光纤预制棒，通过拉丝工艺，拉制成匀化光纤。
第五方面，本发明提供一种前述的匀化光纤的应用方法，将所述匀化光纤作为光纤激光器在输出的激光的整形器件。
本发明实施例的有益效果是：
在主纤芯棒和副纤芯棒的作用下，由于主芯棒和副芯棒的折射率不一样，整体纤芯剖面形成多沟壑状。由折反射定律折射率，内包层为高掺氟层折射率较低，光只在纤芯中传输，在纤芯传输过程中由于整体纤芯折射率不一致，部分光会进入到折射率高的物质中进行传输，将高斯光束打破，变为平顶光束，完成高斯光束向平顶光束的转换。
整个装置结构简单，且在进行高斯光束转换为平顶光束时，稳定性较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的匀化光纤预制棒的横截面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的匀化光纤预制棒的套管的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的匀化光纤预制棒的掺氟管的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的匀化光纤预制棒的主纤芯棒打孔后的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的匀化光纤预制棒的主纤芯棒未打孔时的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的匀化光纤预制棒的副纤芯棒的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的使用了匀化光纤预制棒后的激光光斑能量分布图；
图8为本发明实施例提供的匀化光纤预制棒的制备方法流程图；
图9为本发明实施例提供的匀化光纤预制棒的制备方法中步骤10的流程图；
图10为本发明实施例提供的匀化光纤预制棒的制备方法的完整流程图；
图11为本发明实施例提供的匀化光纤的制备工艺流程图。
图标：1-主纤芯棒；2-副纤芯棒；3-内包层；4-外包层；5-内涂层；6-外涂层；7-纤芯孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
第一方面，本发明提供一种光纤预制棒，如图1-图6所示，包括主纤芯棒1和副纤芯棒2；主纤芯棒1上设置有纤芯孔7，副纤芯棒2设置在纤芯孔7内；主纤芯棒1的轴线与副纤芯棒2的轴线平行；主纤芯棒1的相对折射率差低于副纤芯棒2的相对折射率差。
在本实施例中，主纤芯棒1的相对折射率差为Δ1，直径为d1，Δ1的值的范围为-0.1％～-0.2％，d1的直径范围为8.3mm～16.6mm；副纤芯棒2相对折射率差为Δ2，直径为d2，Δ2的值为-0.168％～0％，直径为d2，d2的值为2.1～4.17。
其中，由公式
Figure BDA0003241678860000061
确定主纤芯棒1的相对折射率差，由公式
Figure BDA0003241678860000062
确定副纤芯棒2的相对折射率差。
其中，n1为主纤芯棒1的折射率，n2为副纤芯棒2的折射率，nSi为纯硅的折射率。
在本实施例中，主纤芯棒1和副纤芯棒2在沉积过程中均掺有氟元素。
在可选的实施方式中，副纤芯棒2为多根，多根副纤芯棒2以主纤芯棒1的轴线为中心轴呈圆形阵列设置。
具体的，在本实施例中，如图4所示，主纤芯棒1上设置纤芯孔7，副纤芯棒2设置在纤芯孔7内，副纤芯棒2的数量为两根，两根副纤芯棒2以主纤芯棒1的中心为中心轴阵列设置。
需要指出的是，副纤芯棒2的数量可以是两根，但其不仅仅局限于两根，其可以是一根，也可以是三根或更多根。
在可选的实施方式中，主纤芯棒1的外侧套设有包层。
