CN218240460U - 一种复合包层柱状光波导结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合包层柱状光波导结构，包括芯层、以及与芯层邻接的第1至第n子包层，n≥2；所述第1至第n子包层存在具有不同的折射率的子包层或所述第1至第n子包层存在至少一个子包层在与芯层的邻接面上具有折射率分布；所述第1至第n子包层组成具有开口的两端和封闭侧面长柱状复合包层，复合包层形成连通的内部区域，外覆于芯层；所述芯层其折射率高于第i子包层的折射率，i为1,…,n中的任一。本实用新型提供的复合包层柱状光波导，通过改变外侧包层的折射率，来改变光束在光波导结构输出端的强度分布，避免了由于需要对内层的传输介质进行几何不对称加工，导致的加工困难、精度要求高、成本高的问题。

Description

一种复合包层柱状光波导结构

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，更具体地，涉及一种复合包层柱状光波导结构。

背景技术

柱状光波导结构，典型如光纤，由于具有较长的光传输距离，出光端结构简单，整体设计灵活，在各种行业中有着广泛的应用，尤其是作为激光的输出介质，比如医疗中的光子嫩肤、显影、传像；比如工业激光加工对不同材料的激光切削、焊接和加工；比如封闭空间中的人工光源照明等。

在柱状光波导作为激光传输介质的众多应用中，其对于激光能量分布的调节能力是至关重要的，例如很多时候需要光束在光波导结构输出端具有尽可能均匀的强度分布。而典型的内外嵌套式全反射原理的柱状介质光波导常见的是高斯分布，即输出光束最大强度仅在中心处，而光斑离开中心处强度急剧下降。

目前，分散柱状光波导光斑能量，获得类似“平顶”光斑的方式，主要是破坏光波导芯层的圆对称性，例如采用对称性不完美的异形导光介质比如正方形/八边形、在导光介质中增加不均匀的“偏芯”、用两段具有相异结构的光波导对接等等。

然而破坏柱状光波导内层的导光介质的对称性，存在着加工困难、精度要求高、成本高的问题、批次一致性差的问题。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种复合包层柱状光波导结构，其目的在于通过在包层设置子包层，从而使包层与芯层之间的具有变化的相对数值孔径，使耦合到光波导中的光在沿光波导传输过程中不再由于光波导的几何对称性而呈现高斯光斑，从而分散柱状光波导光斑能量，获得类似“平顶”光斑，由此解决现有的获得平顶光的方式需要破坏内层导光介质的几何对称性，导致加工困难的技术问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种复合包层柱状光波导结构，其包括芯层、以及与芯层邻接的第1至第n子包层，n≥2；

所述第1至第n子包层存在具有不同的折射率的子包层或所述第1至第n子包层存在至少一个子包层在与芯层的邻接面上具有折射率分布；

所述第1至第n子包层组成具有开口的两端和封闭侧面长柱状复合包层，复合包层形成连通的内部区域，外覆于芯层；

所述芯层其折射率高于第i子包层的折射率，i为1,…,n中的任一。

优选地，所述复合包层柱状光波导结构，其所述复合包层的厚度与芯层直径的比例是0.5％～50％。

优选地，所述复合包层柱状光波导结构，其所述复合包层的厚度与芯层直径的比例是5％～10％。

优选地，所述复合包层柱状光波导结构，其所述复合包层横截面的外侧轮廓和/或所述芯层的横截面具有几何中心。

优选地，所述复合包层柱状光波导结构，其同一横截面上所述复合包层与所述芯层具有重合的几何中心。

优选地，所述复合包层柱状光波导结构，其所述芯层的横截面和/或所述复合包层横截面的外侧轮廓为正多边形、长方形、菱形、椭圆形或圆形。

优选地，所述复合包层柱状光波导结构，其所述复合包层与芯层的邻接面上，芯层与复合包层中第i子包层的折射率的差值范围为0.0012～0.0034、0.0034～0.0067、0.0067～0.0167、0.0167～0.0199、0.0199～0.0477、0.0477～0.0531、0.0531～0.0884、或0.0884～0.1480。

优选地，所述复合包层柱状光波导结构，其所述子包层为匀质结构；所述复合包层折射率沿周向阶跃变化；所述子包层相对折射率满足：

第i子包层与其邻接的第j子包层的折射率的差值大于等于0.001，第i子包层与其邻接的第j子包层的折射率的差值小于等于0.4，i,j为1,…,n中的任一，且i≠j。

