晶体结构大功率光纤的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种晶体结构大功率光纤，它属于光纤信息传输领域和光纤传感领域技术，其特征在于它包括超纯石英玻璃芯、环绕在超纯石英玻璃芯周围的晶体包层和掺氟的外包层管以及设置外包层管的管壁外表面的有机树脂保护涂层构成；所述的晶体包层由围绕排列在超纯石英玻璃芯周围的多根晶体单元管构成；在所述的超纯石英玻璃芯和晶体包层之间的空隙中填充有高纯氧气或高纯氮气。本发明具有超大的数值孔径，因此大幅度降低了光纤的弯曲附加衰耗、大幅度减少了包层模向保护涂层中泄漏，及提高了光纤的传输效率又保证了传输大功率激光和超大激光功率的可靠性、安全性。
【专利说明】晶体结构大功率光纤
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种晶体结构大功率光纤，它属于光纤信息传输领域和光纤传感领域技术，特别是大功率光纤【技术领域】。
【背景技术】
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[0002]晶体结构光纤(Photonic Crystal Fibers - PCFs)是在九十年代初提出的一个新概念，基于晶体结构光纤卓越的传输性能，如:超大的饱和功率、极低的色散、覆盖很宽的传输波长，和卓越的传感性能，如:克尔效应(Kerr effect)能够>50 ;温度瞬变响应(Temperature transients)接近6.5 ;法拉第磁光响应系数(Faraday effect) >10 等，引起了光纤信息传输领域和光纤传感领域的极大兴趣。但是由于晶体结构光纤的制造的工艺技术难度很大，所以至今无论国内或国际仍徘徊在实验室样品阶段，市场上还没有规模化生产的晶体光纤产品出现。
[0003]传统结构的光纤无论是光纤芯掺杂还是包层掺杂其传输的饱和功率和传输光的波长范围都受掺杂材料限制，因此传输饱和功率密度较低、传输波长范围相对较窄。
[0004]作为单纯传输激光功率的介质，数值孔径除了影响光注入的耦合效率外，还直接影响光纤的使用性能，光在光纤内传输过程中除了包层模之外还会有部分光能量沿途不断向光纤包层中渗透尤其在光纤发生弯曲时，如果光纤数值孔径不足够大，渗透进包层中的光能量以及包层模能量大部分会泄漏进入光纤的保护涂层，被保护涂层吸收。一旦需要光纤的传输能量达到数千瓦甚至数十千瓦时，一点点微小的渗透就会导致包层和保护涂层严重发热直至被烧毁。因而传统结构的光纤数值孔径不足够大，传输大功率激光光纤自身容易被烧毁。
【发明内容】
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[0005]本发明的目的在于提供一种结构简单，传输效率高、传输安全性和可靠性高，且生产成本较低的晶体结构大功率光纤。
[0006]本发明的目的是这样实现的:
[0007]一种晶体结构大功率光纤，其特征在于它包括超纯石英玻璃芯、环绕在超纯石英玻璃芯周围的晶体包层和掺氟的外包层管以及设置外包层管的管壁外表面的有机树脂保护涂层构成；所述的晶体包层由围绕排列在超纯石英玻璃芯周围的多根晶体单元管构成；在所述的超纯石英玻璃芯和晶体包层之间的空隙中填充有高纯氧气或高纯氮气。
[0008]所述的超纯石英玻璃芯为金属氧化物杂质总含量低于0.5ppm,轻基含量(OH)约
0.2ppm,气泡、气线含量接近零，传输效率>98%的超纯石英玻璃芯。
[0009]所述的晶体单元管为石英玻璃毛细管。
[0010]所述的石英玻璃毛细管为超高纯的光纤级石英玻璃毛细管。
[0011]所述的掺氟外包层管为掺氟石英玻璃管，所述的掺氟石英玻璃管的折射率与石英玻璃毛细管的折射率差Λ?0.009。
[0012]所述的晶体结构大功率光纤传输波长覆盖范围:0.4 μ m?1.6 μ m。传输功率密度:>10kw/mm2。
[0013]所述的晶体包层由围绕排列在超纯石英玻璃芯的多根晶体单元管构成的一层结构的晶体包层。
[0014]所述的晶体包层由围绕排列在超纯石英玻璃芯周围的多根晶体单元管构成的多层结构的晶体包层。
[0015]所述的有机树脂保护涂层为有机硅橡胶光纤涂料或丙烯酸树脂光纤涂料或聚酰亚胺光纤涂料。
[0016]在所述的超纯石英玻璃芯和晶体包层之间的空隙中填充有纯净、分子量较低的特选气体，所述的特选气体的占空比例不低于60 %。
