CN116177868A - 一种锥形光纤的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锥形光纤的制备方法，包括：制作内设有第一通孔的第一锥形石英管；在所述第一锥形石英管的所述第一通孔内沉积芯层；将沉积所述芯层的所述第一锥形石英管进行缩棒，形成锥形预制棒；将所述锥形预制棒拉制成锥形光纤，所述锥形光纤包括沿所述锥形光纤轴向传导光的纤芯以及围绕所述纤芯的包层。本发明提供的锥形光纤的制备方法，整个工艺过程中无需多次打磨，一次成型，工艺简单，大幅降低了锥形光纤的加工难度，提高了锥形光纤的制备效率和精度。

Description

一种锥形光纤的制备方法
技术领域
本发明涉及光纤制备技术领域，尤其涉及一种锥形光纤的制备方法。
背景技术
与普通纤芯包层均匀的光纤相比，锥形光纤通过引入大纤芯直径端，能够提升光纤的有效模场面积，具有有效抑制非线性效应的优势。同时，锥形光纤也具有优异的模式不稳定抑制性能、光束质量保持特性和放大自发辐射(ASE)抑制效果，在高功率激光领域有较大的潜力。
锥形光纤常使用熔融拉锥法、机械抛磨法或化学腐蚀法等，通过将光纤半径在轴向上发生变化，形成锥区以实现诸如光耦合、光传感、非线性光学、微纳光学、光纤器件以及其他研究领域的应用。但现有的锥形光纤在加工过程中，需对芯棒和玻璃棒分别研磨加工，制备过程复杂繁琐，尤其是对玻璃棒内壁进行打磨，加工难度大，精度低，同时内磨对玻璃棒长度也有限制，存在适应性差等缺点。
发明内容
本发明提供一种锥形光纤的制备方法，用以解决现有锥形光纤在加工过程中，需对芯棒和玻璃棒分别研磨加工，制备过程复杂繁琐的问题。
本发明提供一种锥形光纤的制备方法，包括：
制作内设有第一通孔的第一锥形石英管；
在所述第一锥形石英管的所述第一通孔内沉积芯层；
将沉积所述芯层的所述第一锥形石英管进行缩棒，形成锥形预制棒；
将所述锥形预制棒拉制成锥形光纤，所述锥形光纤包括沿所述锥形光纤轴向传导光的纤芯以及围绕所述纤芯的包层。
根据本发明提供的一种锥形光纤的制备方法，所述制作内设有第一通孔的第一锥形石英管的步骤包括：
将第一石英管的外壁加工成锥形，制备内设有所述第一通孔的第一锥形石英管。
根据本发明提供的一种锥形光纤的制备方法，所述在所述第一锥形石英管的所述第一通孔内沉积芯层的步骤包括：
将所述第一锥形石英管进行酸洗；
在所述第一锥形石英管的第一通孔内均匀沉积疏松层，并在所述疏松层中掺杂稀土离子。
根据本发明提供的一种锥形光纤的制备方法，所述在所述疏松层中掺杂稀土离子的步骤包括：
将含有所述稀土离子的溶液通入所述第一通孔；
浸泡预设时间后，排出剩余的含有所述稀土离子的溶液。
根据本发明提供的一种锥形光纤的制备方法，所述将沉积所述芯层的所述第一锥形石英管进行缩棒，形成锥形预制棒的步骤包括：
将所述第一锥形石英管和所述疏松层进行烧结，使所述第一锥形石英管和所述疏松层熔缩成所述锥形预制棒。
根据本发明提供的一种锥形光纤的制备方法，所述稀土离子为Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+中的任意一种或几种组合。
根据本发明提供的一种锥形光纤的制备方法，所述将所述锥形预制棒拉制成锥形光纤的步骤包括：
将所述锥形预制棒置于拉丝塔上，拉制成所述锥形光纤。
根据本发明提供的一种锥形光纤的制备方法，所述将所述锥形预制棒拉制成锥形光纤的步骤包括：
将第二石英管的外壁加工成锥形，构造出内设有第二通孔的第二锥形石英管；
将第二锥形石英管与锥形预制棒进行组装，置于套管车床上，得到实心锥形光纤预制棒；
根据本发明提供的一种锥形光纤的制备方法，将所述锥形光纤预制棒置于拉丝塔上，拉制成所述锥形光纤。
