CN114966958B - 匀化光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种匀化光纤及其制备方法，上述的匀化光纤包括：芯棒、第一包层及第二包层；第一包层包覆于芯棒外，第二包层包覆于第一包层外，其中，芯棒包括第一芯层、第二芯层及第三芯层，第一芯层、第二芯层和第三芯层自芯棒的中心沿其径向方向依次设置，由于芯棒为一个整体结构，相对于现有技术中的多个芯棒组合结构，本发明提供的匀化光纤结构更加简单，对应的制备工艺也更加简单，该匀化光纤具备更广的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及光学与激光光电子技术领域，尤其涉及一种匀化光纤及其制备方法。
背景技术
匀化光纤具有出色的扰模特性、均匀的能量分布，普通的高斯分布激光在经过匀化光纤之后，可得到光斑能量分布均匀的平顶光，基于上述性能，匀化光纤有望取代匀化器，大幅节约制造成本，从而实现在激光加工领域中提高激光焊接、激光切割、激光打标的精度，在军事、天文领域能够提高观测精度。
目前，在已有的相关技术中，匀化光纤的结构主要由以下2种：一种光纤结构中的芯棒为多边形，另一种光纤的芯棒为圆形。其中，传光截面为多边型的光纤，虽然具有一定的光斑匀化作用，但其制备过程涉及到异型加工、端面处理等制备难点，且成品率不高及需要相应的匹配光纤，整体成本不占优势；圆形芯棒的折射率主要是以阶跃型或者渐变型为主，阶跃型能量传输光纤无法较大程度上对光斑进行匀化，现有渐变型圆形芯棒大多采用的是多芯棒组合结构，其渐变效果并不好，导致能量匀化效果不足，很难形成均匀分布的光斑形状。
发明内容
本发明提供一种匀化光纤及其制备方法，用以解决现有技术中光纤光斑匀化效果差的问题。
第一方面，本发明提供一种匀化光纤，包括：芯棒、第一包层及第二包层；
所述第一包层包覆于所述芯棒外，所述第二包层包覆于所述第一包层外；
其中，所述芯棒包括第一芯层、第二芯层及第三芯层；所述第一芯层、所述第二芯层和所述第三芯层自所述芯棒的中心沿其径向方向依次设置。
根据本发明提供的匀化光纤，所述第一芯层为掺氟石英层，且所述第一芯层的折射率自所述第一芯层的中心沿其径向方向逐渐减小。
根据本发明提供的匀化光纤，所述第二芯层为沉积于所述第一芯层表面的掺氟石英层，且所述第二芯层的折射率自所述第二芯层的中心沿其径向方向先增大再减小。
根据本发明提供的匀化光纤，所述第三芯层为沉积于所述第二芯层表面的掺氟石英层，且所述第三芯层的折射率自所述第三芯层的中心沿其径向方向逐渐增大。
根据本发明提供的匀化光纤，所述第一芯层、所述第二芯层和所述第三芯层为一体成型结构。
根据本发明提供的匀化光纤，所述第一包层为掺氟石英层，所述第一包层相对于纯石英的NA值为0.22。
根据本发明提供的匀化光纤，所述第二包层为纯石英层。
根据本发明提供的匀化光纤，所述匀化光纤还包括涂层；
所述涂层包括第一涂层和第二涂层，所述第一涂层包覆于所述第二包层，所述第二涂层包覆于所述第一涂层；
其中，所述第一涂层的折射率和所述第二涂层的折射率不同。
根据本发明提供的匀化光纤，所述匀化光纤的横截面为圆形。
第二方面，本发明还提供一种如上述任一项所述的匀化光纤的制备方法，包括：
在衬管内进行硅和氟的沉积，得到芯棒，其中，所述芯棒的第一芯层的折射率沿其径向方向逐渐减小，所述芯棒的第二芯层的折射率沿其径向方向先增大再减小，所述芯棒的第三芯层的折射率沿其径向方向逐渐增大；
在所述芯棒外依次包覆第一包层和第二包层，制备光纤预制棒；
将制备好的所述光纤预制棒通过拉丝工艺，拉制成所述匀化光纤。
