CN115421241A - 多芯传能光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种多芯传能光纤及其制备方法，它包括匀化芯层、高斯芯层、光学包层、外包层、涂覆层和标记区，匀化芯层为石英基材非圆形芯棒的异形芯层；高斯芯层为石英基材的圆形芯棒；光学包层为等效折射率低于匀化芯层和高斯芯层的结构。实现了光束匀化，并能同时传输或者切换高斯光束与匀化光束，实现了全光纤激光传能系统的集成化、小型化；双光束或多光束激光高功率传输能够有效提高应用效率，提升过程工艺的稳定性以及激光整体的应用质量。

Description

多芯传能光纤及其制备方法

技术领域

本发明专利属于高功率光纤激光技术领域，涉及一种多芯传能光纤及其制备方法。

背景技术

激光技术在工业，通信，医学，航空航天，军事和科学研究领域被广泛应用，并促进了各个领域的巨大发展，如激光医疗，激光美容，激光祛斑等行业。但是激光器直接产生光束的空间强度通常呈高斯或类高斯分布，能量集中在中心部分，很容易将光学器件损坏，同时，高斯光束将会给器件带来非均匀受热，将极大地影响光束质量，适用于中心高强度区域的切割等应用，然而，焊接、光刻和半导体晶圆的加工，激光美容医疗需要更均匀的光束轮廓，即平顶光束，其不仅提高了整个光学系统的损伤阈值，同时也将热效应对光束质量的影响降到了最低。

传统的平顶光束整形技术主要分为：1）基于基模即高斯光束整形的平顶光束整形系统：光阑法，多透镜阵列，光学元件，长焦深整形，液晶空间调制器，双折射透镜组，非球面透镜组等。2）基于对高阶模式等特殊模式整形的平顶光束整形系统。尤其是第二种具备光能量利用率高，结构简单，易于工业化生产及推广等优点。同时第一种系统透镜对准，调节以及敏感性等问题限制其使用，搭建一个更坚固的全光纤系统是较为理想的系统，也是目前迫切需求的方案，这种方案无需使用额外的光学或光束整形设备就能提供平顶输出，如传能光纤，作为传输激光能量的介质，是系统重要组成部分。

目前常规的传能光纤主要有大芯径石英包层光纤，大芯径塑料包层光纤，其中能够直接实现激光能量匀化的是大芯径异形芯石英包层光纤，但其结构仅能实现单一光源的传输，无法实现光束匀化，以及高斯光束与匀化光束的同时输出或者切换。

发明内容

本发明专利所要解决的技术问题是提供一种多芯传能光纤及其制备方法，实现光束匀化，并能同时传输或者切换高斯光束与匀化光束，实现全光纤激光传能系统的集成化、小型化；双光束或多光束激光高功率传输能够有效提高应用效率，提升过程工艺的稳定性以及激光整体的应用质量。

为解决上述技术问题，本发明专利所采用的技术方案是：一种多芯传能光纤，它包括匀化芯层、高斯芯层、光学包层、外包层、涂覆层和标记区，所述匀化芯层为石英基材非圆形芯棒的异形芯层；高斯芯层为石英基材的圆形芯棒；光学包层为等效折射率低于匀化芯层和高斯芯层的结构。

所述光学包层采用一层空气孔结构毛细管，其折射率低于纤芯，有效的将光束缚在纤芯；或者，光学包层采用一层折射率低于纤芯材料的掺氟棒，实现芯层对于光的束缚。

所述外包层采用外加石英套管将非圆形芯棒、圆形芯棒、空气孔结构毛细管，或者掺氟棒以及辅助填充棒嵌套堆叠，实现传能光纤预制棒的制备；或者，外包层采用实心石英基材基础棒，分别钻出可放入非圆形芯棒、非圆形芯棒外叠加一层空气孔结构毛细管，或者掺氟棒以及圆形芯棒的孔洞，再将组合好的熔缩后形成传能光纤预制棒。

所述匀化芯层边长为10～500μm，由化学气相沉积制备，在制备的过程中掺入二氧化锗、氯气或者六氟化硫来调整纤芯的折射率。

所述高斯芯层直径为10～500μm，在制备的过程中掺入二氧化锗、氯气或者六氟化硫来调整纤芯的折射率。

所述光学包层厚度尺寸为3～30μm；毛细管材料为纯石英玻璃材料；毛细管外径0.25-1.35mm；毛细管占空比，即毛细管内径与外径的比值大于80％；掺氟棒由化学气相沉积制备，在制备的过程中掺入氟、锗来调整掺氟管棒的折射率，其折射率低于芯层折射率，约为1.4360-1.4534，掺氟管棒外径0.25-1.35mm。

