CN115572058A - C型空芯光纤、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属光纤技术领域，具体为一种C型空芯光纤制备方法，其在制备过程中的空芯光纤预制棒阶段引入激光对套管包层进行侧面消蚀，从而在长度方向上形成一条或多条连续且宽度可控的狭缝，进一步在拉丝时通过调节拉制参数，易实现侧面狭缝通道保型，制备出米级长度连续的C型空芯光纤结构。相比以光纤后处理来引入侧边通道的方式，本发明对预制棒进行激光精密加工，不仅定位方便、易于控制，避免了光纤的微米尺度复杂后处理和破损风险，突破了C型空芯光纤制备的结构连续性和长度限制问题，且剥除涂覆即可打开侧通道，操作简单，实用性强。本发明为制备C型空芯光纤相互作用气腔提供便捷方法，有利于促进空芯光纤气体传感等应用进一步发展。

Description

C型空芯光纤、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种C型空芯光纤制备方法及C型空芯光纤与应用。

背景技术

空芯光纤是激光气体传感技术中新型低容量、低损耗相互作用气腔的优良选择。以空芯光纤为气体吸收微腔，不仅抗电磁干扰、工作稳定、轻量化、易集成，同时其天然的纵向延展性可大大增加光-气相互作用距离，提升气体探测灵敏度。特别地，近年来兴起的反谐振空芯光纤通过单层波长量级厚的负曲率薄壁微结构包层可将99.99％以上的光能量围绕约束在空气纤芯中，低损耗传输窗口覆盖紫外至中红外波段，是实现高精度、多组分气体传感的理想平台通道。然而，普通空芯光纤只能通过端面进行气体交换，而仅微米级的芯孔将导致采用长距离空芯光纤进行传感时响应速度变慢。另外，端面进气方式使得激光的输入需借助空间耦合，难以实现器件的全光纤化。

为此，在空芯光纤的侧面制造微通道形成C型结构以贯通外界与纤芯，使外界气体能通过侧边微通道进入纤芯，有利于缩短气体交换时间，提高响应速度，同时解放端面用于非空间耦合连接，实现系统全光纤化。特别地，得益于反谐振包层的无节点特点，有望在不破坏微结构包层的情况下为反谐振空芯光纤引入侧面通道，且理论上基本不影响光纤损耗性质[J.Lightwave Technol.36,3162–3168(2018)]。现有技术中通常利用飞秒激光[Sensors 21,7591(2021)]对空芯光纤的侧面进行微加工后处理，从而在光纤长度上形成若干间隔的侧面通孔作为纤芯与外界的气体交换通道。此外，也有报道[Opt.Mater.Express 11,338–343(2021)]采用聚焦离子束对空芯光纤的套管包层进行微加工去除，得到微通道。专利CN113885120A中也提供了一种双包层反谐振空芯光纤及其制备方法，制备的C型空芯光纤结构被包裹于二次套管中，通过进一步对光纤进行后处理去除二次套管后，可打开侧面通道，将其裸露于外界环境。

发明内容

现有技术中空芯光纤侧边通道的引入或打开需在光纤尺度下通过复杂处理后实现，不仅技术要求高，加工位置确定困难，容易在加工过程中因定位不准造成光纤结构破坏，引入额外损耗，而且耗时久，大部分只能在较短长度上间隔式地单点加工出通孔，无法实现米级连续的C型空芯光纤结构，实用性和普适性不足，推广困难。

为解决上述技术问题，本发明提供一种C型空芯光纤制备方法，通过激光对空芯光纤预制棒的套管包层进行侧边消蚀形成狭缝，进而形成侧边通道，供纤芯与外界的气体交换。

本发明的技术解决方案如下：

一种C型空芯光纤制备方法，其特点在于，包括：

利用激光对空芯光纤预制棒的套管包层进行侧边消蚀，从而在其纵向形成一条或多条连续的狭缝；

对具有狭缝的空芯光纤预制棒进行加热拉制，通过调节拉制参数实现C型空芯光纤的结构成型并在米级长度连续保持，即形成纤芯与外界环境存在贯通的可进行气体交换的侧边通道，该侧边通道沿纵向连续延伸米级长度。

