CN110954988A - 一种激光传输光纤及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光传输光纤及其制作方法，由内向外依次为纤芯、内包层、外包层、涂覆层，其特征在于：所述纤芯的折射率高于所述内包层形成光波导，所述纤芯的形状为正多边形，所述内包层形状为圆形，所述外包层的折射率低于所述内包层且抑制所述内包层光泄露至所述涂覆层中。本发明提供的激光传输光纤采用正多边形芯子、特殊折射率分布和圆形包层光纤，减小光纤芯子的数值孔径，减少光纤中的传输模式，使得纤芯中的激光能量分布平坦化，同时具有较高的光束传输质量，在应用中能实现光束能量在纤芯中均化，低熔接损耗的效果。
Description
技术领域
本发明属于电线电缆技术领域，具体涉及一种主要用于光纤激光器的光束整形激光传输光纤。
背景技术
在使用光纤激光器用于激光加工时，需要使用一段传输光纤将激光传输到加工的位置，该光纤的性能会影响传输功率及光束质量。现有技术的光纤中，通常激光在光纤中传输时呈高斯分布模式，中心能量高，边缘能量低。这种模式容易造成纤芯局部损伤而降低了传输功率。同时在激光激光加工时，为了提高加工质量需要能量均匀分布的光斑。
为了实现这种激光能量分布，专利CN200410024873.2提出了一种光束整形光纤，该专利中光纤采用了多边形的芯子来实现光束整形从而达到平顶的模式分布，光纤的结构为双芯子结构，且内纤芯的折射率低于外纤芯。该专利提出的光纤的包层为多边形，但问题在于其需要和常规的圆形光纤熔接，而低损耗熔接则非常困难，因此导致输出激光的光束质量较差。
此外，专利CN201710776168.5提出了一种实现高斯光束整形为一维平顶光束的光纤。光纤的结构及整形后的光斑如图1所示。图中1是光纤纤芯，2是光纤包层，3是光纤涂覆层。该发明中光纤纤芯形状为矩形、正方形、六角形、八角形，以使高斯光束充分激发产生高阶模，各高阶模叠加后形成平顶光，达到光束匀化整形目的。专利中多边形的对角线为20μm-800μm，包层直径为100μm-1700μm，纤芯折射率高于包层的折射率，折射率差位于0.02-0.10之间，光纤涂覆层直径为200μm-1700μm，光纤数值孔径为0.12或0.22或0.28。该专利的问题在于，按照归一化频率计算出，光纤结构为多模，能量密度低，激光加工速度低，输出激光的光束质量较差，能量密度低，降低激光加工性能。
发明内容
本发明目的在于克服上述背景技术中存在的现有技术光纤使用需要熔接，输出激光的光束质量较差，影响加工性能等问题，提供一种有较高的光束传输质量并能实现低熔接损耗的激光传输光纤。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是这样实现的：
一种激光传输光纤，所述激光传输光纤由内向外依次为纤芯201、内包层202、外包层203、涂覆层204，其特征在于：所述纤芯201的折射率高于所述内包层202形成光波导，所述纤芯201的形状为正多边形，所述内包层202形状为圆形，所述外包层203的折射率低于所述内包层202且抑制所述内包层202光泄露至所述涂覆层204中。
进一步的，所述纤芯201的形状为正方形。
进一步的，所述纤芯201分为内芯子303和外芯子301结构，所述内芯子303折射率为n11，所述外芯子301折射率为n12，所述内包层202折射率为n2，所述外包层203折射率为n3，所述涂覆层204折射率为n4，且n4＞n12＞n11＞n2＞n3，0.0003≤n12-n11≤0.0015，0.0002≤n11-n2≤0.002，0.005≤n2-n3≤0.082。
