CN117023969A - 一种光纤预制棒、模式扰动光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种光纤预制棒，包括主纤芯棒和副纤芯棒，所述主纤芯棒沿轴向开设有纤芯孔，所述主纤芯棒套设在副纤芯棒外部，所述主纤芯棒的外部套设有包层；所述主纤芯棒的相对折射率差大于副纤芯棒的相对折射率差；所述副纤芯棒通过扭转或变径处理后的折射率沿轴向周期性变化。本发明通过对副纤芯棒进行扭转或变径处理，激光在纤芯传输过程中，由于副纤芯棒外侧的氟环在轴向上存在尺寸或形状的变化，可以避免副纤芯棒外侧的氟环中形成有效的波导结构，光束会受到折射率分布变化的周期性扰动，进入到高折射率介质中传输，高斯型能量分布被破坏从而激发出高阶模，使得能量从高斯形分布能够均匀地分散到周边，从而达到能量匀化的效果。

Description

一种光纤预制棒、模式扰动光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤制造技术领域，尤其涉及一种光纤预制棒、模式扰动光纤及其制备方法。
背景技术
普通光纤波导的导光原理为全内反射，通过全反射将光束缚在纤芯内，该类波导由于轴心处折射率较大，输出激光光场会呈高斯或近高斯状分布。在工业激光领域中，诸如激光清洗、激光焊接、激光切割等方面的应用，光斑能量过于集中会造成应力不均匀、清洗有效面积小等不利影响。改变光斑的能量分布，将其转化成均匀分布的平顶光斑，更有利于实际加工。
将高斯光束转变为平顶光束，目前主要通过以下方法解决：
1)、可采用多个非球面透镜，或者一些衍射光学器件组合，通过组合的透镜及器件后高斯光束将被打破转变为平顶光束；
2)、从光纤的波导结构出发，在纤芯中设计不同的折射率剖面，一种折射率分布为阶跃型剖面；另一种是渐变型平面，当激光在光纤中传播时，由于纤芯中折射率不一致，高斯光束将被打破转变为平顶光束。
对于第一种方法，由于连续高功率激光器用于工业生产需要随时移动，同时用于工业生产中环境等因素多变，在激光器中安装透镜及衍射光学器件组合，容易出现不稳定因素，最终导致无法稳定完成高斯光束的转换，因而不太适用于实际工业生产；
对于第二种方法，在纤芯中设计不同的折射率剖面，纤芯外侧的氟环(掺氟层)会形成稳定的波导结构，使得激光在光纤中传播时会受到氟环的束缚形成光斑裂变，导致不能实现能量匀化的效果。
发明内容
本发明提出一种光纤预制棒、模式扰动光纤及其制备方法，解决了现有技术中在纤芯中设计不同的折射率剖面，纤芯外侧的氟环会形成稳定的波导结构，使得激光在光纤中传播时会受到氟环的束缚形成光斑裂变，导致不能实现能量匀化效果的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种光纤预制棒，包括主纤芯棒和副纤芯棒，所述主纤芯棒沿轴向开设有纤芯孔，所述主纤芯棒套设在副纤芯棒外部，所述主纤芯棒的外部套设有包层；所述主纤芯棒的相对折射率差大于副纤芯棒的相对折射率差；所述副纤芯棒通过扭转或变径处理后的折射率沿轴向周期性变化。
本发明通过对副纤芯棒进行扭转或变径处理，激光在纤芯传输过程中，由于副纤芯棒外侧的氟环在轴向上存在尺寸或形状的变化，可以避免副纤芯棒外侧的氟环中形成有效的波导结构，光束会受到折射率分布变化的周期性扰动，进入到高折射率介质中传输，高斯型能量分布被破坏从而激发出高阶模，使得能量从高斯形分布能够均匀地分散到周边，从而达到能量匀化的效果；通过主纤芯棒可以将激光束缚在纤芯内，防止激光泄露至包层中。
作为本发明优选的方案，所述副纤芯棒的折射率在径向剖面上为中心低、两端高的渐变型分布，这种设计的目的主要是为了进一步破坏副纤芯棒外侧氟环中的波导结构，提高能量匀化的效果。
作为本发明可选的方案，所述副纤芯棒的折射率在径向剖面上为单沟道或多沟道的阶跃型分布，其目的也是为了进一步破坏副纤芯棒外侧氟环中的波导结构，提高能量匀化的效果。
