CN114397733A - 一种高功率氟化物光纤跳线及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率氟化物光纤跳线及其制造方法，属于高功率氟化物光纤技术领域。它包括光纤，设在光纤两端的连接器，套在光纤上并与连接器连接的第二金属散热套件；所述连接器的第一金属散热套件内部设有贯通的第一光纤孔，第一金属散热套件前端面设有围绕第一光纤孔的散热空气槽；所述第二金属散热套件由光纤固定器、前端连接套、尾端连接套构成。在连接器悬空散热槽的基础上，引入了新的第二散热金属结构件，多级结构的散热套件增加了被动散热的导热面积，提高了散热效率；在悬空散热槽内添加无水研磨填充剂条件下，能够做到氟化物光纤研磨抛光达到镜面级。
Description
技术领域
本发明涉及一种高功率氟化物光纤跳线及其制造方法，属于高功率氟化物光纤技术领域。
背景技术
中红外激光的波长范围一般为2.5-10μm，在通讯、医疗、国防军事等方面有着重要的应用。尤其是中红外波段和水分子的吸收峰匹配(水分子的中红外吸收峰为2μm和2.8μm附近)，因此当中红外波段的激光照射到人体组织上时，激光所携带的能量可以被人体肌肉组织快速吸收，从而实现肌肉组织精密切割和气化分离的效果，并且经中红外激光切割的组织的创面小，有利于术后愈合。因此，用于传输中红外波段的高功率氟化物光纤在医疗领域有着广泛的应用前景。
现有的高功率氟化物光纤的使用场景为：将氟化物光纤制作为可以插拔使用的高功率氟化物光纤跳线，光纤外层加装不锈钢铠甲或PVC护套管，光纤两端加装标准尺寸的高功率SMA905连接器。使用时只需要将高功率SMA905连接器插入中红外激光器对应的接口，激光器便可以正常工作了。
目前，高功率氟化物光纤跳线和中红外激光器连接时存在以下缺陷：
(1)氟化物材料本身的限制，氟化物光纤的基本结构为纤芯/包层/涂覆层，纤芯材料为氟化锆等氟化物材料，这种材料在中红外波段有极好的透过性。但是，氟化物这种材料也存在一些缺点：(a)机械性能较差，对比石英光纤其机械强度不足，常规的光纤研磨处理方法容易损伤光纤；(b)温度敏感，操作温度范围为-180℃至150℃，温度过高会导致光纤出现热损伤，光纤的端面发生碎裂；(c)化学稳定性差，在潮湿环境下会发生水解，氟化物的化学性质发生改变，在中外波段的透过率降低。正是由于这些缺陷的存在，导致市面上没有成熟的工艺来处理氟化物光纤，这极大的限制了中红外激光的应用场景。目前，氟化物光纤无法做到无胶悬空散热结构，市面上常规处理氟化物光纤的工艺，大都采用的非悬空结构即普通SMA905光纤连接器，连接器前端没有悬空散热结构，因为采用悬空结构对填充剂的要求以及研磨工艺的要求较高：(a)增加填充剂后，填充剂在研磨过程中会引入新的杂质，这会导致光纤在研磨的过程中的纤芯和包层破损概率增加，提高了研磨的工艺难度，光纤难以达到镜面级的效果；(b)常规填充剂多为水溶型材料，引入和去除填充剂的过程中可能会引起光纤发生水解反应，导致氟化物材料的化学性质发生改变，无法传输中红外波段的激光。
(2)市面上常规氟化物光纤跳线的大都无法承受高功率中红外激光的原因如下：常规的氟化物光纤跳线由于前端没有悬空散热结构，常规的工艺流程，会用胶水将氟化物光纤固定在连接器内。激光在传输的过程中，会有部分激光打到胶水端面上，由于胶水几乎没有透光性，并且中红外波段的激光热效应明显，胶水会被不断加热导致整个光纤器件的温度升高，最终致使氟化物光纤出现热损伤，整个光路系统无法长期稳定工作。
(3)目前市面上的常规高功率SMA905连接器，大都是为石英光纤设计定制的连接器结构规格。石英光纤使用的场景多为可见光或近红外波段，这些波段的激光热效应不明显，产生的热量只需一个空气散热槽就足够保证光纤能够稳定工作。而对于中红外这种热辐射效应更加明显的激光，则需要考虑优化散热结构，设计增加第二金属散热结构件，增加被动散热效果，以保证器件工作的稳定性。
因此，设计一种高功率氟化物光纤跳线及其制造方法，它能够长期稳定传输高功率中红外激光，解决现有氟化物光纤使用过程中存在的以上问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种高功率氟化物光纤跳线及其制造方法，它解决了现有氟化物光纤在传输高功率中红外激光时存在的以上的问题。