优选地，所述复合包层柱状光波导结构，其第i子包层与其邻接的第j子包层的折射率的差值小于等于0.15。

优选地，所述复合包层柱状光波导结构，其所述第1至第n子包层沿轴向延伸且呈周向分布。

优选地，所述复合包层柱状光波导结构，其所述第1至第n子包层呈螺旋型或直线型。

优选地，所述复合包层柱状光波导结构，其所述芯层为匀质结构。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本实用新型提供的复合包层柱状光波导，通过改变外侧包层的折射率，来改变光束在光波导结构输出端的强度分布，避免了由于需要对内层的传输介质进行几何不对称加工，导致的加工困难、精度要求高、成本高的问题。尤其是本实用新型提供的复合包层柱状光波导可以内外层都具有对称性的方案，采用圆形的包层横截面轮廓和圆形的芯层横截面，亦能取得匀化效果。而很多柱状光波导的制作，例如光纤制作，圆形设计能极大的提高产品批次一致性，成品率高。

附图说明

图1是本实用新型实施例1提供的复合包层柱状光波导横截面结构示意图；

图2是本实用新型实施例1提供的复合包层柱状光波导侧视图；

图3是本实用新型实施例2提供的复合包层柱状光波导横截面结构示意图；

图4是本实用新型实施例3提供的复合包层柱状光波导横截面结构示意图；

图5是本实用新型实施例4提供的复合包层柱状光波导横截面结构示意图；

图6是本实用新型实施例5提供的复合包层柱状光波导横截面结构示意图；

图7是本实用新型实施例5提供的复合包层柱状光波导侧视图；

图8是本实用新型实施例6提供的复合包层柱状光波导横截面结构示意图；

图9是本实用新型实施例7提供的复合包层柱状光波导横截面结构示意图；

图10本实用新型实施例8提供的复合包层柱状光波导横截面结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为芯层，2为复合包层，3为掺氟石英玻璃，4为含空气孔微结构的石英玻璃层，5为外包层。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如无特殊说明，本实用新型所涉及折射率皆指绝对折射率，在589nm波长下测试所得，例如真空的折射率为1，水的折射率为1.333，常用的掺杂有氯氟锗铝铋等元素的石英玻璃的折射率为1.40至1.46之间。

如无特殊说明，本实用新型以柱状光波导延伸方向为轴向建立柱坐标系描述柱状光波导结构。

本实用新型提供的复合包层柱状光波导结构，包括芯层、以及与芯层邻接的第1至第n子包层，n≥2；

所述第1至第n子包层中存在具有不同的折射率的子包层或所述第1至第n子包层存在至少一个子包层在与芯层的邻接面上具有折射率分布。对于两个子包层，其皆为匀质结构且具有不同的折射率，则称其具有不同的折射率；当子包层与芯层的邻接面上的相对数值孔径存在变化，即并非处处相同，则称子包层在与芯层的邻接面上具有折射率分布，例如具有折射率变化的子包层与匀质芯层邻接的情况，又如匀质子包层与具有折射率变化的芯层邻接的情况。

所述第1至第n子包层组成具有开口的两端和封闭侧面长柱状复合包层，复合包层形成连通的内部区域，外覆于芯层；所述复合包层与芯层的邻接面上，芯层与复合包层中第i子包层的折射率的差值范围为0.0012～0.0034、0.0034～0.0067、0.0067～0.0167、0.0167～0.0199、0.0199～0.0477、0.0477～0.0531、0.0531～0.0884、或0.0884～0.1480。相应地，芯层与复合包层一侧第i包层折射率差导致芯层与第i包层之间的相对数值孔径在0.06至0.64之间。典型如：塑料光波导，相对数值孔径典型值为0.5；多组分玻璃光波导，相对数值孔径在0.54到0.64之间；石英玻璃光波导，相对数值孔径在0.06到0.37之间，典型值为0.06、0.14、0.22、0.24、0.37。

第i子包层的折射率分布，指第i子包层内部各点的折射率分布，不同的子包层的折射率分布由材料、制造方法所决定。当各子包层为匀质结构时，相邻两个子包层折射率不同。当各子包层中存在非匀质结构时，不同的子包层中可能存在折射率相同的区域。

当第1至第n子包层皆为匀质时，其具有不同的折射率，组成的复合包层即可改变芯层传输的光束强度分布，破坏芯包界面处发生的全反射的对称性，削弱芯层几何中心的强度，实现光斑匀化。当第1至第n子包层不全为匀质包层时，只要存在至少一个子包层在与芯层的邻接面上具有折射率分布，亦能在一定程度上破坏芯包界面处发生的全反射的对称性，从而起到匀化光功率的效果。具有折射率分布即指折射率并非处处相同。