所述将锥形光纤预制棒置于拉丝塔上，拉制成所述锥形光纤的步骤包括：
将所述锥形光纤预制棒置于所述拉丝塔上，通过调节拉制参数，拉制出所述锥形光纤。
根据本发明提供的一种锥形光纤的制备方法，所述将所述锥形预制棒拉制成锥形光纤的步骤之后还包括：
对所述包层***进行两次涂覆，以形成光纤涂层。
本发明提供的锥形光纤的制备方法，通过先将设有通孔的圆柱形石英管外壁打磨成圆锥形，在第一锥形石英管内沉积芯层后，缩棒成锥形预制棒，最后将锥形预制棒进行拉丝成锥形光纤，整个工艺过程中无需多次打磨，一次成型，工艺简单，大幅降低了锥形光纤的加工难度，提高了锥形光纤的制备效率和精度。而且由于发明是在前期对石英管进行打磨，相较于在后期打磨的现有工艺而言，能够降低成本，保证生产效率。
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锥形光纤的制备方法的流程示意图之一；
图2是本发明实施例提供的第一锥形石英管的示意图；
图3是本发明实施例提供的第一锥形石英管沉积芯层后的示意图；
图4是本发明实施例提供的锥形预制棒的示意图；
图5是本发明实施例提供的锥形光纤的示意图之一；
图6是本发明实施例提供的锥形光纤的制备方法的流程示意图之二；
图7是本发明实施例提供的锥形光纤的制备方法的流程示意图之三；
图8是本发明实施例提供的锥形光纤预制棒的示意图；
图9是本发明实施例提供的锥形光纤的示意图之二；
附图标记：
1、第一锥形石英管；10、第一通孔；2、芯层；3、锥形预制棒；4、锥形光纤；41、纤芯；42、包层；5、第二石英管。
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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1描述本发明的提供的锥形光纤的制备方法，包括如下步骤：
步骤S101：制作内设有第一通孔的第一锥形石英管。
首先，选用选择热学性质匹配，光学性质满足要求的石英管，如图2所示，对石英管的外壁进行打磨加工制作出设有第一通孔10的第一锥形石英管1。
本实施例中，第一通孔10设置在第一锥形石英管1中的中心，第一通孔10由第一锥形石英管1的一端延伸至第一锥形石英管1的另一端。
步骤S102：在第一锥形石英管的第一通孔内沉积芯层。
在制作出内设有第一通孔10的第一锥形石英管1后，控制第一锥形石英管1转动的过程中，可通过第一通孔10通入气体原料，在第一通孔10的内壁上沉积，形成芯层2，如图3所示。
步骤S103：将沉积芯层的第一锥形石英管进行缩棒，形成锥形预制棒。
在第一锥形石英管1的第一通孔10内沉积芯层2后，将沉积芯层2的第一锥形石英管1进行缩棒，形成锥形预制棒3，如图4所示。
缩棒熔缩过程中，通入氧气对芯层2和第一锥形石英管1进行吹扫，并将温度逐步升至1700℃。继续升温，热源移动速度降至2.5至20mm/min，保持出气端压力与大气压强差，控制温度在1850～2150℃，将沉积芯层2的第一锥形石英管1制成锥形预制棒3。
步骤S104：将锥形预制棒拉制成锥形光纤。
在制作出锥形预制棒3后，将锥形预制棒3置于拉丝塔上，如图5所示，拉制成芯包比渐变的锥形光纤4。该锥形光纤4包括沿锥形光纤轴向传导光的纤芯41以及围绕纤芯41的包层42。
该锥形光纤4的芯包比渐变的锥形光纤4具有不变的纤芯41直径，以及渐变的包层直径，光纤的芯包比随光纤的长度发生渐变，而且根据需求纤芯41的直径、芯包比等在一定范围内均可以调控，可以根据无源光纤器件及光学***的要求进行具体调整。