本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：
一种高功率氟化物光纤跳线，它包括光纤，设在光纤两端的连接器，套在光纤上并与连接器连接的第二金属散热套件，所述光纤由从芯部到外层依次设置的纤芯、包层、涂覆层构成，光纤采用氟化物光纤，所述连接器由第一金属散热套件和螺帽构成，螺帽套在第一金属散热套件上，第一金属散热套件上设有限制螺帽位置的挡环；
所述光纤端部设有去除涂覆层的裸纤段；
所述连接器的第一金属散热套件内部设有贯通的第一光纤孔，第一光纤孔的孔径由光纤中部到端部逐渐缩小，第一金属散热套件前端面设有围绕第一光纤孔的散热空气槽；
所述第二金属散热套件由光纤固定器、前端连接套、尾端连接套构成，光纤固定器内部设有贯通的第二光纤孔，第二光纤孔的孔径由光纤中部到端部逐渐缩小，光纤固定器前端通过前端连接套与第一金属散热套件连接，光纤固定器尾端与尾端连接套连接，光纤的端部设置于光纤固定器内，光纤的裸纤段依次穿过光纤固定器的第二光纤孔和第一金属散热套件的第一光纤孔，裸纤段与第二光纤孔的最窄处固定(光纤仅有这一处通过胶水固定)，光纤裸纤段前端面与第一金属散热套件前端面平齐。
作为优选实例，所述第一光纤孔、第二光纤孔采用多节段的台阶孔，台阶孔的孔径由光纤中部到端部逐渐缩小，最窄处孔径与光纤的裸纤段外径相同，台阶孔相邻节段之间设置有平滑过渡的倒角。
作为优选实例，所述散热空气槽深度为0.6-2.5mm。
作为优选实例，所述光纤外部设有外保护套，外保护套采用不锈钢铠甲套管或PVC护套管，光纤的外保护套与尾端连接套连接。
一种高功率氟化物光纤跳线的制造方法，包括以下步骤：
(1)光纤预处理：在25℃的条件下，将氟化物光纤端部浸泡在涂覆层去除剂内，涂覆层去除剂用于溶解涂覆层的丙烯酸酯材料且不与氟化物材料反应，涂覆层去除剂采用四氢呋喃溶液、甲基乙烯酮、二氯甲烷等有机溶剂，反应60-120s后取出氟化物光纤，在氟化物光纤端部形成去除涂覆层的裸纤段，并用乙醇溶液清洗掉表面残留的涂覆层去除剂；
(2)光纤固定：氟化物光纤的端部依次插入第二金属散热套件和连接器中，三者之间通过胶水固定，连接器端面设有围绕氟化物光纤裸纤段的散热空气槽；
(3)光纤研磨：在连接器的空气散热槽里填充无水研磨填充剂，无水研磨填充剂采用溶于丙酮的有机化合物填充剂，优选的，采用环氧树脂和蜡的混合物，其中，蜡可采用石蜡，采用研磨机对氟化物光纤端面进行研磨，使得氟化物光纤端面与连接器端面平齐，研磨到氟化物光纤端面在400倍显微镜下检测无任何缺陷，接着将研磨好的整个光纤端部浸泡在丙酮溶液中去除无水研磨填充剂，并用乙醇溶液对光纤做后续的清洗，即得到高功率氟化物光纤跳线，研磨步骤包括：
a.去胶:研磨时，转速为80-100r/min，时间60s，压力2-4N，采用邵氏A硬度90°研磨垫，研磨片的材料采用15μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行去胶研磨；研磨片是利用精密涂布技术，将微米级金刚石颗粒与高性能粘合剂均匀分散后，涂敷于高强度PET聚酯薄膜(POLYESTER)表面的一种研磨耗材，研磨片和研磨垫是配合使用的，研磨时，研磨片通过静电吸附，贴附在研磨垫上。
b.粗磨:研磨时，转速为80-100r/min，时间60s，压力2-4N，采用邵氏A硬度85°研磨垫，研磨片的材料采用9μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行粗磨；
c.细磨：研磨时，转速为100-130r/min，时间75s，压力3-6N，采用邵氏A硬度80°研磨垫，研磨片的材料采用3μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行细磨；
d.精磨1μm：研磨时，转速为100-130r/min，时间80s，压力5-10N，采用邵氏A硬度75°研磨垫，研磨片的材料采用1μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行1μm精磨；
