CN115714300A - 一种内嵌多边形内包层有源光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种内嵌多边形内包层有源光纤及其制备方法，所述有源光纤包括由内向外依次设置的有源芯层、内包层、缓冲层和涂层，内包层的外轮廓为多边形，缓冲层的外轮廓为圆形，所述内包层与所述有源芯层的直径比为CCDR2，所述缓冲层与所述有源芯层的直径比为CCDR1，其中，CCDR2在2～80之间，CCDR2为CCDR1的20～90％。制备方法包括将包含有源芯层、外轮廓为圆形的内包层和外轮廓为任意多边形的缓冲层的预制棒进行拉丝，调控拉丝温度和拉丝炉内保护气的流向，使得缓冲层外轮廓圆化，内包层外轮廓变成多边形。本发明所得有源光纤质量高，制备方法简便，合格率高。
Description
技术领域
本发明涉及光纤领域，尤其涉及一种内嵌多边形内包层有源光纤及其制备方法。
背景技术
有源光纤通过其纤芯中掺杂的稀土离子作为增益介质，将光纤中泵浦光转化为高光束质量的激光，使得激光器的输出功率得到提高。为了应对光纤激光器的日益增加的高功率需求，目前主要通过增加有源光纤的几何尺寸来提高光纤激光器输出功率。伴随光纤泵浦吸收效率的增加，对涂层材料的可靠性提出更高的要求，但低折射率丙烯酸树脂依然是最主流的材料，该体系涂层耐热性较差，使得涂层失效风险增加。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种内嵌多边形内包层有源光纤及其制备方法。
本发明提供一种内嵌多边形内包层有源光纤，包括由内向外依次设置的有源芯层、内包层、缓冲层和涂层，所述内包层的外轮廓为多边形，所述缓冲层的外轮廓为圆形，所述内包层与所述有源芯层的直径比为CCDR2，所述缓冲层与所述有源芯层的直径比为CCDR1，其中，CCDR2在2～80之间，CCDR2为CCDR1的20～90％。
根据本发明提供的内嵌多边形内包层有源光纤，所述内包层为纯二氧化硅玻璃，所述缓冲层为低折射率掺杂二氧化硅玻璃，优选地，掺杂元素为F和/或B。
根据本发明提供的内嵌多边形内包层有源光纤，所述缓冲层相对于二氧化硅玻璃的数值孔径在0-0.30之间。
根据本发明提供的内嵌多边形内包层有源光纤，所述涂层为一层或多层。
优选地，所述涂层为两层涂层，其中靠近所述缓冲层的一层涂层为低折射率涂层，相对于二氧化硅玻璃的数值孔径≥0.30，另一层为保护层。
本发明还提供上述内嵌多边形内包层有源光纤的制备方法，包括：
将包含有源芯层、外轮廓为圆形的内包层和外轮廓为任意多边形的缓冲层的预制棒进行拉丝，调控拉丝温度和拉丝炉内保护气的流向，使得缓冲层外轮廓圆化，内包层外轮廓变成多边形。
根据本发明提供的制备方法，所述拉丝温度较同等几何尺寸的外圆内方预制棒的拉丝温度增加50～300℃。
根据本发明提供的制备方法，调控拉丝炉内保护气的流向为圆心对称，且正对所述缓冲层多边形外轮廓的角。
根据本发明提供的制备方法，所述预制棒的制备包括：先制备得到包含有源芯层、外轮廓为圆形的内包层和外轮廓为圆形的缓冲层的第一预制棒，然后对所述第一预制棒的缓冲层进行打磨，得到所述预制棒。
根据本发明提供的制备方法，拉丝工序中，进行涂层的涂覆。
本发明提供的一种内嵌多边形内包层有源光纤及其制备方法，通过缓冲层的设计减少涂层失效的风险，提高光纤可靠性；通过调整缓冲层的面积，可灵活调整包层泵浦吸收系数；另外通过制备方法的改进，可以降低生产难度，提高生产效率和生产产品合格率、同心度等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的内嵌多边形内包层有源光纤的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的内嵌多边形内包层有源光纤的制备方法示意图；
图3是本发明实施例提供的内嵌多边形内包层有源光纤制备的具体流程示意图；
图4是对比例1中内嵌多边形内包层有源光纤制备的具体流程示意图；
图5是本发明制备过程中保护气流向示意图。
附图标记：
101：有源芯层；102：内包层；103：缓冲层；104：涂层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
如图1所示，本发明实施例提供一种内嵌多边形内包层有源光纤，包括由内向外依次设置的有源芯层101、内包层102、缓冲层103和涂层104，其中，内包层102的外轮廓为多边形，缓冲层103的外轮廓为圆形，内包层102与有源芯层101的直径比为CCDR2，缓冲层103与有源芯层101的直径比为CCDR1，其中，CCDR2在2～80之间，CCDR2为CCDR1的20～90％。
