CN115190870A - 用于具有结构化二氧化硅区段的无散斑输出光纤的预制件、这种预制件的制造方法和改进的无散斑输出光纤 - Google Patents

Abstract

公开了预制件的制作和新型预制件，这些预制件在拉制后制作出新型光纤、改进的无散斑输出光纤。由本文介绍的预制件制作有用的纤维，以提供具有来自高斯或少模源的光的平顶传输的无散斑平滑输出。还公开了这些改进的预制件的独特制作。预制件以及由此产生的芯尺寸从约100μm到超过1000μm变化的纤维基于与内芯相邻的模式混合区域的结构化二氧化硅区段，或者在非圆形芯的情况下，在芯内。修改了等离子气相沉积工艺，以良好控制的方式实现结构化区段。结构化区段由多个成对层构成，其中，薄的向下掺杂层与厚得多的芯材料层交替。芯层的厚度与下掺杂的层厚度之比约为3至25。成对层的数量通常在约8至30层对之间。结构化区段的有效NA取决于结构化二氧化硅区段和各个下掺杂层的细节。圆形内芯示例和非圆形内芯示例都是可能的并且在本文中进行了讨论。

Description

用于具有结构化二氧化硅区段的无散斑输出光纤的预制件、 这种预制件的制造方法和改进的无散斑输出光纤

介绍

技术领域

对于采用激光器和纤维激光器的许多应用，优选在光纤系统的远侧输出端处具有无散斑输出，而不是可从激光源获得的典型高斯分布。这样的输出通常称为顶帽(Top Hat)分布或平顶(Flat Top)分布。通常，它们需要有效的模式混合光纤区段(section)才能在大多数系统/ 应用中良好工作。在其他应用中，需要无散斑输出以提供无散斑发射，例如用于激光清洁或空间敏感传感器。我们在此公开了一种制造方法和预制件结构，其可以拉制成在其输出表面上具有无散斑输出的期望光纤。

背景技术

对于各种应用，激光焊接或接合已成为一项非常庞大的业务。在许多情况下，为了获得这些工艺的全部益处，至关重要的是具有非常干净和非常光滑的表面，小到原子/分子尺寸。在准备用于精密焊接和长效焊接以及用于重新喷漆等的表面时，激光清洁已成为可选方法。

对无散斑输出光纤输出的需求和因此的追求已经存在了一段时间，特别是在许多应用中开始使用激光源和纤维激光源之后。除了对改进焊接和接合的超清洁表面的需求之外，各种光电-光学器件的不断小型化以及对高密度功率的单模或少模源的推动，导致了在大型和小型部件的激光处理系统中对无散斑光束的需求。无论是激光焊接、激光清洁、激光接合/密封程序，它们均可能对非无散斑光束产生负面影响。例如，在使用具有散斑输出的激光进行清洁之后在表面中产生波纹，实现了规则的接合，但不如激光接合/焊接所能提供的一样理想的紧密、连续或无缺陷。此外，在高功率(CW或脉冲)源中，局部功率峰值会导致光纤本身的损坏。避免这种情况是非常期望的，特别是在高功率应用中。

光纤通常用于将激光辐射运输和分布到远离激光源的区域。这可能有利于保护源、提供更大的工作光束和/或更灵活地到达不同的表面目标。通常，这些益处是由于使用了具有大芯数的多模光纤，其具有多种激光能量传输模式。

光纤通常由预制件拉制而成。预制件的横截面结构决定了拉制光纤的横截面结构。预制件的制作可以通过多种工艺完成，但本文描述的一种是等离子外气相沉积(POVD)。在此，预制件是由芯棒通过沉积连续的材料层构成，以提供包层和玻璃护套。有时在包层沉积完成之后，将纯二氧化硅管熔合在预制件上，以使外径达到期望厚度。在这种工艺中，芯、包层和外部纯二氧化硅都彼此同轴。多边形芯预制件可以以与圆形芯类似的方式从非圆形芯开始并沉积包层和护套层来制作。取决于起始材料预制件的形状，可以从这种具有圆形或非圆形芯的预制件中拉制成标准尺寸的光纤。

