专利名称：一种多芯激光光纤的拉制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光纤制造系统，特别涉及一种包含激光增益介质的大模场多芯激光光纤的拉制系统，属于光纤技术领域。
背景技术：
光子晶体光纤预制棒的毛细管堆叠法最早由英国Southampton大学Birks等人报道，他们的整个系统堆叠过程分为三步，第一步是设计并制作出光子晶体光纤的截面结构首先选用直径为30mm的石英棒为原材料,然后沿石英棒轴线方向钻一个直径为16_的孔。接着将石英棒磨成一个正六棱柱，然后将这个正六棱柱放在光纤拉丝塔上拉制成直径为0. 8mm的六角形细棒，拉丝温度在2000°C左右。第二步是形成光子晶体结构，将六角形细棒按三角形或蜂窝形堆积起来形成所要求的晶体结构，然后放在光纤拉丝塔上拉制成空气孔孔距为5 u m的细丝。接着再把这些细丝切断并再次堆积成三角形或蜂窝形结构，其 中心用一根直径完全相同的实芯细丝替代，这样在光纤中心引入缺陷。第三步是复制堆积拉丝过程，最终拉制成2 U m空气孔孔距的光纤。在上面的三次拉丝过程中细棒堆熔合在一起，同时棒间距不断缩减，缩减因子超过104。其传统毛细管堆叠法制作多芯光纤预制棒的结构如图I所示。目前，不管哪种制作系统制作的预制棒，其拉丝过程都基本相同，先采用精密送棒机构将预制棒送入炉中加热到2000 °C，预制棒尖端在高温时粘度变低，靠自身重量下垂变细而成纤维，其关键是拉伸速率、速度与光纤直径有关，通过牵引线可改变拉伸速率。拉丝过程中要给光纤涂覆聚合物涂层，为光纤提供机械保护并保持传输特性。光纤的直径采用激光产生的衍射团进行光学监控，可达到1%的精度。类似于现有多芯光纤的制备系统，由于多芯光纤种类繁多，其预制棒的制备是整个制备系统的核心内容，而后续拉丝工艺和测试方法基本一致。然而，现有的拉制系统存在这样那样的缺陷，因而制作的光纤预制棒也存在缺陷。现有的预制棒制作技术容易引入杂质和表面缺陷，现有的光纤拉制需要体积庞大、价格昂贵的拉丝塔等设备。传统光纤拉制系统其结构如图2所示。
发明内容本实用新型的目的正是在于克服现有多芯光纤设计和制作系统中所存在的缺陷和不足，而提供一种包含激光增益介质的大模场多芯激光光纤的拉制系统，该拉制系统包括制备光纤细棒的真空挤压装置以及多芯激光光纤拉制系统，挤压装置是将石英原材料制备成光纤细棒，将光纤细棒切割成长度相同的若干光纤细棒，然后将若干光纤细棒按设计几何图形进行排列堆积并套入石英套管内形成多芯激光光纤预制棒，最后将多芯激光光纤预制棒采用拉制系统拉制成多芯激光光纤。本实用新型的目的是通过下述措施构成的技术方案来实现的本实用新型的真空挤压装置，其特征在于包括容纳石英材料的加热腔，在加热腔外部设置扫描氢氧焰，加热腔底部设置一真空挤压口，于真空挤压口外连接一真空腔，真空腔下部右侧连接一抽真空阀，真空挤压口处还增设一顶针。上述技术方案中，所述加热腔为蓝宝石加热腔。上述技术方案中，所述石英材料为纯石英原材料，或为掺稀土离子的石英原材料，或为掺过渡族金属离子的石英原材料。上述技术方案中，所述蓝宝石加热腔为漏斗形状；所述真空腔高度设计为30cm;所述真空挤压口直径设置在0. 5mm-5mm之间。上述技术方案中，所述真空挤压口其形状设计为圆形，或矩形，或正六边形，或三角形。上述技术方案中，所述顶针直径小于真空挤压口的直径。 