CN104316993A - 一种大芯径传能光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大芯径传能光纤，包括芯层和包层，其特征在于所述的芯层为纯硅（SiO2）玻璃层或者掺氟（F）玻璃层，芯层的直径D1为400μm~620μm，芯层的相对折射率差Δ1为-0.2%~0%，所述的包层分为内包层和外包层，紧密环绕芯层的为内包层，内包层为掺氟玻璃层，内包层的直径D2为440μm~700μm，内包层的相对折射率差Δ2为-1.9%~-0.9%，外包层为纯硅玻璃层或者掺氟玻璃层，外包层的直径D3为500μm~760μm，外包层的相对折射率Δ3为-0.5%~0%。本发明的光纤具有良好的中高功率激光传输效率和长期使用的稳定性，非常适合在工业激光中的应用。本发明光纤具有较高的耦合效率和传输效率，光纤传输效率可以达到95%以上；光纤可以传输达到600w的中高功率激光；光纤具有良好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种传输中高功率能量的大芯径光纤，该光纤具有高的能量损伤阈值和良好的传输效率和传输稳定性，属于光纤技术领域。
背景技术
相对于纤芯直径不大于10μm的单模光纤而言，芯径大于200μm的纯硅芯大芯径光纤是用于传输中高功率能量的良好材料。大芯径光纤具有较大的数值孔径、较大的纤芯直径，非常有利于能量光的耦合及传输。纯硅芯的材料结构使得光纤具有较高的能量损伤阈值 。在中国专利201210221499.X中，描述了一种用于工控、医疗等领域的传能光纤，该光纤玻璃部分为低羟基高纯石英，在石英的表面涂有一层具有特定组分配比的低折射率涂料，该发明的优点是可以降低传能光纤的生产成本。在该专利中，没有说明该发明光纤在中高功率（>300w）的工作条件下的传输性能。一般地，我们认为用于工控、医疗等领域的功率是小于工业应用所需要的300w以上的功率的。
在中国专利201310435892.3中，描述了一种芯层掺锗并且具有渐变折射率剖面的大芯径弯曲不敏感多模光纤，该光纤通过折射率下陷的包层来提高光纤的抗弯曲性能。芯层中锗的掺杂将会改变芯层材料的材料性能，造成激光损伤阈值的降低，这是不利于中高功率的激光能量传输的。在该专利中，所发明的光纤主要用于100w以下的功率传输。
在中国专利201210261813.7中，描述了一种聚合物包层光纤及其制造方法，该聚合物包层材料为全氟醚聚合物。同时也描述了一种双包层光纤，该光纤的芯层为掺稀土材料，第一包层为折射率低于纤芯的石英玻璃，第二包层为全氟醚聚合物。该发明的特征在于形成包层的全氟醚聚合物材料，具有高的NA及稳定性。该专利未对石英玻璃部分的结构设计进行描述或者对所发明光纤的应用效果做描述。
一般的，掺杂剂会改变石英玻璃的相对折射率。锗（Ge）、氯（Cl）、磷（P）等掺杂剂可以使得掺杂后的石英玻璃的相对折射率为正值，我们称之为“正掺杂剂”，而氟（F）、硼（B）等掺杂剂可以使得掺杂后的石英玻璃的相对折射率为负值，我们称之为“负掺杂剂”。如果同时使用一种“正掺杂剂”和一种“负掺杂剂”对石英玻璃进行掺杂，则掺杂后的石英玻璃的相对折射率可以为正值或者负值，或者为0。
发明内容
为方便介绍本发明内容，定义以下术语：
纯硅材料：绝对不含Ge或者F，可以含有Cl、P等。
掺氟材料：绝对不含Ge，可以含有Cl、P等。
折射率剖面：光纤中玻璃折射率与其半径之间的关系。
相对折射率差：
ni和n0分别为各对应部分的折射率和纯二氧化硅石英玻璃的折射率。
光纤数值孔径NA值：NA=n0*(Δ1-Δ2)1/2,n0为纯二氧化硅（SiO2）的折射率。
氟（F）的贡献量：掺氟（F）石英玻璃相对于纯二氧化硅石英玻璃的相对折射率（ΔF），以此来表示掺氟（F）量。
本发明所要解决的技术问题是针对前述的现有技术存在的不足而提供一种传输性能稳定的中高功率用大芯径传能光纤，该光纤具有高的能量损伤阈值，传输效率高，性能稳定。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
