一种以激光作为加热源的光纤拉制装置及光纤拉制方法与流程

本发明属于光纤拉制装置技术领域，尤其涉及一种以激光作为加热源的光纤拉制装置及光纤拉制方法。

背景技术：

传统掺杂石英光纤拉制装置的加热源主要为石墨炉，工艺成熟，温度稳定且容易控制。但是，将石墨炉光纤拉制装置应用到半导体芯光纤的制备后，效果并不理想，主要表现为温区过长、纤芯容易被氧化、芯包比不稳定，从而导致光纤的传输性能较差。随着大功率激光技术的发展，利用激光作为光纤拉丝的加热源，具有作用时间短、作用区域小、过程可直接观测、不易有杂质等优点。因此，将激光拉丝系统用于半导体芯光纤的制备中，由于改善石墨炉加热方式不易观测、温区过长等技术问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种以激光作为加热源的光纤拉制装置及光纤拉制方法。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供一种以激光作为加热源的光纤拉制装置，所述光纤拉制装置包括加热箱和激光器；

加热箱：所述加热箱之上设置有输入口和输出口，所述输入口与输出口之间设置有激光传播路径，沿着激光传播方向，所述激光传播路径之中依次并列部署有光环转换镜组、光环传播镜组、光斑汇聚镜组，所述光环转换镜组、光环传播镜组、光斑汇聚镜组，均安装于所述加热箱以内，所述加热箱输出口还用于放置预制棒，所述预制棒作为用于拉制光纤的原料；

光环转换镜组：所述光环转换镜组用于接收来自于所述激光输入路径的激光束，并将该激光束转换为封闭的环形光环；

光环传播镜组：所述光环传播镜组用于接收来自于所述光环转换镜组的光环并使光环传播至所述光斑汇聚镜组；

光斑汇聚镜组：所述光斑汇聚镜组用于接收来自于所述光环传播镜组的光环并使光环汇聚照射至放置于所述加热箱输出口处的预制棒端部，并在所述预制棒端部形成光斑；

激光器：所述激光器部署于所述加热箱外部并且对准所述输入口，所述激光器与输入口之间形成激光输入路径，所述激光器用于生成激光束，并通过所述激光输入路径使激光束传播至所述光环转换镜组。

沿着激光传播方向，所述激光输入路径之中依次并列部署有光闸、衰减器和扩束镜。

所述光环转换镜组包括迎立设置于所述激光束传播方向中心的锥面镜和部署于所述锥面镜周边的锥孔镜a，所述锥面镜外表面与所述锥孔镜a内壁彼此相对对置。

所述光环传播镜组包括安装于所述加热箱以内的平面镜，所述输出口设置于所述加热箱的顶面，所述输入口设置于所述加热箱的右侧面，平面镜相对于水平面的倾角为45°，所述输入口、输出口均对准所述平面镜。

所述光斑汇聚镜组包括环绕设置于所述加热箱输出口周围的锥孔镜b。

所述加热箱底部和顶部还分别连接有保护气体输入装置和保护气体输出装置，所述保护气体输入装置用于向所述加热箱以内输送保护气体，所述保护气体输出装置用于将加热箱以内的保护气体抽取出所述加热箱以外。

此外，本发明还提供了一种使用所述以激光作为加热源的光纤拉制装置的光纤拉制方法，包括以下步骤：

步骤一：准备预制棒；

步骤二：将预制棒插装入所述输出口处，开启所述激光器，使激光束经过所述激光输入路径的传播之后由所述加热箱输入口送入光环转换镜组，通过所述光环转换镜组将所述激光束转换为封闭的环形光环；

步骤三：通过所述光环传播镜组接收来自于所述光环转换镜组的光环并使光环传播至所述光斑汇聚镜组；

步骤四：通过所述光斑汇聚镜组接收来自于所述光环传播镜组的光环并使光环汇聚照射至放置于所述加热箱输出口处的预制棒端部，并在所述预制棒端部形成光斑，通过光斑对所述预制棒端部进行加热，使所述预制棒表面温度达到软化临界温度；

步骤五：当所述预制棒表面温度达到软化临界温度时，保持所述预制棒表面温度恒定并对所述预制棒进行持续加热，使所述预制棒端部材料持续软化坠落形成光纤。

所述光纤拉制方法还包括：在进行步骤二至步骤五的同时，向所述加热箱以内送入保护气体，并同时将保护气体由所述加热箱以内抽取出来，使保护气体在所述加热箱以内保持流动。

步骤四中所述预制棒软化临界温度为1200℃至1600℃。

所述预制棒的材质为石英。

本发明的有益效果在于：采用本发明的技术方案，通过将二氧化碳激光器产生的激光束经过锥面镜、锥孔镜a的反射形成封闭的环形光环之后，然后经过平面镜的反射传播，再通过锥孔镜b汇聚照射至预制棒的端部表面形成光斑，通过光斑对预制棒表面进行加热，由于最终形成的光斑将激光束中携带的能量汇聚在一起，从而使激光束中携带的能量能够有效利用于对预制棒端部进行加热，加热效率更高，且对预制棒表面的加热更加均匀，使最终拉制形成的光纤处处均匀，提升了光纤拉制质量，此外，采用本发明提供的光纤拉制装置，光纤拉制装置结构简单，安装和维护方便，通过在光纤拉制过程中向加热箱以内送入保持流动中的保护气体，可以有效防止二氧化硅等杂质气化后附着在预制棒的表面，进一步提升了光纤拉制质量。

