专利名称：一种用于照明传能的大芯径石英光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤技术领域，为80(Tl600nm波长范围内的光能传输光纤，适用于激 光泵浦、激光传导、感应器、探测器以及照明等领域。
背景技术：
近年来随着科技的迅猛发展，光纤新材料不断涌现，人们对于光纤特性及其各种 效应的认识也不断深入，以石英为主要材料的石英系光纤在国民经济各领域中的应用也在 迅速地拓展。目前用于通信的光纤绝大多数是石英光纤，其中占主导地位的是单模石英系 光纤，而在非通信领域，特别是用于照明传能领域的石英光纤则主要是多模、大芯径、大数 值孔径的石英光纤。传统的照明传能光纤通常有塑料光纤、多组分玻璃光纤以及石英光纤。塑料光纤 和多组分玻璃光纤由于成本低、制作工艺简单而被大量采用。但是由于塑料光纤和掺杂玻 璃光纤的高传输损耗(比石英光纤大两个数量级)和低损伤阈值，使它们无法应用于高端照 明传能和远程照明传能的领域。适用于照明以及传能用的光纤应有以下几个特征(1)高能量阈值，即在更细的 光纤中传输更高的光能或是在更短的时间内承受更高的峰值功率；(2)低传输损耗，即单 位长度光能的损耗低；(3)大芯径、大数值孔径，便于与输入光源耦合以及熔接。在制作光 纤的所有材料中，纯石英材料在能量阈值和传输损耗两项中，相对于聚合物或是掺杂玻璃 等有着绝对的优势。这就是说，在大功率、高能量密度或是长距离照明传能的情况下，石英 光纤几乎是唯一的选择。因此，照明传能用的石英光纤的纤芯采用纯石英材料(SiO2)为最 佳。石英光纤传输波长范围宽(从近紫外到近红外，波长从0.38-2. Ium )，所以石英光纤适 用于紫外到红外各波长能量的传输。照明传能用的石英光纤的包层可采用低折射率的有机 或无机材料来满足光导结构。目前，照明传能用光纤的技术在国内仅有一例专利文献记载，即中国电子科技 集团公司第二十三研究所的“高抗损伤传能光纤”(申请号为200910048566.0，公开号为 CN101852886A)，其中所述纤芯的材料为纯石英，包层的材料为低折射率有机聚合物。这种 采用纯石英为纤芯、有机聚合物为包层的传能光纤(通常称为软皮层石英光纤)的弯曲性能 很好。但是应用于高功率在最高耐温(仅为200° C左右)、精密度以及可靠性上还远远不 够。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是解决现有照明传能光纤的能量阈 值低、精密度低、可靠性差等问题，提供一种用于照明传能的大芯径裸石英光纤，使所制造 的光纤具有高能量阈值，较现有传能光纤能传输更高功率的光能。本发明通过以下技术方案实现一种用于照明传能的大芯径裸石英光纤，由横截 面为圆形的纤芯、包围在该纤芯外围的横截面为圆环形的包层以及包围在所述包层外围的
3横截面为圆环形的保护层构成，所述的纤芯为纯SiO2，所述的包层为低折射率的掺氟SiO2 层，所述的保护层为聚合物层，所述纤芯和包层的折射率剖面成阶梯型分布。纯石英具有理 论最大损伤阈值和低损耗，掺氟石英包层的折射率低于纤芯使所述的纤芯具有极高的数值 孔径。作为优选技术手段，所述纤芯相对于包层的折射率差D在0. 01 0. 06之间；所述 纤芯的半径为200 士 10 μ m ；所述包层的厚度为20 士 2 μ m。作为优选技术手段，所述的纤芯和包层的数值孔径为0. 2士0. 02。作为优选技术手段，所述的纤芯和包层的芯包同心度小于3 μ m。作为优选技术手段，所述的纤芯与包层构成裸石英光纤，所述裸石英光纤的直径 为220 士 20 μ m ；所述保护层的厚度为20 士 5 μ m，所述保护层的杨氏模量为1. 2 士0. IMPa ；成 品光纤的直径为240 士 20 μ m。作为优选技术手段，成品光纤在SOOnm波长下的传输损耗不大于3dB/km ；成品光 纤在1200nm波长下的传输损耗不大于2. 5dB/km。该照明传能光纤可通过下述方法制造，首先根据设计的纤芯的半径，以外部气相 沉积法(0VD法)或纵向气相沉积法(VAD法)制造符合设计要求的纯石英棒作为光纤预制棒 的芯棒，以套管法(RIC法)制造包围在芯棒外围的包层从而得到光纤预制棒，再在拉丝塔上 将该光纤预制棒拉制成裸石英光纤，该裸石英光纤经两次紫外光固化聚合物(如树脂)涂覆 形成设计尺寸的保护层；最后经一系列机械、光学和化学筛选后卷盘成为光纤成品。本发明的有益效果是通过对裸石英光纤的纤芯和包层进行合理的设计，实现了 在工艺上可行、制造流程较为简单、制造成本较为低廉，并能完全满足高功率光能传输的照 明传能光纤。该石英光纤具有大芯径(可达800微米)、大数值孔径(>0.2)、低传输损耗(在 SOOnm处损耗小于<5db/km)的特性；与以纯石英为纤芯、聚合物为包层和保护层的传能石 英光纤相比，本发明裸石英光纤的最高工作温度由原来的200° C左右提高到1600° C，且 能量阈值提高10倍以上，大大提高了石英光纤能传输的光能负荷，有望广泛地使用在远程 照明传光、激光切割制造、激光医疗等领域。