本发明提供的匀化光纤及其制备方法，其中，匀化光纤由芯棒和包覆于芯棒的包层组成，芯棒由第一芯层、第二芯层和第三芯层一体成型组成，第一芯层、第二芯层和第三芯层各层折射率均呈一定规律分布，使得芯棒能够具备优异的光斑扰模特性，将多模光均匀分布在芯棒的整个界面上，使光斑能够有效匀化，此外，由于芯棒为一个整体结构，相对于现有技术中的多个芯棒组合结构，本发明提供的匀化光纤结构更加简单，对应的制备工艺也更加简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例提供的匀化光纤的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的匀化光纤的折射率分布示意图；
图3是本发明实施例提供的匀化光纤光斑能量分布图；
图4是本发明实施例提供的匀化光纤的制备方法流程图；
附图标记：
1：芯棒；11：第一芯层；12：第二芯层；13：第三芯层；2：第一包层；3：第二包层；4：第一涂层；5：第二涂层。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；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，还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，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。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。
下面结合图1至图4描述本发明提供的匀化光纤及其制备方法。
第一方面，本发明实施例提供的匀化光纤，包括：芯棒1、第一包层2及第二包层3。
第一包层2包覆于芯棒1外，第二包层3包覆于第一包层2外。
其中，芯棒1包括第一芯层11、第二芯层12及第三芯层13，第一芯层11、第二芯层12和第三芯层13自芯棒1的中心沿其径向方向依次设置。
具体地，如图1所示，匀化光纤中的芯棒1由多层芯层组成，包括第一芯层11、第二芯层12和第三芯层13，其中第一芯层11位于芯棒1的正中心，第二芯层12包覆于第一芯层11，第三芯层13包覆于第二芯层12，三个芯层的中心重合。
为了保障光纤的均匀性，如图1所示，芯棒1的横截面为圆形，即第一芯层11、第二芯层12和第三芯层13均为圆形截面，在实际操作中，芯棒1的直径为50～105μm。
其中，第一芯层11、第二芯层12和第三芯层13在沉积制作过程中均掺有氟元素，对应的掺氟量不同，其对应的折射率各不相同。
如图2所示，第一芯层11为陡增层，处于芯棒1的中心区域，在沉积快结束时，掺氟量迅速降低，使得芯棒1中心折射率形成一个陡增的趋势；
第二芯层12为中间层，在陡增层外部，这部分在沉积的过程中，掺氟量先降低后增加，使得折射率在该层内形成一个峰值，但是，值得注意的是：此峰值折射率小于纯石英折射率；
第三芯层13为缓变层，该层处于芯棒1的最外层，在沉积的过程中，随着掺氟量逐步增加，折射率缓慢降低。
本发明实施例提供的匀化光纤由芯棒1和包覆于芯棒1的包层组成，芯棒1由第一芯层11、第二芯层12和第三芯层13一体成型组成，第一芯层11、第二芯层12和第三芯层13各层折射率均呈一定规律分布，使得芯棒1能够具备优异的光斑扰模特性，将多模光均匀分布在芯棒1的整个界面上，使光斑能够有效匀化，此外，由于芯棒1为一个整体结构，相对于现有技术中的多个芯棒1组合结构，本发明实施例提供的匀化光纤结构更加简单，对应的制备工艺也更加简单
在可选的实施例中，第一芯层11为掺氟石英层，且第一芯层11的折射率自第一芯层11的中心沿其径向方向逐渐减小。
具体地，第一芯层11为芯棒1的中心，其可以采用等离子体化学气相沉积工艺(PCVD)或者改进的化学气相沉积工艺(MCVD)制备，通过控制掺氟流量，如图2所示，掺氟量逐步增加，使第一芯层11的横截面的折射率自第一芯层11的中心沿其径向方向逐渐减小。
在可选的实施例中，第二芯层12为沉积于第一芯层11表面的掺氟石英层，且第二芯层12的折射率自第二芯层12的中心沿其径向方向先增大再减小。