上述技术方案中，所述石英原材料中掺稀土离子方式是在制备同一根细棒的石英原材料中掺一种稀土离子，或者是多种稀土离子混掺于制备同一根细棒的石英原材料中；或者是在制备多根细棒的石英原材料中掺多种稀土离子；所述石英原材料中掺过渡族金属离子方式是在制备同一根细棒的石英原材料中掺一种过渡族金属离子，或者是多种过渡族金属离子混掺于制备同一根细棒的石英原材料中；或者是在制备多根细棒的石英原材料中掺多种过渡族金属离子；所述石英原材料中所掺稀土离子为钕离子、或镱离子、或铒离子、或镨离子、或铥离子，或钦离子；所掺过渡族金属离子为铁离子、或钴离子、或铬离子、或铜离子；所述掺稀土离子和过渡族金属离子的掺杂浓度均为500ppm-5000ppm。本实用新型的多芯激光光纤的拉制系统，其特征在于包括加热管，加热管左端连接一惰性气体注入口，置于加热管内的多芯激光光纤预制棒，多芯激光光纤预制棒左端固定，其右端由连接多芯激光光纤预制棒的步进电机牵引，加热管上下面分别设置对其加热的扫描氢氧焰，加热管内设置的温度传感器用于监控加热管内温度，由步进电机拉制出的光纤侧面设置一监控光纤直径的光纤测径仪，增加光纤的涂覆层喷口位于拉出的光纤侧面并于光纤测径仪之后，固化涂覆层的固化装置位于拉制出的光纤侧面并于涂覆层喷口之后，用于处理温度信息和光纤直径信息的计算机系统与整个光纤拉制系统连接。上述技术方案中，所述加热管为蓝宝石管。上述技术方案中，所述惰性气体注入口通入气体为He惰性气体。采用本实用新型的拉制系统拉制多芯激光光纤的操作步骤如下(I)多芯激光光纤细棒的制备采用真空挤压装置制备多芯激光光纤细棒将石英原材料置于加热腔中，利用扫描氢氧焰对其进行加热，其加热温度为2500-300(TC，待石英原材料融化后，在加热腔上端施加5-20牛顿的压力，使熔融石英材料从加热腔底部挤压口处的顶针挤出圆形，或矩形，或正六边形，或三角形的光纤细棒，整个挤压过程均在真空腔内进行；(2)多芯激光光纤预制棒的形成将步骤(I)得到的光纤细棒切割成长度相同的若干光纤细棒，再将若干光纤细棒按设计的几何图形和数量进行排列堆积，将排列堆积好的光纤细棒套入能容纳所排列堆积细棒数量的石英套内，即形成多芯激光光纤预制棒；(3)多芯激光光纤的拉制将步骤(2)形成的多芯激光光纤预制棒置于加热管内，光纤预制棒左端固定，右端由步进电机牵引，加热管由两束扫描氢氧焰对其加热，以保持其管内温度的均匀分布，待多芯激光光纤预制棒融化时则驱动步进电机对其进行拉伸，在拉制过程中，为进一步保护光纤的拉制，于加热管惰性气体注入口通入He惰性气体；即得到拉制的多芯激光光纤；(4)多芯激光光纤拉制过程中温度和其直径的监控在步骤(3)拉制过程的同时，利用温度传感器对加热管内温度进行监控；利用光纤测径仪对拉制出来的多芯激光光纤直径进行监控；将监控到的温度信息和直径信息送入到计算机系统处理，计算机系统将处理后的信息再反馈给步进电机，根据反馈信息来控制步进电机拉伸速度和氢氧焰加热温度，如果直径过大，则增加温度、降低步进电机拉伸速度，如果直径过小，则降低温度、增加步进电机拉伸速度；(5)在多芯激光光纤上增加涂覆层在步骤(3)得到的多芯光纤上喷涂丙烯酸树脂涂覆层，并用固化装置对其进行固化，即制备成用于激光整形、激光放大器、高功率光纤激光器领域的多芯激光光纤。·[0028]本实用新型的拉制系统所制备的多芯激光光纤细棒为实心棒，或带空气孔的空心棒。本实用新型拉制的多芯激光光纤包含激光增益介质的大模场多芯激光光纤，其结构包括纤芯区、包层区和涂覆层区，所述多芯光纤纤芯在包层中按设计的几何图形，如圆形，或矩形，或正六边形，或三角形的规律排列。