激光接合；在电子和高科技小型化中对无散斑、清洁表面的高需求。模式混合光纤并不总是会导致真正的平顶输出，在分子尺度上在表面上产生或留下波纹，其影响实际上会损坏/损害设备或高科技应用 (如超音速喷气机、高价值飞机零件、太空应用等)的性能。设备越小，越需要光束输出越过输送光纤的输出表面区域的高无散斑性。否则，在处理过的工件表面上可能会产生严重的负面影响。例如，与微型到超微型电子设备的激光加工需求相比，有效包层泵浦纤维激光器所需的模式混合的要求相对较低。仅不对称芯或非圆形芯对于产生真正的顶帽输出所需的混合水平是不足的，该顶帽输出在大范围的输入源中是真正的无散斑输出。

结果，对于激光清洁、激光接合和激光焊接中的许多关键应用来说需要具有出色模式混合的光纤，以实现无散斑输出。理想地，这种光纤简单地从具有最终光纤的所有必要特征的适当构造的预制件与光纤的所需尺寸的拉伸比成比例地拉制而成。

在现有技术中，通过借助于添加新材料或空气的局部区段而使用非对称芯、非圆形芯、包含折射率破坏性变化的包层，并通过借助于在拉制过程期间修改拉制参数来改变沿光纤长轴的不同点处的横截面，已经采取了几种方法来产生非对称芯横截面。

发明的内容和目的

我们在预制件结构方面的技术进步提高了从本文描述的预制件拉制的远程工艺所需光纤的更好更无散斑性能的可能性，以及在从这些预制件拉制的光纤中实现并提供所需无散斑输出特性的新制造技术。主要目的是设计和制备光学预制件，其结构本身更好(理想地)适于允许拉制各种尺寸的光纤，其在高斯输出源或没有无散斑横截面输出的其他源的传输中是无散斑输出。

另一目的是提供用于无散斑输出光纤的预制件，该预制件可以使用标准拉制工艺拉制成无散斑输出光纤，从而允许拉制工艺的输出没有损失并且仅在预制件制作工艺中保持附加成本。

另一目的是提供用于预制件的制造工艺，该制造工艺可以用于制备无散斑输出光纤。

其他目的是为材料的各种激光加工(包括激光清洁、激光加工和激光焊接)提供无散斑输出光纤。满足这些目标的圆形芯预制件结构是当前专利的目标。也可以成功地拉制成无散斑输出光纤的非圆形芯预制件结构的制作和加工也是本专利申请的目标之一。

总之，我们描述了新型的圆形芯；和非圆形芯预制件，以用于拉制等效横截面的无散斑输出光纤；及其制造方法。这些预制件被设计成制作更好的无散斑输出光纤。不同尺寸的光纤(芯尺寸从100pm到 1000pm及以上)可以有效地将高斯或低模光源输出转换为无散斑的工作表面输出，诸如平顶输出。由这些预制件制成的新改进的无散斑输出光纤产品非常适合用于激光加工应用(包括表面的激光清洁和关键表面的激光焊接)以及受益于顶帽型输出的其他应用。

