CN116969670A - 光学系统、特种光纤生长装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法,光学系统中的激光器出射激光经过光学系统中的光准直组件、透镜组件和反射镜以聚焦到预制棒的底端,从而可以对预制棒进行加热以形成熔融区,将与熔融区接触的种子光纤向下拉动以实现特种光纤的生长。位于预制棒底端的熔融区可以在重力作用下消除应力与热交换的不均匀性,从而改善特种光纤的均匀度。此外,通过激光加热预制棒可以极大地降低特种光纤生长过程中杂质的引入。
Description
技术领域
本申请涉及光纤材料制备技术领域,尤其涉及一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法。
背景技术
特种光纤是指区别于国际通信标准光纤的特殊性能和用途的特殊用途光纤,例如:单晶光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、光子晶体光纤等。其中,单晶光纤是具有光纤形态的单晶体,单晶光纤具有优异的激光和机械性能,传统的单晶光纤的制备方法包括导模法、微下拉法、激光器加热基座法(Laser heated pedestal growth, LHPG)。在传统的LHPG系统中,光纤是从下往上拉制的,熔融区形成在预制棒的上方。熔融区温度超过2000℃,熔融区与周围空气温度差极大,造成向上的热对流,这样的结构导致种子光纤容易受到上升气流的影响,导致震动或热交换不稳定,进而影响光纤的均匀度。此外,传统的LHPG系统采用双锥透镜设计来产生准直的环形光。然而,由于双锥透镜的加工难度大、价格昂贵,并且会导致光斑强度分布不均匀,使得该系统的成本高且加热效果不理想。在微下拉法中,晶体生长过程有坩埚参与,可能导致引入杂质,使得到的单晶光纤纯度较低。此外,在制备过程中,需要同时加热大量原料,能量消耗大。
发明内容
本申请提供一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法,以解决相关技术中的至少部分问题。
第一方面,本申请提供一种光学系统,应用于特种光纤生长装置中,包括:激光器、光准直组件、透镜组件和反射镜。激光器,用于沿第一方向出射激光,激光为高斯光束。光准直组件,位于激光器的出射光束路径上,光准直组件用于准直高斯光束。透镜组件,位于光准直组件的出射光束路径上,透镜组件用于将高斯光束转换为环形光斑。反射镜,位于透镜组件的出射光束路径上,反射镜用于将环形光斑自第一方向转入第二方向,并聚焦到特种光纤生长装置中预制棒的底端。第二方向与第一方向垂直。
可选的,光准直组件包括第一反射镜和第二反射镜,第一反射镜位于激光器的出射光束路径上,第一反射镜用于将沿第一方向出射的高斯光束转入到第二方向并入射到第二反射镜,第二反射镜用于将沿第二方向入射的高斯光束转入到第一方向,并入射到透镜组件。
可选的,透镜组件包括锥透镜和球透镜,锥透镜位于光准直组件的出射光束路径上,锥透镜用于将高斯光束转换为环形光斑,球透镜位于锥透镜的出射光束路径上,球透镜用于准直和整形环形光斑。
可选的,反射镜为离轴抛物面反射镜,离轴抛物面反射镜包括沿第二方向贯穿的第一通孔,第一通孔用于穿设特种光纤生长装置中的种子光纤,以使种子光纤与预制棒的底端接触。
可选的,反射镜为平面反射镜,光学系统还包括平凸透镜,平凸透镜沿第二方向设置于平面反射镜的出射光束路径上,平面反射镜用于将沿第一方向入射的环形光斑转换为沿第二方向出射的环形光斑,平凸透镜用于将沿第二方向入射的环形光斑聚焦到预制棒的底端。
可选的,反射镜为镀有金膜的平面反射镜。
可选的,平面反射镜包括沿第二方向贯穿的第二通孔,平凸透镜包括沿第二方向贯穿的第三通孔,第二通孔与第三通孔同轴设置,第二通孔和第三通孔用于穿设特种光纤生长装置中的种子光纤,以使种子光纤与预制棒的底端接触。
可选的,锥透镜的材料包括硒化锌。