作为本发明优选的方案，所述主纤芯棒和副纤芯棒的外侧均设有掺氟层，所述主纤芯棒的掺氟层与石英的相对折射率差为-0.9％～-1.2％，所述副纤芯棒的掺氟层与石英的相对折射率差为-0.26％～-0.42％。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光纤预制棒的制备方法，包括以下步骤：
S1，在衬管内进行芯棒的沉积，分别得到主纤芯棒和副纤芯棒；
S2，在主纤芯棒上加工出纤芯孔；
S3，对副纤芯棒进行扭转或变径处理，使副纤芯棒的折射率沿轴向周期性变化；
S4，将副纤芯棒装入主纤芯棒的纤芯孔内；
S5，将包层套在主纤芯棒外部，得到光纤预制棒。
作为本发明优选的方案，步骤S3中，对副纤芯棒进行扭转处理的方法为：
S31，在副纤芯棒两端分别熔接一段石英棒；
S32，对副纤芯棒进行加热软化；
S33，驱动副纤芯棒两端的石英棒差速旋转，使副纤芯棒呈均匀扭转状态。
本发明通过驱动纤芯棒两端的石英棒差速旋转，一方面可以使得副纤芯棒均匀受热，另一方面，由于副纤芯棒两端的旋转速度不同，导致副纤芯棒呈现均匀扭转状态。
作为本发明优选的方案，在熔接石英棒之前，对副纤芯棒进行打磨处理，使副纤芯棒的径向截面呈多边形或非对称形状；通过打磨可以使得副纤芯棒保留掺氟层的同时具有一定的截面形状，多边形或非对称形状的副纤芯棒可以进一步破坏基模传播，提高能量匀化效果。
作为本发明优选的方案，步骤S3中，对副纤芯棒进行变径处理的方法为：
S34，在副纤芯棒两端分别熔接一段石英棒；
S35，对副纤芯棒的变径区进行加热软化，控制两端的石英棒匀速反向移动预设距离，使得变径区的直径沿纵向呈指数型变化；
S36，对副纤芯棒上等间隔设置的多个变径区依次执行步骤S35的操作，使得副纤芯棒的直径沿轴向周期性变化。
根据本发明的另一个方面，提供了一种模式扰动光纤，对上述光纤预制棒进行拉丝后得到。
根据本发明的又一个方面，提供了一种模式扰动光纤的制备方法，将上述光纤预制棒通过套-棒拉丝工艺拉制成模式扰动光纤。
有益效果
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过对副纤芯棒进行扭转或变径处理，激光在纤芯传输过程中，由于副纤芯棒外侧的氟环在轴向上存在尺寸或形状的变化，可以避免副纤芯棒外侧的氟环中形成有效的波导结构，光束会受到折射率分布变化的周期性扰动，进入到高折射率介质中传输，高斯型能量分布被破坏从而激发出高阶模，使得能量从高斯形分布能够均匀地分散到周边，从而达到能量匀化的效果；通过主纤芯棒可以将激光束缚在纤芯内，防止激光泄露至包层中；
(2)本发明通过设计副纤芯棒的折射率在径向剖面上为中心低、两端高的渐变型分布或单沟道、多沟道的阶跃型分布，可以进一步破坏副纤芯棒外侧氟环中的波导结构，提高能量匀化的效果；
(3)本发明在对副纤芯棒进行扭转处理的过程中，在熔接石英棒之前，通过打磨可以使得副纤芯棒保留掺氟层的同时具有一定的截面形状，多边形或非对称形状的副纤芯棒可以进一步破坏基模传播，提高能量匀化效果。
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作简单地介绍，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为本发明实施例1中一种光纤预制棒的径向结构示意图；
图2为本发明实施例1中副纤芯棒的折射率在径向剖面上为中心低、两端高的渐变型分布示意图；
图3为本发明实施例1中副纤芯棒的折射率在径向剖面上为单沟道或多沟道的阶跃型分布示意图；
图4为本发明实施例1中采用熔接车床对副纤芯棒进行扭转的装置结构示意图；
图5为本发明实施例1中副纤芯棒扭转后的状态示意图；
图6为本发明实施例2中一种光纤预制棒的径向结构示意图；
图7为本发明实施例2中变径处理后的副纤芯棒结构示意图；
图中：1、主纤芯棒；2、副纤芯棒；3、内包层；4、外包层；5、石英棒；6、熔接车床；7、喷灯；8、渐变区域；9、均匀区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参照图1所示，本实施例提供了一种光纤预制棒，包括主纤芯棒1和副纤芯棒2，所述主纤芯棒1沿轴向开设有纤芯孔，所述主纤芯棒1套设在副纤芯棒2外部，所述主纤芯棒1的外部套设有包层，所述包层包括内包层3和外包层4，所述内包层3和外包层4同轴套接设置；所述主纤芯棒1的相对折射率差大于副纤芯棒2的相对折射率差；所述副纤芯棒2通过扭转处理后的折射率沿轴向周期性变化。