本实用新型与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果I、本实用新型制备光纤细棒的真空挤压装置中将挤压口设计成圆形、或矩形、或正六边形、或三角形等形状，可直接得到有表面形状的较细的，并省去了进一步拉制和打磨细棒表面形状的过程；在真空挤压口处增设一直径稍微小于其真空挤压口直径的顶针，这样可以直接得到中空的细棒；同时在真空挤压口外接一个真空腔，真空环境更利于细棒的挤压形成，同时也降低了环镜中杂质和空气流动等影响。2、本实用新型的真空挤压装置制作小尺寸的细棒，省去了将大尺寸预制棒拉细的第一次拉伸过程；从设计好几何图形的挤压口挤压出的细棒不需要进行进一步的打磨就能达到所需细棒表面的形状；其次，所述采用的真空挤压装置减少了多次拉制和后期进一步打磨工序、钻孔引起的误差和表面不均匀性等，因此该方法更加简洁方便；同时使用真空挤压装置还可制作大直径的石英套管。3、采用本实用新型真空挤压装置制备的多芯光纤预制棒中，掺稀土离子和不掺稀土离子的纤芯可控制其掺杂的浓度、掺杂组合和灵活规律排列，可使拉制的激光光纤折射率范围宽，模场大，同时可以提高激光光纤的有源输出功率；不同的稀土离子可以实现多种激光波长输出，对于同时掺不同稀土离子的多芯激光光纤，可以实现多种波长的同时输出，且覆盖激光波长范围较宽。4、本实用新型多芯激光光纤拉制系统，在整个拉制过程相对于现有技术的毛细管组合三次拉制法、溶胶-凝胶法和腐蚀法，其制作过程简单、快速，制作成本低，且减少了多次热处理过程中引入缺陷的可能性，所拉制的多芯激光光纤质量好、精度高。
图I传统光纤拉制系统结构示意图；[0036]图2本实用新型多芯激光光纤拉制系统结构示意图；图3采用本实用新型制备的多芯激光光纤预制棒的一种横截面结构示意图；图4采用本实用新型拉制系统拉制的多芯激光光纤的一种横截面结构示意图。图中，7石英套管，8光纤细棒，9掺稀土离子细棒，10-空气孔，11-光纤涂覆层，12-包层，13-纤芯，14-增益层，15-多芯激光光纤预制棒，16-氢氧焰，17-加热管，18-光纤测径仪，19-涂覆层喷口，20-步进电机，21-惰性气体注入口，22-计算机系统，23-温度传感器,24-固化装置,25-送棒机构,26-电阻加热炉,27-光纤直径控制电路,28-光纤牵引轮。
具体实施方式
以下结合附图并通过具体实施例对本实用新型作进一步详细说明，但它仅用于说明本实用新型的一些具体的实施方式，而不应理解为对本实用新型保护范围的任何限定。实施例I 多芯光纤细棒的制备本实例所用石英原材料为纯石英原材料；所述加热腔为蓝宝石作成。本实施例中，采用真空挤压装置制备光纤细棒，将纯石英原材料置于漏斗状蓝宝石加热腔中，利用氢氧焰对其加热，加热温度为2500°C，待石英原材料融化后，在蓝宝石加热腔上端施加一 20牛顿压力，使熔融石英原材料从蓝宝石加热腔底部真空挤压口挤出形成光纤细棒。本实例中，所述真空挤出口直径设置为0. 5mm的圆形，因此，当熔融石英原材料被挤出时，可直接得到表面形状为圆柱形的直径0. 5mm的纯石英原材料的光纤细棒，当熔融石英材料从真空挤压口被挤出时，由于受到尺寸更小的顶针的阻挡，则可直接得到中空的细棒。此外，利用抽真空阀控制真空腔内真空度在IOOPa以内，真空腔高度设计为30cm，制作出的光纤细棒长度则约为30cm，而真空腔为真空挤压出的光纤细棒提供了一个负压，同时也减少了环境中杂质和空气流动对光纤细棒的影响。