可选的,激光器为二氧化碳激光器。
第二方面,本申请提供一种特种光纤生长装置,包括预制棒、种子光纤、驱动机构、送料机构和如上述任一项实施例所述的光学系统。光学系统,位于预制棒的下方,反射镜对应于预制棒的底端设置。种子光纤,位于预制棒的下方,种子光纤穿过反射镜后与预制棒的底端中部接触。驱动机构,用于驱动种子光纤向下运动以拉制特种光纤。送料机构,用于推动预制棒向下运动以补充拉制的特种光纤的所需材料。
第三方面,本申请提供一种特种光纤生长方法,包括使用激光器出射激光,激光为高斯光束。调整激光的光束方向并聚焦到预制棒的底端,形成环形加热区域,以使预制棒的底端形成熔融区。将与熔融区接触的种子光纤向下拉动以实现特种光纤的生长。
可选的,调整激光的光束方向并将光束聚焦到预制棒的底端,包括通过光准直组件准直高斯光束。通过透镜组件将高斯光束转换为环形光斑。通过反射镜将环形光斑聚焦到预制棒的底端。
可选的,通过透镜组件将高斯光束转换为环形光斑,包括通过锥透镜将高斯光束转换为环形光斑。通过球透镜准直和整形环形光斑。
可选的,通过反射镜将环形光斑聚焦到预制棒的底端,包括通过平面反射镜将环形光斑反射至平凸透镜。通过平凸透镜将环形光斑聚焦到预制棒的底端。
可选的,通过反射镜将环形光斑聚焦到预制棒的底端,包括通过离轴抛物面反射镜将环形光斑聚焦到预制棒的底端。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果:
本申请提供一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法,光学系统中的激光器出射激光经过光学系统中的光准直组件、透镜组件和反射镜以聚焦到预制棒的底端,从而可以对预制棒进行加热以形成熔融区,将与熔融区接触的种子光纤向下拉动以实现特种光纤的生长。位于预制棒底端的熔融区可以在重力作用下消除应力与热交换的不均匀性,从而改善特种光纤的均匀度。此外,通过激光加热预制棒可以极大地降低特种光纤生长过程中杂质的引入。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本申请的实施例,并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1所示为本申请一示例性实施例的光学系统的结构示意图;
图2所示为本申请另一示例性实施例的光学系统的结构示意图;
图3所示为本申请一示例性实施例的特种光纤生长方法的流程图;
图4所示为本申请一示例性实施例的调节光学系统的流程图;
图5所示为本申请一示例性实施例的特种光纤生长装置在不同状态下的剖面图;
图6所示为本申请另一示例性实施例的特种光纤生长装置在不同状态下的剖面图;
图7所示为本申请又一示例性实施例的特种光纤生长装置在不同状态下的剖面图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。除非另作定义,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。同样,“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制,而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出,“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明,而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同,并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而且可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解,本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