附图说明

图1是本发明以激光作为加热源的光纤拉制装置的结构示意图；

图2是本发明锥面镜、锥孔镜a、平面镜和锥孔镜b的部署结构爆炸视图；

图3是本发明保护气体输入装置的结构示意图。

图中：1-激光器，2-光闸，3-衰减器，4-扩束镜，5-锥面镜，6-锥孔镜a，7-平面镜，8-锥孔镜b，9-保护气体输出装置，10-保护气体输入装置，11-预制棒，12-预制棒熔融区，13-光纤，14-激光束，16-丝径检测仪，17-加热箱，18-送棒装置，19-预热装置，20-温度探测器。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1所示，本发明提供一种以激光作为加热源的光纤拉制装置，包括加热箱17和激光器1；

加热箱17：加热箱17之上设置有输入口和输出口，输入口与输出口之间设置有激光传播路径，沿着激光传播方向，激光传播路径之中依次并列部署有光环转换镜组、光环传播镜组、光斑汇聚镜组，光环转换镜组、光环传播镜组、光斑汇聚镜组，均安装于加热箱17以内，加热箱17输出口还用于放置预制棒11，预制棒11作为用于拉制光纤的原料；

光环转换镜组：光环转换镜组用于接收来自于激光输入路径的激光束，并将该激光束转换为封闭的环形光环；

光环传播镜组：光环传播镜组用于接收来自于光环转换镜组的光环并使光环传播至光斑汇聚镜组；

光斑汇聚镜组：光斑汇聚镜组用于接收来自于光环传播镜组的光环并使光环汇聚照射至放置于加热箱17输出口处的预制棒11端部，并在预制棒11端部形成光斑；

激光器1：激光器1部署于加热箱17外部并且对准输入口，激光器1与输入口之间形成激光输入路径，激光器用于生成激光束，并通过激光输入路径使激光束传播至光环转换镜组。

采用本发明的技术方案，通过将二氧化碳激光器产生的激光束经过锥面镜、锥孔镜a的反射形成封闭的环形光环之后，然后经过平面镜的反射传播，再通过锥孔镜b汇聚照射至预制棒的端部表面形成光斑，通过光斑对预制棒表面进行加热，由于最终形成的光斑将激光束中携带的能量汇聚在一起，从而使激光束中携带的能量能够有效利用于对预制棒端部进行加热，加热效率更高，且对预制棒表面的加热更加均匀，使最终拉制形成的光纤处处均匀，提升了光纤拉制质量，此外，采用本发明提供的光纤拉制装置，光纤拉制装置结构简单，安装和维护方便，通过在光纤拉制过程中向加热箱以内送入保持流动中的保护气体，可以有效防止二氧化硅等杂质气化后附着在预制棒的表面，进一步提升了光纤拉制质量。

进一步地，沿着激光传播方向，激光输入路径之中依次并列部署有光闸2、衰减器3和扩束镜4。

如图2所示，光环转换镜组包括迎立设置于激光束传播方向中心的锥面镜5和部署于锥面镜5周边的锥孔镜a6，锥面镜5表面与锥孔镜a6内壁表面彼此相对对置。优选锥面镜5的材质均为铜。锥孔镜a6的材质均为铜。采用本发明的技术方案，激光束依次经过锥面镜5和锥孔镜a6的反射之后形成圆环形光环，将激光束转换为光环之后，光环中携带的能量较为分散，从而减少了在光环传播过程中的能量损失，为后面的将光环中的所有能量集中在一起对预制棒进行加热，提高加热效率奠定了基础。

光环传播镜组包括安装于加热箱17以内的平面镜7，输出口设置于加热箱17的顶面，输入口设置于加热箱17的右侧面，平面镜7相对于水平面的倾角为45°，输入口、输出口均对准平面镜7。光斑汇聚镜组包括环绕设置于加热箱17输出口周围的锥孔镜b8。锥孔镜b8的材质均为铜。平面镜7之上可设置于激光光环中心孔相同大小的镂空孔，以减少装置本身的重量，降低平面镜7的制造成本，同时避免激光光环在传播过程中出现紊乱，采用本发明的技术方案，通过锥孔镜b8将光环汇聚照射至预制棒端部表面形成光斑，优选光斑直径小于13mm，光斑将光环中携带的能量汇聚在一起，使预制棒端部表面能够迅速加热至软化临界温度，提高了加热效率和光纤拉制效率。

此外，如图3所示，加热箱17底部和顶部还分别连接有保护气体输入装置10和保护气体输出装置9，保护气体输入装置10用于向加热箱17以内输送保护气体，保护气体输出装置9用于将加热箱17以内的保护气体抽取出加热箱17以外。优选激光器1是二氧化碳激光器。优选通过二氧化碳激光器形成的激光束直径为13mm，该激光束经过激光输入路径传播之后形成直径为26mm的激光束。