附图说明

图1示出了初始预制件的基本结构，其具有芯并被结构化的二氧化硅层包围，如图1A可见。

图2示出了初始预制件的横截面的折射率分布，图2A和图2B中具有更多细节。

图3示出了中间预制件，其中阴影的不对称区域已被磨掉。使内芯与所得预制件不对称，如图4所示。

图4示出了图3中的被反射层包围的内部中间预制件，该内部中间预制件准备好拉制无散斑输出光纤。

图5示出了用于非圆形芯光纤的中间预制件的初步阶段，与图1 中的初始预制件相关。

图6示出了由图5所示的中间预制件制作的2个预制件中的一个，该预制件准备好拉制成非圆形芯、无散斑输出光纤。

图7基本示出了预制件，其具有平坦的表面和两组切割线，以生成用于具有非圆形芯的4个拉制预制件的芯。

图8示出了由图7中的初始预制件制作的4个预制件中的一个，该预制件准备好拉制成非圆形芯、无散斑输出光纤。

图9示出了等离子体外气相沉积(POVD)的横截面图。

图10的右侧是本发明的具有300μm芯直径的圆形芯光纤的近场图像和曲线；并且左侧是现有技术的具有300μm芯直径的标准圆形芯光纤的近场图像和曲线。

图11的右侧是本发明的具有600μm芯直径的圆形芯光纤的近场图像和曲线；并且左侧是现有技术的具有600μm芯直径的标准圆形芯光纤的近场图像和曲线。

图12的右侧是本发明的具有100μm×100μm芯尺寸的非圆形芯光纤的近场图像和曲线。

具体实施方式

在下面的描述中，对于图1至图8中所示的特征，具有相同最后两位数字的附图标记是相似的项目，例如101、201、301、401等是纯二氧化硅芯，其包括内芯，并且103、203、303、403、503等中的每一个是由下掺杂二氧化硅和纯二氧化硅沉积物构成的结构化二氧化硅模式混合区域，如下文描述的，其在每种情况下都围绕附图中的内芯。虽然本文描述的大部分沉积使用等离子体外气相沉积(POVD)工艺，但如果出于通常原因需要，等离子体化学气相沉积(PCVD)工艺也可以在本文描述的不同沉积步骤中使用。如果没有具体说明，本文提及的等离子体沉积可以指任一种工艺。纯二氧化硅芯棒101已被放置在 POVD室中以添加一系列层，这些层在下掺杂层123与纯二氧化硅层 121之间交替，导致图1中可见的结构化区段103。纯二氧化硅芯102 的直径与结构化二氧化硅区段104的直径之间的差异限定了模式混合的结构化二氧化硅区段103的总厚度。在区段103内，存在多个分层对120，对于不同的情况可能不同，通常在8到30对的范围内。在每个分层对120内，纯二氧化硅层121通常比下掺杂二氧化硅层123厚得多。两个厚度之比的范围通常约为1至20。这在图1和图1A中进行了总结。这两个参数的特别有用的范围在于，成对层内的厚度比为 7-13，成对层的数量为12-20。

当然，从适当尺寸的二氧化硅芯开始，内芯101、201可以由更薄的二氧化硅棒制成，在某些情况下，通过附加的纯二氧化硅的等离子体沉积将纯二氧化硅沉积在该二氧化硅棒上，以实现期望的芯直径。

图2以横截面图示出了预制件100的折射率(RI)分布。图2A和图2B示出了RI如何在横截面上变化。这些线表示在芯材料的折射率之间的下掺杂二氧化硅层的折射率下降。RI变化的急剧程度表明沉积期间的材料的急剧变化，并且无散斑底部确定了每个下掺杂层中的掺杂剂水平的无散斑。在一系列示例中，Δn＝5×10^-3。

在采用图1中的初步形式之后，将其与附加的纯二氧化硅305一起沉积以形成具有直径325的预制件，如图3所示。在下一步中，通过磨去初始预制件直径325的部分307，优选地磨到预制件的一侧，来制造具有不对称内芯的预制件，使得新的预制件形状具有偏离新研磨形状的中心围绕内芯301的结构化二氧化硅区段303。

图3描绘了外部材料307的非对称去除，其中，内芯301在外芯 305内偏离中心。芯301被结构化二氧化硅区域303同心地包围，内芯的直径302和结构化二氧化硅的直径304限定了结构化二氧化硅区域的总厚度。

图4示出了成品预制件的横截面视图，该成品预制件准备好拉制成具有无散斑输出的光纤。内芯401被结构化二氧化硅403同心地包围，其厚度由结构化二氧化硅404和内芯402的直径差限定。最外芯 405被反射层409(诸如POVD/PCVD沉积的下掺杂二氧化硅)包围。注意，内芯401的中心在外芯405中偏移了差值411。在一个示例中， 411为4mm。