为方便理解,下面先对本申请实施例中所涉及的技术术语进行解释和描述。
激光器加热基座法(Laser heated pedestal growth, LHPG),使用激光器聚焦到原材料基座上,从熔化的原料中重新生长出晶体材料的一种制造方法。
微下拉法,通过坩埚熔化原料从底端拉制晶体材料的一种制造方法。
离轴抛物面反射镜,是一种具有非对称形状的反射镜,其反射面不以镜筒中心为对称轴的标准抛物面。其通过偏离中心轴的抛物面曲线来实现光的反射聚焦,从而将入射光聚集到焦点上。
特种光纤,区别于国际通信标准光纤的特殊性能和用途的特殊用途光纤,例如:单晶光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、光子晶体光纤等。其中,单晶光纤是具有光纤形态的单晶体,单晶光纤具有优异的激光和机械性能。
目前,传统的单晶光纤的制备方法包括导模法、微下拉法和LHPG法。在传统的LHPG系统中,单晶光纤是从下往上拉制的,熔融区形成在预制棒的上方。熔融区温度超过2000℃,熔融区与周围空气温度差极大,造成向上的热对流,这样的结构导致种子光纤容易受到上升气流的影响,导致震动或热交换不稳定,进而影响光纤的均匀度。此外,传统的LHPG系统采用双锥透镜设计来产生准直的环形光。然而,由于双锥透镜的加工难度大、价格昂贵,并且会导致光斑强度分布不均匀,使得该系统的成本高且加热效果不理想。在微下拉法中,晶体生长过程有坩埚参与,可能导致引入杂质,使得到的单晶光纤纯度较低。此外,在制备过程中,需要同时加热大量原料,能量消耗大。
本申请提供一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法,光学系统中的激光器出射的激光经过光学系统中的光准直组件、透镜组件和反射镜以聚焦到预制棒的底端,从而可以对预制棒进行加热以形成熔融区,将与熔融区接触的种子光纤向下拉动以实现特种光纤的生长。位于预制棒底端的熔融区可以在重力作用下消除应力与热交换的不均匀性,从而改善特种光纤的均匀度。此外,通过激光加热预制棒可以极大地降低特种光纤生长过程中杂质的引入。
本申请提供一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法。下面结合附图,对本申请的光纤制备装置进行详细说明。在不冲突的情况下,下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
图1所示为本申请一示例性实施例的光学系统1的结构示意图,图2所示为本申请另一示例性实施例的光学系统1的结构示意图。参考图1和图2,本申请提供一种光学系统1,应用于特种光纤生长装置100中,包括激光器2、光准直组件3、透镜组件4和反射镜5。激光器2,用于沿第一方向X1出射激光,激光为高斯光束20。高斯光束是指横向电场以及辐照度分布近似满足高斯函数的电磁波光束。光准直组件3,位于激光器2的出射光束路径上,光准直组件3用于准直高斯光束20。透镜组件4,位于光准直组件3的出射光束路径上,透镜组件4用于将高斯光束20转换为环形光斑40。反射镜5,位于透镜组件4的出射光束路径上,反射镜5用于将沿环形光斑40自第一方向X1转入第二方向X2,并聚焦到特种光纤生长装置100中预制棒101的底端。第二方向X2与第一方向X1垂直。在本申请的实施例中,第一方向X1为水平方向,第二方向X2为竖直方向。光学系统1中的激光器2出射的激光经过光学系统1中的光准直组件3、透镜组件4和反射镜5以聚焦到预制棒101的底端,从而可以对预制棒101进行加热以形成熔融区102,将与熔融区102接触的种子光纤103向下拉动以实现特种光纤的生长。位于预制棒101底端的熔融区102可以在重力作用下消除应力与热交换的不均匀性,从而改善特种光纤的均匀度。此外,通过激光加热预制棒101可以极大地降低特种光纤生长过程中杂质的引入。