所述辅助填充棒为石英基材的实心管棒，用于外包层制备中的间隙填充。

所述标记区为等边三角形，边长L为5μm～10μm，位于包层区域的中心位置，组成材料为掺杂石英玻璃其折射率高于或低于包层石英玻璃，以使光纤端面出现明显的亮度变化达到标记的目的。

如上所述的多芯传能光纤的管棒堆叠嵌套方法，它包括如下步骤：

步骤一：制备圆形芯棒、辅助填充棒，将芯棒进行拉伸处理，采用化学气相沉积法准备芯棒；芯棒进行拉伸处理时将制作的玻璃棒外径拉伸到接近于所需外径，必要时在车床上将其打磨成圆形，以保证外径均匀，并且接近与所需外径尺寸；其误差达到±0 .1mm，标记部分需要打磨成异形芯棒的圆形芯棒；

步骤二：将部分圆形芯棒打磨成正方形或矩形或多边形；

步骤三：制备毛细管，采用火焰温度1700-2200℃将石英衬管进行拉制形成所需要的毛细管并封口；或者采用石英衬管沉积掺氟棒；

步骤四：将制备好的非圆形芯、毛细管、圆形芯棒以及辅助填充棒插入石英套管中，高温条件下抽真空熔缩成预制棒，将熔缩后的传能光纤预制棒放在退火炉里退火，释放内部的应力；此步骤中，毛细管也即是掺氟棒；

步骤五：打磨预制棒；

步骤六：打磨后的预制棒进行清洗操作后架在光纤拉丝塔上进行光纤制备。

如上所述的多芯传能光纤的管棒钻孔组合方法，它包括如下步骤：

S1，制备圆形芯棒，将芯棒进行拉伸处理；采用化学气相沉积法准备芯棒；将芯棒进行拉伸处理，将制作的玻璃棒外径拉伸到接近于所需外径，必要时在车床上将其打磨成圆形，以保证外径均匀，并且接近与所需外径尺寸；其误差达到±0 .1mm，标记部分需要打磨成异形芯棒的圆形芯棒；

S2，将部分圆形芯棒打磨成正方形或矩形或多边形；

S3，制备光学包层，毛细管采用火焰温度1700-2200℃将石英衬管进行拉制形成所需要的毛细管并封口；或者采用石英衬管沉积掺氟棒；

S4，制备母棒，并进行打孔，形成打孔棒；

S5，将制备好的非圆形芯、毛细管、圆形芯棒插入打孔棒的孔洞内，高温熔缩后的传能光纤预制棒放在退火炉里退火，释放内部的应力；

S6，打磨预制棒；

S7，打磨后的预制棒进行清洗操作后架在光纤拉丝塔上进行光纤制备；其拉制温度为1600-1900℃，拉制速度为5-20m/min。

本发明专利的主要有益效果主要体现于：

多芯传能光纤，制备出具有不同功能的纤芯，可以实现光束匀化整形，并实现高斯光束与匀化光束的同时传输，应用端可根据需求对两种光束进行实时切换。

多芯传能光纤是多个纤芯共包层的为结构光纤，可以实现全光纤激光传能系统的集成化、小型化。

多芯传能光纤具备半导体激光器和光纤激光器同步耦合传输的性能，且可实现双光束或多光束激光高功率传输，且光束类型不同，能够有效提高应用效率，提升过程工艺的稳定性以及激光整体的应用质量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明：

图1为本发明实施例一多芯传能光纤的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例二多芯传能光纤的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例二多芯传能光纤的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例二中管棒堆叠嵌套法制备的预制棒堆叠剖面图；

图5为本发明实施例一中管棒钻孔组合法制备的预制棒组装示意图；

图6为图5中预制棒组装后的示意图；

图中：非圆形芯层101，光学包层102，圆形芯层103，外包层104，间隙填充辅助棒104-1，石英套管104-2，标记区105。

具体实施方式

如图1~图6中，一种多芯传能光纤，它包括匀化芯层、高斯芯层、光学包层、外包层、涂覆层和标记区，所述匀化芯层为石英基材非圆形芯棒的异形芯层；高斯芯层为石英基材的圆形芯棒；光学包层为等效折射率低于匀化芯层和高斯芯层的结构。

优选的方案中，所述光学包层采用一层空气孔结构毛细管，其折射率低于纤芯，有效的将光束缚在纤芯；或者，光学包层采用一层折射率低于纤芯材料的掺氟棒，实现芯层对于光的束缚。