我们还可以使用图4首先说明从如上文描述的预制件拉制的光纤的横截面。在这种情况下，可以在拉制光纤时应用反射层409，并因此该反射层可以选自硅树脂、硬塑料包层、其他聚合物包层材料。无散斑输出光纤的反射层409也可以是复合的，即，光纤可以在预制件上拉制反射层，并在拉制过程期间增加反射层。

应当补充另一点。虽然二氧化硅玻璃光纤在拉制时非常坚固，但随着时间的推移，玻璃表面容易受到各种应用条件的损坏，这可能会损害最外层的玻璃层。因此，众所周知，通常，如在大多数工业或医疗应用中发现的，在开放环境中使用的光纤通常具有一个或多个本文未描述的保护性外涂层(护套)。这些外涂层通常在拉伸工艺期间应用，但它们可以在进一步的下游加工中应用。

图5到图8例示了产生用于无散斑输出的具有非圆形芯的预制件和光纤的各方面。首先，图1中所示的初始预制件用附加的芯材料放大，以制造具有内芯501、结构化二氧化硅区域503和围绕结构化二氧化硅区域的第二芯的较大预制件，其具有直径525。第二芯可以完全通过等离子体沉积工艺制备，或者替代地通过套上纯二氧化硅管(其内部尺寸与初始预制件的直径紧密匹配)、然后将两者粘合成没有气泡且具有期望直径525的更大的预制件而制备。较大的预制件被研磨去除材料507，直到达到其宽度515，具有与其宽度相关的特定高度。较大的预制件被研磨成使得第二芯材料的一部分保持在所有结构化二氧化硅区域503上。对于大多数示例，内芯501和外(第二)芯505都是纯二氧化硅材料。沿切割线513切割研磨的预制件以生成两个新预制件的两个非圆形芯；其中每一个均可以拉制成无散斑输出光纤。

在图6中，图5中的每个复合芯设定在等离子体沉积设备中，在将其角部619倒圆之后，反射涂层609沉积到复合非圆形芯上。芯材料601和605通常相同，并且芯在其内具有结构化二氧化硅的半圆形区域603。其宽度615如图所示。在这个特定示例中，宽度和高度在长度上基本相等，并且非圆形芯的形状是正方形的。其他形状也是可能的，诸如矩形、三角形、梯形、六边形、八边形等。

从该预制件拉制的光纤将具有等效横截面，其实际尺寸与预制件成比例。在一个预制件示例中，内芯501的直径为15mm。结构化二氧化硅503的直径为17mm，使得结构化二氧化硅503、603的厚度为 2mm。宽度和高度相等，为18.5mm。并且预制件直径525为51mm。

图7和图8描绘了将具有非圆形芯的研磨初始预制件分成4个等效的正方形芯并生成4个具有如图8所示横截面的新预制件。因此，在图7中，内芯701被结构化二氧化硅703包围，然后被附加的芯材料705包围。初始预制件具有直径725。在初始沉积之后，通过去除材料707、然后将所得长方形芯沿切割线713切割成4个非圆形芯件，而将预制件研磨成长方形复合芯，其具有侧面尺寸735。然后将这些件的角部倒圆并沉积反射层709，从而制成4个类似的预制件，如图8所示。如前所述，内芯701和第二芯705通常是相同的材料，很可能是纯二氧化硅。

如图8所示，最终预制件具有在正方形芯内夹在芯材料801与芯材料805之间的弧形的结构化二氧化硅803，对于该示例，其具有圆角 819，围绕所述芯的反射材料809被沉积或以其他方式添加以形成最终预制件。所述非圆形芯835的宽度等于所述芯的高度，因为在该示例中芯是正方形的。上面提到了非圆形芯的其他可能形状。所拉制的光纤中的相对区域将与图8所示的预制件的区域成比例，因为光纤横截面的形状与预制件的形状相同。

在一示例中，纯二氧化硅内芯701的直径为15mm，并且围绕的结构化二氧化硅703的直径为17mm，使得结构化二氧化硅703、803 的厚度为2mm。直径725为51mm。4个非圆形芯中的每一个均具有 18.5mm×18.5mm的侧面尺寸735、835。