本实施例通过对副纤芯棒2进行扭转处理，使得副纤芯棒2的折射率沿轴向周期性变化，可以破坏基模，避免副纤芯棒2外侧的氟环中形成有效的波导结构，从而对激光传输进行扰模实现能量匀化；通过主纤芯棒1可以将激光束缚在纤芯内，防止激光泄露至包层中。
如图2所示，作为本实施例优选的方案，所述副纤芯棒2的折射率在径向剖面上为中心低、两端高的渐变型分布，这种设计的目的主要是为了进一步破坏副纤芯棒2外侧氟环中的波导结构，提高能量匀化的效果。
如图3所示，作为本实施例可选的方案，所述副纤芯棒2的折射率在径向剖面上为单沟道或多沟道的阶跃型分布，其目的也是为了进一步破坏副纤芯棒2外侧氟环中的波导结构，提高能量匀化的效果；图3中，(a)为副纤芯棒2的折射率在径向剖面上的单沟道阶跃型分布示意图，(b)为副纤芯棒2的折射率在径向剖面上的双沟道阶跃型分布示意图。
作为本实施例优选的方案，所述主纤芯棒1的直径为25mm，所述主纤芯棒1和副纤芯棒2的外侧均设有掺氟层，所述主纤芯棒1的掺氟层与石英的相对折射率差为-0.9％～-1.2％，掺氟层直径占主纤芯棒1直径比例为12％～29％；所述副纤芯棒2的直径为10mm，所述副纤芯棒2的掺氟层与石英的相对折射率差为-0.26％～-0.42％，掺氟层直径占副纤芯棒2直径比例为10％～32％。
本实施例还提供了一种光纤预制棒的制备方法，包括以下步骤：
S1，在衬管内进行芯棒的沉积，分别得到主纤芯棒1和副纤芯棒2；
S2，在主纤芯棒1上加工出纤芯孔；
S3，对副纤芯棒2进行扭转或变径处理，使副纤芯棒2的折射率沿轴向周期性变化；
S4，将副纤芯棒2装入主纤芯棒1的纤芯孔内；
S5，将包层套在主纤芯棒1外部，得到光纤预制棒。
本实施例中，所述纤芯孔的直径为10.3mm，与副纤芯棒2的外径相配，纤芯孔的轴线与主纤芯棒1的轴线平行且不重合，即副纤芯棒2与主纤芯棒1非同轴设置(径向偏移)，其目的是进一步干扰基模光束的传播，提升能量匀化效果。
作为本实施例优选的方案，步骤S3中，对副纤芯棒2进行扭转处理的方法为：
S31，在副纤芯棒2两端分别熔接一段石英棒5；
S32，对副纤芯棒2进行加热软化；
S33，驱动副纤芯棒2两端的石英棒5差速旋转，使副纤芯棒2呈均匀扭转状态。
如图4所示，具体实施过程中，将副纤芯棒2两端分别熔接一段石英棒5，将两端的石英棒5分别固定在熔接车床6两侧的卡爪上，打开氢氧焰喷灯7，将喷灯7移至副纤芯棒2与石英棒5的前端熔接处，调节加热时间和加热温度至玻璃软化，然后调节熔接车床6两端转速，控制熔接车床6左端卡爪转速为157rad/min，右端卡爪转速为183rad/min，此时副纤芯棒2会由于两侧卡爪存在差速导致扭转，缓慢匀速移动喷灯7，移动速度为15mm/min，直至移动至副纤芯棒2与石英棒5的后端熔接处；来回移动喷灯74～6趟，此时，整根副纤芯棒2呈均匀扭转状态，如图5所示。
本实施例通过驱动纤芯棒两端的石英棒5差速旋转，一方面可以使得副纤芯棒2均匀受热，另一方面，由于副纤芯棒2两端的旋转速度不同，导致副纤芯棒2呈现均匀扭转状态。
作为本实施例优选的方案，在熔接石英棒5之前，对副纤芯棒2进行打磨处理，使副纤芯棒2的径向截面呈多边形或非对称形状；通过打磨可以使得副纤芯棒2保留掺氟层的同时具有一定的截面形状，多边形或非对称形状的副纤芯棒2可以进一步破坏基模传播，提高能量匀化效果。
本实施例中，将副纤芯棒2固定在磨床上，将副纤芯棒2的径向截面打磨成八边形(具体实施过程中，也可以将其截面打磨成其它多边形或非对称形状，如D形)，八边形的对边距离为9.09mm，对角距离为9.82mm。
本实施例还提供了一种模式扰动光纤，对上述光纤预制棒进行拉丝后得到。
本实施例还提供了一种模式扰动光纤的制备方法，将上述光纤预制棒通过套-棒拉丝工艺拉制成模式扰动光纤。
实施例2
如图6、7所示，本实施例提供了一种光纤预制棒，与上述实施例1的区别在于，本实施例中，所述副纤芯棒2通过变径处理后的折射率沿轴向周期性变化。