进一步的，所述纤芯201的外芯子内切圆302的直径为10μm～60μm，所述内芯子303的壁厚为1μm～5μm；所述内包层202直径为60μm～1000μm；所述外包层203壁厚为5μm～100μm；所述涂覆层204外径为120μm～1400μm。
一种激光传输光纤的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1为制备光纤预制棒，具体包括以下步骤：
步骤101，用石英管作为预制棒的沉积管经过氢氟酸清洗；
步骤102，对所述沉积管通过火焰喷灯进行加热抛光；
步骤103，再以氧气为载体将SiCl4通入抛光后的所述沉积管进行沉积包层；
步骤104，在沉积包层上通过含有氧气的SiCl4和GeCl4及氦气，加热沉积形成掺锗石英玻璃纤芯的外芯子301部分；
步骤105，在外芯子301上通过含有氧气的SiCl4和GeCl4及氦气，加热沉积形成掺锗石英玻璃纤芯的内芯子303部分；
步骤106，再将沉积所述包层和外芯子301的石英管熔缩并烧结，最后通过磨削和抛光制作成正多面体的预制棒；
步骤2为光纤拉丝，具体包括以下步骤：
步骤201，将步骤106中所得的预制棒接把手棒并进行火焰抛光；
步骤202，将完成步骤201所得的预制棒加热熔融拉丝成纤，在拉丝过程涂覆折射率为1.41-1.31的树脂形成外包层，涂覆紫外固化的丙烯酸树脂形成涂覆层。
进一步的，在所述步骤1制备光纤预制棒中的步骤101中，采用1.5mm～3mm壁厚的石英管作为预制棒的沉积管经过氢氟酸清洗；在步骤102中，在MCVD车床上对所述沉积管通过火焰喷灯进行加热抛光，抛光气体为SF6，抛光温度1700℃～2100℃，抛光次数1次；在步骤103中，利用纯度大于99.99％的氧气为载气将SiCl4通入步骤102中所得的抛光后的所述衬管沉积包层，SiCl4流量为1000ml/min～1800ml/min，沉积温度1500℃～2000℃，氦气流量为500ml/min～1500ml/min，沉积层数1～5层。
进一步的，在所述步骤1制备光纤预制棒中的步骤104中，沉积过程中通入纯度大于99.99％的氦气，沉积温度1600℃～2050℃，SiCl4流量为350ml/min～450ml/min，GeCl4流量为130ml/min～450ml/min，沉积层数1～3层；
在步骤105中，沉积过程中通入纯度大于99.99％的氦气，沉积温度1600℃～2050℃，四氯化硅流量为350ml/min～450ml/min，GeCl4流量为70ml/min～90ml/min，沉积层数3～7层。
进一步的，在所述步骤2光纤拉丝的步骤201中，火焰抛光的抛光温度为2000℃～2200℃；在步骤202中，熔融拉丝成纤的拉丝温度为2050℃～2150℃，拉丝速度5m/min～30m/min，丝径控制在60μm～1000μm，涂覆层外径为120μm～1400μm，所述涂覆树脂折射率为1.375。
本发明可带来以下有益效果：
本发明提供的激光传输光纤采用正多边形芯子、特殊折射率分布和圆形包层光纤，减小光纤芯子的数值孔径，减少光纤中的传输模式，使得纤芯中的激光能量分布平坦化，同时具有较高的光束传输质量，本发明光纤在应用中能实现光束能量在纤芯中均化，低熔接损耗的效果。
本发明提供的激光传输光纤的制作方法，采用了冷加工和热成形的方法，即将制作完成的预制棒采用机械冷加工方法制作成多边形，光纤的芯子为圆形，在拉丝过程时，多边形预制棒熔融，在表面张力的作用下变成圆形，而圆形的芯子则变成多边形。光纤的外芯子厚度薄，在拉丝过程中容易发生扩散，而采用本发明方法的步骤则可以有效的制作出上述激光传输光纤。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1现有技术的激光传输光纤