[0017]本发明具有超大的数值孔径，因此大幅度降低了光纤的弯曲附加衰耗、大幅度减少了包层模向保护涂层中泄漏，及提高了光纤的传输效率又保证了传输大功率激光和超大激光功率的可靠性、安全性。
【专利附图】
【附图说明】
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[0018]图1为本发明的截面结构示意图
[0019]图2为本发明的传输原理图
[0020]图3为本发明的测试系统图
[0021]图4为本发明显示数值孔径的被测光斑图
[0022]图5为本发明实施例2的截面结构示意图
【具体实施方式】
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[0023]下面结合附图1、图2、图3、图4和图5，对本发明进行进一步的说明:
[0024]实施例1，如图1中所示:
[0025]在本实施例中，本发明包括超纯石英玻璃芯1、环绕在超纯石英玻璃芯I周围的晶体包层2和掺氟的外包层管3以及设置外包层管3的管壁外表面的有机树脂保护涂层4构成；所述的晶体包层2由围绕排列在超纯石英玻芯I周围的多根晶体单元管构成；在所述的超纯石英玻璃芯I和晶体包层2之间的空隙中填充有纯净、分子量较低的特选气体，如高纯氧气或高纯氮气。在本实施例中，所述的晶体包层由围绕排列在超纯石英玻璃芯的多根晶体单元管构成的一层结构的晶体包层，也就是指围绕在超纯石英玻芯I周围的多根晶体单元管构成了单层的晶体包层。所述的纯净、分子量较低的特选气体高纯氧气或高纯氮气占空比例不低于60%。
[0026]在本实施例中，所述的有机树脂保护涂层为有机硅橡胶光纤涂料或丙烯酸环氧光纤涂料。
[0027]有上述结构可以总结为:本发明内芯是超纯石英玻璃芯，超纯石英玻璃芯外包裹着一层由多根晶体单元管构成的晶体包层，在所述的晶体包层外套有一掺氟外包层管，在掺氟外包层管的外表面的涂敷了有机树脂保护涂层。
[0028]在本实施例中，采用了超大几何尺寸的超高纯的石英玻璃芯。原材料中金属氧化物含量，Li ；Na；K ；Mg ；Ca ；Fe ；Cu ；Cr ；Mn ；Ti ；A1 ;Zr都低于测试仪器的探测灵敏度，所以称作“超化学分析纯”也称超高纯，金属氧化物杂质总含量低于0.5ppm，羟基含量(OH)0.2ppm，气泡、气线含量接近零，确保了光纤芯最低的散射损耗和吸收损耗，传输效率>98%。
[0029]本发明的传输波长覆盖范围:0.4μπι?1.6μπι，传输功率密度:>10kw/mm2。
[0030]所述的掺氟外包层管为掺氟石英玻璃管,所述的晶体单元管为石英玻璃毛细管，在本实施例中，选用超高纯的石英玻璃毛细管；所述的掺氟石英玻璃管的折射率与超高纯的光纤级石英玻璃管的折射率差Λ?0.009。
[0031]本发明采用的是不掺杂的超化学分析纯的石英玻璃材料，晶体包层由数十支或几百支石英玻璃毛细管构成。
[0032]作为单纯传输激光功率的介质，数值孔径除了影响光注入的耦合效率外，还直接影响光纤的使用性能，光在光纤内传输过程中除了包层模之外还会有部分光能量沿途不断向光纤包层中渗透尤其在光纤发生弯曲时，如果光纤数值孔径不足够大，渗透进包层中的光能量以及包层模能量大部分会泄漏进入光纤的保护涂层，被保护涂层吸收。一旦需要光纤的传输能量达到数千瓦甚至数十千瓦时，一点点微小的渗透就会导致包层和保护涂层严重发热直至被烧毁。与传统光纤结构相比，传统结构的光纤无论是光纤芯掺杂还是包层掺杂其传输的饱和功率和传输光的波长范围都受掺杂材料限制，因此远低于晶体包层结构光纤。由于在所述的超纯石英玻璃芯I和晶体包层2之间的空隙中填充有纯净、分子量较低的特选气体，取代了成分复杂、携带灰尘的空气，确保空气包层最低的散射损耗和吸收损耗，也使得本发明的晶体包层与超纯石英玻璃芯之间有很大的折射率差，所以数值孔径(NA)远大于传统结构光纤。
[0033]在本实施例中，掺氟外包层管3由于掺氟使外包层管材料的折射率略低于超纯石英玻璃芯周围作为晶体包层的晶体单元管的管壁材料的折射率，避免了传输过程中大量的包层模进入掺氟外包层管3。外包层管3与作为晶体包层2的晶体单元管管壁之间的折射率差Λ?0.009。掺氟外包层管3阻挡了晶体单元管管壁传输的能量直接进入有机树脂保护涂层4，所以掺氟外包层管3也称晶体包层与有机树脂保护涂层之间的“阻挡层”。
[0034]本发明的传输原理与传统结构阶跃式折射率分布多模光纤的传输原理基本相同。如图2中所示晶体包层与光纤芯之间介面的全反射保证了注入进光纤内的光线向前传输过程中不被散出，沿光纤轴线向前传。