本实施例提供的锥形光纤的制备方法，通过先将设有通孔的圆柱形石英管外壁打磨成圆锥形，在第一锥形石英管内沉积芯层后，缩棒成锥形预制棒，最后将锥形预制棒置于拉丝塔上，拉丝成锥形光纤，整个工艺过程中无需多次打磨，一次成型，工艺简单，大幅降低了锥形光纤的加工难度，提高了锥形光纤的制备效率和精度，而且由于本实施例是在前期对石英管进行打磨，相较于在后期打磨的现有工艺而言，能够降低成本，保证生产效率。
需要说明的是，在沉积芯层2的过程中，可以逐渐调整气体或液体原料的通入速度，以调整芯层2沿第一通孔10方向的沉积量，使芯层2的沉积量随第一通孔10的位置的变化而变化，以便在第一通孔10中均匀地或非均匀地沉积芯层2，如图3所示。
可选地，使气体或液体原料的通入速度可以连续变化，以便芯层2随第一通孔10沉积量逐渐增加或减少；或者，使气体或液体原料的通入速度逐段变化，以便芯层2随第一通孔10的沉积量逐段增大或减少。
由于芯层2的厚度逐渐变化，在缩棒过程中会熔缩形成圆锥形或其它形状的芯层2，即熔缩形成锥形预制棒3，从而拉丝后纤芯41能够形成锥形或者阶梯形状。
在一个实施例中，步骤S101：制作内设有第一通孔的第一锥形石英管的步骤，如图6所示，包括如下步骤：
步骤S1012：将第一石英管的外壁加工成锥形，构造出内设有第一通孔的第一锥形石英管。
具体而言，首先选用选择热学性质匹配，光学性质满足要求的第一石英管，如图2所示，第一石英管一般为圆柱形石英管，在实际成产加工过程中，选用的圆柱形石英管本身即具有满足规格的第一通孔10，然后将第一石英管的外壁加工成锥形，构造出内设有第一通孔10的第一锥形石英管。
基于上述实施例，在另一实施例中，步骤S102：在第一锥形石英管的第一通孔内沉积芯层的步骤，如图7所示，包括如下步骤：
步骤S1021：将第一锥形石英管进行酸洗。
步骤S1022：在第一锥形石英管的第一通孔内均匀沉积疏松层，并在疏松层中掺杂稀土离子。
具体而言，如图3所示，在制作出内设有第一通孔10的第一锥形石英管后，先利用酸洗的方式对第一锥形石英管进行清洗，例如可采用氢氟酸溶液对整个第一锥形石英管进行酸洗，通过酸洗有效降低了杂质的引入，保证了加工的质量。
在酸洗完毕后，将第一锥形石英管的进气段安装好旋转接头，第一锥形石英管安装在沉积车床上，可采用改进的化学气相沉积法(Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD)沉积疏松层，并在疏松层中掺杂稀土离子。
具体地，采用氢氧焰外部预热该第一锥形石英管，预热过程中，将第一锥形石英管的温度逐步升高至1200℃。然后按照预设的流量向该第一锥形石英管中通入气体原料。气体原料为SiCl4、BCl3、GeCl4、POCl3中的任意一种或几种的组合。在此之前，还需要向第一锥形石英管中通入SF6，O2对第一锥形石英管的内侧壁进行若干趟刻蚀，继续加热该第一锥形石英管并通入气体原料。其中，通入气体原料时，反应管的温度需加热至1500℃～1800℃。第一锥形石英管在反复转动过程中，其内侧壁上沉积指定厚度的疏松层。沉积的过程中，或者沉积完毕后可在疏松层中掺杂稀土离子。
需要说明的是，根据实际需要，还可采用外部气相沉积法(Outside VapourDeposition，OVD)，轴向化学气相沉积法(Vapour phase Axial Deposition，VAD)或者等离子体化学气相沉积法(Plasma Chemical Vapor Deposition，PCVD)的方式沉积疏松层，并在疏松层中掺杂稀土离子。
本实施例中，在掺杂稀土离子的过程中，可先将含有稀土离子的溶液通入第一通孔，浸泡预设时间后，排出剩余的含有稀土离子的溶液，即可得到含有稀土离子的疏松层。
