传能光纤及其制备方法、光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种传能光纤及其制备方法、光纤激光器。

背景技术

光纤激光器是指用掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器。近年来，连续高功率光纤激光器已广泛应用金属切割焊接领域。光纤激光器的输出光通过传能光纤输出。

相关技术中，传能光纤包括芯层和包层，包层围绕芯层设置。其中，芯层的截面形状为圆形，包层的截面形状为圆环。

然而，这种传能光纤输出的光束的能量呈现高斯分布，使用该传能光纤的光纤激光器易对切割板材造成损伤。

发明内容

本发明提供一种传能光纤及其制备方法、光纤激光器，传能光纤输出的光束的能量的均匀性较好，使用该传能光纤的光纤激光器切割板材时，不易对板材造成损伤。

第一方面，本发明提供一种传能光纤，包括芯层和包层，沿传能光纤的中心至传能光纤的外壁，芯层包括依次包覆的内芯层、内陷层和外芯层，包层包覆在外芯层的外壁；

沿垂直于传能光纤的延伸方向，内芯层的截面的形状呈圆形，内陷层的截面的形状呈环形，外芯层的截面的内壁呈圆环形，外芯层的截面的外壁呈矩形环形，内芯层和内陷层同心设置，外芯层沿内芯层的圆心呈中心对称；

内芯层、内陷层和外芯层中至少两者的折射率不同。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的传能光纤，内芯层的折射率与外芯层的折射率的第一差值为不大于0.002，内陷层的折射率与外芯层的折射率的第二差值不大于0至0.003，且内陷层的折射率不大于外芯层的折射率。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的传能光纤，沿垂直于传能光纤的延伸方向，外芯层的截面的外壁包括依次首尾连接的多个直边，至少两个相邻的直边之间通过弧形段连接。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的传能光纤，包层包括第一包层和包覆在第一包层的外壁的第二包层，第一包层包覆在外芯层的外壁，第一包层的折射率与外芯层的折射率的差值为0.003至0.012，且第一包层的折射率小于外芯层的折射率；

第二包层的折射率与外芯层的折射率的差值大于0.075，且第二包层的折射率小于外芯层的折射率。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的传能光纤，内芯层为二氧化硅层；

外芯层为二氧化硅层；

内陷层为掺氟的二氧化硅层。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的传能光纤，内芯层为锗氟共掺的二氧化硅层；

外芯层为二氧化硅层；

内陷层为二氧化硅层。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的传能光纤，还包括外涂层，外涂层包覆在第二包层的外壁；

第一包层为掺氟的二氧化硅层；

第二包层为丙烯酸树脂层；

外涂层为丙烯酸树脂层。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的传能光纤，内芯层的直径为6μm至50μm；

内陷层的外壁的直径为7μm至55μm；

沿垂直于传能光纤的延伸方向，外芯层的截面的外壁为呈正方环形，外芯层的截面的外壁的相对的直边之间的距离为30μm至600μm；

第一包层的外壁的直径为90μm至1000μm；

第二包层的外壁的直径为170μm至1200μm；

外涂层的外壁的直径为250μm至1400μm。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的传能光纤，弧形段为圆弧段，圆弧段的半径为5μm至15μm，且外芯层的相对的直边之间的距离与圆弧段的半径的比值为5至15。

第二方面，本发明提供一种传能光纤的制备方法，用于制备上述第一方面提供的传能光纤，传能光纤的制备方法包括；

在基管的内壁依次形成内陷层和内芯层，以形成第一预制棒，其中，内陷层包覆在内芯层的外壁；

在第一预制棒的外壁形成外芯层；

将外芯层沿垂直于传能光纤的延伸方向的截面的外壁打磨成矩形环形，以形成第二预制棒；

在第二预制棒的外壁形成包层。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的传能光纤的制备方法，在第二预制棒的外壁形成包层，包括；

采用等离子体外部沉积的方式在第二预制棒的外壁沉积包层。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的传能光纤的制备方法，在第二预制棒的外壁形成包层，包括；

将第二预制棒插设在掺氟套管中，将第二预制棒与掺氟套管进行熔缩；

将掺氟套管沿垂直于传能光纤的延伸方向的截面打磨至圆环形。

第三方面，本发明提供一种光纤激光器，包括光纤激光器本体和与光纤激光器本体连接的上述第一方面提供的传能光纤。

本发明提供的传能光纤及其制备方法、光纤激光器，传能光纤通过设置芯层和包层，沿传能光纤的中心至传能光纤的外壁，芯层包括依次包覆的内芯层、内陷层和外芯层，包层包覆在外芯层的外壁。沿垂直于传能光纤的延伸方向，内芯层的截面的形状呈圆形，内陷层的截面的形状呈圆环形，外芯层的截面的内壁呈圆环形，外芯层的截面的外壁呈矩形环形，内芯层和内陷层同心设置，外芯层沿内芯层的圆心呈中心对称。内芯层、内陷层和外芯层中至少两者的折射率不同。这样，可以破坏传能光纤的圆对称结构的同时使芯层具有不同的折射率，使芯层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，使芯层中心处的能量能够分散到周边，从而将高斯光束转变为平顶光束，因此，传能光纤输出的光束的能量的均匀性较好，切割板材时，切割热影响区较小，不易对板材造成损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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传能光纤的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的传能光纤中内芯层、内陷层、外芯层、第一包层、第二包层的折射率的对比示意图；