图2本发明一种激光传输光纤结构图
图3本发明一种激光传输光纤结构及折射率对照图
图4本发明光纤芯子放大图
图5本发明激光传输光纤制作方法流程图
其中：
1方形纤芯 2包层 3涂覆层
201纤芯 202内包层 203外包层 204涂覆层
301外芯子 302外芯子内切圆 303内芯子
具体实施方式
为进一步阐述本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的一种激光传输光纤及其制作方法具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
一种激光传输光纤，激光传输光纤由内向外依次为纤芯201、内包层202、外包层203、涂覆层204，纤芯201的折射率高于内包层202形成光波导，纤芯201的形状为正方形，内包层202形状为圆形，外包层203的折射率低于内包层202且抑制内包层202光泄露至涂覆层204中。纤芯201分为内芯子303和外芯子301结构，内芯子303折射率为1.4572，外芯子301折射率为1.4575，内包层202折射率为1.4570，外包层203折射率为1.452，涂覆层204折射率为1.510，且n4＞n12＞n11＞n2＞n3，0.0003≤n12-n11≤0.0015，0.0002≤n11-n2≤0.002，0.005≤n2-n3≤0.082。
进一步的，纤芯201的外芯子内切圆302的直径为10μm，内芯子303的壁厚为1μm；内包层202直径为60μm；外包层203壁厚为5μm；涂覆层204外径为120μm。
(1)预制棒制作
预制棒采用MCVD工艺制作。
步骤1：采用薄壁石英管作为预制棒的沉积管，壁厚为1.5mm，经过氢氟酸清洗；
步骤2：在MCVD车床上对所述衬管通过火焰喷灯进行高温抛光，抛光气体优选六氟化硫(SF6)，抛光温度1700℃，抛光次数1次；
步骤3：利用高纯氧气为载气将四氯化硅通入步骤2抛光后的所述衬管沉积外包层，SiCl4流量为1000ml/min，沉积温度1500℃，氦气流量为500ml/min，沉积层数1层；
步骤4：通过含有氧气的SiCl4和GeCl4，在高温下沉积形成折射率为1.3533的掺锗石英玻璃纤芯的外芯子301部分，沉积过程中通入高纯(纯度大于99.99％)氦气，沉积温度1600℃，四氯化硅流量为350ml/min，四氯化锗流量为(130±5)ml/min，沉积层数1层；
步骤5：在纤芯的外芯子301的基础上，通过含有氧气的SiCl4和GeCl4，在高温下沉积形成折射率为n11的掺锗石英玻璃纤芯的内芯子303部分，沉积过程中通入高纯氦气，沉积温度1600℃，四氯化硅流量为350ml/min，四氯化锗流量为70ml/min，沉积层数3层；
步骤6：将沉积了所述包层和芯层的石英管熔缩并烧结成光纤预制棒；
(2)预制棒冷加工
步骤7：采用机械磨削工艺将预制棒加工成四面体的预制棒。
(3)光纤拉丝
步骤8：将上述步骤7的制作的光纤预制棒接把手棒，并在2000℃进行火焰抛光；
步骤9，将完成步骤8的预制棒在高温下熔融拉丝成纤，拉丝温度2050℃，拉丝速度5m/min，由于外形为多边形，在拉丝过程中外部成为圆形，原来的纤芯由圆形边形为多边形，形成纤芯为多边形，内包层为圆形的结构，丝径控制在60μm。在拉丝过程中涂覆低折射率树脂形成外包层，涂覆紫外固化的丙烯酸树脂形成涂覆层，涂覆层外径为120μm。
制作的光纤经测试，纤芯端面形状为正方形，数值孔径为0.04，纤芯边长30.1μm，内包层直径为125.3μm。该光纤熔接20/400光纤输出的1080nm激光，光纤芯子中的能量分布呈现平顶分布，测试光纤的M2为1.4。
实施例2
