一种能量匀化光纤及其制备方法与流程

本发明涉及光纤制造
技术领域：
，特别涉及一种能量匀化光纤及其制备方法。
背景技术：
：目前传统的清洗方式例如物理清洗、化学清洗、超声波清洗等方式只能去除物体表面的涂覆层，并且清洗效率低、清洗过程中使用的化学试剂会严重污染环境。激光清洗作为一种新兴的清洗方式，利用激光与待清洗材料的作用时产生的热能清洗污染层，具有清洁度高、对待清洗材料基本无损伤、清洁环保、清洁效率高等优点。激光清洗的光斑能量大多数是高斯分布，光斑能量过于集中，导致光斑清洗的有效面积较小。能量传输光纤，能将高斯分布的光斑能量转变为均匀分布的光斑，匀化后的光斑能大幅度提高激光清洗的效率。相关技术中，能量传输光纤结构主要有两种，一种折射率分布为阶跃型；另一种是是渐变型，两种结构中光纤的纤芯都为圆形；其中，渐变型折射率分布能起到自聚焦的作用，改善输出激光的光束质量，但是在激光清洗领域恰好需要能量较为分散的光斑，而且光束能量集中到纤芯正中间导致光纤无法承受较高的能量；阶跃型能量传输光纤无法较大程度上对光斑进行匀化。因此，有必要设计一种具有高抗损伤阈值、光斑匀化效果好的能量匀化光纤。技术实现要素：本发明实施例提供一种能量匀化光纤及其制备方法，以解决相关技术中由于光束能量集中到纤芯正中间导致光纤无法承受较高的能量，且光斑匀化程度较低的问题。第一方面，提供了一种能量匀化光纤，其包括：纤芯，所述纤芯的横截面形状为多边形，且所述纤芯横截面的相邻两个边之间设有第一倒角；第一包层，包覆于所述纤芯外。一些实施例中，所述纤芯为掺氟石英玻璃，且所述纤芯与石英玻璃的相对折射差位于-0.20％～-0.80％之间。一些实施例中，所述纤芯横截面的折射率分布为抛物线型，其分布函数为其中，n(0)为所述纤芯轴心的折射率，w为所述纤芯的直径，α为抛物线指数。一些实施例中，所述第一包层的横截面形状与所述纤芯的横截面形状对应，且所述第一包层横截面的相邻两个边之间设有第二倒角。一些实施例中，所述第一包层为掺氟石英玻璃，且所述第一包层与石英玻璃的相对折射率差位于-1.00％～-1.50％之间。一些实施例中，所述第一倒角和所述第二倒角均为圆弧形，同一横截面上，所述第一倒角的圆心位于所述第二倒角的圆心与所述纤芯的中心之间。第二方面，提供了一种上述的能量匀化光纤的制备方法，包括以下步骤：分别制备低掺氟芯棒和深掺氟套管；将所述低掺氟芯棒打磨成横截面形状为多边形，且多边形的相邻两个边之间设有第三倒角的柱体；将打磨后的所述低掺氟芯棒放入所述深掺氟套管中，并将所述低掺氟芯棒与所述深掺氟套管烧熔于一起形成预制棒；在所述预制棒外沉积外包层；将沉积完外包层的所述预制棒拉丝形成所述能量匀化光纤。一些实施例中，所述分别制备低掺氟芯棒和深掺氟套管，具体包括：采用等离子体化学气相沉积工艺制备所述低掺氟芯棒和所述深掺氟套管，并通过控制掺氟流量，使所述低掺氟芯棒横截面的折射率分布为抛物线型，并且其分布函数为其中，n(0)为所述低掺氟芯棒横截面中心处的折射率，w为所述低掺氟芯棒的直径，α为抛物线指数。一些实施例中，在将打磨后的所述低掺氟芯棒放入所述深掺氟套管中，并将所述低掺氟芯棒与所述深掺氟套管烧熔于一起形成预制棒之后，还包括：将所述预制棒打磨成横截面形状与所述低掺氟芯棒打磨后的横截面形状对应，且打磨后，所述预制棒横截面的相邻两个边之间设有第四倒角。一些实施例中，所述低掺氟芯棒与石英玻璃的相对折射差位于-0.20％～-0.80％之间；所述深掺氟套管与石英玻璃的相对折射率差位于-1.00％～-1.50％之间。