包括芯层和包层，其特征在于所述的芯层为纯硅（SiO2）玻璃层或者掺氟（F）玻璃层，芯层的直径D1为400μm~620μm，芯层的相对折射率差Δ1为-0.2%~0%，所述的包层分为内包层和外包层，紧密环绕芯层的为内包层，内包层为掺氟玻璃层，内包层的直径D2为440μm~700μm，内包层的相对折射率差Δ2为-1.9%~-0.9%，外包层为纯硅玻璃层或者掺氟玻璃层，外包层的直径D3为500μm~760μm，外包层的相对折射率Δ3为-0.5%~0%。
按上述方案，所述的内包层直径与芯层直径的比值D2/D1为1.1~1.3。
按上述方案，所述的外包层直径与芯层直径的比值D3/D1为1.25~1.4。
按上述方案，所述的芯层相对折射率差与内包层相对折射率差的差值Δ1-Δ2为0.9%~1.7%。
按上述方案，所述的芯层相对折射率差与外包层相对折射率差的差值Δ1-Δ3为0%~0.3%。
按上述方案，所述的光纤外包层外涂覆有涂料层，所述的涂料层由内向外依次为内涂料层和外涂料层，内涂料层的直径D4与外包层的直径D3的差值D4-D3为20μm~70μm，内涂料层的（割线）模量为1～300Mpa；外涂料层的直径D5与内涂料层的直径D4的差值D5-D4为100μm~800μm，外涂料层的（割线）模量为500～2000MPa。
按上述方案，所述的内涂料层最高可耐受温度为80℃～300℃。
按上述方案，所述的外涂料层最高可耐受温度为80℃～300℃。
按上述方案，所述光纤筛选强度为50kpsi。
按上述方案，光纤最小弯曲半径为180mm。
按上述方案，光纤经过进一步的加工处理后制备为跳线。
本发明的有益效果在于：1.纯硅芯或者掺氟芯的芯层材料，具有很高的激光能量损伤阈值，非常适合于较高功率的激光能量的传输；2.深掺氟的内包层，使得光纤具有较高的数值孔径，有利于激光能量的耦合以及传输；3.外包层通过掺氟，其折射率得到降低，这样，芯层的折射率高于外包层的折射率，更加有利于将激光能量约束在芯层部分传输，同时也可以阻止功率在传输过程中向外包层以及涂料层的泄漏；4.内外双层涂料具有良好的耐高温性能，在激光能量传输的过程中，部分功率不可避免的会泄漏到外包层甚至涂料层部分，能量的积累会导致涂料所承受的温度升高，涂料被破坏后，光纤的传输性能会急剧恶化。耐高温涂料可以更好的承受升高的温度，保证光纤的传输性能；5. 本发明光纤具有较高的耦合效率和传输效率，光纤传输效率可以达到95%以上；光纤可以传输达到600w的中高功率激光；光纤具有良好的稳定性，在长期工作条件下，光纤跳线的连接头温度可以保持在45℃以下，传输效率稳定。
附图说明
图1 是本发明的一个实施例的光纤结构示意图。其中，01为芯层，02为内包层，03为外包层，04为内层涂料，05为外层涂料。
图2是本发明的一个实施例的光纤波导结构示意图。
图3和图4是本发明的一个实施例的激光传输测试的测试结果。图3为跳线的输出功率及传输效率，图4为跳线的连接头温度变化。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明实施例中的大芯径光纤包括芯层和包层，所述的芯层01为纯硅（SiO2）玻璃层或者掺氟（F）玻璃层，芯层的直径D1为400μm~620μm，芯层的相对折射率差Δ1为-0.2%~0%，所述的包层分为内包层02和外包层03，紧密环绕芯层的为内包层，内包层为掺氟玻璃层，内包层的直径D2为440μm~700μm，内包层的相对折射率差Δ2为-1.9%~-0.9%，外包层为纯硅玻璃层或者掺氟玻璃层，外包层的直径D3为500μm~760μm，外包层的相对折射率Δ3为-0.5%~0%。所述的光纤外包层外涂覆有涂料层，所述的涂料层由内向外依次为内涂料层04和外涂料层05，内涂料层的直径D4与外包层的直径D3的差值D4-D3为20μm~70μm，内涂料层的（割线）模量为1～300Mpa；外涂料层的直径D5与内涂料层的直径D4的差值D5-D4为100μm~800μm，外涂料层的（割线）模量为500～2000MPa。