e.ADS抛光：研磨时，转速为100-130r/min，时间80s，压力10-20N，采用邵氏A硬度75°研磨垫，研磨片的材料采用0.02μm二氧化硅，对氟化物光纤端面进行ADS抛光。
本发明的有益效果是：
(1)考虑到中红外激光的热效应比普通可见光波段以及近红外波段更加明显，热辐射产生的热量更大，因此不仅在连接器设置悬空散热槽，还引入了新的第二散热金属结构件，多级结构的散热套件增加了被动散热的导热面积，提高了散热效率，这样可以进一步提升光纤器件的整体散热效能，避免了氟化物光纤在高温状态下的热损伤；
(2)通过设计新的研磨处理工艺，在悬空散热槽内添加无水研磨填充剂条件下，能够做到氟化物光纤研磨抛光达到镜面级，通过工艺的优化来实现光纤纤芯、包层研磨抛光后的完整性，降低氟化物光纤端面的菲涅尔反射损耗，提高了光纤的传输效率，工艺优化的结果是，让氟化物光纤既拥有镜面级研磨效果，又具有悬空散热槽结构，这样氟化物光纤器件在工作的过程中，激光就不会打到胶水端面，同时悬空散热槽又可以加快热量的挥发速度，降低光纤器件的工作温度；
(3)本发明引入无水研磨填充剂，该无水研磨填充剂在填充和去除的过程中都会隔绝水溶液，无水的操作环境可以保证氟化物材料的化学稳定性，并且该混合物完全溶解于丙酮等有机溶液，使用丙酮去除无水研磨填充剂的方式可以提高光纤器件的洁净度，减少填充剂残留物，反过来，洁净度的提升又可以降低光纤端面的漫反射，进一步提高能量传输效率，保证激光器的稳定运行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明一端的结构示意图；
图3为去除外保护套的光纤端面结构示意图；
图4为去除外保护套的光纤结构示意图；
图5为本发明一端内部的结构示意图；
图6为本发明连接器内部的结构示意图；
图7为本发明第二金属散热套件的内部结构示意图；
图8为本发明光纤外保护套采用不锈钢铠甲套管的结构示意图。
图中：光纤1，连接器2，第二金属散热套件3，纤芯101，包层102，涂覆层103，外保护套104，不锈钢铠甲套管105，裸纤段106，第一金属散热套件201，螺帽202，挡环203，第一光纤孔204，散热空气槽205，光纤固定器301，前端连接套302，尾端连接套303，第二光纤孔304，凹槽305。
具体实施方式
为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
如图1-图5所示，一种高功率氟化物光纤跳线，它包括光纤1，设在光纤1两端的连接器2，套在光纤1上并与连接器2连接的第二金属散热套件3，光纤1由从芯部到外层依次设置的纤芯101、包层102、涂覆层103构成；
光纤1采用氟化物光纤，例如，现有的氟铝酸盐玻璃或者氟锆酸盐玻璃；
连接器2采用标准的高功率SMA905连接器，连接器2由第一金属散热套件201和螺帽202构成，螺帽202套在第一金属散热套件201上，第一金属散热套件201上设有限制螺帽202位置的挡环203；连接器2安装时，通过螺帽202与连接端旋紧，螺帽202通过挡环203将第一金属散热套件201与对接口压紧。
光纤1端部设有去除涂覆层103的裸纤段106；
连接器2的第一金属散热套件201内部设有贯通的第一光纤孔204，第一光纤孔204的孔径由光纤1中部到端部逐渐缩小，第一金属散热套件201前端面设有围绕第一光纤孔204的散热空气槽205，散热空气槽205深度为0.8mm；
第二金属散热套件3由光纤固定器301、前端连接套302、尾端连接套303构成，光纤固定器301内部设有贯通的第二光纤孔304，第二光纤孔304的孔径由光纤1中部到端部逐渐缩小，光纤固定器301前端通过前端连接套302与第一金属散热套件201连接，光纤固定器301尾端与尾端连接套303连接，光纤1端部设置于光纤固定器301内，光纤1的裸纤段106依次穿过光纤固定器301的第二光纤孔304和第一金属散热套件201的第一光纤孔204，裸纤段106与第二光纤孔304的最窄处通过胶水固定，光纤1裸纤段106前端面与第一金属散热套件201前端面平齐。光纤固定器301前后端插入前端连接套302、尾端连接套303中，三者之间采用胶水连接。光纤固定器301靠近前端连接套302的端面设有围绕光纤1的凹槽305，凹槽305用于点胶。