具体地，将含有稀土掺杂离子的溶液通入第一锥形石英管中，浸泡预设时间，浸泡的时间为30分钟以上，以对疏松层进行稀土离子掺杂。具体而言，将稀土掺杂离子与溶解液按照预设配比混合，得到稀土掺杂离子的溶液，其中，稀土离子为Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+中的任意一种或几种组合。溶解液为氯化物溶液或者硝酸盐溶液。配置好含有稀土掺杂离子的溶液后，将第一锥形石英管取出，然后将第一锥形石英管放入指定浓度的稀土掺杂离子的溶液中进行浸泡，浸泡结束后，可排出含有稀土离子的溶液，并进行干燥，即可在第一通孔内得到含有稀土离子的疏松层。此外，若生产无源锥形光纤则无需掺杂稀土离子。
基于上述实施例，在一些施例中，步骤S103：将沉积芯层的第一锥形石英管进行缩棒，形成锥形预制棒的步骤，包括：将第一锥形石英管和疏松层进行烧结，使第一锥形石英管和疏松层熔缩成锥形预制棒。
如图4所示，在沉积芯层后，对第一锥形石英管和疏松层进行高温烧结，使得含有稀土离子的疏松层玻璃化，然后再将玻璃化的疏松层及第一锥形石英管熔缩成实心的锥形预制棒3，通过缩棒有效去除疏松层与第一锥形石英管之间的间隙。
基于上述实施例，在一些施例中，步骤S104：将锥形预制棒拉制成锥形光纤的步骤具体包括：在制作出锥形预制棒后，如图4所示，可将锥形预制棒3置于拉丝塔上，使用电阻丝炉对锥形预制棒3进行加热软化，可调节的实验参数包括升温速率，拉制温度，拉制张力等。在电阻丝炉内，对软化的锥形预制棒进行拉丝，即可拉制成锥形光纤。如图5所示，锥形光纤4包括沿锥形光纤轴向传导光的纤芯41以及围绕纤芯41的包层42。该锥形光纤4的芯包比渐变的锥形光纤4具有不变的纤芯41直径，以及渐变的包层直径，光纤的芯包比随光纤的长度发生渐变，而且根据需求纤芯41的直径、芯包比等在一定范围内均可以调控，可以根据无源光纤器件及光学***的要求进行具体调整。
基于上述实施例，在另一些施例中，步骤S104：将锥形预制棒拉制成锥形光纤的步骤具体包括：在制作出锥形预制棒后，若发现锥形预制棒不满足规格需要套管，如图8所示，首先选用选择热学性质匹配，光学性质满足要求的第二石英管5，第二石英管一般为设有通孔的圆柱形石英管，在实际成产加工过程中，选用的圆柱形石英管本身即具有满足规格的第二通孔，在第二石英管5中构造出与锥形预制棒3相适配的第二通孔，第二通孔由第二石英管5的一端延伸至其另一端。然后将第二锥形石英管与锥形预制棒进行组装，置于套管车床上，融缩后得到实心锥形光纤预制棒。再将锥形光纤预制棒置于拉丝塔上，使用电阻丝炉对锥形光纤预制棒进行加热软化，可调节的实验参数包括升温速率，拉制温度，拉制张力等。在电阻丝炉内，对软化的锥形光纤预制棒进行拉丝，即可拉制成锥形光纤，通过在套管后拉丝能够充分保证密封性能，更容易控制拉丝，抑制同心误差。如图5所示，锥形光纤4包括沿锥形光纤轴向传导光的纤芯41以及围绕纤芯41的包层42。该锥形光纤4的芯包比渐变的锥形光纤4具有不变的纤芯41直径，以及渐变的包层直径，光纤的芯包比随光纤的长度发生渐变，而且根据需求纤芯41的直径、芯包比等在一定范围内均可以调控，可以根据无源光纤器件及光学***的要求进行具体调整。
最后，如图9所示，可对包层42***进行两次涂覆低折涂料，从而在包层42外形成光纤涂层。
具体而言，进行第一次涂覆后以形成光纤内涂层；在光纤内涂层的周壁进行第二次涂覆，以形成外涂层。
在上述的制备工艺中，本实施例实质是在光纤包层的周壁进行光纤内涂层的涂覆。其中，光纤内涂层为低折射率涂层，光纤内涂层的折射率低于光纤包层的折射率，以保证锥形光纤的可靠性。
此外，本申请还提供两个具体地实施例。
实例1：
制备一种双包层掺镱锥形光纤，采用以下步骤：
步骤1：将圆柱形高纯石英管外壁打磨加工成锥形。
步骤2：将第一锥形石英管置于车床上均匀沉积芯层。