在实施例1的基础上，将纤芯201的截面形状由正方形替换为正六边形，。纤芯201分为内芯子303和外芯子301结构，内芯子303折射率为1.4590，外芯子301折射率为1.4605，内包层202折射率为1.4570，外包层203折射率为1.3750，涂覆层204折射率为1.510，该折射率数值符合n4＞n12＞n11＞n2＞n3，0.0003≤n12-n11≤0.0015，0.0002≤n11-n2≤0.002，0.005≤n2-n3≤0.082。纤芯201的外芯子内切圆302的直径为60μm，内芯子303的壁厚为5μm；内包层202直径为1000μm；外包层203壁厚为100μm；涂覆层204外径为1400μm。
纤芯边长为30μm，光纤内包层直径标称为1000μm，纤芯的数值孔径为0.10。
本实施例光纤的制作方法是：
(1)预制棒制作
预制棒采用MCVD工艺制作。
步骤1：采用薄壁石英管作为预制棒的沉积管，壁厚为3mm，经过氢氟酸清洗；
步骤2：在MCVD车床上对所述衬管通过火焰喷灯进行高温抛光，抛光气体优选六氟化硫(SF6)，抛光温度2100℃，抛光次数1次；
步骤3：利用高纯氧气为载气将四氯化硅通入步骤2抛光后的所述衬管沉积外包层，SiCl4流量为1800ml/min，沉积温度2000℃，氦气流量为1500ml/min，沉积层数5层；
步骤4：通过含有氧气的SiCl4和GeCl4，在高温下沉积形成折射率为1.3750的掺锗石英玻璃纤芯的外芯子301部分，沉积过程中通入高纯氦气，沉积温度(1980±20)℃，四氯化硅流量为450ml/min，四氯化锗流量为(130±5)ml/min，沉积层数3层；
步骤5：在纤芯的外芯子301的基础上，通过含有氧气的SiCl4和GeCl4，在高温下沉积形成折射率为n11的掺锗石英玻璃纤芯的内芯子303部分，沉积过程中通入高纯(纯度大于99.99％)氦气，沉积温度2000℃，四氯化硅流量为450ml/min，四氯化锗流量为90ml/min，沉积层数7层；
步骤6：将沉积了所述包层和芯层的石英管熔缩并烧结成光纤预制棒；
(2)预制棒冷加工
步骤7：采用机械磨削工艺将预制棒加工成四面体的预制棒。
(3)光纤拉丝
步骤8：将上述步骤7的制作的光纤预制棒接把手棒，并在2200℃进行火焰抛光；
步骤9，将完成步骤8的预制棒在高温下熔融拉丝成纤，拉丝温度2150℃，拉丝速度30m/min，由于外形为多边形，在拉丝过程中外部成为圆形，原来的纤芯由圆形边形为多边形，形成纤芯为多边形，内包层为圆形的结构，丝径控制在1000μm。在拉丝过程中涂覆低折射率树脂形成外包层，涂覆紫外固化的丙烯酸树脂形成涂覆层，涂覆层外径为1400μm。
制作的光纤经测试，纤芯端面形状为正六边形，数值孔径为0.09，纤芯边长30.1μm，内包层直径为1000μm。该光纤熔接20/400光纤输出的1080nm激光，光纤芯子中的能量分布呈现平顶分布，测试光纤的M2为2.1。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种激光传输光纤，所述激光传输光纤由内向外依次为纤芯(201)、内包层(202)、外包层(203)、涂覆层(204)，其特征在于：所述纤芯(201)的折射率高于所述内包层(202)形成光波导，所述纤芯(201)的形状为正多边形，所述内包层(202)形状为圆形，所述外包层(203)的折射率低于所述内包层(202)且抑制所述内包层(202)光泄露至所述涂覆层(204)中。
2.如权利要求1所述的激光传输光纤，其特征在于：所述纤芯(201)的形状为正方形。