在图1和图2所示的实施例中,光准直组件3包括第一反射镜30和第二反射镜31,第一反射镜30位于激光器2的出射光束路径上,第一反射镜30用于将沿第一方向X1出射的高斯光束20转入到第二方向X2并入射到第二反射镜31,第二反射镜31用于将沿第二方向X2入射的高斯光束20转入到第一方向X1,并入射到透镜组件4。通过第一反射镜30调节俯仰角度,第二反射镜31调整左右角度以准直高斯光束20,使高斯光束20的发散角至最小。
在一些实施例中,透镜组件4包括锥透镜41和球透镜42,锥透镜41位于光准直组件3的出射光束路径上,锥透镜41用于将高斯光束20转换为环形光斑40,球透镜42位于锥透镜41的出射光束路径上,球透镜42用于准直和整形环形光斑40。沿第一方向X1入射的高斯光束20通过锥透镜41被转换为发散的环形光斑40,并通过球透镜42准直。采用球透镜42可以实现环形光斑40的准直,且环形光斑40的中心无光斑,从而避免预制棒101底端的中心热量过高。如此设置,聚焦在预制棒101底端的光斑强度分布更加均衡。此外,透镜组件采用锥透镜41和球透镜42,相比于采用两个锥透镜41,聚焦在预制棒101底端的加热区域更均匀,成本也更低。
在一些实施例中,反射镜5为离轴抛物面反射镜50,离轴抛物面反射镜50包括沿第二方向X2贯穿的第一通孔51,第一通孔51用于穿设特种光纤生长装置100中的种子光纤103,以使种子光纤103与预制棒101的底端接触。在图1所示的实施例中,离轴抛物面反射镜50将沿第一方向X1入射的环形光斑40转入到第二方向X2,并向上聚焦到预制棒101的底端。聚焦的环形光斑40在预制棒101的底端形成环形加热区域,以融化预制棒101并形成熔融区102。使用离轴抛物面反射镜50将激光器2的光束传播方向由沿第二方向X2向下倒转为沿第二方向X2向上,使得熔融区102的位置颠倒。熔融区102通过表面张力吸附于预制棒101的底端,在重力作用下熔融区102内部的应力和热交换的分布更加均匀,且热对流气流对预制棒101的影响小,可以避免震动或热交换不稳定对生成的特种光纤的均匀度影响,从而提高特种光纤的质量。此外,激光器2的光束传播方向从下向上照射,可以简化光学系统1的占用空间和校准难度,降低成本。
在另一些实施例中,反射镜5为平面反射镜52,光学系统1还包括平凸透镜6,平凸透镜6沿第二方向X2设置于平面反射镜52的出射光束路径上,平面反射镜52用于将沿第一方向X1入射的环形光斑40转换为沿第二方向X2出射的环形光斑40,平凸透镜6用于将沿第二方向X2入射的环形光斑40聚焦到预制棒101的底端。在本申请的实施例中,反射镜5为镀有金膜的平面反射镜52。如此设置,金膜的强度和稳定性优于其他金属,且镀金的平面反射镜52的反射率高。采用平面反射镜52和平凸透镜6代替离轴抛物面反射镜50,可以确保确保光束在第二方向X2具有水平的波前相位。如此设置,可以降低设计和加工离轴抛物面反射镜50的难度。在光学系统1中,需要增加第二方向X2的空间以容纳平面反射镜52和平凸透镜6。
在一些实施例中,平面反射镜52包括沿第二方向X2贯穿的第二通孔53,平凸透镜6包括沿第二方向X2贯穿的第三通孔60,第二通孔53与第三通孔60同轴设置,第二通孔53和第三通孔60用于穿设特种光纤生长装置100中的种子光纤103,以使种子光纤103与预制棒101的底端接触。平面反射镜52将沿第一方向X1入射的环形光斑40转入到第二方向X2,转入到第二方向X2的环形光斑40入射平凸透镜6并向上聚焦到预制棒101的底端。聚焦的环形光斑40在预制棒101的底端形成环形加热区域,以融化预制棒101并形成熔融区102。使用离轴抛物面反射镜50将激光器2的光束传播方向由沿第二方向X2向下倒转为沿第二方向X2向上,使得熔融区102的位置颠倒。熔融区102通过表面张力吸附于预制棒101的底端,在重力作用下熔融区102内部的应力和热交换的分布更加均匀,且热对流气流对预制棒101的影响小,可以避免震动或热交换不稳定对生成的特种光纤的均匀度影响,从而提高特种光纤的质量。