本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：本发明实施例提供了一种能量匀化光纤及其制备方法，由于将所述纤芯的横截面形状设计为多边形，破坏了所述纤芯横截面的圆对称结构，使光线在所述纤芯内部处于混沌的状态，从而可以激发更多高阶模式，各高阶模之间的模式耦合更强烈，使所述纤芯中心处的能量能够分散到周边，从而达到匀化光斑的效果，而在相邻两个边之间设置所述第一倒角也能够进一步破坏所述纤芯横截面的圆对称结构，可以激发更多高阶模式，进一步增强光纤的匀化光斑的能力；且相邻两个边之间设有所述第一倒角，使相邻两个边之间的转折较平缓，所述纤芯在与所述第一包层组装成一体时会接触的更紧密，且在所述光纤的制备过程中，所述纤芯与所述第一包层之间不易产生气泡，从而可以提升所述光纤的质量。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的一种能量匀化光纤的横截面的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种能量匀化光纤的立体结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种能量匀化光纤的纤芯横截面的折射率分布示意图；图4为本发明实施例提供的一种能量匀化光纤的制备方法流程图。图中：1、纤芯；2、第一包层；3、第二包层；4、内涂层；5、外涂层；r1、第一倒角；r2、第二倒角。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。本发明实施例提供了一种能量匀化光纤及其制备方法，其能解决相关技术中由于光束能量集中到纤芯正中间导致光纤无法承受较高的能量，且光斑匀化程度较低的问题。参见图1所示，为本发明实施例提供的一种能量匀化光纤，其包括：纤芯1，及包覆于所述纤芯1外的第一包层2。参见图1和图2所示，在一些实施例中，所述纤芯1可以是由石英掺氟制成的玻璃，所述纤芯1的横截面形状可以为多边形的结构，且优选正多边形，比如正方形、正六边形、正八边形等，采用多边形的结构破坏了所述纤芯1横截面的圆对称结构，使光线在所述纤芯1内部处于混沌的状态，从而可以激发更多高阶模式，各高阶模之间的模式耦合更强烈，使所述纤芯中心处的能量能够分散到周边，从而达到匀化光斑的效果；所述纤芯1横截面的相邻两个边之间的拐角处可以设有第一倒角r1，所述第一倒角r1优选为圆弧形，使所述第一倒角r1可以与其相邻的两个边能够圆滑相接，由于在所述纤芯1横截面的相邻两个边之间设有所述第一倒角r1，能够进一步破坏所述纤芯1横截面的圆对称结构，可以激发更多高阶模式，进一步增强光纤的匀化光斑的能力；并且使相邻两个边之间的转折较平缓，在相邻两个边之间的拐角处并非是直角的棱，所述纤芯1在与所述包层制造成一体时会接触的更紧密，所述纤芯1与所述包层之间不易产生气泡，从而可以提升所述能量匀化光纤的质量；并且，在同一横截面上，所述第一倒角r1的圆心可以不与所述纤芯1的中心重合，能够进一步破坏圆对称结构。参见图3所示，在一些可选的实施例中，所述纤芯1可以为掺氟石英玻璃，且所述纤芯1与石英玻璃的相对折射差可以位于-0.20％～-0.80％之间，可以增强光纤的匀化效果，所述纤芯1横截面的折射率分布可以为抛物线型，其分布函数具体可以为：其中，n(0)为所述纤芯1轴心位置处的折射率，w为所述纤芯1的直径(也就是，所述纤芯1横截面上经过其轴心的最大长度)，α为抛物线指数，其值可以为2、4、6或者8，将所述纤芯1横截面的折射率分布控制为抛物线型，可以减少所述纤芯1中的自聚焦效应，使所述纤芯1中心点的能量明显下降，避免所述纤芯1轴心处能量过于集中，起到能量匀化的作用，从而可以提高整个所述能量匀化光纤的损伤阀值。