此外，本发明还提供了一种使用以激光作为加热源的光纤拉制装置的光纤拉制方法，包括以下步骤：

步骤一：准备预制棒11；优选预制棒11的材质为石英。

步骤二：将预制棒11插装入输出口处，开启激光器1，使激光束经过激光输入路径的传播之后由加热箱17输入口送入光环转换镜组，通过光环转换镜组将激光束转换为封闭的环形光环；

步骤三：通过光环传播镜组接收来自于光环转换镜组的光环并使光环传播至光斑汇聚镜组；

步骤四：通过光斑汇聚镜组接收来自于光环传播镜组的光环并使光环汇聚照射至放置于加热箱17输出口处的预制棒11端部，并在预制棒11端部形成光斑，通过光斑对预制棒11端部进行加热，使预制棒11表面温度达到软化临界温度；步骤四中预制棒11软化临界温度为1200℃至1600℃。

步骤五：当预制棒11表面温度达到软化临界温度时，保持预制棒11表面温度恒定并对预制棒11进行持续加热，使预制棒11端部材料持续软化坠落形成光纤。

进一步地，在进行步骤二至步骤五的同时，向加热箱17以内送入保护气体，并同时将保护气体由加热箱17以内抽取出来，使保护气体在加热箱17以内保持流动。

采用本发明的技术方案，通过将二氧化碳激光器产生的激光束经过锥面镜、锥孔镜a的反射形成封闭的环形光环之后，然后经过平面镜的反射传播，再通过锥孔镜b汇聚照射至预制棒的端部表面形成光斑，通过光斑对预制棒表面进行加热，由于最终形成的光斑将激光束中携带的能量汇聚在一起，从而使激光束中携带的能量能够有效利用于对预制棒端部进行加热，加热效率更高，且对预制棒表面的加热更加均匀，使最终拉制形成的光纤处处均匀，提升了光纤拉制质量，此外，采用本发明提供的光纤拉制装置，光纤拉制装置结构简单，安装和维护方便，通过在光纤拉制过程中向加热箱以内送入保持流动中的保护气体，可以有效防止二氧化硅等杂质气化后附着在预制棒的表面，进一步提升了光纤拉制质量。

实施例一：

预制棒11材质选择为玻璃，玻璃的主要成分为二氧化硅，在拉制常规的玻璃光纤时，由于二氧化硅的粘度系数比较高，并且玻璃的软化温度在1200℃左右，通过采用本发明提供的光纤拉制装置和光纤拉制方法，利用激光直接加热的方式，为便于进行比较，实施例一在实施时，关闭保护气体输入装置、保护气体输出装置9以及预热装置19，将直径为6mm的玻璃棒固定在拉丝塔顶端，由送棒装置18将预制棒送至激光加热区，打开激光器1和光闸2。激光经反射镜组后均匀分布在玻璃棒表面，激光会玻璃层很短的一段距离被完全吸收。逐渐增大功率至180w，保持此功率，直到玻璃棒在重力的作用下变形，在加热区的玻璃棒半径逐渐减小，玻璃棒的锥区形成，将得到的光纤放入引丝轮，由引丝轮以一定的速度进行拉丝，控制送棒速度和引丝速度，最后以稳定的状态进行拉丝制成玻璃光纤。

实施例二：

预制棒11材质选择为石英，采用本发明提供的光纤拉制装置和光纤拉制方法，由于石英的软化温度较高，在1600℃左右。因此采用先预热后进行激光加热的方式。取直径为6mm的掺杂石英预制棒11，将预制棒11固定在加热箱顶端，先将预制棒11送至预热装置19中，经预热后，将预制棒11送至激光加热区，此时，打开激光器1和光闸2，逐渐增加激光功率至220w，保持此功率。由于激光功率较大，预制棒11锥区形成后半径较小，导致部分区域产生气化现象，因此在拉制之前需要打开气氛保护装置，往镜片组内通入保护气体，通过产生一个局部的气体循环驱走气化的二氧化硅，防止二氧化硅附着在预制棒11上。引丝过程：可以在激光加热区以下留一段，在重力作用下自然落下，完成引丝。然后将光纤放入引丝轮，并设置送棒速度为2mm/min，收丝速度为4.6m/min，经过一段时间后会进行稳定的拉丝最终制成石英光纤。

实施例三：

预制棒11材质选择为纯锗，取直径为6mm的石英棒，石英棒底端为实芯，上端为直径1mm的空芯，在石英棒中放入直径1mm的锗棒。将锗芯预制棒11固定在加热箱顶端，经预热装置19预热后，将预制棒11送至激光加热区。打开激光器1和光闸2，并打开气氛保护装置。逐渐增加激光功率至220w。引丝过程与实例二相同。激光加热区较短，所以预制棒11可以在短时间内离开加热区，减少气化和芯层材料的扩散。整个过程中锗芯层都是处于一个较为稳定的状态，因此锗芯光纤在拉制过程中可以保持比较好的形态，大大的提高了锗芯光纤的拉制质量。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。