在一些实施例中,激光器2为二氧化碳激光器,二氧化碳激光器可以长时间稳定工作、提供高功率的激光输出、结构简单且造价较低。
在一些实施例中,锥透镜41的材料包括硒化锌(ZnSe),ZnSe在二氧化碳激光器的波长范围内的透过率高,且具有较高的热导率和热稳定性,能够承受高功率光束的照射而不易受损,这使得ZnSe适用于高功率激光系统。
参考图1和图2,本申请提供一种特种光纤生长装置100,包括预制棒101、种子光纤103、驱动机构、送料机构和如上述任一项实施例所述的光学系统1。光学系统1,位于预制棒101的下方,反射镜5对应于预制棒101的底端设置。种子光纤103,位于预制棒101的下方,种子光纤103穿过反射镜5后与预制棒101的底端中部接触。驱动机构,用于驱动种子光纤103向下运动以拉制特种光纤。送料机构,用于推动预制棒101向下运动以补充拉制的特种光纤的所需材料。具体地,驱动机构包括第一电机、第一主动轮和第一从动轮,种子光纤103设于第一主动轮和第一从动轮之间,第一电机用于驱动第一主动轮旋转,从而带动与第一主动轮连接的第一从动轮旋转。送料机构,包括第二电机、第二主动轮和第二从动轮,预制棒101设于第二主动轮和第二从动轮之间,第二电机用于驱动第二主动轮旋转,从而带动与第二主动轮连接的第二从动轮旋转。在本申请的实施例中,以单晶光纤为例,单晶光纤的拉制方向由上而下。激光器2输出的激光经过光学系统1聚焦在预制棒101的底端并融化预制棒101以形成熔融区102。在本申请的实施例中,以单晶光纤为例,单晶光纤的拉制方向由上而下。激光器2输出的激光经过光学系统1聚焦在预制棒101的底端并融化预制棒101以形成熔融区102。预制棒101的驱动机构驱动种子光纤103沿第一方向X1向上靠近预制棒101底端的熔融区102,开启第一电机将种子光纤103向下运动来拉制单晶光纤,同时开启第二电机将预制棒101向下运送生成单晶光纤的材料。通过将激光器2输出的高斯光束20的传播方向倒转,可以简化特种光纤生长装置100,使得特种光纤生长装置100的布置更加紧凑。此外,熔融区102通过表面张力吸附于预制棒101的底端,在重力作用下熔融区102内部的应力和热交换的分布更加均匀,且热对流气流对预制棒101的影响小,可以避免震动或热交换不稳定对生成的特种光纤的均匀度影响,从而提高特种光纤的质量。
图3所示为本申请一示例性实施例的特种光纤生长方法的流程图,图4所示为本申请一示例性实施例的调节光学系统的流程图。图5为本申请一示例性实施例的特种光纤生长装置在不同状态下的剖面图,图6为本申请另一示例性实施例的特种光纤生长装置在不同状态下的剖面图,图7为本申请又一示例性实施例的特种光纤生长装置在不同状态下的剖面图。参考图3至图7,本申请提供一种特种光纤生长方法,可用于制备上述实施例所述的特种光纤。如图3所示,该方法至少包括以下步骤:
步骤200中:使用激光器2出射激光,激光为高斯光束20,如图1和图2所示。
步骤201中:调整激光的光束方向并聚焦到预制棒101的底端,形成环形加热区域,以使预制棒101的底端形成熔融区102,如图5和图6所示。
步骤202中:将与熔融区102接触的种子光纤103向下拉动以实现特种光纤的生长,如图7所示。
以特种光纤中的单晶光纤为例,特种光纤生长方法包括使用激光器2输出的高斯光束20经过光学系统1的调整聚焦到预制棒101的底端,光学系统1可以将高斯光束20转换为环形光斑40,通过调整预制棒101的高度,可以使环形光斑40聚焦到预制棒101的底端以形成环形加热区域,避免环形加热区域的中部温度过高,从而影响特种光纤的生成。预制棒101经过加热融化形成熔融区102,如图5和图6所示。将种子光纤103与熔融区102接触并向下拉动以生成单晶光纤,如图7所示。位于预制棒101底端的熔融区102可以在重力作用下消除应力与热交换的不均匀性,从而改善特种光纤的均匀度。