参见图1和图2所示，在一些实施例中，所述第一包层2也可以是由石英掺氟制成的玻璃，且所述第一包层2与石英玻璃的相对折射差可以位于-1.00％～-1.50％之间，可以增强光纤的匀化效果，且所述第一包层2的折射率可以是均匀分布的，所述第一包层2的横截面形状可以为与所述纤芯1的横截面对应的多边形结构，由于在所述能量匀化光纤弯曲的过程中，光会泄露到所述第一包层2中，增加掺氟制成的所述第一包层2后，能起到限光的作用，从而可以增强所述能量匀化光纤的抗弯曲性能；且所述第一包层2横截面的相邻两个边之间设有第二倒角r2，所述第二倒角r2优选为圆弧形，使所述第二倒角r2可以与其相邻的两个边能够圆滑相接，由于所述第一包层2横截面的相邻两个边之间设有所述第二倒角r2，能够进一步破坏所述第一包层2横截面的圆对称结构，可以进一步增强光纤的匀化光斑的能力；同时也方便批量生产，保证批次间的一致性，并且，在同一横截面上，所述第二倒角r2的圆心也可以不与所述纤芯1的中心重合，所述第一倒角r1的圆心可以位于所述第二倒角r2的圆心与所述纤芯1的中心之间，能够进一步破坏圆对称结构。参见图1和图2所示，在一些可选的实施例中，所述能量匀化光纤还可以包括包覆于所述第一包层2外的第二包层3，所述第二包层3可以为纯硅包层，且所述第二包层3的横截面可以为圆形，由于增设了所述第二包层3，增强了所述能量匀化光纤的限光作用和所述能量匀化光纤的强度，同时圆形的所述第二包层3易于熔接；并且由于所述第一包层2设有所述第二倒角r2，使相邻两个边之间的转折较平缓，在相邻两个边之间的拐角处并非是直角的棱，所述第一包层2在与所述第二包层3制造成一体时会接触的更紧密，所述第一包层2与所述第二包层3的接触面之间不易产生气泡，从而可以提升所述能量匀化光纤的质量。参见图1所示，在一些可选的实施例中，所述能量匀化光纤进一步还可以包括包覆于所述第二包层3外的涂层，所述涂层可以是在进行拉丝形成所述能量匀化光纤的过程中进行涂覆的，所述涂层可以包括低折射率的内涂层4，其材料可以是聚丙烯酸树脂，所述内涂层4较软且其折射率优选为1.390，可以起到限光的作用，以及包覆于所述内涂层4外的外涂层5，所述外涂层5材料也可以是聚丙烯酸树脂，起到增强所述能量匀化光纤的强度、柔韧性，以及保护支撑的作用。参见图4所示，为本发明实施例提供的一种能量匀化光纤的制备方法，其包括以下步骤：s401：分别制备低掺氟芯棒和深掺氟套管。在一些可选的实施例中，于步骤s401中，所述分别制备低掺氟芯棒和深掺氟套管，具体可以包括：可以采用等离子体化学气相沉积(pcvd)工艺将氟掺入石英玻璃中制成圆柱体的所述低掺氟芯棒，使所述低掺氟芯棒与石英玻璃的相对折射差位于-0.20％～-0.80％之间；并且，在采用pcvd工艺掺氟的过程中，可以通过控制每趟掺氟的流量，精确控制所述纤芯1横截面的折射率为抛物线型，且其折射率分布函数为其中，n(0)为所述低掺氟芯棒轴心处的折射率，w为所述低掺氟芯棒的直径，α为抛物线指数，其值可以为2、4、6或者8；并且，可以采用等离子体化学气相沉积(pcvd)工艺将氟掺入石英玻璃中制备圆柱体的所述深掺氟套管，使所述深掺氟套管与石英玻璃的相对折射率差位于-1.00％～-1.50％之间。s402：将所述低掺氟芯棒打磨成横截面形状为多边形，且多边形的相邻两个边之间设有第三倒角的柱体。