相对而言，匀质子包层较为容易制作。匀质子包层组成的复合包层可形成沿柱状光波导者周向的折射率分布。具体而言：

所述复合包层折射率沿芯包界面的周向阶跃变化，优选方案为使光束能量强度分布在光波导结构的截面上更均匀，第i子包层与其邻接的第j子包层的折射率的差值大于等于0.001，第i子包层与其邻接的第j子包层的折射率极值的差值小于等于0.4，优选小于等于0.3，再优选小于等于0.2，更优选小于等于0.15，i,j为1,…,n中的任一，且i≠j；

所述芯层其折射率n₀高于第i子包层的折射率n_i，i为1,…,n中的任一；从而使得匀化的光功率分布约束在光波导结构的芯层而不至于外溢，匀质的芯层更加容易制作，同时亦可采用套管法、堆积法、连熔法、挤出法形成轴向或横截面内非匀质的芯层，有利于形成较为均匀的能量分布。所述芯层为匀质结构，即芯层各个区域的折射率相同。

所述复合包层横截面的外侧轮廓和/或所述芯层的横截面具有几何中心，优选地，同一横截面上所述复合包层的几何中心与所述芯层具有重合的几何中心。所述芯层的横截面和/或所述复合包层横截面的外侧轮廓为正多边形、长方形、菱形、椭圆形或圆形。

芯层的横截面和/或所述复合包层横截面的外侧轮廓具有几何中心，使其具有一定的对称性，柱状光波导结构更加容易制造；芯层和复合包层的横截面都具有几何中心时，更容易制作出高精度的光波导结构。而当同一横截面上所述复合包层的几何中心与所述芯层具有重合的几何中心，应用于形成匀化光斑时，可通过确定复合包层外侧面轮廓的几何中心，来确定芯层的几何中心或是定位光斑的中心，从而更加方便使用。尤其是芯层的横截面为圆形且复合包层的横截面的外轮廓为同心的圆形时，结构具有良好的几何对称性，能高精度的制作出大长径比柱状光波导，如光纤。

优选方案，所述第1至第n子包层沿轴向延伸且呈周向分布，所述第1至第n子包层呈螺旋型或直线型。沿轴向延伸且呈周向分布的子包层结构，在柱状光波导拉伸时能保持良好的匀化性能。其中螺旋型，包括单向螺旋、SZ螺旋，节距固定的螺旋、以及节距变化的螺旋。

以下为实施例：

实施例1二相复合包层塑料光波导

本实施例提供的复合包层柱状光波导结构，直径在200μm到3000μm，其横截面如图1所示，包括：

芯层1，横截面为圆形，由光学级聚甲基丙烯酸脂(PMMA)材料制成，材料折射率为1.49；

复合包层2，横截面外轮廓为圆形，为挤塑成型制成的高透明氟树脂，具体可为聚四氟乙烯、聚四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯-丙烯共聚物中的至少一种；包括：

邻接的第1子包层和第2子包层，皆为匀质结构，其中：

第1子包层横截面为3/4周扇环，材料的折射率为1.41；

第2子包层横截面为1/4周扇环，材料的折射率为1.38；

复合包层厚度与芯层直径的比值范围是0.3％～50％，复合包层和芯层同心嵌套。

所述第1与第2子包层沿轴向延伸且呈周向分布，呈直线型，如图2所示。

实施例2二相复合包层塑料光波导

本实施例提供的复合包层柱状光波导结构，直径在200μm到3000μm，其横截面如图2所示，其结构与实施例1类似，不同之处在于：

第2子包层，在与芯层的邻接面上具有折射率分布，而非匀质结构；折射率由1.38渐变到1.41，控制第2子包层的成分和温度分布沿周向渐变从而获得具有连续变化的折射率的包层2；

实施例3四相复合包层塑料光波导

本实施例提供的复合包层柱状光波导结构，直径在200μm到3000μm，其横截面如图4所示，包括：

芯层1，横截面为圆形，由光学级聚甲基丙烯酸脂(PMMA)材料制成，材料折射率为1.48；

复合包层2，横截面外轮廓为圆形，为挤塑成型制成的高透明氟树脂，具体可为聚四氟乙烯、聚四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯-丙烯共聚物中的至少一种；包括：

