CN115180816B - 用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，采用异形加工的玻璃基管进行拉制异形玻璃毛细管；并将异形玻璃毛细管按照圆形紧密排列在圆形玻璃棒或圆形玻璃管的外圆；然后套入一个尺寸合适的圆形玻璃套管内，使得异形玻璃毛细管被稳定的固定于圆形玻璃套管和圆形玻璃棒(或圆形玻璃管)之间的空隙，然后对该组合而成的预制棒进行拉丝，获得数值孔径在0.37～0.95范围内的高数值孔径空气包层。该方法便捷易行、稳定可靠、成本低，适合规模化生产高NA的空气包层光纤。
Description
技术领域
本申请涉及光纤制造技术领域，具体涉及一种用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法。
背景技术
最早的光子晶体光纤发明于1996年，发明者创造性地在光纤内部设置光波长量级的纵向气孔结构，使得光纤的设计自由度拓展至空气包层领域。例如可以在很大范围内调控光纤色散，可以实现无截止的宽带单模传输，可以实现空芯波导传输，也可以实现高达0.5以上的光纤数值孔径(NA)，如此设计自由度使得光子晶体光纤(又称微结构光纤)在近二十多年在科研、工业加工、传感等领域获得了广泛而深入的发展。
其中，实现光纤高NA的常规技术手段通常有氟掺杂和光纤低折射率涂层两类方案。前者在实践中能实现的最大NA为0.25，后者能实现的最大NA为0.48。又因为采用光纤低折射率涂层来实现时必须用到昂贵的低折射率涂料，而且这类涂料的耐温性能通常在85度以下。这在事实上限制了光纤的设计自由度和应用范围。高NA对于提高光纤包层的收光能力有直接决定作用，这一点对于光纤激光领域的双包层光纤而言十分重要。高NA意味着可以更加容易地将更多的泵浦激光能量耦合进入光纤的泵浦包层当中，这对高功率、高能量的脉冲激光尤为重要。
空气包层光纤技术是实现高NA光纤的一种有效途径。因为光纤的高NA包层可以经由带有气孔的毛细管来制造，这使得空气包层区域的有效折射率可以大大下降，进而获得远超常规技术方法的高NA。
现有关于空气包层技术的文献例如“All-silica single-mode optical fiberwith photonic crystal cladding”最早制备出光子晶体光纤，创造性地将光子晶体设计概念引入到光纤领域，带有空气孔的包层技术由此诞生；文献“Very High NumericalAperture Fibers”从理论和实验上分析了实现高NA空气包层所需的形貌特征，指出减小空气孔之间的石英壁厚度是关键；文献“High power air-clad photonic crystal fibrelaser”，采用空气包层实现了0.8的高NA。
公开号为CN108473356A的专利文献中描述了微结构光纤的一类制造工艺，其中关于空气包层的制造，采取了在线拉丝压力控制毛细管内压力的实现方法；公开号为CN103936276B的专利中则公开了一种离线的毛细管压力控制方法并由此制造微结构光纤及其空气包层；公开号为CN111025456B的专利中则公开了一种空气包层的异形纤芯光纤，其中简要提及了空气包层制造，这种方法完全类似CN108473356A描述的方法。
综上，上述公开的专利和文献的重点都在于描述空气包层的理论、具体特征或者简单描述了采用毛细管堆叠来制造空气包层，而关于如何制造光纤的高NA空气包层，则未有详细描述。事实上，为了实现高NA，在制造工艺上必须使得光纤空气包层中气孔与气孔之间的壁厚非常之薄，量级可达几十纳米到一千纳米范围，而且必须在公里级的纵向长度上保持一致。壁厚越薄，相应地NA也越高，其制造难度越大，这对光纤制造工艺提出了严苛挑战。通常的做法是采用薄壁的毛细管(例如内外径之比大于0.9)，或者经由向毛细管内部加压(例如公开号为CN108473356A的专利文献和公开号为CN103936276B的专利)，最终获得高NA的空气包层。但这些方法都存在相应的问题，薄壁毛细管在处理加工过程中非常容易破碎，这对工艺控制和产出率的提高都是有害的；毛细管内部加压虽说可以有效提升毛细管的空气填充率，但是存在着对控压系统要求严苛、对毛细管一致性要求苛刻等问题，进而影响制造工艺稳定性和产出率。