优选的方案中，所述外包层采用外加石英套管将非圆形芯棒、圆形芯棒、空气孔结构毛细管，或者掺氟棒以及辅助填充棒嵌套堆叠，实现传能光纤预制棒的制备；或者，外包层采用实心石英基材基础棒，分别钻出可放入非圆形芯棒、非圆形芯棒外叠加一层空气孔结构毛细管，或者掺氟棒以及圆形芯棒的孔洞，再将组合好的熔缩后形成传能光纤预制棒。

优选的方案中，所述匀化芯层边长为10～500μm，由化学气相沉积制备，在制备的过程中掺入二氧化锗、氯气或者六氟化硫来调整纤芯的折射率。

优选的方案中，所述高斯芯层直径为10～500μm，在制备的过程中掺入二氧化锗、氯气或者六氟化硫来调整纤芯的折射率。

优选的方案中，所述光学包层厚度尺寸为3～30μm；毛细管材料为纯石英玻璃材料；毛细管外径0.25-1.35mm；毛细管占空比，即毛细管内径与外径的比值大于80％；掺氟棒由化学气相沉积制备，在制备的过程中掺入氟、锗来调整掺氟管棒的折射率，其折射率低于芯层折射率，约为1.4360-1.4534，掺氟管棒外径0.25-1.35mm。

优选的方案中，所述辅助填充棒为石英基材的实心管棒，用于外包层制备中的间隙填充。

优选的方案中，所述标记区为等边三角形，边长L为5μm～10μm，位于包层区域的中心位置，组成材料为掺杂石英玻璃其折射率高于或低于包层石英玻璃，以使光纤端面出现明显的亮度变化达到标记的目的。

优选的方案中，如上所述的多芯传能光纤的管棒堆叠嵌套方法，它包括如下步骤：

步骤一：制备圆形芯棒、辅助填充棒，将芯棒进行拉伸处理，采用化学气相沉积法准备芯棒；芯棒进行拉伸处理时将制作的玻璃棒外径拉伸到接近于所需外径，必要时在车床上将其打磨成圆形，以保证外径均匀，并且接近与所需外径尺寸；其误差达到±0 .1mm，标记部分需要打磨成异形芯棒的圆形芯棒；

步骤二：将部分圆形芯棒打磨成正方形或矩形或多边形；

步骤三：制备毛细管，采用火焰温度1700-2200℃将石英衬管进行拉制形成所需要的毛细管并封口；或者采用石英衬管沉积掺氟棒；

步骤四：将制备好的非圆形芯、毛细管、圆形芯棒以及辅助填充棒插入石英套管中，高温条件下抽真空熔缩成预制棒，将熔缩后的传能光纤预制棒放在退火炉里退火，释放内部的应力；此步骤中，毛细管也即是掺氟棒；

步骤五：打磨预制棒；

步骤六：打磨后的预制棒进行清洗操作后架在光纤拉丝塔上进行光纤制备。

优选的方案中，如上所述的多芯传能光纤的管棒钻孔组合方法，它包括如下步骤：

S1，制备圆形芯棒，将芯棒进行拉伸处理；采用化学气相沉积法准备芯棒；将芯棒进行拉伸处理，将制作的玻璃棒外径拉伸到接近于所需外径，必要时在车床上将其打磨成圆形，以保证外径均匀，并且接近与所需外径尺寸；其误差达到±0 .1mm，标记部分需要打磨成异形芯棒的圆形芯棒；

S2，将部分圆形芯棒打磨成正方形或矩形或多边形；

S3，制备光学包层，毛细管采用火焰温度1700-2200℃将石英衬管进行拉制形成所需要的毛细管并封口；或者采用石英衬管沉积掺氟棒；

S4，制备母棒，并进行打孔，形成打孔棒；

S5，将制备好的非圆形芯、毛细管、圆形芯棒插入打孔棒的孔洞内，高温熔缩后的传能光纤预制棒放在退火炉里退火，释放内部的应力；

S6，打磨预制棒；

S7，打磨后的预制棒进行清洗操作后架在光纤拉丝塔上进行光纤制备；其拉制温度为1600-1900℃，拉制速度为5-20m/min。

实施例一：

如图1所示多芯传能光纤实施案例一，包括非圆形芯层101、光学包层102、圆形芯层103，以及外包层104，标记区105，所述非圆形芯层由非圆形芯棒组成，可以为矩形、方形、六边形等，光学包层是等效折射率低于芯层的结构，可以由若干个空气结构毛细管或者掺氟管棒均匀的堆叠在非圆形芯层边界处。