本发明的有源光纤设置缓冲层103可降低涂层104的传导光的需求，从而降低涂层104的失效风险，提高光纤可靠性。
此外，将有源芯层101、内包层102、缓冲层103的直径比控制在上述范围内，即调整CCDR1与CCDR2，可调整包层泵浦吸收系数在合理范围内。制备的过程中，可在原有双包层有源光纤制棒工艺条件下，仅调整缓冲层103的面积，即可使包层泵浦吸收系数灵活调整。具体原理如下：泵浦光在有源光纤的内包层中全反射传导，从而反复经过纤芯被纤芯吸收。包层泵浦吸收系数αClad满足：
其中，αCore为纤芯泵浦吸收系数，SCore为纤芯面积，SClad为光导包层面积。
本发明实施例中，假定内包层泵浦吸收系数为αClad2，则本发明中有源光纤的实际包层泵浦吸收系数αClad1：
由下述①、②、③公式推算得到
如公式所示，在原有双包层有源光纤制棒工艺不变情况下，通过调整缓冲层103的直径，即调整CCDR1与CCDR2的比值，就可调整包层泵浦吸收系数，从而应对不同的应用场景。
本发明的有源光纤缓冲层103外轮廓为圆形，与常规的圆形无源光纤的熔接匹配度高，可以提高与圆形无源光纤的熔接质量，从而降低光纤损耗，提高光束质量。
根据本发明的一些实施例，内包层102为纯二氧化硅玻璃，缓冲层103为低折射率掺杂二氧化硅玻璃，其中掺杂元素为F和/或B。氟元素具有较低的折射率，选用掺氟缓冲层，使得内包层102的折射率呈阶跃分布，从而使部分包层光避免在涂层界面发生反射，大幅降低了涂层的耐热需求，从而可以提高光纤的可靠性。
根据本发明的一些实施例，缓冲层103相对于二氧化硅玻璃的数值孔径在0-0.30之间。
根据本发明的一些实施例，涂层104为一层或多层。
优选地，涂层104为两层，其中靠近缓冲层103的一层为低折射率涂层，相对于二氧化硅玻璃的数值孔径≥0.30，另一层为保护层。
本发明实施例还提供上述内嵌多边形内包层有源光纤的制备方法，如图2所示，包括：将包含有源芯层101、外轮廓为圆形的内包层102和外轮廓为任意多边形的缓冲层103的预制棒进行拉丝，调控拉丝温度和拉丝炉内保护气的流向，使得缓冲层103外轮廓圆化，内包层102外轮廓变成多边形。进一步地，拉丝工序中进行涂层104的涂覆。
上述制备方法中，所述拉丝温度较同等几何尺寸的外圆内方预制棒的拉丝温度增加50～300℃。
需要说明的是，本发明所述外圆内方预制棒指包含有源芯层、外轮廓为多边形的内包层和外轮廓为圆形的缓冲层的预制棒，即如本发明对比例1中的预制棒46。
另外，具体增加的拉丝温度要根据缓冲层103的直径大小在50～300℃范围内调整。例如，对于500μm左右直径缓冲层103的内嵌多边形内包层有源光纤，拉丝温度增加80～180℃。
进一步地，调控拉丝炉内保护气的流向为圆心对称，且正对缓冲层103多边形外轮廓的角，如图5所示。其中，采用的保护气一般为氩气或氦气。为使保护气的流向能如图5所示，可以定制发热体，使其满足保护气流向要求。同时，可根据预制棒的尺寸调整保护气的流速。
在本发明的一些实施例中，预制棒的制备包括：先制备得到包含有源芯层101、外轮廓为圆形的内包层102和外轮廓为圆形的缓冲层103的第一预制棒，然后对第一预制棒的缓冲层103进行打磨，得到包含有源芯层101、外轮廓为圆形的内包层102和外轮廓为任意多边形的缓冲层103的预制棒。
其中，任意多边形优选为边数为8-20中任一数值的多边形。例如，八边形、十边形、十二边形、十六边形等。
在本发明一个具体实施例中，提供了一种内嵌多边形内包层有源光纤的制备具体流程，如图3所示，包括：
步骤1、采用MCVD法制备有源芯棒30，包括芯棒和部分内包层；将上述有源芯棒30嵌入纯二氧化硅石英套管31中，熔融得到基础预制棒32，包含芯棒和内包层；将上述基础预制棒32嵌入掺氟二氧化硅玻璃套管33中熔融得到第一预制棒34，包括芯棒、内包层、掺氟缓冲层及掺氟缓冲层外部二氧化硅玻璃层；
步骤2、将上述第一预制棒34的缓冲层打磨成任意多边形结构得到预制棒35；
步骤3、预制棒35经过如图2所示的拉丝工艺，将缓冲层圆化，使得内包层变成多边形结构，并依次涂敷低折射率内涂层、保护层得到一种内嵌多边形内包层有源光纤36。
采用上述方法制得的缓冲层直径为500μm左右的有源光纤的同心度在1-3μm之间。
对比例1
本对比例为基于现有制造工艺，具体如图4所示，包括：
步骤1、采用MCVD法制备有源芯棒40，包括芯棒和部分内包层；将上述有源芯棒40嵌入纯二氧化硅石英套管41中，熔融得到基础预制棒42，包含芯棒和内包层；