所述C型空芯光纤制备方法中，所述激光为连续或脉冲激光，选择的波长可以对相应光纤基质材料进行烧蚀，如对于二氧化硅基质，优选地，可以选波长为10.6μm的二氧化碳激光。

所述C型空芯光纤制备方法中，所述激光通过透镜聚焦于所述空芯光纤预制棒的套管包层侧表面或其附近，并沿纵向或横向与之发生往复相对位移，可采用电动位移台控制所述空芯光纤预制棒进行纵向移动，可采用振镜系统控制激光光束进行横向移动，激光加工处对应的套管包层内壁与纤芯连通，沿纵向形成一条或多条连续的狭缝。

所述C型空芯光纤制备方法中，通过调节所述激光的聚焦光斑大小、平均功率以及扫描的长度、宽度、速度和来回重复次数，使得所述空芯光纤预制棒侧表面累积的热能高于基质材料的消蚀阈值，并实现侧边狭缝的宽度控制。

所述C型空芯光纤制备方法中，所述狭缝的宽度在1mm以内，且每条狭缝沿所述空芯光纤预制棒的纵向方向延伸10cm以上。

所述C型空芯光纤制备方法中，所述激光进行消蚀加工时，可同时往所述空芯光纤预制棒中通入惰性气体，在邻近激光加工处可放置抽取装置，目的在于去除激光消蚀过程中产生的粉尘，避免其沉积到所述空芯光纤预制棒和光机电元件上。

所述C型空芯光纤制备方法中，将所述空芯光纤预制棒拉成光纤时，根据基质材料种类不同，可选地，加热热源采用石墨发热体、电阻丝或激光。

所述C型空芯光纤制备方法中，拉制所述C型空芯光纤时，调节的拉丝参数为温度和/或速度和/或气压，其中纤芯区域与大气连通，微结构包层的气孔需进行充气以免其塌缩，而优选地，拉丝速度不低于5m/min。

所述C型空芯光纤制备方法中，还包括在激光消蚀操作之前的空芯光纤预制棒制备，可以包含以下内容及其组合：

(a)将粗管拉制成具有所需外径的毛细管或仅含套管包层的空芯光纤预制棒；

(b)将棒状物拉制成具有所需外径的小细棒；

(c)将若干毛细管组成单元体并通过加热粘结；

(d)将毛细管、小细棒或单元体插入大口径的套管中进行堆叠形成堆叠体；

(e)将(d)中所述的堆叠体整体加热并拉伸，得到具备微结构包层的空芯光纤预制棒。

所述C型空芯光纤制备方法中，所述堆叠是指采用局部加热或利用辅助管使套管内毛细管、小细棒或单元体的位置固定。

所述C型空芯光纤制备方法中，所述空芯光纤预制棒外径在1-10mm之间，优选地，套管包层厚度不高于3mm。

一种利用上述制备方法制备而成的C型空芯光纤，其特点在于，包括：光纤纤芯和光纤套管包层；所述的光纤套管包层为未封闭的，在该光纤套管包层上有一条沿长度方向米级延伸、贯通外界和光纤纤芯的侧边通道。

所述C型空芯光纤中，其特点在于，还可包括光纤微结构包层，该光纤微结构包层为未封闭的，附接在所述的光纤套管包层内表面，并与所述的光纤套管包层一起界定具有有效半径的光纤纤芯，例如无节点型的反谐振空芯光纤。

所述C型空芯光纤中，所述光纤纤芯为非固体介质所填充，如气体或液体，所述C型空芯光纤的基质材料可以是玻璃或塑料，优选为二氧化硅玻璃，传输带处于紫外至太赫兹波段范围，优选为红外波段的气体分子指纹区。

优选地，在所述C型空芯光纤的任意位置通过剥除光纤涂覆层可将其侧边通道裸露，方便外界环境气体分子进入纤芯。

所述C型空芯光纤是作为光与物质相互作用的微腔使用，主要应用于气体传感领域，也可应用于微流体传感或气体/液体激光器领域。

与先前技术相比，本发明在空芯光纤预制棒阶段引入激光进行侧边消蚀加工，带来的有益效果是：

1、相比对微米级尺度的光纤进行微加工，预制棒阶段的加工定位更加方便容易，可不必借助显微成像系统观察预判，也规避了光纤微加工时因定位不准导致光纤结构破坏甚至断开的风险；