本实施例参数如下：

非圆形芯层101折射率为1.4575，边长为30μm的正方形；光学包层102折射率为1.4534，厚度为4μm；圆形芯层103折射率为1.4626，直径30μm，外包层104折射率1.4575，直径150μm，圆心芯层与非圆形芯层间距40μm；

标记区105为等边三角形，边长L为8μm，位于外包层104区域，组成材料为低掺Ge石英玻璃，其折射率值比包层高0.0025。

实施例一用管棒钻孔组合法制备：如图1、图5，图6所示，本发明实施例中，提供一种多芯传能光纤及其制备方法，其包括如下步骤：

步骤一制备圆形芯棒，将芯棒进行拉伸处理；采用化学气相沉积法准备芯棒；将芯棒进行拉伸处理，将制作的玻璃棒外径拉伸到接近于所需外径，必要时在车床上将其打磨成圆形，以保证外径均匀，并且接近与所需外径尺寸：误差达到±0 .1mm，标记部分需要打磨成异形芯棒的圆形芯棒；

步骤二：将部分圆形芯棒打磨成正方形或矩形或多边形；

步骤三：制备光学包层，毛细管采用火焰温度1700-2200℃将石英衬管进行拉制形成所需要的毛细管并封口；或者采用石英衬管沉积掺氟棒；

步骤四：制备母棒，并将进行打孔，形成打孔棒；

步骤五：将制备好的非圆形芯、毛细管、圆形芯棒插入打孔棒的孔洞内，高温熔缩后的传能光纤预制棒放在退火炉里退火，释放内部的应力；

步骤六：打磨预制棒；

步骤七：打磨后的预制棒进行清洗操作后架在光纤拉丝塔上进行光纤制备。

实施例二：

如图2多芯传能光纤实施案例二，包括非圆形芯层101、光学包层102、圆形芯层103，以及外包层104，标记区105，所述非圆形芯层有非圆形芯棒组成（矩形，方形，六边形等），位于外包层圆心位置，圆形芯层有两个相同的圆形芯棒组成，光学包层是等效折射率低于芯层的结构，可以由若干个空气结构毛细管或者掺氟管棒均匀的堆叠在非圆形芯层边界处。

本实施例参数如下：

非圆形芯层101折射率为1.4575，边长为30μm的正方形；光学包层102折射率为1.4534，厚度为4μm；圆形芯层103折射率为1.4626，直径30μm，外包层104折射率1.4575，直径150μm，圆心芯层与光学包层间距20μm；

标记区105为等边三角形，边长L为8μm，位于外包层104区域，组成材料为低掺Ge石英玻璃，其折射率值比包层高0.0025。

实施例二用管棒堆叠嵌套法制备：如图2、图4所示，本发明实施例中，提供一种多芯传能光纤及其制备方法，其包括如下步骤：

步骤一制备圆形芯棒、辅助填充棒，将芯棒进行拉伸处理：采用化学气相沉积法准备芯棒；将芯棒进行拉伸处理，将制作的玻璃棒外径拉伸到接近于所需外径，必要时在车床上将其打磨成圆形，以保证外径均匀，并且接近与所需外径尺寸：误差达到±0 .1mm，标记部分需要打磨成异形芯棒的圆形芯棒；

步骤二：将部分圆形芯棒打磨成正方形或矩形或多边形；

步骤三：制备光学包层，毛细管采用火焰温度1700-2200℃将石英衬管进行拉制形成所需要的毛细管并封口；或者采用石英衬管沉积掺氟棒；

步骤四：将制备好的非圆形芯、毛细管或掺氟棒、圆形芯棒以及辅助填充棒插入石英套管中，高温条件下抽真空熔缩成预制棒，将熔缩后的传能光纤预制棒放在退火炉里退火，释放内部的应力；

步骤五：打磨预制棒；

步骤六：打磨后的预制棒进行清洗操作后架在光纤拉丝塔上进行光纤制备。

如图3所示多芯传能光纤实施案例三，包括非圆形芯层101、光学包层102、圆形芯层103，以及外包层104，标记区105，所述非圆形芯层有四个非圆形芯棒组成，如矩形，方形，六边形等，圆形芯层有4个相同的圆形芯棒组成，位于四个非圆形芯棒连线的中点位置，是等效折射率低于芯层的结构，可以由若干个空气结构毛细管或者掺氟管棒均匀的堆叠在非圆形芯层边界处。

上述的实施例仅为本发明专利的优选技术方案，而不应视为对于本发明专利的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明专利的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多芯传能光纤，其特征是：它包括匀化芯层、高斯芯层、光学包层、外包层、涂覆层和标记区，所述匀化芯层为石英基材非圆形芯棒的异形芯层；高斯芯层为石英基材的圆形芯棒；光学包层为等效折射率低于匀化芯层和高斯芯层的结构。