在图9中示出了典型的POVD设定，其中901是筛选箱；902是基底棒；903是玻璃加工车床；904是等离子炬；并且905是附接到基底棒902的把手。在许多示例中，等离子炬904在5.28MHz和50kW 功率水平下操作。注意，在不同的情况下进行等离子气相沉积，即， POVD或PCVD。

在结构化二氧化硅区段和反射涂层内，可以用作芯材料的材料范围很多。通常选择纯二氧化硅作为芯材料并用于套管，但可以使用上掺杂Si，诸如锗掺杂硅(Ge-Si)或渐变折射率二氧化硅基芯。反射层最常见的是氟硅酸盐，但也可以使用其他较低折射率的二氧化硅，诸如硼硅酸盐。在反射/包层型涂层中，在纤维拉制之后应用的涂层包括氟丙烯酸酯和硅树脂塑料材料。芯材料的选择将影响结构化二氧化硅区段的成对层的材料的可行选择。例如，使用纯二氧化硅作为芯材料，下掺杂(较低RI)二氧化硅将是成对层中的第一层，诸如具有选定F 掺杂剂水平的氟-二氧化硅(Fluoro-silica)，并且第二较高RI层可以选自：纯二氧化硅，或下掺杂氟二氧化硅，或上掺杂二氧化硅(诸如 Ge-Si)，或类似材料，只要结构化二氧化硅区段的总折射率低于光纤所需的芯折射率即可。只要结构化二氧化硅区段的折射率保持低于芯折射率，在成对层中的任一层中的一个或多个变为上掺杂二氧化硅的情况下，可能会出现一些特殊效果。

优选的组合、成对层内的厚度比和成对层的数量很多，这取决于预期的应用、可用的预制件设备和材料以及芯要求。前面已经描述了成对层内的层的数量与其间的厚度比的一些更有用的范围。

另外，为了制作纤维激光器或放大器，稀土掺杂的最内芯可以结合在二氧化硅或其他芯材料的结构中、结合在预制件中并因此结合在拉制的光纤中，并添加结构化二氧化硅等结构。可替代地，可以制造管型预制件，然后将其套在稀土芯或包层稀土芯棒上。

图10至图12示出了由预制件制成的光纤的一些代表性结果，该预制件具有包含在其芯内的结构化二氧化硅区段。特别地，每个附图的右侧都有一个近场图像，并且下方是具有300μm圆形芯、具有600 μm圆形芯以及非圆形的100μm×100μm正方形芯的三个样本光纤的对应输出图。为了比较，在图10和图11中，左半部分别示出了标准300 μm和600μm芯光纤的对应近场图像和曲线。

在提交申请时，300μm芯、600μm芯或更大的芯光纤将是本发明的优选示例。对于非圆形芯光纤，优选的非圆形芯型式将是正方形或矩形芯，其具有半圆弧的结构化二氧化硅或具有四分之一圆弧段的结构化二氧化硅。

另一种可能有用的配置将紧接在上文描述的结构化二氧化硅区段之前或之后具有薄的上掺杂层；或者在本文的前面描述的结构化二氧化硅区段之前和之后具有薄上掺杂层。该上掺杂层的厚度应当与成对层的更低RI层一样薄或比该更低RI层更薄。

Claims (22)

1.一种用于无散斑输出光纤的预制件，所述无散斑输出光纤是从所述预制件拉制的，所述预制件的横截面结构包括：

圆形内芯，所述圆形内芯具有折射率或折射率分布，所述圆形内芯被结构化圆形区域包围，所述结构化圆形区域的平均折射率低于所述内芯的平均折射率；

其能够使用标准纤维拉制技术被拉制成无散斑光纤。

2.根据权利要求1所述的预制件，

其中，所述结构化圆形区域具有许多成对层，所述许多成对层从所述内芯开始为具有相比所述芯材料的较低折射率(RI)的第一层、随后的具有相比所述第一层材料的较高RI的下一层，并且其中每个层具有厚度。