步骤3：将沉积后的芯棒置于车床上缩棒成锥形预制棒。
步骤4：将锥形预制棒置于拉丝塔上拉制成锥形光纤，通过设置不同的拉丝参数实现双包层掺镱锥形光纤的包层直径范围为400μm-600μm，纤芯直径为20μm。
实例2：
制备一种双包层掺镱锥形光纤，采用以下步骤：
步骤1：将圆柱形高纯石英管外壁打磨加工成锥形。
步骤2：将第一锥形石英管置于车床上均匀沉积芯层。
步骤3：将沉积后的芯棒置于车床上缩棒成锥形预制棒。
步骤4：将锥形预制棒置于拉丝塔上拉制成锥形光纤，通过设置不同的拉丝参数实现双包层掺镱锥形光纤的包层直径为400μm，纤芯直径范围为30μm-35μm。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
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)

1.一种锥形光纤的制备方法，其特征在于，包括：
制作内设有第一通孔的第一锥形石英管；
在所述第一锥形石英管的所述第一通孔内沉积芯层；
将沉积所述芯层的所述第一锥形石英管进行缩棒，形成锥形预制棒；
将所述锥形预制棒拉制成锥形光纤，所述锥形光纤包括沿所述锥形光纤轴向传导光的纤芯以及围绕所述纤芯的包层。
2.根据权利要求1所述的锥形光纤的制备方法，其特征在于，所述制作内设有第一通孔的第一锥形石英管的步骤包括：
将第一石英管的外壁加工成锥形，制备内设有所述第一通孔的第一锥形石英管。
3.根据权利要求2所述的锥形光纤的制备方法，其特征在于，所述在所述第一锥形石英管的所述第一通孔内沉积芯层的步骤包括：
将所述第一锥形石英管进行酸洗；
在所述第一锥形石英管的第一通孔内均匀沉积疏松层，并在所述疏松层中掺杂稀土离子。
4.根据权利要求3所述的锥形光纤的制备方法，其特征在于，所述在所述疏松层中掺杂稀土离子的步骤包括：
将含有所述稀土离子的溶液通入所述第一通孔；
浸泡预设时间后，排出剩余的含有所述稀土离子的溶液。
5.根据权利要求3所述的锥形光纤的制备方法，其特征在于，所述将沉积所述芯层的所述第一锥形石英管进行缩棒，形成锥形预制棒的步骤包括：
将所述第一锥形石英管和所述疏松层进行烧结，使所述第一锥形石英管和所述疏松层熔缩成所述锥形预制棒。
6.根据权利要求3所述的锥形光纤的制备方法，其特征在于，所述稀土离子为Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+中的任意一种或几种组合。
7.根据权利要求5所述的锥形光纤的制备方法，其特征在于，所述将所述锥形预制棒拉制成锥形光纤的步骤包括：
将所述锥形预制棒置于拉丝塔上，拉制成所述锥形光纤。
8.根据权利要求5所述的锥形光纤的制备方法，其特征在于，所述将所述锥形预制棒拉制成锥形光纤的步骤包括：
将第二石英管的外壁加工成锥形，构造出内设有第二通孔的第二锥形石英管；
将第二锥形石英管与锥形预制棒进行组装，置于套管车床上，得到实心锥形光纤预制棒；
将所述锥形光纤预制棒置于拉丝塔上，拉制成所述锥形光纤。
9.根据权利要求8所述的锥形光纤的制备方法，其特征在于，所述将所述锥形光纤预制棒置于拉丝塔上，拉制成所述锥形光纤的步骤包括：
将所述锥形光纤预制棒置于所述拉丝塔上，通过调节拉制参数，拉制出所述锥形光纤。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的锥形光纤的制备方法，其特征在于，所述将所述锥形预制棒拉制成锥形光纤的步骤之后还包括：
对所述包层***进行两次涂覆，以形成光纤涂层。
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