邻接的第1至第4子包层，皆为匀质结构，其中：

第1子包层材料的折射率为1.35；

第2子包层材料的折射率为1.41；

第3子包层材料的折射率为1.37；

第4子包层材料的折射率为1.42；

复合包层厚度与芯层直径的比值范围是0.3％～50％，复合包层和芯层同心嵌套。在实际的在能量传输为主要目的光波导应用中，会优先选用芯层在光波导截面所在比例更高的设计，即在满足基本传输损耗和附加弯曲损耗可接受的范围内，希望芯层尽可能“大”。常用的复合包层厚度与芯层直径的比值范围是3％～20％，甚至是5％～10％。

芯层通过芯料挤出机挤出成型，第1至第4子包层分别通过各自的挤出机分别经同心环形的共挤模具的各自的各层出口同步挤出，经共挤模具机头后，并经牵引机拉伸得到同心圆柱体结构的四相包层阶跃型塑料光波导。

而且调整各个包层材料的供料速率比例，可以调控各个包层材料在芯包界面周长上的长度占比。本实施例中，第1至第4子包层在芯包界面周长上的长度占比为50％、30％、15％、5％。

实施例4

本实施例提供的复合包层柱状光波导结构，直径在200μm到3000μm，其横截面如图5所示，包括：

芯层1，横截面为圆形，由光学级聚甲基丙烯酸脂(PMMA)材料制成，材料折射率为1.48；

复合包层2，横截面外轮廓为圆形，为挤塑成型制成的高透明氟树脂，具体可为聚四氟乙烯、聚四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯-丙烯共聚物中的至少一种；包括：

邻接的第1至第4子包层，在与芯层的邻接面上具有折射率分布，其中：

第1至第4子包层横截面为1/4周扇环，材料的折射率由1.44逐渐减小至1.39，子包层在圆周上折射率变化方向一致，将4片截面为周扇环的沿着圆周方向具有渐变折射率分布的氟聚合物塑料组装成套管与PMMA芯棒组合成塑料光纤预制棒，熔融拉丝形成如图所示塑料光纤；

复合包层厚度与芯层直径的比值范围是0.3％～50％，复合包层和芯层同心嵌套。

实施例5二相复合多组分玻璃光波导

本实施例提供的复合包层柱状光波导结构，直径在125-3000μm，其横截面如图6所示，包括：

芯层1，横截面为圆形，直径在50-2000μm，由碲酸盐玻璃材料制成，材料折射率为1.49；

复合包层2，横截面外轮廓为圆形，包括邻接的第1子包层和第2子包层，皆为匀质结构，其中：

第1子包层横截面为1/2周扇环，材质为含氟树脂，折射率为1.41；

第2子包层横截面为1/2周扇环，材料为含氟树脂，折射率为1.38；

复合包层厚度与芯层直径的比值范围是0.3％～50％，复合包层和芯层同心嵌套。

本实施例的光波导结构制作方法包括：将丝状芯穿过含有1/2周扇环的挤塑模具，使得两款含氟树脂包围覆盖芯层，并将树脂进行在线光固化，形成预设规格的复合包层柱状光波导结构。