具体的，在可选的实施方式中，包层包括内包层3和外包层4，内包层3和外包层4同轴套接设置；内包层3和外包层4的材质不相同。
具体的，在本实施例中，内包层3为深掺氟玻璃套管，外包层4为纯玻璃管。
具体的，在本实施例中，主纤芯棒1被内包层3包裹，内包层3为掺氟二氧化硅，相对相对折射率差为Δ4，内外直径分别为到d3、d4，内包层3被外包层4包裹，外包层4为纯二氧化硅层外直径为d5。
在本实施例中，内包层3的材料为二氧化硅掺氟管，内包层3相对折射率值Δ4典型值-1.0％～-1.8％。
在可选的实施方式中，包层的外侧设置有涂层。
具体的，在可选的实施方式中，涂层包括内涂层5和外涂层6，外涂层6设置内涂层5的外侧；内涂层5和外涂层6的折射率不相同。
在本实施例中，内涂层5为低折射率聚合物，其相对折射率差Δ6≤-0.87％，外径为325～475um，外涂层6为高折射率涂料，其相对折射率差Δ7≥3.5％，外径为400～550um。
第二方面，本发明提供一种前述实施方式任一项的匀化光纤预制棒的制备方法，如图8所示，包括如下步骤：
步骤10：在衬管内进行芯棒的沉积，得到两种预制棒，分别为主纤芯棒1和副纤芯棒2，其中，主纤芯棒1的相对折射率差小于副纤芯棒2的相对折射率差；
步骤20：对主纤芯棒1进行打孔；
步骤30：将副纤芯棒2装入主纤芯棒1打好的孔内。
具体的，在进行步骤30之前，需要准备掺氟管和套管，掺氟管、套管、主纤芯棒1和副纤芯棒2的安装顺序为：
A，将掺氟管装入套管内；
B，将主纤芯棒1装入掺氟管内；
C，将副纤芯棒2装入主纤芯棒1内；
更具体的，匀化光纤预制棒的制备过程如下：
如图9和图10所示。
步骤11：在纯二氧化硅材料的衬管内进行M根棒的沉积，使得其中M-1根纤芯的相对折射率差为Δ2，直径为d2，Δ2的值为-0.168％～0％，直径为d2，d2的值为2.1～4.17，剩余1根纤芯的相对折射率差为Δ1，直径为d1，Δ1的值的范围为-0.1％～-0.2％，d1的直径范围为8.3mm～16.6mm。
步骤12：将步骤11中获得的M根纤芯，使用特殊的熔缩工艺，融缩成M根实心棒。
步骤13：将步骤12中获得的实心棒进行校直、拉伸、研磨，保证其芯直径为d1、d2。
步骤20：对步骤12中获得的实心棒中，相对折射率差较小的实心棒进行打孔，作为主纤芯棒1。其中，打孔的数量为两个，两孔以过轴线的平面为对称面对称设置，孔径d8与副纤芯棒2直径d2之间的关系为：d2+0.5≤d8≤d2+1；
步骤21：准备材料为掺氟二氧化硅的套管，掺氟管的折射率差为Δ4,典型值-1％～-1.5％，内径为d3＝16.3mm,外直径d4＝40mm,将掺氟管进行清洗干燥。
步骤22：准备材料为纯二氧化硅的套管，对该套管一端进行延长另一端进行拉锥，并清洗干燥，其中该套管的内径为d5，外直径d6，其中，d5的大小满足的关系为：d4+0.5≤d5≤d4+1。
步骤31：将步骤21所获得掺氟二氧化硅的套管套入步骤22所得到的纯二氧化硅的套管内部，形成预制棒外包层4和内包层3。
步骤32：将步骤20所获得的打对称孔的实心棒，装入将步骤31所获预制棒包层的内部，形成初步预制棒。
步骤33：将步骤13中获得校直、拉伸、研磨的副纤芯棒2套入步骤32中得到初步预制棒中的纤芯孔7中，形成成品预制棒。
第三方面，本发明提供一种匀化光纤，通过前述任一项所述的光纤预制棒进行拉丝后制作。
通过拉丝后，制作匀化光纤，可以作为光纤预制棒的一种应用方式。
第四方面，本发明提供一种前述任一项的匀化光纤的制备方法，如图11所示，将制作好的匀化光纤预制棒放在拉丝塔进行拉丝，制作出匀化光纤使用。
匀化光纤的制备方法为：将制备得到的匀化光纤预制棒进行拉丝，拉制成光纤包层直径250～400um的匀化光纤。