发明内容
为此，本申请提供一种用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，以解决现有技术存在的薄壁毛细管在处理加工过程中非常容易破碎，影响制造工艺稳定性和产出率的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
一种用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，包括：
将玻璃基管外圆打磨成相互平行的两个对边且打磨量相同的异形玻璃基管；
将异形玻璃基管拉制成同样形状的异形玻璃毛细管；
采用氢氧焰对异形玻璃毛细管的两端进行熔融拉锥密封、圆头；
准备一根圆形玻璃棒或圆形玻璃管和一根圆形玻璃套管；
根据第一公式计算出需要的异形玻璃毛细管数量；
所述第一公式为：π(OD+d)/(d(W/D2))-n，其中，OD为准备好的圆形玻璃棒的直径，d为异形玻璃毛细管的外圆直径，W为异形玻璃基管外圆被打磨成相互平行的两个对边之间的距离，D2为异形玻璃基管外圆直径，n为异形毛细管个数N的修正系数；
将异形玻璃毛细管按照圆形紧密排列在准备好的圆形玻璃棒或圆形玻璃管的外圆；
将准备好的圆形玻璃套管套在排列有异形玻璃毛细管的圆形玻璃棒或圆形玻璃管上形成完整的预制棒；
将预制棒置于拉丝塔上进行拉丝后获得高数值孔径空气包层光纤。
进一步的，所述异形玻璃基管材料组成为高纯石英玻璃。
进一步的，所述异形玻璃基管外圆直径D2的取值范围为：10mm≤D2≤50mm，所述异形玻璃基管内圆直径D1满足：0.5≤D1/D2≤0.8。
进一步的，所述异形玻璃基管内圆直径D1与所述异形玻璃基管外圆被打磨成相互平行的两个对边之间的距离W之间满足：0.55≤D1/W≤0.95。
进一步的，所述异形玻璃毛细管的外圆直径d的范围为：0.3mm-3mm，长度范围为100-1000mm。
进一步的，所述圆形玻璃套管的内径ID和所述圆形玻璃棒的直径OD满足：OD+2d+g＝ID，其中，g为修正系数，单位为毫米。
进一步的，所述修正系数g的范围在0.1～0.3mm之间。
进一步的，所述拉丝后获得高数值孔径空气包层光纤的空气包层中相邻气孔之间的壁厚t的范围为0.1μm～1.0μm，数值孔径范围为0.37～0.95。
进一步的，所述圆形玻璃管具有实心棒或者毛细管堆叠而成的微结构棒。
进一步的，所述异形毛细管个数N的修正系数n的取值范围在1～5之间。
相比现有技术，本申请至少具有以下有益效果：
本申请公开了一种用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，采用异形加工的玻璃基管进行拉制异形玻璃毛细管；并将异形玻璃毛细管按照圆形紧密排列在圆形玻璃棒或圆形玻璃管的外圆；然后套入一个尺寸合适的圆形玻璃套管内，使得异形玻璃毛细管被稳定的固定于圆形玻璃套管和圆形玻璃棒(或圆形玻璃管)之间的空隙，然后对该组合而成的预制棒进行拉丝，获得数值孔径在0.37～0.95范围内的高数值孔径空气包层。该方法便捷易行、稳定可靠、成本低，适合规模化生产高NA的空气包层光纤。
附图说明
为了更直观地说明现有技术以及本申请，下面给出几个示例性的附图。应当理解，附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本申请时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本申请揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。
图1为本申请提供的用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法流程图；
图2为本申请实施例一提供的高数值孔径空气包层光纤的预制棒组装结构横截面示意图；
图3为本申请实施例二提供的高数值孔径空气包层光纤的预制棒组装结构横截面示意图；
图4为本申请实施例三提供的高数值孔径空气包层光纤的预制棒组装结构横截面示意图；
图5为实际拉制的高数值孔径空气包层光纤横截面图；