在一些可选的实施例中，于步骤s402中，所述将所述低掺氟芯棒打磨成横截面形状为多边形，且多边形的相邻两个边之间设有第三倒角的柱体，具体可以包括：将圆柱体的所述低掺氟芯棒安装在精密数控机床上，并对圆柱体的所述低掺氟芯棒进行打磨，使其形成横截面为多边形的柱体，且横截面的相邻两个边之间设有所述第三倒角，所述第三倒角的半径取值范围可以为5-50mm，也就是说，打磨后，所述低掺氟芯棒横截面上的每一个边均沿所述低掺氟芯棒的长度方向延伸成所述低掺氟芯棒的一个侧面，相邻两个侧面之间为圆滑的倒角相接。s403：将打磨后的所述低掺氟芯棒放入所述深掺氟套管中，并将所述低掺氟芯棒与所述深掺氟套管烧熔于一起形成预制棒。在一些实施例中，于步骤s403中，所述将打磨后的所述低掺氟芯棒放入所述深掺氟套管中，并将所述低掺氟芯棒与所述深掺氟套管烧熔于一起形成预制棒，具体可以包括：将加工好的所述低掺氟芯棒放入所述深掺氟套管中，在mcvd(改进的化学气相沉积法)装置上通过氢氧火焰(氢气和氧气燃烧)加热将所述低掺氟芯棒与所述深掺氟套管烧熔在一起。在一些实施例中，于步骤s403之后，在将打磨后的所述低掺氟芯棒放入所述深掺氟套管中，并将所述低掺氟芯棒与所述深掺氟套管烧熔于一起形成预制棒之后，可以将所述预制棒进行冷却后打磨成横截面形状与所述低掺氟芯棒打磨后的横截面形状对应，即均为多边形结构，并且打磨后，所述预制棒横截面的相邻两个边之间设有第四倒角，所述第四倒角优选为圆弧形，且所述第四倒角的半径取值范围为5-75mm。s404：在所述预制棒外沉积外包层。在一些可选的实施例中，于步骤s404中，所述在所述预制棒外沉积外包层，具体可以包括：将打磨后的所述预制棒放在ovd设备上沉积所述外包层，所述外包层可以为纯硅包层，沉积完后将外表面打磨、抛光。s405：将沉积完外包层的所述预制棒拉丝形成所述能量匀化光纤。在一些实施例中，于步骤s405中，所述将沉积完外包层的所述预制棒拉丝形成所述能量匀化光纤，具体可以包括：将沉积完所述外包层的所述预制棒放置在光纤拉丝塔上，在熔融状态下将所述预制棒拉丝成预定尺寸的所述能量匀化光纤，并且在拉丝的同时，可以在所述预制棒的表面先后涂覆两层涂层，所述预制棒经过拉丝之后，横截面为多边形的所述低掺氟芯棒形成所述纤芯1，且所述第三倒角对应形成所述第一倒角r1，横截面为多边形的所述深掺氟套管形成所述第一包层2，且所述第四倒角对应形成所述第二倒角r2，所述外包层对应形成所述第二包层3，在拉丝过程中涂覆的两层涂层分别对应形成所述能量匀化光纤的所述内涂层4和所述外涂层5。在其中一个实施例中，首先采用pcvd工艺制备圆柱体的所述低掺氟芯棒，圆柱体的所述低掺氟芯棒的直径为25mm，且其轴心处的最大掺氟深度为-0.5％，通过控制每趟掺f流量，精确控制所述低掺氟芯棒横截面的折射率为抛物线型，并且，在打磨时，将所述低掺氟芯棒打磨成横截面为17.5*17.5mm的长方体，且此时第三倒角的半径为5mm；然后采用pcvd工艺制备所述深掺氟套管，所述深掺氟套管掺杂深度为-1.0％，且所述深掺氟套管的内径为18.0mm，外径为25mm，然后将打磨后的所述低掺氟芯棒放入所述深掺氟套管中，并在氢氧火焰下烧熔在一起形成所述预制棒，经过冷却后进行打磨处理；然后再采用ovd技术制备纯硅包层，并对纯硅包层进行打磨处理，最后将设有纯硅包层的所述预制棒进行拉丝，制备出的所述能量匀化光纤的关键指标如表1：表1抛物线指数α2纤芯边长50um第一倒角r1的半径16um第一包层边长70um纤芯轴心处数值孔径0.14um第二包层数值孔径0.46um第二包层直径250um纤芯与第二包层的同心度1.5um光纤衰减1.75