参考图4,在步骤201中,调整激光的光束方向并聚焦到预制棒101的底端还包括:
步骤203中:通过光准直组件3准直高斯光束20。
步骤204中:通过透镜组件4将高斯光束20转换为环形光斑40。
步骤205中:通过反射镜5将环形光斑40聚焦到预制棒101的底端。
在步骤203中,如图1和图2所示,光准直组件3包括第一反射镜30和第二反射镜31,第一反射镜30位于激光器2的出射光束路径上,第一反射镜30用于将沿第一方向X1出射的高斯光束20转入到第二方向X2并入射到第二反射镜31,第二反射镜31用于将沿第二方向X2入射的高斯光束20转入到第一方向X1,并入射到透镜组件4。通过第一反射镜30调节俯仰角度,第二反射镜31调整左右角度以准直高斯光束20,使高斯光束20的发散角至最小。在步骤204中,透镜组件4可以将高斯光束20转换为环形光斑40,并且使环形光斑40的强度分布更加均匀。在步骤205中,反射镜5将环形光斑40聚焦到预制棒101的底端已形成熔融区102。如此设置,位于预制棒101底端的熔融区102可以在重力作用下消除应力与热交换的不均匀性,从而改善特种光纤的均匀度。
在步骤204中,通过透镜组件4将高斯光束20转换为环形光斑40,包括通过锥透镜41将高斯光束20转换为环形光斑40。通过球透镜42准直和整形环形光斑40。参考图1和图2,透镜组件4包括锥透镜41和球透镜42,锥透镜41位于光准直组件3的出射光束路径上,锥透镜41用于将高斯光束20转换为环形光斑40,球透镜42位于锥透镜41的出射光束路径上,球透镜42用于准直和整形环形光斑40。沿第一方向X1入射的高斯光束20通过锥透镜41被转换为发散的环形光斑40,并通过球透镜42准直。采用球透镜42可以实现环形光斑40的准直,且环形光斑40的中心无光斑,从而避免预制棒101底端的中心热量过高。如此设置,聚焦在预制棒101底端的光斑强度分布更加均衡。此外,透镜组件采用锥透镜41和球透镜42,相比于采用两个锥透镜41,聚焦在预制棒101底端的加热区域更均匀,成本也更低。
参考图1,在步骤205中,通过反射镜5将环形光斑40聚焦到预制棒101的底端,包括通过离轴抛物面反射镜50将环形光斑40聚焦到预制棒101的底端。离轴抛物面反射镜50将沿第一方向X1入射的环形光斑40转入到第二方向X2,并向上聚焦到预制棒101的底端。聚焦的环形光斑40在预制棒101的底端形成环形加热区域,以融化预制棒101并形成熔融区102。使用离轴抛物面反射镜50将激光器2的光束传播方向由沿第二方向X2向下倒转为沿第二方向X2向上,使得熔融区102的位置颠倒。熔融区102通过表面张力吸附于预制棒101的底端,在重力作用下熔融区102内部的应力和热交换的分布更加均匀,且热对流气流对预制棒101的影响小,可以避免震动或热交换不稳定对生成的特种光纤的均匀度影响,从而提高特种光纤的质量。此外,激光器2的光束传播方向从下向上照射,可以简化光学系统1的占用空间和校准难度,降低成本。
参考图2,在步骤205中,通过反射镜5将环形光斑40聚焦到预制棒101的底端,包括通过平面反射镜52将环形光斑40反射至平凸透镜6。通过平凸透镜6将环形光斑40聚焦到预制棒101的底端。平面反射镜52将沿第一方向X1入射的环形光斑40转入到第二方向X2,转入到第二方向X2的环形光斑40入射平凸透镜6并向上聚焦到预制棒101的底端。聚焦的环形光斑40在预制棒101的底端形成环形加热区域,以融化预制棒101并形成熔融区102。使用离轴抛物面反射镜50将激光器2的光束传播方向由沿第二方向X2向下倒转为沿第二方向X2向上,使得熔融区102的位置颠倒。熔融区102通过表面张力吸附于预制棒101的底端,在重力作用下熔融区102内部的应力和热交换的分布更加均匀,且热对流气流对预制棒101的影响小,可以避免震动或热交换不稳定对生成的特种光纤的均匀度影响,从而提高特种光纤的质量。采用平面反射镜52和平凸透镜6代替离轴抛物面反射镜50,可以确保确保光束在第二方向X2具有水平的波前相位。如此设置,可以降低设计和加工离轴抛物面反射镜50的难度。在光学系统1中,需要增加第二方向X2的空间以容纳平面反射镜52和平凸透镜6。