2、相比常规对预制棒采取侧边腐蚀、抛磨或切割处理，激光的加工精度更高，可控性好，能在空芯光纤预制棒上形成宽度合适的侧边狭缝，进一步结合拉制参数的调节容易实现侧面狭缝通道保型，制备出米级长度连续的C型空芯光纤结构，因此不必采取二次套管对C型结构进行限制，同时简化了预制棒装配难度。

3、本发明不引入二次套管，而通过空芯光纤预制棒本身套管包层和涂覆层来保证光纤的机械性能，因此无需进行复杂的光纤后处理，剥除涂覆即可露出侧边通道得到C型空芯光纤结构，且可在任意位置剥覆，操作简单便捷，实用性强，易于推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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：本发明的激光加工空芯光纤预制棒示意图；

图2：本发明的C型空芯光纤拉制示意图；

图3：本发明中含微结构包层的C型空芯光纤截面示意图；

图4：本发明实施例1提供的经本发明制备方法得到的C型空芯光纤结构示意图；

图5：本发明实施例2提供的经本发明制备方法得到的C型空芯光纤结构示意图；

图6：本发明实施例3提供的经本发明制备方法得到的C型空芯光纤结构示意图。

1——空芯光纤预制棒；1-1——预制棒纤芯区域；1-2——预制棒套管包层区域；1-4——预制棒侧边狭缝；2——C型空芯光纤；2-1——光纤纤芯区域；2-2——光纤套管包层区域；2-3——光纤微结构包层区域；2-4——光纤侧边通道；3——激光；4——透镜；5——横纵向往复相对位移；6——通入惰性气体；7——抽取装置；8——加热热源。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：请参照图4，图4为本实施例提供的经本发明制备方法得到的C型空芯光纤结构示意图：光纤纤芯区域2-1为空气纤芯，光纤套管包层区域2-2为石英玻璃构成，光纤微结构包层区域2-3由7根分立的薄壁石英玻璃毛细管组成，光纤侧边通道2-4处于薄壁石英玻璃毛细管的间隙空位。

1)获取一根石英玻璃薄管，将其进行加热拉制，得到若干根外径2mm的玻璃细管；

2)将7根玻璃细管插入外径20mm，壁厚4mm的石英玻璃套管中进行堆叠，在两端以若干短管进行结构辅助支撑形成堆叠体；

3)将堆叠体整体加热拉伸，获得外径6mm，套管包层1-2的壁厚为1.2mm的空芯光纤预制棒1；

4)将空芯光纤预制棒1一端置于电动位移台上固定，将发射波长为10.6μm、平均功率40W的二氧化碳连续激光3通过透镜4汇聚于空芯光纤预制棒1侧面，汇聚光斑直径约0.5mm，汇聚处对应套管包层1-2的内壁与纤芯区域1-1通过7根薄壁玻璃毛细管的间隙连通。

5)控制电动位移台使空芯光纤预制棒1在长度方向上来回移动，控制振镜使激光3在横向来回移动，通过调节移动长度、速度和来回次数使得激光3在空芯光纤预制棒1侧面对石英玻璃进行消蚀，并获得长度25cm，宽度约400μm的狭缝。

6)将经激光3消蚀操作后的空芯光纤预制棒1置于石墨炉8中进行拉丝，同时对光纤微结构包层区域2-3中的7根薄壁毛细管进行充气以防其塌缩，通过调节拉制温度和速度，得到具备无节点型反谐振微结构包层的C型空芯光纤结构并在米级长度连续保持，其中光纤外径300μm，侧边通道2-4宽度约20μm。

实施例2：请参照图5，图5为本实施例提供的经本发明制备方法得到的C型空芯光纤结构示意图：光纤纤芯区域2-1为空气纤芯，光纤套管包层区域2-2为石英玻璃构成，光纤微结构包层区域2-3由5个分立的嵌套单元体组成，光纤侧边通道2-4处于嵌套单元体的间隙空位。