图6为高数值孔径空气包层光纤的NA与t的理论关系图；
图7为NA的测试方法示意图。
附图标记说明：
1、异形玻璃基管；2、异形玻璃毛细管；3、圆形玻璃棒/圆形玻璃管；4、圆形玻璃套管。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本申请作进一步详述。
在本申请的描述中：除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”等旨在区别指代的对象，而不具有技术内涵方面的特别意义(例如，不应理解为对重要程度或次序等的强调)。“包括”、“包含”、“具有”等表述方式，同时还意味着“不限于”(某些单元、部件、材料、步骤等)。
本申请中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，通常是为了便于对照附图直观理解，而并非对实际产品中位置关系的绝对限定。在未脱离本申请揭示的技术构思的情况下，这些相对位置关系的改变，当亦视为本申请表述的范畴。
请参阅图1，本申请提供了一种用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，包括：
S1：将玻璃基管外圆打磨成相互平行的两个对边且打磨量相同的异形玻璃基管；
S2：将异形玻璃基管拉制成同样形状的异形玻璃毛细管；
具体的，异形玻璃基管的材料组成为高纯石英玻璃，且异形玻璃基管的外圆直径为D2满足10mm≤D2≤50mm，例如D2＝10mm，D2＝30mm或者D2＝50mm，内圆直径D1满足0.5≤D1/D2≤0.8，例如D1/D2＝0.5，D1/D2＝0.6或者D1/D2＝0.8。异形玻璃基管的外圆被打磨出两个相互平行的对边且打磨量相同，异形玻璃基管内圆直径D1与异形玻璃基管外圆被打磨成相互平行的两个对边之间的距离W之间满足：0.55≤D1/W≤0.95，例如D1/W＝0.65、D1/W＝0.75、D1/W＝0.85，或D1/W＝0.95。
S3：采用氢氧焰对异形玻璃毛细管的两端进行熔融拉锥密封、圆头；
具体的，拉制的异形玻璃毛细管大致保持了拉制前异形玻璃基管的形状，其外圆直径为d的范围为0.3mm-3mm，例如d＝0.3mm，d＝1mm或者d＝3mm，长度范围在100-1000mm，例如200mm，500mm或1000mm，且两端密封。
S4：准备一根圆形玻璃棒或圆形玻璃管和一根圆形玻璃套管；
具体的，圆形玻璃棒直径为OD，圆形玻璃套管的内径为ID，且满足OD+2d+g＝ID，其中，g为修正系数，其单位为毫米，范围在0.1～0.3mm之间，例如0.1mm，0.2mm或者0.3mm。
更具体的，圆形玻璃管内孔中可以设置有实心棒或者毛细管堆叠而成的微结构棒。
S5：根据第一公式计算出需要的异形玻璃毛细管数量；
具体的，第一公式为：π(OD+d)/(d(W/D2))-n，计算出的结果取整数，其中，n为异形玻璃毛细管个数N的修正系数，n的范围在1～5之间，例如n＝1，n＝2，n＝5。
S6：将异形玻璃毛细管按照圆形紧密排列在准备好的圆形玻璃棒或圆形玻璃管的外圆；
S7：将准备好的圆形玻璃套管套在排列有异形玻璃毛细管的圆形玻璃棒或圆形玻璃管上形成完整的预制棒；
S8：将预制棒置于拉丝塔上进行拉丝后获得高数值孔径空气包层光纤。
具体的，将预制棒进行拉丝获得的空气包层中相邻气孔之间的壁厚t的范围为0.1μm～1.0μm，例如t＝0.1μm，t＝0.4μm，t＝0.6μm，t＝1μm，相应地，数值孔径在0.37～0.95范围内。
本申请采用部分厚壁、部分抛边形成的薄壁的异形玻璃毛细管对于空气包层的制造有着独特的优势，抛边部分使得圆周方向的孔与孔之间的壁厚t值可以做到非常小，高NA正是取决于圆周方向上孔与孔之间的壁厚t。而异形玻璃毛细管其他部分较厚的壁厚可保证制造工艺的稳定性。而且在光纤拉制过程中，由于抛边处玻璃更薄，空气孔更易于向抛边方向也就是圆周方向膨胀而不是径向，使得空气包层不至于太厚(太厚指气孔的径向直径偏大)。较厚的空气包层将直接影响光纤的拉丝稳定性工艺(气孔大小不易稳定)；而且还是影响光纤使用中端面的切割质量，这是因为如果空气包层太厚，例如径向的直径偏大至15微米以上，光纤切割张力不利于在空气包层处传导，导致空气包层内、外的端面无法切平，这对光纤的实际使用有着严重的负面干扰。