本实施例中，所述主纤芯棒1的直径为25mm，所述主纤芯棒1和副纤芯棒2的外侧均设有掺氟层，所述主纤芯棒1的掺氟层与石英的相对折射率差为-0.9％～-1.2％，掺氟层直径占主纤芯棒1直径比例为12％～29％；所述副纤芯棒2的直径为8.2mm，所述副纤芯棒2的掺氟层与石英的相对折射率差为-0.26％～-0.42％，掺氟层直径占副纤芯棒2直径比例为10％～32％。
本实施例还提供了一种光纤预制棒的制备方法，包括以下步骤：
步骤S3中，对副纤芯棒2进行变径处理的方法为：
S34，在副纤芯棒2两端分别熔接一段石英棒5；
S35，对副纤芯棒2的变径区进行加热软化，控制两端的石英棒5匀速反向移动预设距离，使得变径区的直径沿纵向呈指数型变化；
S36，对副纤芯棒2上等间隔设置的多个变径区依次执行步骤S35的操作，使得副纤芯棒2的直径沿轴向周期性变化。
本实施例中，所述副纤芯棒2的轴向直径渐变区域8的长度为15±2mm，渐变区域8的直径最小为4.2±0.5mm，相邻两个渐变区域8之间的均匀区域9长度为10mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤预制棒，其特征在于，包括主纤芯棒(1)和副纤芯棒(2)，所述主纤芯棒(1)沿轴向开设有纤芯孔，所述主纤芯棒(1)套设在副纤芯棒(2)外部，所述主纤芯棒(1)的外部套设有包层；所述主纤芯棒(1)的相对折射率差大于副纤芯棒(2)的相对折射率差；所述副纤芯棒(2)的折射率沿轴向周期性变化。
2.如权利要求1所述的一种光纤预制棒，其特征在于，所述副纤芯棒(2)的折射率在径向剖面上为中心低、两端高的渐变型分布。
3.如权利要求1所述的一种光纤预制棒，其特征在于，所述副纤芯棒(2)的折射率在径向剖面上为单沟道或多沟道的阶跃型分布。
4.如权利要求1所述的一种光纤预制棒，其特征在于，所述主纤芯棒(1)和副纤芯棒(2)的外侧均设有掺氟层，所述主纤芯棒(1)的掺氟层与石英的相对折射率差为-0.9％～-1.2％，所述副纤芯棒(2)的掺氟层与石英的相对折射率差为-0.26％～-0.42％。
5.一种如权利要求1至4任一项所述光纤预制棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在衬管内进行芯棒的沉积，分别得到主纤芯棒(1)和副纤芯棒(2)；
S2，在主纤芯棒(1)上加工出纤芯孔；
S3，对副纤芯棒(2)进行扭转或变径处理，使副纤芯棒(2)的折射率沿轴向周期性变化；
S4，将副纤芯棒(2)装入主纤芯棒(1)的纤芯孔内；
S5，将包层套在主纤芯棒(1)外部，得到光纤预制棒。
6.如权利要求5所述的一种光纤预制棒的制备方法，其特征在于，步骤S3中，对副纤芯棒(2)进行扭转处理的方法为：
S31，在副纤芯棒(2)两端分别熔接一段石英棒(5)；
S32，对副纤芯棒(2)进行加热软化；
S33，驱动副纤芯棒(2)两端的石英棒(5)差速旋转，使副纤芯棒(2)呈均匀扭转状态。
7.如权利要求6所述的一种光纤预制棒的制备方法，其特征在于，在熔接石英棒(5)之前，对副纤芯棒(2)进行打磨处理，使副纤芯棒(2)的径向截面呈多边形或非对称形状。
8.如权利要求5所述的一种光纤预制棒的制备方法，其特征在于，步骤S3中，对副纤芯棒(2)进行变径处理的方法为：
S34，在副纤芯棒(2)两端分别熔接一段石英棒(5)；
S35，对副纤芯棒(2)的变径区进行加热软化，控制两端的石英棒(5)匀速反向移动预设距离，使得变径区的直径沿纵向呈指数型变化；
S36，对副纤芯棒(2)上等间隔设置的多个变径区依次执行步骤S35的操作，使得副纤芯棒(2)的直径沿轴向周期性变化。
9.一种模式扰动光纤，其特征在于，对权利要求1至4任一项所述的光纤预制棒进行拉丝后得到。
10.一种模式扰动光纤的制备方法，其特征在于，将权利要求1至4任一项所述的光纤预制棒通过拉丝工艺拉制成模式扰动光纤。
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