具体地，采用等离子体化学气相沉积工艺(PCVD)或者改进的化学气相沉积工艺(MCVD)在第一芯层11的表面沉积第二芯层12，在沉积第二芯层12的过程中，通过控制掺氟流量，如图2所示，其掺氟量先增加后降低，使第二芯层12的横截面的折射率自第二芯层12的中心沿其径向方向先增大再减小。
第二芯层12的折射率这一层中形成了一个峰值，因为有氟元素的掺入，该峰值的折射率小于纯石英的折射率。
在可选的实施例中，第三芯层13为沉积于第二芯层12表面的掺氟石英层，且第三芯层13的折射率自第三芯层13的中心沿其径向方向逐渐增大。
具体地，采用等离子体化学气相沉积工艺(PCVD)或者改进的化学气相沉积工艺(MCVD)在第二芯层12的表面沉积第三芯层13，在沉积第三芯层13的过程中，通过控制掺氟流量，如图2所示，其掺氟量逐渐减小，使第三芯层13的横截面的折射率自第三芯层13的中心沿其径向方向缓慢增大。
在可选的实施例中，第一芯层11、第二芯层12和第三芯层13为一体成型结构。
具体地，三层芯层依次沉积，根据实际需要，控制每一层芯层中氟元素的掺入量，即可得到对应不同折射率的芯层，进而得到呈所需规律的整根芯棒1。
在可选的实施例中，第一包层2为掺氟石英层，第一包层2相对于纯石英的NA值为0.22。
具体地，数值孔径NA(Numerical Aperture)：其中，n1和n0分别代表第一包层2和纯石英的折射率。在本发明实施例中，第一包层2相对纯石英的NA值为0.22。
采用套管法制备得到第一包层2，第一包层2为高掺氟石英套管。
在芯棒1为圆形的情况下，第一包层2包覆于芯棒1的外表面，对应的第一包层2的截面形状也为圆形，其直径为70～120μm。
在芯棒1表面包覆第一包层2，可以增强光纤匀化光斑的能力。
在可选的实施例中，第二包层3为纯石英层。
具体地，匀化光纤还可以包括包覆于第一包层2外的第二包层3，第二包层3可以为纯石英包层，第二包层3的横截面可以为圆形，由于增设了第二包层3，进一步增强了匀化光纤的限光作用和能量匀化光纤的强度。
第二包层3的内径与第一包层2的外径相适配，以使得第一包层2与第二包层3的接触面之间不易产生气泡，从而可以提升匀化光纤的质量。
在芯棒1为圆形的情况下，第二包层3包覆于第一包层2外，对应的第二包层3的截面形状也为圆形，其直径为360～460μm。
在可选的实施例中，匀化光纤还包括涂层。
涂层包括第一涂层4和第二涂层5，第一涂层4包覆于第二包层3，第二涂层5包覆于第一涂层4。
其中，第一涂层4的折射率和第二涂层5的折射率不同。
具体地，匀化光纤还可以包括包覆于第二包层3外的涂层，涂层可以是在进行拉丝形成匀化光纤的过程中进行涂覆的。
涂层可以包括第一涂层4和第二涂层5，其中，第一涂层4为内涂层，可以为低折射率涂层，其材料可以是含氟聚丙烯酸树脂，第一涂层4较软，具有较好的包覆效果。第一涂层4的作用为保证激光能够在光纤内部传输，降低传输过程中的能量损失。
第二涂层5为外涂层，可以为高折射率涂层，外涂层的材料可以是丙烯酸脂，起到增强匀化光纤的强度、柔韧性，以及保护光纤表面。
在实际操作中，第一涂层4的掺氟量大于第二涂层5的掺氟量，即第一涂层4的折射率小于第二涂层的折射率。
第一涂层4的直径小于第二涂层5的直径，例如：第一涂层4的直径为450～550μm，第二涂层5的直径为550～650μm。
在可选的实施例中，匀化光纤的横截面为圆形。
具体地，为了保障匀化光纤的匀化效果，使光斑的均匀性更好，在本发明实施例中，匀化光纤可以选择为圆柱形结构，即其横截面为圆形，对应的，各芯层、包层和涂层均为圆形结构。
将匀化光纤设计为圆形，能够匹配现有的绝大多数能量传输光纤，熔接效率高，从而使匀化光纤的适用性更强。
第二方面，本发明实施例提供匀化光纤的制备方法，包括：
步骤1，在衬管内进行硅和氟的沉积，得到芯棒，其中，所述芯棒的第一芯层的折射率沿其径向方向逐渐减小，所述芯棒的第二芯层的折射率沿其径向方向先增大再减小，所述芯棒的第三芯层的折射率沿其径向方向逐渐增大。
步骤2，在芯棒外依次包覆第一包层和第二包层，制备光纤预制棒。