3.根据权利要求2所述的预制件，

其中，所述较低RI层是下掺杂层，并且所述下一层是芯层或上掺杂层。

4.根据权利要求2或3所述的预制件，

其中，在所述成对层的每个中，所述芯层的厚度与所述下掺杂层的厚度之比为约1至约20。

5.根据权利要求2或3所述的预制件，

其中，所述成对层的数量为约8至约30。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的预制件，

其中，纯二氧化硅的管紧裹到其上而在所述管的内表面与第二包层之间的界面处不生成任何间隙或任何气泡，以形成用于所述无散斑输出光纤的拉制预制件。

7.一种从根据权利要求1至6中任一项所述的预制件拉制的光纤，所述光纤的横截面与所述预制件的横截面成比例，并且所述光纤的甚至高功率、低模光子源的输出/传输已经减少了散斑。

8.根据权利要求7所述的光纤，

其中，所述结构化圆形区域是如权利要求2至5中任一项所规定的。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的预制件的制造方法，其中，等离子体气相沉积用于产生如所述权利要求中描述的所述预制件的横截面的区段及其层。

10.一种预制件，能够从所述预制件拉制无散斑输出光纤，所述预制件的横截面结构包括：

复合非圆形芯，所述复合非圆形芯被反射性包层型材料包围；

其中，所述复合非圆形芯还包括：

具有折射率的多边形芯材料的区段；以及

在所述多边形芯的区段内的结构化二氧化硅圆形区域的弧段，所述结构化二氧化硅圆形区域的弧段的平均折射率低于所述芯材料的平均折射率；

所述反射性包层型材料的折射率低于所述芯材料的折射率；以及

其能够使用标准纤维光拉制技术被拉制成无散斑输出光纤。

11.根据权利要求10所述的预制件，

其中，所述结构化圆形区域具有成对层，所述成对层从所述内芯开始，所述成对层包括下掺杂层和随后的芯层；并且其中每个层具有厚度。

12.根据权利要求10或11所述的预制件，

其中，在所述成对层的每个中，所述芯层的厚度与所述下掺杂层的厚度之比为约1至约20。

13.根据权利要求10或11所述的预制件，

其中，所述成对层的数量为约8至约30。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的预制件，

其中，所述多边形选自三角形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形、十边形和十二边形的组。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的预制件，

其中，对于4边的多边形，多边形芯的所述区段是矩形/正方形芯；或对于所有其他多边形形状，通常是饼形芯。

16.根据权利要求15所述的预制件，

其中，对于不同的多边形芯形状，所述结构化二氧化硅圆形区域的所述弧段是不同的，通常是被除以所述多边形中的边数的所述圆形区域的一部分。

17.根据权利要求16所述的预制件，

其中，当在沉积所述非圆形芯周围的所述反射性包层之前穿过前体矩形芯的长边对所述前体初始矩形芯仅切割一次时，矩形/正方形芯内的所述结构化二氧化硅圆形区域的所述弧段具有半圆形形状。

18.一种从根据权利要求10至17中任一项所述的预制件拉制的光纤，所述光纤的横截面与所述预制件的横截面成比例，并且所述光纤的甚至高功率、低模光子源的输出/传输是无散斑输出。

19.根据权利要求18所述的光纤，

其中，所述结构化圆形区域是如权利要求10至17中任一项所规定的。

20.根据权利要求10至17中任一项所述的预制件的制造方法，其中，等离子体气相沉积用于产生如所述权利要求中描述的所述预制件的所述横截面的区段及其层。

21.根据权利要求1至6或10至17中任一项所述的预制件，

所述预制件还包括高折射率、稀土掺杂材料的最内芯，使得在拉制时，所述光纤能够被用作光纤激光器/放大器或传感介质。

22.根据权利要求7至8或18至19中任一项所述的光纤，

其中，相关的预制件具有稀土掺杂材料的最内芯，使得所述纤维能够充当纤维激光器/放大器或用于传感目的。

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