实施例2多芯光纤细棒的制备本实例所用石英原材料为掺稀土钕离子的石英原材料，其钕离子浓度为lOOOppm。其他制备步骤和工艺条件与实施例I相同，得到掺杂离子为钕离子增益的光纤细棒。实施例3多芯光纤预制棒的制备将实施例I和实施例2中制备的光纤细棒排列堆积成为多芯光纤预制棒,是将光纤细棒8切割成长度相同的细棒160根左右，然后将带有空气孔10的纯净石英光纤细棒和带有空气孔的掺钕土离子光纤细棒9按照所设计的六边形结构排列堆积；六边形中间是实心的纯净石英光纤细棒，在其周围排列堆积掺钕离子的光纤细棒8，再逐渐向外层排列堆积纯净的石英纤芯预制棒；排列堆积完成之后，套入内径为能容纳所堆积的纤芯预制棒的内径为10_的石英套管内，则形成多芯光纤预制棒15，其横截面如图3所示。实施例4多芯光纤的拉制采用本实用新型的光纤拉制系统拉制多芯激光光纤，所述加热管为蓝宝石管17，其内径为50mm-100mm，长度为25_30cm，壁厚为2_5mm ；所用惰性气体为He气；所述固化装置为固化炉；光纤涂覆层11为丙烯酸树脂。将实施例3排列堆积好的多芯光纤预制棒拉制成多芯激光光纤,拉制系统结构如图2所示。按图2连接好各部件，将多芯光纤预制棒15置于蓝宝石管17中，其左端固定，右端由高精度步进电机20牵引；蓝宝石管17由两束扫描氢氧焰16加热，两束扫描氢氧焰16和蓝宝石管17可以很好的控制和维持对多芯光纤预制棒15的加热温度分布均匀。待多芯光纤预制棒15融化时驱动步进电机20拉伸；在这个拉伸过程进行的同时对加热管蓝宝石管17内温度利用温度传感器23进行监控；对拉制出来的多芯光纤直径由光纤测径仪18监控，根据监测到的温度信息和多芯光纤直径信息的反馈来控制氢氧焰16扫描速度以控制蓝宝石管17内温度和控制步进电机20的拉伸速度，所有监控反馈调节都通过计算机系统22完成。同时通过惰性气体注入口 21向蓝宝石管17通入惰性气体He气，以维持蓝宝石管17内部的气压平衡，进一步保护多芯光纤的拉制；拉制成型的多芯光纤由涂覆层喷口 19及固化装置24中固化炉增加光纤涂覆层11，增加的涂覆层为丙烯酸树脂，起到保护光 纤作用。本实用新型所拉制的多芯激光光纤其横截面如图4所示，从图4可看到得到了微结构多芯激光光纤。在本实用新型实施例2中，纯净石英纤芯预制棒8由掺钕离子的纤芯预制棒9按六边形结构包围，在拉制成光纤之后在纤芯13周围形成增益层14，堆积在外层的纤芯预制棒形成了多芯光纤的包层12，最后整根光纤由涂覆层11保护。实施例5双芯和六芯光纤的模场模拟本实施例中，利用有限元法计算双芯多芯光纤和六芯多芯光纤。先用ANSYS建立光子晶体光纤横截面的二维模型，把空气孔和石英用不同的材料参数编号来区分。为了进行有限元数值分析，这里把二维模型划分为有限个三角形单元，每个单元有六个节点,然后导出单元节点的数据,包括单元节点坐标、材料参数和边界条件
坐寸o根据有限元数值计算法，利用C++语言编译特征矩阵计算程序，把建模数据文件导入，计算得到的最大特征值就是所求光子晶体光纤基模的传播常数，对应的特征向量就是基模场振幅的分布数据。最后利用有限元后处理软件Tecplot，导入基模场振幅的数据文件，可绘制出基模场振幅分布示意图。如设计的两芯多芯光纤，在占空比40%，波长I. 55 iim情况下对其模场进行模拟，作为对照，同时在相同占空比和波长情况下模拟6芯的多芯光纤的模场，因此，通过不同的纤芯数和不同的排列方式对多芯光纤模场可进行所需要的调整和整形。实施例6多芯光纤不同直径情况的模场模拟本实施例中，计算的19芯多芯光纤模场，步骤是设计19芯多芯光纤，在孔间距5 U m,波长I. 55 u m,不同孔直径的情况下对其模场进行模拟，可分别模拟空气孔10直径