具体的，将匀化光纤预制棒放入拉丝炉中尾部进行抽真空拉丝，抽真空的压力-90pa，当拉丝炉温度升至2100℃时，光纤预制棒尖端融化，通过一定的张力、速度、涂覆后，拉制成匀化光纤。
在本实施例中，匀化光纤的主纤芯棒1的相对折射率差Δ1的数值范围为-0.1％～-0.2％，直径为D1，其数值范围为50～100um；副纤芯棒2的相对折射率差Δ2的范围-0.168％～0％，直径D2的范围为15～25um；光纤的内包层3为掺氟二氧化硅层其折射率n4,折射率典型值为1.441，nSi为纯二氧化硅的折射率，典型值为：1.4572；光纤的内涂层5为低折射率聚合物，其相对折射率差Δ6为-0.78％。
其中，
Figure BDA0003241678860000091
直径
Figure BDA0003241678860000092
其中，D5为目标光纤的包层直径，典型值为360um，目标光纤的芯直径、内包层3直径、外包层4直径和激光输出光纤一致，目标光纤数值孔径为：
Figure BDA0003241678860000093
典型值为0.22。
光纤内包层3为圆形，其直径50～120um，材料为掺氟二氧化硅管、典型折射率值1.441，具体直径和输出光纤一致。
内涂层5为低折射率聚合物，其相对折射率差Δ6≤-0.78％，内径为D6＝430um，外涂层6为高折射率涂料，其相对折射率差Δ7≥3.5％，外径为D7＝510um。
优选地，由
Figure BDA0003241678860000101
％确定光纤的内涂层5相对折射率差Δ6，由
Figure BDA0003241678860000102
确定光纤的外涂层6相对折射率差Δ7，其中，n6为内涂层5的折射率，nSi为纯硅折射率，n7为外涂层6的折射率。
在本实施例中，内包层3的内直径为d3，外直径为d4，其中：
Figure BDA0003241678860000103
Figure BDA0003241678860000104
Figure BDA0003241678860000105
其中nSi为纯硅的折射率，典型值1.4572，D4为目标光纤内包层直径360um，D5为目标光纤的外包层直径，目标光纤的芯直径、内包层直径、外包层直径和激光输出光纤一致。
目标光纤数值孔径NA为：
Figure BDA0003241678860000106
典型值为0.22，外包层4直径为d6,d6由拉丝炉设计有关。
本实施例中，匀化光纤的制备方法，具体为：
将匀化光纤预制棒进行拉丝，拉制成玻璃包层360um的光纤，并且相对折射率差Δ6≤-0.78％的低折射率涂料以形成光纤的内涂层5，内涂层5外径为530um，涂覆相对折射率差Δ4≥3.5％的高折射率涂料以形成光纤的外涂层6，外涂层6外径为510um。
该匀化光纤可以熔接激光输出光纤，光纤参数为50/70/360，之后再熔接50/70/360的QBH传能光纤，作为光纤激光器输出激光的光束整形，由于光纤的波导结构，激光在光纤的纤芯中进行全反射传播，由于在纤芯中有不同的折射率芯，中间纤芯D1的折射率低，两边纤芯D2、D3的折射率高，光在通过D1纤芯时候大部分光会从D2、D3中传播，设计了2根纤芯D2、D3保证能量匀化，由输出光纤进入的匀化光纤的激光本源为高斯分布，且中心部分能量强，呈高斯分布，进入到匀化光纤后，由于所设计的波导结果，高斯分布激光将被打破，大部分激光能量将在D2、D3中传播，匀化光纤再接传能光纤后，激光能量会在传能光纤中均匀的分布，进入到切割头后，该光纤可用于单模激光器的切割、焊接，所处激光光斑能量均匀，如图7所示，前面的曲线为高斯光束，后面的直线为平顶光束。
第五方面，本发明提供一种前述任一项的匀化光纤应用方法，将匀化光纤作为光纤激光器在输出的激光的整形器件。