光纤1外部设有外保护套104，外保护套104采用不锈钢铠甲套管105或PVC护套管，光纤1的外保护套104与尾端连接套303连接。
通过在连接器2端面设置散热空气槽205，使得光纤1端部悬空，不与连接器2端面接触，激光在光纤1端部产生的散射光斑不会打到连接器2端面上，所以中红外激光的散射光斑不会持续加热融化连接器2端面，避免了光纤1端面连接处出现损伤导致能量传输受损的问题，提高了能量传输效率。
不仅采用连接器2的第一金属散热套件散热201，还在靠近连接器2处设置第二金属散热套件3，光纤1端部设在第二金属散热套件3内，扩大了光纤1散热的面积，并且能够将光纤1端部的热量通过双重散热套件传导散发出去。
实施例2
第一光纤孔204、第二光纤孔304采用多节段的台阶孔，台阶孔的孔径由光纤1中部到端部逐渐缩小，最窄处孔径与光纤1的裸纤段106外径相同，台阶孔相邻节段之间设置有平滑过渡的倒角。
台阶孔为阶梯结构，由大变小带有倒角结构，方便光纤1穿过。采用机加工打孔方式，方便钻头加工到μm级精度。
一种高功率氟化物光纤跳线的制造方法，包括以下步骤：
(1)光纤1预处理：在25℃的条件下，将氟化物光纤端部浸泡在涂覆层去除剂内，涂覆层去除剂用于溶解涂覆层的丙烯酸酯材料且不与氟化物材料反应，涂覆层去除剂采用四氢呋喃溶液、甲基乙烯酮、二氯甲烷等有机溶剂中至少一种，反应60-120s后取出氟化物光纤，在氟化物光纤端部形成去除涂覆层103的裸纤段106，并用乙醇溶液清洗掉表面残留的涂覆层去除剂；
(2)光纤1固定：氟化物光纤的端部依次插入第二金属散热套件3和连接器2中，三者之间通过胶水固定，连接器2端面设有围绕氟化物光纤裸纤段106的散热空气槽205；
(3)光纤1研磨：在连接器2的空气散热槽205里填充无水研磨填充剂，无水研磨填充剂采用溶于丙酮的有机化合物填充剂，可采用环氧树脂和石蜡的混合物，采用研磨机对氟化物光纤端面进行研磨，使得氟化物光纤端面与连接器端面平齐，研磨到氟化物光纤端面在400倍显微镜下检测无任何缺陷，接着将研磨好的整个光纤端部浸泡在丙酮溶液中去除无水研磨填充剂，并用乙醇溶液对光纤做后续的清洗，即得到高功率氟化物光纤跳线，研磨步骤包括：
a.去胶:研磨时，转速为80-100r/min，时间60s，压力2-4N，采用邵氏A硬度90°研磨垫，研磨片的材料采用15μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行去胶研磨；
b.粗磨:研磨时，转速为80-100r/min，时间60s，压力2-4N，采用邵氏A硬度85°研磨垫，研磨片的材料采用9μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行粗磨；
c.细磨：研磨时，转速为100-130r/min，时间75s，压力3-6N，采用邵氏A硬度80°研磨垫，研磨片的材料采用3μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行细磨；
d.精磨1μm：研磨时，转速为100-130r/min，时间80s，压力5-10N，采用邵氏A硬度75°研磨垫，研磨片的材料采用1μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行1μm精磨；
e.ADS抛光：研磨时，转速为100-130r/min，时间80s，压力10-20N，采用邵氏A硬度75°研磨垫，研磨片的材料采用0.02μm二氧化硅，对氟化物光纤端面进行ADS抛光。
研磨过程如表1。
表1氟化物光纤端面研磨步骤
由于氟化物光纤在中红外波段有良好的透过性，但是其机械性能较差，氟化物材料容易与水发生反应，因此在研磨前，通过在散热空气槽205中添加无水研磨填充剂，在研磨过程中不会接触水，这样就能够更好地保护氟化物光纤，无水研磨填充剂能够将研磨过程中的产生的材料碎屑及时带离研磨的中心区域，减少光纤1端面缺陷，研磨结束，可用丙酮去除无水研磨填充剂后，无任何残留，留出散热空气槽。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种高功率氟化物光纤跳线，它包括光纤，设在光纤两端的连接器，套在光纤上并与连接器连接的第二金属散热套件，所述光纤由从芯部到外层依次设置的纤芯、包层、涂覆层构成，光纤采用氟化物光纤，所述连接器由第一金属散热套件和螺帽构成，螺帽套在第一金属散热套件上，第一金属散热套件上设有限制螺帽位置的挡环，其特征在于：