[0035]与目前市场上传统结构的大功率光纤相比，晶体包层的各晶体单元管的管壁材料与它周围纯净气体之间，折射系数相差非常大，△>().3，由此可见围绕在光纤芯周围的晶体单元管的管壁也同样与它周围的纯净气体接触的界面形成了良好的光学介面，晶体单元管管壁与周围纯净气体构成了良好的光波导，所以进入晶体单元管管壁中的能量在传输过程的损失也非常小，几乎所有包层模的能量都能够被传送到光纤的接收端，大大提高了光纤传输效率；外包层管阻挡了晶体包层传输的包层模进入最外层的有机树脂保护涂层，减少了保护涂层内的能量吸收、积累，确保了光纤传运行的安全性能。
[0036]光纤的数值孔径NA的计算如经典公式:
[0037]NA =Vn11- nl
[0038]在本发明中，光纤的包层是由环绕光纤芯的晶体单元管、空管与空管之间的间隙中的纯净气体及外包层管共同组成，因此包层的折射率包含了晶体单元管内部气体的折射率、晶体单元管壁材料的折射率以及掺氟外包层管的折射率等三部分不相同的折射率。所以包层的折射率就不能简单的用气体的折射率I计算，式中η。是气体折射率和晶体单元管管壁材料以及外包层管材料折射率的组合，η。的数值是晶体单元管管壁加外包层管管壁截面积之和与纯净气体在包层中占空比例的函数，气体的占空比例越高、包层组合的折射系数越低，光纤数值孔径越大。
[0039]本发明的光纤芯材料采用的是超纯石英玻璃，折射率η2约1.458，包层中气体的占空比例不低于60%，光纤数值孔径典型值NA~0.42，光纤的入射接收角Θ不小于37°。
[0040]本发明的各项技术性能测试结果:
[0041]1.测试设备:采用如图3中所示的测试系统
[0042]?激光光源 IPG YLR 4000 SS
[0043]?氦氖激光光源HN 368 C
[0044]?光束发散角度分析仪
[0045]?光功率计 Ophir 5000 W
[0046]?准直器 f60
[0047]?光学聚焦镜片组
[0048]?参考光纤芯径1000 μ m
[0049]?光纤连接器
[0050]2.测试结果:
[0051]A.光纤衰耗，测试光源IPG YLR 4000瓦SS激光器，激光波长1070nm。被测光纤芯径800 μ m ;光纤长度10m。
[0052]
【权利要求】
1.一种晶体结构大功率光纤，其特征在于它包括超纯石英玻璃芯(I)、环绕在超纯石英玻璃芯(I)周围的晶体包层(2)和掺氟的外包层管(3)以及设置外包层管(3)的管壁外表面的有机树脂保护涂层(4)构成；所述的晶体包层(2)由围绕排列在超纯石英玻璃芯(I)周围的多根晶体单元管构成；在所述的超纯石英玻璃芯(I)和晶体包层(2)之间的空隙中填充有高纯氧气或高纯氮气。
2.如权利要求1中所述的晶体结构大功率光纤，其特征在于所述的超纯石英玻璃芯(I)为金属氧化物杂质总含量低于0.5ppm,轻基含量(OH)为0.2ppm,气泡、气线含量接近零，传输效率>98%的超纯石英玻璃芯。
3.如权利要求1中所述的晶体结构大功率光纤，其特征在于所述的晶体单元管为石英玻璃毛细管。
4.如权利要求1中所述的晶体结构大功率光纤，其特征在于所述的掺氟外包层管(3)为掺氟石英玻璃管，所述的掺氟石英玻璃管的折射率与石英玻璃毛细管的折射率差Δ 0.009。
5.如权利要求4中所述的晶体结构大功率光纤，其特征在于所述的石英玻璃毛细管为超高纯的光纤级石英玻璃管。
6.如权利要求1或2或3或4中所述的晶体结构大功率光纤，其特征在于晶体结构大功率光纤传输波长覆盖范围:0.4 μ m?1.6 μ m。传输功率密度:>10kw/mm2。
7.如权利要求1或2中所述的晶体结构大功率光纤，其特征在于所述的晶体包层(2)由围绕排列在超纯石英玻璃芯(I)的多根晶体单元管构成的一层结构的晶体包层(2)。
8.如权利要求1或2中所述的晶体结构大功率光纤，其特征在于所述的晶体包层(2)由围绕排列在超纯石英玻璃芯(I)周围的多根晶体单元管构成的多层结构的晶体包层⑵。
9.如权利要求1中所述的晶体结构大功率光纤，其特征在于所述的有机树脂保护涂层(4)为有机硅橡胶光纤涂料或丙烯酸树脂光纤涂料或聚酰亚胺光纤涂料。
10.如权利要求1中所述的晶体结构大功率光纤，其特征在于在所述的超纯石英玻璃芯(I)和晶体包层(2)之间的空隙中填充有纯净、分子量较低的特选气体，所述的气体的占空比例不低于60%。
【文档编号】G02B6/036GK104199142SQ201410445778
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】李德建 申请人:鞍山量子科技有限公司