作为光纤激光器输的激光的光束整形，光纤具有波导结构，因此激光在光纤的纤芯中能够进行全反射传播，由于在纤芯中有不同的折射率芯，中间纤芯D1的低折射率低，两边纤芯D2、D3的折射率高，光在通过D1纤芯时候大部分光会从D2、D3中传播，设计了2根纤芯D2、D3保证能量匀化。由输出光纤进入到匀化光纤的激光本源为高斯分布，且中心部分能量强，呈高斯分布，进入到匀化光纤后，由于所设计的波导结构，高斯分布激光将被打破，大部分激光能量将在D2、D3中传播，匀化光纤再接传能光纤后，激光能量会在传能光纤中均匀的分布，进入到切割头后，能量均匀的光纤可以完美的进行切割、焊接。
由上述可以看出，本发明通过在纤芯中设计不同折射率的纤芯，合理的设计纤芯间距、直径等可以使得通过该光纤的高斯光束整形为平顶光束，平顶光束在激光加工、切割过程中可产生更干净的切口更锐利的边缘。
本发明实施例的有益效果是：
在主纤芯棒1和副纤芯棒2的作用下，由于主纤芯棒1和副纤芯棒2的折射率不一样，整体纤芯剖面形成多沟壑状。由折反射定律折射率，内包层为高掺氟层折射率较低，光只在纤芯中传输，在纤芯传输过程中由于整体纤芯折射率不一致，部分光会进入到折射率高的物质中进行传输，将高斯光束打破，变为平顶光束，完成高斯光束向平顶光束的转换。
整个装置结构简单，且在进行高斯光束转换为平顶光束时，稳定性较高。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种光纤预制棒，其特征在于，包括主纤芯棒和副纤芯棒；
所述主纤芯棒上设置有纤芯孔，所述副纤芯棒设置在所述纤芯孔内；
所述主纤芯棒的轴线与所述副纤芯棒的轴线平行；
所述主纤芯棒的相对折射率差低于所述副纤芯棒的相对折射率差。
2.根据权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，所述副纤芯棒为多根，多根所述副纤芯棒以所述主纤芯棒的轴线为中心轴呈圆形阵列设置。
3.根据权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，所述主纤芯棒的外侧套设有包层。
4.根据权利要求3所述的光纤预制棒，其特征在于，所述包层包括内包层和外包层，所述内包层和所述外包层同轴套接设置；
所述内包层和所述外包层的材质不相同。
5.根据权利要求3所述的光纤预制棒，其特征在于，所述包层的外侧设置有涂层。
6.根据权利要求5所述的光纤预制棒，其特征在于，所述涂层包括内涂层和外涂层，所述外涂层设置所述内涂层的外侧；
所述内涂层和所述外涂层的折射率不相同。
7.一种权利要求1-6任一项所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤10：在衬管内进行芯棒的沉积，得到两种预制棒，分别为主纤芯棒和副纤芯棒，其中，主纤芯棒的相对折射率差小于副纤芯棒的相对折射率差，副纤芯棒外侧有掺氟层；
步骤20：对所述主纤芯棒进行打孔；
步骤30：将所述副纤芯棒装入所述主纤芯棒打好的孔内。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在进行步骤30之前，需要准备掺氟管和套管，所述掺氟管、所述套管、所述主纤芯棒和所述副纤芯棒的安装顺序为：
A，将所述掺氟管装入所述套管内；
B，将所述主纤芯棒装入所述掺氟管内；
C，将所述副纤芯棒装入所述纤芯孔内。
9.一种匀化光纤，其特征在于，通过权利要求1-6任一项所述的光纤预制棒进行拉丝后制作。
10.一种匀化光纤的制备方法，其特征在于，将权利要求1-6任一项所述的光纤预制棒，通过拉丝工艺，拉制成匀化光纤。
11.一种权利要求9所述的匀化光纤的应用方法，其特征在于，将所述匀化光纤作为光纤激光器在输出的激光的整形器件。
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