按上述大芯径光纤的技术方案，在其所规定的范围内对光纤的参数进行设计，并通过我们熟知的PCVD工艺、MCVD工艺、OVD工艺或VAD工艺等芯棒制造工艺来根据光纤的设计要求制造芯棒，通过等离子体外喷工艺、套管工艺或OVD工艺等外包工艺来完成整个预制棒的制造。PCVD工艺、等离子体外喷工艺在进行高浓度的掺氟（F）时，具有一定的优势。
在光纤的拉丝工艺中，光纤由两层涂料涂覆，固化工艺为紫外固化等工艺。
所拉光纤的折射率剖面使用NR-9200设备（EXFO）进行测试。光纤的主要参数如表1所示。
光纤端面经过研磨处理后，装配连接器，制备成D80等类型的光纤跳线。光纤跳线在激光传输平台上进行测试。激光器为Nd：YAG固体激光器，工作波长为1064nm。光纤跳线在进行激光传输测试时，使用热电偶在线测试跳线的连接头温度，使用功率计在线测试光纤跳线的输出功率。激光器的参数设置以及测试结果如表2所示。
从实施例可以看出：
芯层直径越大，则越有利于功率的耦合，提高光纤的传输效率，如实施例1和实施例2的比较。
内包层掺氟越多，则光纤的数值孔径越高，有利于光纤的传输性能的提高，如实施例2和实施例3的对比。
外包层掺氟越多，则越有利于将功率约束在芯层部分进行传输，减少功率向包层的泄漏，提高光纤的传输效率和稳定性，如实施例2和实施例4的对比。
涂料具有更高的可耐温度，可以使得光纤的传输性能更为稳定，如实施例2和实施例5的对比。
实验表明，按照本发明的技术方案所制造的光纤，具有良好的激光传输性能，具体的为：光纤具有较高的耦合效率和传输效率，光纤传输效率可以达到95%以上；光纤可以传输达到600w的中高功率激光；光纤具有良好的稳定性，在长期工作条件下，光纤跳线的连接头温度可以保持在45℃以下，传输效率稳定。
表1：光纤的主要参数
表2：激光器参数设置及传输测试结果
Claims (9)
1.一种大芯径传能光纤，包括芯层和包层，其特征在于所述的芯层为纯硅玻璃层或者掺氟玻璃层，芯层的直径D1为400μm~620μm，芯层的相对折射率差Δ1为-0.2%~0%，所述的包层分为内包层和外包层，紧密环绕芯层的为内包层，内包层为掺氟玻璃层，内包层的直径D2为440μm~700μm，内包层的相对折射率差Δ2为-1.9%~-0.9%，外包层为纯硅玻璃层或者掺氟玻璃层，外包层的直径D3为500μm~760μm，外包层的相对折射率Δ3为-0.5%~0%。
2.按权利要求1所述的大芯径传能光纤，其特征在于所述的内包层直径与芯层直径的比值D2/D1为1.1~1.3。
3.按权利要求2所述的大芯径传能光纤，其特征在于所述的外包层直径与芯层直径的比值D3/D1为1.25~1.4。
4.按权利要求1或2所述的大芯径传能光纤，其特征在于所述的芯层相对折射率差与内包层相对折射率差的差值Δ1-Δ2为0.9%~1.7%。
5.按权利要求1或2所述的大芯径传能光纤，其特征在于所述的芯层相对折射率差与外包层相对折射率差的差值Δ1-Δ3为0%~0.3%。
6.按权利要求1或2所述的大芯径传能光纤，其特征在于所述的光纤外包层外涂覆有涂料层，所述的涂料层由内向外依次为内涂料层和外涂料层，内涂料层的直径D4与外包层的直径D3的差值D4-D3为20μm~70μm，内涂料层的模量为1～300Mpa；外涂料层的直径D5与内涂料层的直径D4的差值D5-D4为100μm~800μm，外涂料层的模量为500～2000MPa。
7.按权利要求6所述的大芯径传能光纤，其特征在于所述的内涂料层最高可耐受温度为80℃～300℃；所述的外涂料层最高可耐受温度为80℃～300℃。
8.按权利要求1或2所述的大芯径传能光纤，其特征在于所述光纤筛选强度为50kpsi。
9.按权利要求1或2所述的大芯径传能光纤，其特征在于光纤最小弯曲半径为180mm。
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