I.3 u m> I. 9 u m>2. 2 u m情况下的多芯光纤模场分布图，不同孔直径对多芯光纤模场可进行所需要的调整和整形。对于所述其他稀土离子，如镱离子、或铒离子、或镨离子、或铥离子，或钦离子等掺入所用石英原材料中，其制备步骤和其他工艺条件与实施例I相同，均可制备成掺有稀土离子的光纤细棒；同样，掺稀土离子可在制备同一根细棒的石英原材料中掺一种稀土离子，或者是将多种稀土离子混掺于制备同一根细棒的石英原材料中；或者是在制备多根细棒的石英原材料中掺多种稀土离子制备的光纤细棒；将光纤细棒排列堆积成光纤预制棒采用本光纤拉制系统即可拉制成多芯激光光纤。对于所述其他过渡族金属离子，如铁离子、或钴离子、或铬离子、或铜离子等掺入所用石英原材料中，其制备步骤和其他工艺条件与实施例I相同，均可制备成掺有过渡族金属离子的光纤细棒；同样，掺过渡族金属离子可在制备同一根细棒的石英原材料中掺一种过渡族金属离子，或者是将多种过渡族金属离子混掺于制备同一根细棒的石英原材料中；或者是在制备多根细棒的石英原材料中掺多种过渡族金属离子制备的光纤细棒；将光 纤细棒排列堆积成光纤预制棒采用本光纤拉制系统即可拉制成多芯激光光纤。
权利要求1.一种多芯激光光纤的拉制系统，其特征在于包括加热管(17)，加热管(17)左端连接一惰性气体注入口(21)，置于加热管(17)内的多芯激光光纤预制棒(15)，多芯激光光纤预制棒左端固定，其右端由连接多芯激光光纤预制棒的步进电机(20)牵引，加热管上下面分别设置的对其加热的扫描氢氧焰(16)，加热管内设置的温度传感器(23)用于监控加热管内温度，由步进电机(20)拉制出的光纤侧面设置一监控光纤直径的光纤测径仪(18)，增加光纤涂覆层喷口(19)位于光纤侧面并于光纤测径仪之后，固化涂覆层的固化装置(24)位于拉出的光纤侧面并于涂覆层喷口(19)之后，用于处理温度信息和光纤直径信息的计算机系统(22)与整个光纤拉制系统连接。
2.根据权利要求要求I所述的多芯激光光纤的拉制系统，其特征在于所述加热管(17)为蓝宝石管。
3.根据权利要求要求I所述的多芯激光光纤的拉制系统，其特征在于所述惰性气体注入口(21)通入气体为He惰性气体。
专利摘要本实用新型涉及一种多芯激光光纤的拉制系统，属于光纤技术领域。该拉制系统采用真空挤压装置将石英原材料，或掺稀土离子石英原材料，或掺过渡族金属离子石英原材料制备成多芯激光光纤细棒，再将光纤细棒切割成长度相同的若干光纤细棒，将若干光纤细棒按设计的几何图形进行排列堆积并套入石英套管内形成多芯光纤预制棒，再将多芯光纤预制棒采用光纤拉制系统进一步拉制成多芯激光光纤。本实用新型多芯激光光纤拉制系统结构简单，其操作过程也简单、快速，制作成本相比现有设备低，所拉制的多芯激光光纤质量好、精度高。
文档编号C03B37/025GK202558771SQ20112057442
公开日2012年11月28日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者冯国英, 周昊, 周寿桓 申请人:四川大学