1)获取两根外径不同的石英玻璃薄管进行嵌套，然后将其进行加热拉制，得到若干根外径6mm的嵌套单元体；

2)将5个嵌套单元体插入外径30mm，壁厚6mm的石英玻璃套管中进行堆叠，在两端以若干短管进行结构辅助支撑形成堆叠体；

3)将堆叠体整体加热拉伸，获得外径5mm，套管包层1-2的壁厚为1mm的空芯光纤预制棒1；

4)将空芯光纤预制棒1一端置于电动位移台上固定，将发射波长为10.6μm、平均功率30W的二氧化碳连续激光3通过透镜4汇聚于空芯光纤预制棒1侧面，汇聚光斑直径约0.5mm，汇聚处对应套管包层1-2的内壁与纤芯区域1-1通过5个嵌套单元体的间隙连通。

5)控制电动位移台使空芯光纤预制棒1在长度方向上来回移动，控制振镜使激光3在横向来回移动，通过调节移动长度、速度和来回次数使得激光3在空芯光纤预制棒1侧面对石英玻璃进行消蚀，并获得长度30cm，宽度约300μm的狭缝。

6)将经激光3消蚀操作后的空芯光纤预制棒1置于石墨炉8中进行拉丝，同时对光纤微结构包层区域2-3中的5个嵌套单元体气孔进行充气以防其塌缩，通过调节拉制温度和速度，得到具备无节点嵌套反谐振微结构包层的C型空芯光纤结构并在米级长度连续保持，其中光纤外径200μm，侧边通道2-4宽度约12μm。

实施例3：请参照图6，图6为本实施例提供的经本发明制备方法得到的C型空芯光纤结构示意图：光纤纤芯区域2-1为空气纤芯，光纤套管包层区域2-2为石英玻璃构成，光纤微结构包层区域2-3由6个分立的三孔单元体组成，光纤侧边通道2-4处于三孔单元体的间隙空位。

1)获取一根石英玻璃薄管，将其进行加热拉制，得到若干根外径1mm的玻璃细管；

2)将每3根玻璃细管通过飞秒激光进行焊接形成三孔单元体，将6个单元体插入外径28mm，壁厚5.6mm的石英玻璃套管中进行堆叠，在两端以若干短管进行结构辅助支撑形成堆叠体；

3)将堆叠体整体加热拉伸，获得外径5mm，套管包层1-2的壁厚为1mm的空芯光纤预制棒1；

4)将空芯光纤预制棒1一端置于电动位移台上固定，将发射波长为10.6μm、平均功率30W的二氧化碳连续激光3通过透镜4汇聚于空芯光纤预制棒1侧面，汇聚光斑直径约0.5mm，汇聚处对应套管包层1-2的内壁与纤芯区域1-1通过6个三孔单元体的间隙连通。

5)控制电动位移台使空芯光纤预制棒1在长度方向上来回移动，控制振镜使激光3在横向来回移动，通过调节移动长度、速度和来回次数使得激光3在空芯光纤预制棒1侧面对石英玻璃进行消蚀，并获得长度30cm，宽度约350μm的狭缝。

6)将经激光3消蚀操作后的空芯光纤预制棒1置于石墨炉8中进行拉丝，同时对光纤微结构包层区域2-3中的6个三孔单元体气孔进行充气以防其塌缩，通过调节拉制温度和速度，得到具备无节点双圈反谐振微结构包层的C型空芯光纤结构并在米级长度连续保持，其中光纤外径260μm，侧边通道2-4宽度约18μm。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (15)

1.一种C型空芯光纤制备方法，其特征在于，包括：

利用激光(3)对空芯光纤预制棒的套管包层(1-2)进行侧边消蚀，从而在其纵向形成一条或多条连续的狭缝(1-4)；

对具有狭缝的空芯光纤预制棒(1)进行加热拉制，通过调节拉制参数实现C型空芯光纤(2)的结构成型并在米级长度连续保持，即形成纤芯(2-1)与外界环境存在贯通的可进行气体交换的侧边通道(2-4)，该侧边通道沿纵向连续延伸米级长度。