所述第1与第2子包层沿轴向延伸且呈周向分布，呈螺旋型，如图7所示。

实施例6

本实施例提供的复合包层柱状光波导结构，采用石英玻璃材质，直径在125-3000μm，其横截面如图8所示，芯层折射率为1.458；

第1子包层折射率为1.441，

第2子包层，非匀质结构；折射率沿周向从1.441渐变至1.436。

实施例7三相复合包层石英玻璃光波导

本实施例提供的复合包层柱状光波导结构，具体为光纤结构，直径范围是100～1100μm，其横截面如图9所示，包括：

芯层1，横截面为圆形由石英玻璃材料制成，材料折射率为1.458；

复合包层2，横截面外轮廓为圆形；其包括三个子包层，第2子包层和第3子包层分别被芯层1和第1子包层所包围，其中：

第1子包层为匀质结构，形状为近似圆环形，材质为掺氟和/或氯石英玻璃，材料折射率为1.438；

第2子包层和第3子包层为掺氟石英玻璃，材料折射率为1.440；

复合包层厚度与芯层直径的比值范围是0.3％～50％，复合包层和芯层同心嵌套。

本实施例通过VAD轴向气相沉积法制成，在制备各个子包层时，通过调整原料气体配比和烧结气氛、时间来获得预设折射率的包层。

实施例8六相复合包层石英玻璃光波导

本实施例提供的复合包层柱状光波导结构，具体为光纤结构，直径范围是100～880μm，其横截面如图10所示，包括：

芯层1，横截面为圆形由石英玻璃材料制成，材料折射率为1.458；

复合包层，为六相复合包层横截面外轮廓为圆环形，由第1至第7子包层组成，第1至第3子包层为掺氟石英玻璃3，第4至第6子包层为含空气孔微结构的石英玻璃层4，掺氟石英玻璃3和含空气孔微结构的石英玻璃层4依次间隔邻接组成复合包层，每个掺氟石英玻璃子区域3都与另两个含空气孔微结构的石英玻璃层4相邻接，每个含空气孔微结构的石英玻璃层4也都与另两个掺氟石英玻璃子区域3相邻接，共同组成内包层结构；

掺氟石英玻璃子区域3的折射率为1.438；含空气孔微结构的石英玻璃层4的折射率为1.432，此处折射率指的是空气孔微结构的等效折射率，也可以解释为含有空气孔的石英玻璃的总和折射率，其值与石英玻璃中空气孔的体积比、分布状态相关。

在六相复合包层之外，还有外包层5，为掺氟和/或氯石英玻璃层，作用是为六相包层在制造过程中提供支撑和保护；当外包层5为掺氟玻璃时，还可以为光波导提供外层光包层，作用是将光功率更好地约束在芯层和内包层中，并且外包层5还为高功率光纤提供了更好的机械性能。

复合包层厚度与芯层直径的比值范围是0.3％～50％，复合包层和芯层同心嵌套。

此实施例的制造方法包括，(1)将芯层玻璃件清洗干燥备用，(2)制备管状玻璃层并沿着长度方向切割成长条状，(3)将玻璃毛细管用堆积法组成的预制件，(4)将以上三类部件组装并套入石英玻璃管组合成光波导预制件，再用拉丝工艺制成光波导。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种复合包层柱状光波导结构，其特征在于，包括芯层、以及与芯层邻接的第1至第n子包层，n≥2；

所述第1至第n子包层存在具有不同的折射率的子包层或所述第1至第n子包层存在至少一个子包层在与芯层的邻接面上具有折射率分布；

所述第1至第n子包层组成具有开口的两端和封闭侧面长柱状复合包层，复合包层形成连通的内部区域，外覆于芯层；

所述芯层其折射率高于第i子包层的折射率，i为1,…,n中的任一。

2.如权利要求1所述的复合包层柱状光波导结构，其特征在于，所述复合包层的厚度与芯层直径的比例是0.5％～50％。

3.如权利要求2所述的复合包层柱状光波导结构，其特征在于，所述复合包层的厚度与芯层直径的比例是5％～10％。

4.如权利要求1所述的复合包层柱状光波导结构，其特征在于，所述复合包层横截面的外侧轮廓和/或所述芯层的横截面具有几何中心。

5.如权利要求4所述的复合包层柱状光波导结构，其特征在于，同一横截面上所述复合包层与所述芯层具有重合的几何中心。

6.如权利要求1至5任意一项所述的复合包层柱状光波导结构，其特征在于，所述芯层的横截面和/或所述复合包层横截面的外侧轮廓为正多边形、长方形、菱形、椭圆形或圆形。

7.如权利要求1所述的复合包层柱状光波导结构，其特征在于，所述复合包层与芯层的邻接面上，芯层与复合包层中第i子包层的折射率的差值范围为0.0012～0.0034、0.0034～0.0067、0.0067～0.0167、0.0167～0.0199、0.0199～0.0477、0.0477～0.0531、0.0531～0.0884、或0.0884～0.1480。

8.如权利要求1所述的复合包层柱状光波导结构，其特征在于，所述子包层为匀质结构；所述复合包层折射率沿周向阶跃变化；所述子包层相对折射率满足：

第i子包层与其邻接的第j子包层的折射率的差值大于等于0.001，第i子包层与其邻接的第j子包层的折射率的差值小于等于0.4，i,j为1,…,n中的任一，且i≠j。

9.如权利要求8所述的复合包层柱状光波导结构，其特征在于，第i子包层与其邻接的第j子包层的折射率的差值小于等于0.15。

10.如权利要求1所述的复合包层柱状光波导结构，其特征在于，所述第1至第n子包层沿轴向延伸且呈周向分布。

11.如权利要求10所述的复合包层柱状光波导结构，其特征在于，所述第1至第n子包层呈螺旋型或直线型。

12.如权利要求1所述的复合包层柱状光波导结构，其特征在于，所述芯层为匀质结构。

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