实施例一
请参阅图2：
S11：取一根玻璃基管，其外圆直径D2＝10mm，内圆直径D1＝6mm，则D1/D2＝0.6，其外圆被打磨成相互平行的两个对边且打磨量相同，平行边之间的距离为W＝9.23mm，则D1/W＝0.65；
S12：将异形玻璃基管1拉制成外圆直径为d＝1mm的异形玻璃毛细管2，每根大约长度取1000mm；
S13：用氢氧焰对异形玻璃毛细管2的两端进行熔融拉锥密封、圆头；
S14：准备好一根圆形玻璃棒3，其直径为OD＝20mm，以及一根圆形玻璃套管4，其内径为ID＝22.1mm，则g＝ID-OD-2d＝0.1mm；
S15：根据公式π(OD+d)/(d(W/D2))-n计算出大约需要66～70根异形玻璃毛细管2，取70根异形玻璃毛细管2；
S16：将70根异形玻璃毛细管按照圆形紧密排列在圆形玻璃棒3的外圆；
S17：套入到圆形玻璃套管4内，使得异形玻璃毛细管被稳定的固定于圆形玻璃套管4和圆形玻璃棒3之间的空隙中，由此组装成完整的预制棒；
S18：将预制棒拉制成光纤，其中得到壁厚t＝0.5μm，则NA大约为0.6。
实施例二
请参阅图3：
S21：取一根玻璃基管，其外圆直径为D2＝30mm，内圆直径D1＝15mm，则D1/D2＝0.5，其外圆被打磨成相互平行的两个对边且打磨量相同，平行边之间的距离为W＝27.3mm，则D1/W＝0.55；
S22：将异形玻璃基管1拉制成外圆直径为d＝2mm的异形玻璃毛细管2，每根大约长度取100mm；
S23：用氢氧焰对异形玻璃毛细管2的两端进行熔融拉锥密封、圆头；
S24：准备好一根圆形玻璃管3，其外径为OD＝60mm，以及一根圆形玻璃套管4，其内径为ID＝64.2mm，则g＝ID-OD-2d＝0.2mm。圆形玻璃管3内孔中设置有实心棒。
S25：根据公式π(OD+d)/(d(W/D2))-n计算出大约需要102～106根异形玻璃毛细管2，取105根异形玻璃毛细管2。
S26：将105根异形玻璃毛细管按照圆形紧密排列在圆形玻璃管3的外圆；
S27：套入到到圆形玻璃套管4内，使得异形玻璃毛细管被稳定的固定于玻璃套管4的内孔和圆形玻璃管3外圆之间的空隙中，由此组装成完整的预制棒。
S28：将预制棒拉制成光纤，其中壁厚t＝0.6μm，则NA大约为0.54。
实施例三
请参阅图4：
S31：取一根玻璃基管，其外圆直径为D2＝50mm，内径为D1＝40mm，则D1/D2＝0.8，其外圆被打磨成相互平行的两个对边且打磨量相同，平行边之间的距离为W＝47mm，则D1/W＝0.85。
S32：将异形玻璃基管1拉制成外接圆直径为d＝3mm的异形玻璃毛细管2，每根大约长度取500mm；
S33：用氢氧焰对异形玻璃毛细管2的两端进行熔融拉锥密封、圆头；
S34：准备好一根圆形玻璃管3，其外径为OD＝75mm，以及一根圆形玻璃套管4，其内径为ID＝81.3mm，使得g＝ID-OD-2d＝0.3mm。圆形玻璃管3内孔中设置有实心棒和毛细管堆叠而成的微结构棒。
S35：根据公式π(OD+d)/(d(W/D2))-n计算出大约需要81～85根异形玻璃毛细管2，取85根异形玻璃毛细管2。
S36：将85根异形玻璃毛细管按照圆形紧密排列在圆形玻璃管3的外圆；
S37：套入到圆形玻璃套管4内，使得异形玻璃毛细管被稳定的固定于圆形玻璃套管4的内孔和圆形玻璃管3的外圆之间的空隙中，由此组装成完整的预制棒。
S38：将预制棒拉制成光纤，其中壁厚t＝0.4μm，则NA大约为0.68。
请参阅图5-图7，本申请中空气包层的实际拉制效果可以参考图5，其中壁厚t<1μm，在光学显微镜下已经无法准确分辨，可利用扫描电镜进行准确测量t值。t与NA的理论关系如图6所示。表1为实测NA，对比图6，实测值基本与理论值吻合。NA的测试方法如图7所示，测量光束出射端远处的光斑直径D，测试光纤端面到光斑直径测试点的距离L，则NA＝n空气sin(arctan(D/L/2))。
表1：高数值孔径空气包层光纤的NA测试结果