图1是本发明照明传能石英光纤的横截面示意图，其中a为纤芯，b为包层，c为保护层。图2是图1所示照明传能石英光纤的折射率剖面结构示意图，其中a为纤芯，b为 包层，c为保护层，R为纤芯的半径，Sl为包层厚度，S2为保护层厚度。图3是利用VAD法(或OVD法)结合OVD法制造光纤预制棒的示意图，其中A为芯 棒，B为掺杂石英包层。
具体实施例方式参照图1，本发明的用于照明传能的大芯径石英光纤，由横截面为圆形的纤芯a、 包围在纤芯a外围的横截面为圆环形的包层b以及包围在包层b外围的横截面为圆环形的 保护层c构成，纤芯a为纯SiO2，包层b为低折射率的掺氟SiO2层，保护层c为聚合物层， 纤芯a和包层b的折射率剖面成阶梯型分布。
本发明可以采用气相轴线沉积工艺(VAD法)或纵向气相沉积工艺(0VD法)制备得 到具有图2所示折射率剖面结构的光纤预制棒的纯石英芯棒，然后再以MCVD (也可用等离 子体化学气相沉积PCVD或其套管技术RIC等类似方法代替)技术制造掺氟石英包层，从而 制备得到光纤预制棒。具体工艺如下所述
利用VAD (或0VD)结合OVD的方法制造光纤预制棒(参见图3)参照图2根据选用套 管的尺寸计算所需芯棒的尺寸，并计算出包层折射率剖面结构的几何尺寸和折射率；采用 VAD制造纯石英芯棒并使用OVD制造掺杂石英包层，通过在喷灯的SiCl4原料中掺杂含F 气体以适当的减低包层b相对于纯石英纤芯的折射率差D，并通过沉积时间和原料流量等 参数控制包层b的沉积层尺寸制成符合设计要求的预制棒，经玻璃化炉烧结成透明的玻璃 体，即得到光纤预制棒。采用VAD (或0VD)结合RIC法制造光纤预制棒的工艺是根据选用套管的尺寸计 算所需芯棒的尺寸，并计算出包层折射率剖面结构的几何尺寸和折射率；采用上述VAD等 相同的方法制造芯棒；采用RIC技术，将芯棒的外表面和套管的内表面用一定浓度(如35%) 的氢氟酸(或其他可替代的化学试剂)清洗干净；再将芯棒一端在切割机上加工2 4个导 气槽并将芯棒插入与之匹配的外套管中；将带有芯棒的套管的两端接上石英结尾管，然后 安置在MCVD或PCVD机床上加热使套管收缩到芯棒上形成光纤预制棒。收缩过程中使套管 和芯包之间的空间保持负压，收缩时内部的空气随芯棒一端的导气槽排出。将上述制备得到的光纤预制棒在纺丝机上进行纺丝，同时涂覆两层不同硬度的聚 丙烯酸树脂形成聚合物保护层c即得该照明传能光纤。实施例1
采用VAD技术制造芯棒，OVD (或VAD)技术制造包层的工艺制造光纤预制棒。在沉积 纤芯a时，使用纯SiCl4原料，得到纯SiO2纤芯。在沉积掺氟石英包层时，在原料SiCl4中 掺杂一定量的氟使包层相对于纤芯的相对折射率(Iicrni)为0. 025。通过控制喷灯流量和 沉积时间将各层厚度控制为纤芯a的半径R=6mm ；包层b的厚度为1. 2mm。通过控制拉丝 速度、滴头温度等将裸石英光纤(由纤芯与包层制成)直径控制在220. 0 μ m ；聚合物保护层 c的涂覆厚度为20 μ m，杨氏模量为1.2 士0. IMPa;最终成品光纤直径为240.0 μ m。本实施 例光纤的各性能参数如下在SOOnm波长下的传输损耗为不大于3dB/km ；在1200nm波长下 的传输损耗为不大于2. 5dB/km ；通过对纤芯a和包层b的折射率和厚度的控制，数值孔径 达到0. 25 ；最高工作温度在比塑料包层裸石英光纤提高三倍，达到600° C以上。实施例2