下面将详细介绍采用本申请实施例的图1所示的光学系统1来进行例如单晶光纤的生长过程。
激光器2沿第一方向X1出射的高斯光束20依次经过光准直组件3中的第一反射镜30和第二反射镜31以准直高斯光束20,准直后的高斯光束20沿第一方向X1入射锥透镜41和球透镜42,高斯光束20通过锥透镜41转换为环形光斑40,环形光斑40通过球透镜42准直和整形环形光斑40。沿第一方向X1准直和整形后的环形光斑40通过离轴抛物面反射镜50转入第二方向X2并聚焦到预制棒101的底端以形成环形加热区域,预制棒101的底端在加热后融化形成熔融区102,得到单晶光纤生长初始熔体。此时,将种子光纤103放置于第一主动轮和第一从动轮之间,开启驱动机构使种子光纤103自下而上穿过离轴抛物面反射镜50的第一通孔51以使种子光纤103与熔融区102接触,以形成如图7所示的熔融区102,开启驱动机构驱动种子光纤103向下运动以拉制生成单晶光纤,并开启送料机构驱动预制棒101向下运动以补充单晶光纤生长初始熔体。待单晶光纤生长至所需长度,关闭送料机构和激光器2,驱动机构继续驱动种子光纤103向下运动以拉脱单晶光纤,将单晶光纤和种子光纤103从驱动机构中取出,得到所需的单晶光纤。
本申请还提供了一种特种光纤生长方法。下面将详细介绍采用本申请实施例的图2所示的光学系统1来进行例如单晶光纤的生长过程。
激光器2沿第一方向X1出射的高斯光束20依次经过光准直组件3中的第一反射镜30和第二反射镜31以准直高斯光束20,准直后的高斯光束20沿第一方向X1入射锥透镜41和球透镜42,高斯光束20通过锥透镜41转换为环形光斑40,环形光斑40通过球透镜42准直和整形环形光斑40。沿第一方向X1准直和整形后的环形光斑40通过平面反射镜52转入到第二方向X2。转入到第二方向X2的环形光斑40入射平凸透镜6并向上聚焦到预制棒101的底端以形成环形加热区域,预制棒101的底端在加热后融化形成熔融区102,得到单晶光纤生长初始熔体。此时,将种子光纤103放置于第一主动轮和第一从动轮之间,开启驱动机构使种子光纤103自下而上穿过离轴抛物面反射镜50的第一通孔51以使种子光纤103与熔融区102接触,以形成如图7所示的熔融区102,开启驱动机构驱动种子光纤103向下运动以拉制生成单晶光纤,并开启送料机构驱动预制棒101向下运动以补充单晶光纤生长初始熔体。待单晶光纤生长至所需长度,关闭送料机构和激光器2,驱动机构继续驱动种子光纤103向下运动以拉脱单晶光纤。关闭驱动机构,将单晶光纤和种子光纤103从驱动机构中取出,得到所需的单晶光纤。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后,将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是,本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (14)
1.一种光学系统,应用于特种光纤生长装置中,其特征在于,包括:
激光器,用于沿第一方向出射激光,所述激光为高斯光束;
光准直组件,位于所述激光器的出射光束路径上,所述光准直组件用于准直所述高斯光束;
透镜组件,位于所述光准直组件的出射光束路径上,所述透镜组件用于将所述高斯光束转换为环形光斑;
反射镜,位于所述透镜组件的出射光束路径上,所述反射镜用于将所述环形光斑自所述第一方向转入第二方向,并聚焦到所述特种光纤生长装置中预制棒的底端;所述第二方向与所述第一方向垂直。
2.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述光准直组件包括第一反射镜和第二反射镜,所述第一反射镜位于所述激光器的出射光束路径上,所述第一反射镜用于将沿所述第一方向出射的所述高斯光束转入到所述第二方向并入射到所述第二反射镜,所述第二反射镜用于将沿第二方向入射的所述高斯光束转入到所述第一方向,并入射到所述透镜组件。