所述光纤端部设有去除涂覆层的裸纤段；
所述连接器的第一金属散热套件内部设有贯通的第一光纤孔，第一光纤孔的孔径由光纤中部到端部逐渐缩小，第一金属散热套件前端面设有围绕第一光纤孔的散热空气槽；
所述第二金属散热套件由光纤固定器、前端连接套、尾端连接套构成，光纤固定器内部设有贯通的第二光纤孔，第二光纤孔的孔径由光纤中部到端部逐渐缩小，光纤固定器前端通过前端连接套与第一金属散热套件连接，光纤固定器尾端与尾端连接套连接，光纤的端部设置于光纤固定器内，光纤的裸纤段依次穿过光纤固定器的第二光纤孔和第一金属散热套件的第一光纤孔，裸纤段与第二光纤孔的最窄处固定，光纤裸纤段前端面与第一金属散热套件前端面平齐。
2.根据权利要求1所述一种高功率氟化物光纤跳线，其特征在于，所述第一光纤孔、第二光纤孔采用多节段的台阶孔，台阶孔的孔径由光纤中部到端部逐渐缩小，最窄处孔径与光纤的裸纤段外径相同，台阶孔相邻节段之间设置有平滑过渡的倒角。
3.根据权利要求1所述一种高功率氟化物光纤跳线，其特征在于，所述散热空气槽深度为0.6-2.5mm。
4.根据权利要求1所述一种高功率氟化物光纤跳线，其特征在于，所述光纤外部设有外保护套，外保护套采用不锈钢铠甲套管或PVC护套管，光纤的外保护套与尾端连接套连接。
5.根据权利要求1所述一种高功率氟化物光纤跳线的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)光纤预处理：在25℃的条件下，将氟化物光纤端部浸泡在涂覆层去除剂内，反应60-120s后取出氟化物光纤，在氟化物光纤端部形成去除涂覆层的裸纤段，并用乙醇溶液清洗掉表面残留的涂覆层去除剂；
(2)光纤固定：氟化物光纤的端部依次插入第二金属散热套件和连接器中，三者之间通过胶水固定，连接器端面设有围绕氟化物光纤裸纤段的散热空气槽；
(3)光纤研磨：在连接器的空气散热槽里填充无水研磨填充剂，无水研磨填充剂采用溶于丙酮的有机化合物填充剂，采用研磨机对氟化物光纤端面进行研磨，使得氟化物光纤端面与连接器端面平齐，研磨到氟化物光纤端面在400倍显微镜下检测无任何缺陷，接着将研磨好的整个光纤端部浸泡在丙酮溶液中去除无水研磨填充剂，并用乙醇溶液对光纤做后续的清洗，即得到高功率氟化物光纤跳线。
6.根据权利要求5所述一种高功率氟化物光纤跳线的制造方法，其特征在于，所述氟化物光纤端面进行研磨的步骤包括：
a.去胶:研磨时，转速为80-100r/min，时间60s，压力2-4N，采用邵氏A硬度90°研磨垫，研磨片的材料采用15μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行去胶研磨；
b.粗磨:研磨时，转速为80-100r/min，时间60s，压力2-4N，采用邵氏A硬度85°研磨垫，研磨片的材料采用9μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行粗磨；
c.细磨：研磨时，转速为100-130r/min，时间75s，压力3-6N，采用邵氏A硬度80°研磨垫，研磨片的材料采用3μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行细磨；
d.精磨1μm：研磨时，转速为100-130r/min，时间80s，压力5-10N，采用邵氏A硬度75°研磨垫，研磨片的材料采用1μm的金刚石，对氟化物光纤端面进行1μm精磨；
e.ADS抛光：研磨时，转速为100-130r/min，时间80s，压力10-20N，采用邵氏A硬度75°研磨垫，研磨片的材料采用0.02μm二氧化硅，对氟化物光纤端面进行ADS抛光。
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