2.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征是：所述光学包层采用一层空气孔结构毛细管，其折射率低于纤芯，有效的将光束缚在纤芯；或者，光学包层采用一层折射率低于纤芯材料的掺氟棒，实现芯层对于光的束缚。

3.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征是：所述外包层采用外加石英套管将非圆形芯棒、圆形芯棒、空气孔结构毛细管，或者掺氟棒以及辅助填充棒嵌套堆叠，实现传能光纤预制棒的制备；或者，外包层采用实心石英基材基础棒，分别钻出可放入非圆形芯棒、非圆形芯棒外叠加一层空气孔结构毛细管，或者掺氟棒以及圆形芯棒的孔洞，再将组合好的熔缩后形成传能光纤预制棒。

4.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征是：所述匀化芯层边长为10～500μm，由化学气相沉积制备，在制备的过程中掺入二氧化锗、氯气或者六氟化硫来调整纤芯的折射率。

5.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征是：所述高斯芯层直径为10～500μm，在制备的过程中掺入二氧化锗、氯气或者六氟化硫来调整纤芯的折射率。

6.根据权利要求2所述的多芯传能光纤，其特征是：所述光学包层厚度尺寸为3～30μm；毛细管材料为纯石英玻璃材料；毛细管外径0.25-1.35mm；毛细管占空比，即毛细管内径与外径的比值大于80％；掺氟棒由化学气相沉积制备，在制备的过程中掺入氟、锗来调整掺氟管棒的折射率，其折射率低于芯层折射率，约为1.4360-1.4534，掺氟管棒外径0.25-1.35mm。

7.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征是：所述辅助填充棒为石英基材的实心管棒，用于外包层制备中的间隙填充。

8.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征是：所述标记区为等边三角形，边长L为5μm～10μm，位于包层区域的中心位置，组成材料为掺杂石英玻璃其折射率高于或低于包层石英玻璃，以使光纤端面出现明显的亮度变化达到标记的目的。

9.根据权利要求1~8任一项所述的多芯传能光纤的管棒堆叠嵌套方法，其特征是，它包括如下步骤：

步骤一：制备圆形芯棒、辅助填充棒，将芯棒进行拉伸处理，采用化学气相沉积法准备芯棒；芯棒进行拉伸处理时将制作的玻璃棒外径拉伸到接近于所需外径，必要时在车床上将其打磨成圆形，以保证外径均匀，并且接近与所需外径尺寸；其误差达到±0 .1mm，标记部分需要打磨成异形芯棒的圆形芯棒；

步骤二：将部分圆形芯棒打磨成正方形或矩形或多边形；

步骤三：制备毛细管，采用火焰温度1700-2200℃将石英衬管进行拉制形成所需要的毛细管并封口；或者采用石英衬管沉积掺氟棒；

步骤四：将制备好的非圆形芯、毛细管、圆形芯棒以及辅助填充棒插入石英套管中，高温条件下抽真空熔缩成预制棒，将熔缩后的传能光纤预制棒放在退火炉里退火，释放内部的应力；此步骤中，毛细管也即是掺氟棒；

步骤五：打磨预制棒；

步骤六：打磨后的预制棒进行清洗操作后架在光纤拉丝塔上进行光纤制备。

10.根据权利要求1~8任一项所述的多芯传能光纤的管棒钻孔组合方法，其特征是，它包括如下步骤：

S1，制备圆形芯棒，将芯棒进行拉伸处理；采用化学气相沉积法准备芯棒；将芯棒进行拉伸处理，将制作的玻璃棒外径拉伸到接近于所需外径，必要时在车床上将其打磨成圆形，以保证外径均匀，并且接近与所需外径尺寸；其误差达到±0 .1mm，标记部分需要打磨成异形芯棒的圆形芯棒；

S2，将部分圆形芯棒打磨成正方形或矩形或多边形；

S3，制备光学包层，毛细管采用火焰温度1700-2200℃将石英衬管进行拉制形成所需要的毛细管并封口；或者采用石英衬管沉积掺氟棒；

S4，制备母棒，并进行打孔，形成打孔棒；

S5，将制备好的非圆形芯、毛细管、圆形芯棒插入打孔棒的孔洞内，高温熔缩后的传能光纤预制棒放在退火炉里退火，释放内部的应力；

S6，打磨预制棒；

S7，打磨后的预制棒进行清洗操作后架在光纤拉丝塔上进行光纤制备；其拉制温度为1600-1900℃，拉制速度为5-20m/min。

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