3.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述透镜组件包括锥透镜和球透镜,所述锥透镜位于所述光准直组件的出射光束路径上,所述锥透镜用于将所述高斯光束转换为环形光斑,所述球透镜位于所述锥透镜的出射光束路径上,所述球透镜用于准直和整形所述环形光斑。
4.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述反射镜为离轴抛物面反射镜,所述离轴抛物面反射镜包括沿所述第二方向贯穿的第一通孔,所述第一通孔用于穿设所述特种光纤生长装置中的种子光纤,以使所述种子光纤与所述预制棒的底端接触。
5.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述反射镜为平面反射镜,所述光学系统还包括平凸透镜,所述平凸透镜沿所述第二方向设置于所述平面反射镜的出射光束路径上,所述平面反射镜用于将沿所述第一方向入射的所述环形光斑转换为沿所述第二方向出射的所述环形光斑,所述平凸透镜用于将沿所述第二方向入射的所述环形光斑聚焦到所述预制棒的底端;和/或
所述反射镜为镀有金膜的平面反射镜。
6.根据权利要求5所述的光学系统,其特征在于,所述平面反射镜包括沿所述第二方向贯穿的第二通孔,所述平凸透镜包括沿所述第二方向贯穿的第三通孔,所述第二通孔与所述第三通孔同轴设置,所述第二通孔和所述第三通孔用于穿设所述特种光纤生长装置中的种子光纤,以使所述种子光纤与所述预制棒的底端接触。
7.根据权利要求3所述的光学系统,其特征在于,所述锥透镜的材料包括硒化锌。
8.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述激光器为二氧化碳激光器。
9.一种特种光纤生长装置,其特征在于,包括:
预制棒;
如权利要求1-8任一项所述的光学系统,位于所述预制棒的下方,所述反射镜对应于所述预制棒的底端设置;
种子光纤,位于所述预制棒的下方,所述种子光纤穿过所述反射镜后与所述预制棒的底端中部接触;
驱动机构,用于驱动所述种子光纤向下运动以拉制所述特种光纤;
送料机构,用于推动所述预制棒向下运动以补充拉制所述的特种光纤的所需材料。
10.一种特种光纤生长方法,其特征在于,包括:
使用激光器出射激光,所述激光为高斯光束;
调整所述激光的光束方向并聚焦到预制棒的底端,形成环形加热区域,以使所述预制棒的底端形成熔融区;
将与所述熔融区接触的种子光纤向下拉动以实现特种光纤的生长。
11.根据权利要求10所述的特种光纤生长方法,其特征在于,调整所述激光的光束方向并将所述光束聚焦到预制棒的底端,包括:
通过光准直组件准直所述高斯光束;
通过透镜组件将所述高斯光束转换为环形光斑;
通过反射镜将所述环形光斑聚焦到所述预制棒的底端。
12.根据权利要求11所述的特种光纤生长方法,其特征在于,通过透镜组件将所述高斯光束转换为环形光斑,包括:
通过锥透镜将所述高斯光束转换为环形光斑;
通过球透镜准直和整形所述环形光斑。
13.根据权利要求11所述的特种光纤生长方法,其特征在于,通过反射镜将所述环形光斑聚焦到所述预制棒的底端,包括:
通过平面反射镜将所述环形光斑反射至平凸透镜;
通过所述平凸透镜将所述环形光斑聚焦到所述预制棒的底端。
14.根据权利要求11所述的特种光纤生长方法,其特征在于,通过反射镜将所述环形光斑聚焦到所述预制棒的底端,包括:
通过离轴抛物面反射镜将所述环形光斑聚焦到所述预制棒的底端。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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