3.权利要求1或2所述的激光传输光纤，其特征在于：所述纤芯(201)分为内芯子(303)和外芯子(301)结构，所述内芯子(303)折射率为n11，所述外芯子(301)折射率为n12，所述内包层(202)折射率为n2，所述外包层(203)折射率为n3，所述涂覆层(204)折射率为n4，且n4＞n12＞n11＞n2＞n3，0.0003≤(n12-n11)≤0.0015，0.0002≤(n11-n2)≤0.002，0.005≤(n2-n3)≤0.082。
4.如权利要求3所述的激光传输光纤，其特征在于：所述纤芯(201)的外芯子(301)内切圆的直径为10μm～60μm，所述内芯子(303)的壁厚为1μm～5μm；所述内包层(202)直径为60μm～1000μm；所述外包层(203)壁厚为5μm～100μm；所述涂覆层(204)外径为120μm～1400μm。
5.一种激光传输光纤的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1为制备光纤预制棒，具体包括以下步骤：
步骤101，用石英管作为预制棒的沉积管经过氢氟酸清洗；
步骤102，对沉积管通过火焰喷灯进行加热抛光；
步骤103，再以氧气为载体将SiCl4通入抛光后的所述沉积管进行沉积包层；
步骤104，在沉积包层上通过含有氧气的SiCl4和GeCl4及氦气，加热沉积形成掺锗石英玻璃纤芯的外芯子(301)部分；
步骤105，在外芯子301上通过含有氧气的SiCl4和GeCl4及氦气，加热沉积形成掺锗石英玻璃纤芯的内芯子(303)部分；
步骤106，再将沉积所述包层和外芯子(301)的石英管熔缩并烧结，最后通过磨削和抛光制作成正多面体的预制棒；
步骤2为光纤拉丝，具体包括以下步骤：
步骤201，将所述步骤106中所得的预制棒接把手棒并进行火焰抛光；
步骤202，将完成所述步骤201所得的预制棒加热熔融拉丝成纤，在拉丝过程涂覆折射率为1.41-1.31的树脂形成外包层，涂覆紫外固化的丙烯酸树脂形成涂覆层。
6.一种如权利要求5所述的激光传输光纤的制作方法，其特征在于，在所述步骤1制备光纤预制棒中的所述步骤101中，采用1.5mm～3mm壁厚的石英管作为预制棒的沉积管经过氢氟酸清洗；在所述步骤102中，在MCVD车床上对所述沉积管通过火焰喷灯进行加热抛光，抛光气体为SF6，抛光温度1700℃～2100℃，抛光次数1次；在所述步骤103中，利用纯度大于99.99％的氧气为载气将SiCl4通入所述步骤102中所得的抛光后的所述衬管沉积包层，SiCl4流量为1000ml/min～1800ml/min，沉积温度1500℃～2000℃，氦气流量为500ml/min～1500ml/min，沉积层数1～5层。
7.一种如权利要求6所述的激光传输光纤的制作方法，其特征在于，在所述步骤1制备光纤预制棒中的所述步骤104中，沉积过程中通入纯度大于99.99％的氦气，沉积温度1600℃～2050℃，SiCl4流量为350ml/min～450ml/min，GeCl4流量为130ml/min～450ml/min，沉积层数1～3层；
在所述步骤105中，沉积过程中通入纯度大于99.99％的氦气，沉积温度1600℃～2050℃，SiCl4流量为350ml/min～450ml/min，GeCl4流量为70ml/min～90ml/min，沉积层数3～7层。
8.一种如权利要求5或6或7所述的激光传输光纤的制作方法，其特征在于，在所述步骤2光纤拉丝的步骤201中，火焰抛光的抛光温度为2000℃～2200℃；在所述步骤202中，熔融拉丝成纤的拉丝温度为2050℃～2150℃，拉丝速度5m/min～30m/min，丝径控制在60μm～1000μm，涂覆层外径为120μm～1400μm，所述涂覆树脂折射率为1.375。
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