2.如权利要求1所述的C型空芯光纤制备方法，其特征在于，所述激光(3)为连续或脉冲激光，波长的选择为对相应光纤基质材料可以进行烧蚀。

3.如权利要求1或2所述的C型空芯光纤制备方法，其特征在于，所述激光(3)经过透镜(4)聚焦于所述空芯光纤预制棒的套管包层(1-2)侧表面或其附近，并沿纵向或横向与之发生往复相对位移(5)，使激光加工处对应的套管包层(1-2)内壁与纤芯(1-1)连通，沿纵向形成一条或多条连续的狭缝(1-4)。

4.如权利要求3所述的C型空芯光纤制备方法，其特征在于，通过调节所述激光(3)的聚焦光斑大小、平均功率以及扫描的长度、宽度、速度和来回重复次数，使得所述空芯光纤预制棒(1)侧表面累积的热能高于基质材料的消蚀阈值，实现狭缝(1-4)的宽度控制。

5.如权利要求4所述的C型空芯光纤制备方法，其特征在于，所述狭缝(1-4)的宽度在1mm以内，且每条狭缝沿所述空芯光纤预制棒(1)的纵向方向延伸10cm以上。

6.如权利要求1所述的C型空芯光纤制备方法，其特征在于，所述激光(3)进行侧边消蚀时，可同时往所述空芯光纤预制棒(1)中通入惰性气体(6)，在邻近激光加工处放置抽取装置(7)，用于去除激光消蚀过程中产生的粉尘。

7.如权利要求1所述的C型空芯光纤制备方法，其特征在于，所述加热拉制中加热热源(8)采用石墨发热体、电阻丝或激光，拉丝参数为温度和/或速度和/或气压。

8.如权利要求1-7任一所述的C型空芯光纤制备方法，其特征在于，在利用激光对空芯光纤预制棒的套管包层进行侧边消蚀前，还需进行空芯光纤预制棒的制备，包括将粗管拉制成具有所需外径的毛细管或仅含套管包层的空芯光纤预制棒。

9.如权利要求8所述的C型空芯光纤制备方法，其特征在于，空芯光纤预制棒的制备还可以包括：将棒状物拉制成具有所需外径的小细棒；将毛细管、小细棒或若干毛细管组成的单元体插入大口径的套管中进行堆叠形成堆叠体；将所述的堆叠体整体加热并拉伸，得到具备微结构包层的空芯光纤预制棒。

10.如权利要求9所述的C型空芯光纤制备方法，其特征在于，所述堆叠是指采用局部加热或利用辅助管使套管内毛细管、小细棒或单元体的位置固定。

11.一种利用权利要求1-10任一所述的制备方法制备而成的C型空芯光纤，其特征在于，包括：光纤纤芯(2-1)和光纤套管包层(2-2)；所述的光纤套管包层(2-2)为未封闭的，在该光纤套管包层上有一条沿长度方向米级延伸、贯通外界和光纤纤芯(2-1)的侧边通道(2-4)。

12.根据权利要求11所述的C型空芯光纤，其特征在于，还可包括光纤微结构包层(2-3)，该光纤微结构包层为未封闭的，附接在所述的光纤套管包层(2-2)内表面，并与所述的光纤套管包层(2-2)一起界定具有有效半径的光纤纤芯(2-1)。

13.根据权利要求11或12所述的C型空芯光纤，其特征在于，所述光纤纤芯(2-1)为非固体介质所填充，基质材料可以是玻璃或塑料，传输带处于紫外至太赫兹波段范围。

14.根据权利要求11或12所述的C型空芯光纤，其特征在于，在所述光纤(2)的任意位置通过剥除光纤涂覆层可将其侧边通道(2-4)裸露，方便外界环境气体分子进入纤芯(2-1)。

15.根据权利要求11或12所述的C型空芯光纤的应用，其特征在于，作为光与物质相互作用的微腔，用于气体传感、微流体传感或气体/液体激光器领域。

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