db/km(@1200nm)在另一个实施例中，首先采用pcvd工艺制备圆柱体的所述低掺氟芯棒，圆柱体的所述低掺氟芯棒的直径为25mm，且其轴心处的最大掺氟深度为-0.8％，通过控制每趟掺f流量，精确控制所述低掺氟芯棒横截面的折射率为抛物线型，并且，在打磨时，将所述低掺氟芯棒打磨成横截面为17.5*17.5mm的长方体，且此时第三倒角的半径为5mm；然后采用pcvd工艺制备所述深掺氟套管，所述深掺氟套管掺杂深度为-1.5％，且所述深掺氟套管的内径为18.0mm，外径为25mm，然后将打磨后的所述低掺氟芯棒放入所述深掺氟套管中，并在氢氧火焰下烧熔在一起形成所述预制棒，经过冷却后进行打磨处理；然后再采用ovd技术制备纯硅包层，并对纯硅包层进行打磨处理，最后将设有纯硅包层的所述预制棒进行拉丝，制备出的所述能量匀化光纤的关键指标如表1：表2抛物线指数α4纤芯边长100um第一倒角r1的半径30um第一包层边长140um纤芯轴心处数值孔径0.17um第二包层数值孔径0.46um第二包层直径250um纤芯与第二包层的同心度1.3um光纤衰减1.95db/km(@1200nm)在其他实施例中，可以首先采用pcvd工艺制备圆柱体的所述低掺氟芯棒，圆柱体的所述低掺氟芯棒的直径为30mm，且其轴心处的最大掺氟深度为-0.2％，通过控制每趟掺f流量，精确控制所述低掺氟芯棒横截面的折射率为抛物线型，并且，在打磨时，将所述低掺氟芯棒打磨成横截面为21.0*21.0mm的长方体，且此时第三倒角的半径为5.5mm；然后采用pcvd工艺制备所述深掺氟套管，所述深掺氟套管掺杂深度为-1.5％，且所述深掺氟套管的内径为25.0mm，外径为30mm，然后将打磨后的所述低掺氟芯棒放入所述深掺氟套管中，并在氢氧火焰下烧熔在一起形成所述预制棒，经过冷却后进行打磨处理；然后再采用ovd技术制备纯硅包层，并对纯硅包层进行打磨处理，最后将设有纯硅包层的所述预制棒进行拉丝，制备出的所述能量匀化光纤的关键指标如表1：表3抛物线指数α4纤芯边长250um第一倒角r1的半径62um第一包层边长350um纤芯轴心处数值孔径0.235um第二包层数值孔径0.46um第二包层直径450um纤芯与第二包层的同心度1.8um光纤衰减2.35db/km(@1200nm)本发明实施例提供的一种能量匀化光纤及其制备方法：由于将所述纤芯1的横截面形状设计为多边形，破坏了所述纤芯1横截面的圆对称结构，使光线在所述纤芯1内部处于混沌的状态，从而可以激发更多高阶模式，各高阶模之间的模式耦合更强烈，使所述纤芯中心处的能量能够分散到周边，从而达到匀化光斑的效果，而在相邻两个边之间设置所述第一倒角r1也能够进一步破坏所述纤芯1横截面的圆对称结构，可以激发更多高阶模式，进一步增强光纤的匀化光斑的能力；且相邻两个边之间设有所述第一倒角r1，使相邻两个边之间的转折较平缓，所述纤芯1在与所述包层组装成一体时会接触的更紧密，且在所述能量匀化光纤的制备过程中，所述纤芯1与所述包层之间不易产生气泡，从而可以提升所述能量匀化光纤的质量。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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的限制。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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。当前第1页12