采用VAD技术制造芯棒，RIC技术制造外包层的工艺制造光纤预制棒。在沉积纤芯a 时，使用纯SiCl4原料，得到纯SiO2芯棒。RIC技术制造外包层时，采用MCVD工艺把纯SiO2 纤芯插入到掺氟的套管中，为消除芯棒和套管之间的气泡和应力，在把纯石英芯棒和掺氟 石英套管烧结在一起时采取在芯棒和套管之间抽取真空的方式；通过控制喷灯流量和沉积 时间制得的纯石英纤芯a的半径R=IOmm,包层b的厚度为2mm ；通过控制拉丝速度、滴头温 度等将裸石英光纤直径控制在220. 0 μ m ；聚合物保护层c的涂覆厚度为20 μ m，杨氏模量为 1. 2 士0. IMPa ；最终成品光纤直径为240. 0 μ m。本实施例光纤的各项参数和实施例1相近， 且对包层b的控制更加精确，达到士 1 μ m。需要说明的是，上述实施例仅限于描述本发明，但本发明不只局限于上述方式，且本领域的技术人员据此可在不脱离本发明的范围内方便的进行修饰，具体实施时，可具体 选择下述技术参数，同样可达到本发明的目的纤芯相对于包层的折射率差D在0. 01 0. 06之间；纤芯的半径为200士 10 μ m;包层的厚度为20士2 μ m;纤芯和包层的数值孔径为 0. 2士0. 02 ；纤芯和包层的芯包同心度小于3 μ m ；纤芯与包层构成裸石英光纤，裸石英光纤 的直径为220 士 20 μ m ；保护层的厚度为20 士 5 μ m，保护层的杨氏模量为1. 2 士0. IMPa ；成品 光纤的直径为240士20 μ m ；成品光纤在SOOnm波长下的传输损耗不大于3dB/km ；成品光纤 在1200nm波长下的传输损耗不大于2. 5dB/km。因此本发明的范围应包括本发明所揭示的 原理和新特征的最大范围。为便于说明本发明的内容，定义如下术语 裸石英光纤，由纯石英纤芯和包层组成。纤芯即芯层，光纤中心部分，该部分是波导传输的主要载体。包层包围在纤芯外面的掺氟石英玻璃层，该部分主要起到保护纤芯的作用。保护层包围在裸石英光纤外面的树脂层。折射率差D 光纤纤芯和包层之间折射率的绝对差值与光纤纤芯和包层之间折射 率的平均值的比值，如纤芯折射率为IV包层折射率差为Ii1，则纤芯相对于包层的折射率差 D=2 Oi0-Ii1) / (rii+rio)。
权利要求
1.一种用于照明传能的大芯径石英光纤，其特征是由横截面为圆形的纤芯(a)、包围 在该纤芯(a)外围的横截面为圆环形的包层(b)以及包围在所述包层(b)外围的横截面为 圆环形的保护层(c)构成，所述的纤芯(a)为纯SiO2,所述的包层(b)为低折射率的掺氟SiO2 层，所述的保护层(c)为聚合物层，所述纤芯(a)和包层(b)的折射率剖面成阶梯型分布。
2.根据权利要求1所述的一种用于照明传能的大芯径石英光纤，其特征是所述纤芯 (a)相对于包层(b)的折射率差D在0. 01 0. 06之间；所述纤芯的半径(R)为200士 10 μ m ； 所述包层(b)的厚度(Si)为20 士 2μπι。
3.根据权利要求1所述的一种用于照明传能的大芯径石英光纤，其特征是所述的纤芯 (a)和包层(b)的数值孔径为0. 2士0. 02。
4.根据权利要求1所述的一种用于照明传能的大芯径石英光纤，其特征是所述的纤芯 (a)和包层(b)的芯包同心度小于3 μ m。
5.根据权利要求1所述的一种用于照明传能的大芯径石英光纤，其特征是所述的纤 芯(a)与包层(b)构成裸石英光纤，所述裸石英光纤的直径为220士20 μ m;所述保护层(c) 的厚度(S2)为20士5 μ m，所述保护层(c)的杨氏模量为1. 2士0. IMPa ；成品光纤的直径为 240 士 20 μ m。
6.根据权利要求1所述的一种用于照明传能的大芯径石英光纤，其特征是成品光纤 在SOOnm波长下的传输损耗不大于3dB/km ；成品光纤在1200nm波长下的传输损耗不大于 2.5dB/km。
全文摘要
本发明公开了一种用于照明传能的大芯径裸石英光纤，由横截面为圆形的纤芯、包围在该纤芯外围的横截面为圆环形的包层以及包围在所述包层外围的横截面为圆环形的保护层构成，所述的纤芯为纯SiO2，所述的包层为低折射率的掺氟SiO2层，所述的保护层为聚合物层，所述纤芯和包层的折射率剖面成阶梯型分布。纯石英具有理论最大损伤阈值和低损耗，掺氟石英包层的折射率低于纤芯使所述的纤芯具有极高的数值孔径。本发明光纤的芯径显著大于常规的光纤，其掺杂石英包层包层显著提高了照明传能光纤的能量阈值和使用范围，适用于高功率、低损耗、远距离的照明传能用途。
文档编号G02B6/02GK102109634SQ20101060665
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者吴钧, 张立永, 潘晋, 王廷红, 葛锡良 申请人:富通集团有限公司