步骤3，将步骤2中制备好的光纤预制棒通过拉丝工艺，拉制成匀化光纤。
具体地，如图4所示，首先制备具有多层芯层的芯棒，然后包覆包层制备光纤预制棒，最后将光纤预制棒芯棒进行拉丝，在此过程中，可根据需要进行对包层的外表面进行涂覆涂层的处理。
在实际操作中，其具体的实现过程如下：
第一步：采用MCVD或PCVD法制备芯棒。该芯棒通过在纯石英衬管中经过多趟沉积制备而成，例如20-30趟的沉积，具体沉积趟数依据实际情况而定，此处仅为举例，通过调整每趟掺杂F元素浓度的不同，形成不同折射率的各芯层，在沉积结束后，进行真空高温烧结，制得透明的芯棒。
第二步：将制备好的芯棒延伸至所需的尺寸后，套入高浓度掺F管(内包层)中，并在高温下烧结缩棒，熔缩为一体后，对制备好的光纤预制棒进行抛光、酸洗处理。
第三步：将套好内包层的预制棒延伸至所需的尺寸后，套入纯石英管(外包层)中，并在高温下烧结缩棒，熔缩为一体后，对制备好的光纤预制棒进行抛光、酸洗处理。
第四步：将制备好的光纤预制棒接上把手，放在拉丝炉中进行熔融、拉丝、涂覆涂层、收线等处理，即得到所需的匀化光纤。
第五步：将制备好的匀化光纤进行筛选、几何测试、光学性能测试、机械性能测试，确定光纤的质量，能量匀化的效果如图3所示，可以看出，入射光通过匀化光纤时，可以转变为能量均匀分布的平顶光，实现激光的匀化效果，即该光束的能量在芯棒1处均匀分布。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种匀化光纤，其特征在于，包括：芯棒、第一包层及第二包层；
所述第一包层包覆于所述芯棒外，所述第二包层包覆于所述第一包层外；
其中，所述芯棒包括第一芯层、第二芯层及第三芯层；所述第一芯层、所述第二芯层和所述第三芯层自所述芯棒的中心沿其径向方向依次设置；
所述第一芯层为掺氟石英层，且所述第一芯层的折射率自所述第一芯层的中心沿其径向方向逐渐减小；
所述第二芯层为掺氟石英层，且所述第二芯层的折射率自所述第二芯层的中心沿其径向方向先增大再减小；其中，所述第二芯层的掺氟量与所述第一芯层的掺氟量不同；
所述第三芯层为掺氟石英层，且所述第三芯层的折射率自所述第三芯层的中心沿其径向方向逐渐增大；其中，所述第三芯层的掺氟量与所述第二芯层的掺氟量不同；
所述第一芯层、所述第二芯层和所述第三芯层为一体成型结构。
2.根据权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，所述第一包层为掺氟石英层，所述第一包层相对于纯石英的NA值为0.22。
3.根据权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，所述第二包层为纯石英层。
4.根据权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，所述匀化光纤还包括涂层；
所述涂层包括第一涂层和第二涂层，所述第一涂层包覆于所述第二包层，所述第二涂层包覆于所述第一涂层；
其中，所述第一涂层的折射率和所述第二涂层的折射率不同。
5.根据权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，所述匀化光纤的横截面为圆形。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的匀化光纤的制备方法，其特征在于，包括：
在衬管内进行硅和氟的沉积，得到芯棒，其中，所述芯棒的第一芯层的折射率沿其径向方向逐渐减小，所述芯棒的第二芯层的折射率沿其径向方向先增大再减小，所述芯棒的第三芯层的折射率沿其径向方向逐渐增大；
在所述芯棒外依次包覆第一包层和第二包层，制备得到光纤预制棒；
将制备好的所述光纤预制棒通过拉丝工艺，拉制成所述匀化光纤。
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