步骤2、将上述基础预制棒42打磨成任意多边形结构得到预制棒一43，包括芯棒和多边形内包层；
步骤3，将上述预制棒一43嵌入掺氟二氧化硅玻璃套管44中熔融得到预制棒二45，包括芯棒、多边形内包层、掺氟缓冲层及掺氟缓冲层外部二氧化硅玻璃层；
步骤4、将上述预制棒二45的掺氟缓冲层外部的二氧化硅玻璃层打磨掉得到预制棒三46；
步骤5、预制棒三46经过拉丝工艺，依次涂敷低折射率内涂层、保护层得到一种内嵌多边形有源光纤47。其中，拉丝工艺参数为本领域常规技术手段，一般控制拉丝温度在1900～2100℃，为上下气封，无气流对预制棒吹扫。
采用本对比例方法制得的缓冲层直径约为500μm的光纤，其同心度在5-10μm之间。
对比例1中，在制棒过程中，将八边形结构的内包层嵌入预制棒中，需对预制棒进行两次打磨，增加工艺时间和流程，无疑会降低产品质量，尤其是对光纤的同心度有巨大影响，而本发明只需打磨一次即可。具体地，对比例1中将多边形预制棒一43嵌入圆形掺氟二氧化硅玻璃套管44，由于八边形与圆形结构不匹配，导致二者熔融得到的预制棒二45存在同心度问题，且打磨的多边形预制棒一43表面存在毛刺、气孔等大量缺陷，此缺陷在熔融过程中很难弥补，导致多边形预制棒一43与掺氟二氧化硅玻璃套管44的熔融界面可能存在缺陷，进而导致拉丝光纤中存在亮点等缺陷，从而导致拉丝合格率降低。更为严重的，上述熔融界面的缺陷，目前手段无法检测出，从而无法提前对预制棒拉丝进行评估。此外，对比例1中将预制棒二45的掺氟缓冲层外部的二氧化硅玻璃层打磨掉，对打磨工艺具有较高的要求。若打磨不足，则有二氧化硅玻璃层残留，会导致拉丝过程中光纤偏椭，光纤不符合设计要求等而报废；若打磨过量，不仅会造成产出光纤不符合光纤几何尺寸设计要求，且造成掺氟层的浪费，增加生产成本。
相较于对比例1，本发明的制备方法不仅减少工艺步骤，降低工艺难度，且提高了产品质量，包括光纤同心度、合格率等，例如其中将圆形的第一预制棒34打磨成任意多边形，尤其是八边形结构，工艺成熟，且表面毛刺、气孔等缺陷在拉丝过程中可以弥补，合格率高，减少了原料的浪费，更加适用于批量生产。
最后应说明的是：以上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精神和范围。
Claims (10)
1.一种内嵌多边形内包层有源光纤，其特征在于，包括由内向外依次设置的有源芯层、内包层、缓冲层和涂层，所述内包层的外轮廓为多边形，所述缓冲层的外轮廓为圆形，所述内包层与所述有源芯层的直径比为CCDR2，所述缓冲层与所述有源芯层的直径比为CCDR1，其中，CCDR2在2～80之间，CCDR2为CCDR1的20～90％。
2.根据权利要求1所述的内嵌多边形内包层有源光纤，其特征在于，所述内包层为纯二氧化硅玻璃，所述缓冲层为低折射率掺杂二氧化硅玻璃，优选地，掺杂元素为F和/或B。
3.根据权利要求2所述的内嵌多边形内包层有源光纤，其特征在于，所述缓冲层相对于二氧化硅玻璃的数值孔径在0-0.30之间。
4.根据权利要求1所述的内嵌多边形内包层有源光纤，其特征在于，所述涂层为一层或多层。
5.根据权利要求4所述的内嵌多边形内包层有源光纤，其特征在于，所述涂层为两层，其中靠近所述缓冲层的一层为低折射率涂层，相对于二氧化硅玻璃的数值孔径≥0.30，另一层为保护层。
6.权利要求1-5任一项所述的内嵌多边形内包层有源光纤的制备方法，其特征在于，包括：
将包含有源芯层、外轮廓为圆形的内包层和外轮廓为任意多边形的缓冲层的预制棒进行拉丝，调控拉丝温度和拉丝炉内保护气的流向，使得缓冲层外轮廓圆化，内包层外轮廓变成多边形。
7.根据权利要求6所述的内嵌多边形内包层有源光纤的制备方法，其特征在于，所述拉丝温度较同等几何尺寸的外圆内方预制棒的拉丝温度增加50～300℃。
8.根据权利要求6或7所述的内嵌多边形内包层有源光纤的制备方法，其特征在于，调控拉丝炉内保护气的流向为圆心对称，且正对所述缓冲层多边形外轮廓的角。
9.根据权利要求6或7所述的内嵌多边形内包层有源光纤的制备方法，其特征在于，所述预制棒的制备包括：先制备得到包含有源芯层、外轮廓为圆形的内包层和外轮廓为圆形的缓冲层的第一预制棒，然后对所述第一预制棒的缓冲层进行打磨，得到所述预制棒。
10.根据权利要求6或7所述的内嵌多边形内包层有源光纤的制备方法，其特征在于，拉丝工序中，进行涂层的涂覆。
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