本申请提供的用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，是实现高NA的一种便捷易行、稳定可靠、低成本的制造方法，且适合规模化生产高NA空气包层光纤。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。
上文中通过一般性说明及具体实施例对本申请作了较为具体和详细的描述。应当理解，基于本申请的技术构思，还可以对这些具体实施例作出若干常规的调整或进一步的创新；但只要未脱离本申请的技术构思，这些常规的调整或进一步的创新得到的技术方案也同样落入本申请的权利要求保护范围。
Claims (10)
1.一种用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，其特征在于，包括：
将玻璃基管外圆打磨成相互平行的两个对边且打磨量相同的异形玻璃基管；
将异形玻璃基管拉制成同样形状的异形玻璃毛细管；
采用氢氧焰对异形玻璃毛细管的两端进行熔融拉锥密封、圆头；
准备一根圆形玻璃棒或圆形玻璃管和一根圆形玻璃套管；
根据第一公式计算出需要的异形玻璃毛细管数量；
所述第一公式为：π(OD+d)/(d(W/D2))-n，其中，OD为准备好的圆形玻璃棒的直径，d为异形玻璃毛细管的外圆直径，W为异形玻璃基管外圆被打磨成相互平行的两个对边之间的距离，D2为异形玻璃基管外圆直径，n为异形毛细管个数N的修正系数；
将异形玻璃毛细管按照圆形紧密排列在准备好的圆形玻璃棒或圆形玻璃管的外圆；
将准备好的圆形玻璃套管套在排列有异形玻璃毛细管的圆形玻璃棒或圆形玻璃管上形成完整的预制棒；
将预制棒置于拉丝塔上进行拉丝后获得高数值孔径空气包层光纤。
2.根据权利要求1所述的用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，其特征在于，所述异形玻璃基管材料组成为高纯石英玻璃。
3.根据权利要求1所述的用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，其特征在于，所述异形玻璃基管外圆直径D2的取值范围为：10mm≤D2≤50mm，所述异形玻璃基管内圆直径D1满足：0.5≤D1/D2≤0.8。
4.根据权利要求3所述的用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，其特征在于，所述异形玻璃基管内圆直径D1与所述异形玻璃基管外圆被打磨成相互平行的两个对边之间的距离W之间满足：0.55≤D1/W≤0.95。
5.根据权利要求1所述的用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，其特征在于，所述异形玻璃毛细管的外圆直径d的范围为：0.3mm-3mm，长度范围为100-1000mm。
6.根据权利要求1所述的用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，其特征在于，所述圆形玻璃套管的内径ID和所述圆形玻璃棒的直径OD满足：OD+2d+g＝ID，其中，g为修正系数，单位为毫米。
7.根据权利要求6所述的用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，其特征在于，所述修正系数g的范围在0.1～0.3mm之间。
8.根据权利要求1所述的用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，其特征在于，所述拉丝后获得高数值孔径空气包层光纤的空气包层中相邻气孔之间的壁厚t的范围为0.1μm～1.0μm，相应的数值孔径范围为0.37～0.95。
9.根据权利要求1所述的用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，其特征在于，所述圆形玻璃管中具有实心棒或者毛细管堆叠而成的微结构棒。
10.根据权利要求1所述的用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，其特征在于，所述异形毛细管个数N的修正系数n的取值范围在1～5之间。
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