图3为本发明实施例提供的传能光纤中芯层的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的传能光纤的制备方法的流程图。

附图标记说明：

100-芯层；

110-内芯层；

120-内陷层；

130-外芯层；

200-包层；

210-第一包层；

220-第二包层；

300-外涂层。

具体实施方式

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。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。

在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者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，而不是指示或者暗示所指的装置或者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。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或维护工具不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或维护工具固有的其它步骤或单元。

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作出创造性劳动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。

相关技术中，传能光纤包括芯层和包层，包层围绕芯层设置。其中，芯层的截面形状为圆形，包层的截面为圆形。然而，这种传能光纤输出的光束的能量呈现高斯分布，在切割材料时，能量高度集中的高斯光束极易对切割板材造成损伤，导致切割热影响区扩大，进而引起金属残渣的飞溅打伤激光器输出镜头。为此，高功率激光器都是通过不同的方式，将有源光纤激发的激光进行光束正向，使得通过传能光纤输出的激光由原来的高斯光束转变为平顶光束，从而提升高功率激光器的切割质量。

为了解决上述技术问题，本发明通过对传能光纤的芯层进行改进，将芯层设置为依次包覆的内芯层、内陷层和外芯层，其中，沿垂直于传能光纤的延伸方向，外芯层的截面的内壁呈圆形，外芯层的截面的外壁呈矩形，内芯层、内陷层和外芯层中至少两者的折射率不同。这样，可以破坏传能光纤的圆对称结构的同时使芯层具有不同的折射率，使芯层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，使芯层中心处的能量能够分散到周边，从而将高斯光束转变为平顶光束，因此，传能光纤输出的光束的能量的均匀性较好，切割板材时，切割热影响区较小，不易对板材造成损伤。

图1为本发明实施例提供的传能光纤的结构示意图，图2为本发明实施例提供的传能光纤中内芯层、内陷层、外芯层、第一包层、第二包层的折射率的对比示意图。

参见图1和图2所示，本发明提供的传能光纤，包括芯层100和包层200，沿传能光纤500的中心至传能光纤500的外壁，芯层100包括依次包覆的内芯层110、内陷层120和外芯层130，包层200包覆在外芯层130的外壁。

沿垂直于传能光纤500的延伸方向，内芯层110的截面的形状呈圆形，内陷层120的截面的形状呈圆环形，外芯层130的截面的内壁呈圆环形，外芯层130的截面的外壁呈矩形环形，内芯层110和内陷层120同心设置，外芯层130沿内芯层的圆心呈中心对称。内芯层110、内陷层120和外芯层130中至少两者的折射率不同。

需要说明的是，参见图2所示，n

其中，外芯层130的截面呈矩形环形相比于圆环形，可以对高斯光束起到较好的均化效果，具有较好的匀化扰模特性，而且内芯层110、内陷层120和外芯层130中至少两者的折射率不同同样可以起到较好的均化效果。

其中，内芯层110和内陷层120同心设置，外芯层130沿内芯层110的圆心呈中心对称。这样，相比较于常规的芯层呈矩形的设置，本实施提供的传能光纤的内芯层110或者内陷层120可以作为光纤熔接时的参照，使传能光纤与无源光纤熔接时同轴度更高。

需要说明的是，从能量均化效果上进行对比：相关技术中的传能光纤低于本实施例提供的内芯层110的折射率高于外芯层130的折射率情况下的传能光纤，低于本实施例提供的内芯层110的折射率等于外芯层130的折射率情况下的传能光纤，低于本实施例提供的内芯层110的折射率小于外芯层130的折射率情况下的传能光纤。也就是说，在内芯层110的折射率小于外芯层130的折射率的情况下，本实施例提供的传能光纤的能量均化效果最好。

从传能光纤的切割能力上进行对比：本实施例提供的内芯层110的折射率高于外芯层130的折射率情况下的传能光纤，优于本实施例提供的内芯层110的折射率等于外芯层130的折射率情况下的传能光纤，优于本实施例提供的内芯层110的折射率小于外芯层130的折射率情况下的传能光纤。也就是说，在内芯层110的折射率大于外芯层130的折射率的情况下，本实施例提供的传能光纤的切割能力最好。

此外，本发明设计的传能光纤相比较于常规的芯层呈矩形的设置，外芯层130的截面尺寸更小，可提升最终激光的能量密度，提升激光切割质量。

可以理解的是，当内陷层120和外芯层130的折射率相同时，内陷层120和外芯层130可以为一层设置，也可以是两层设置。也就是说，芯层100可以仅包括内芯层110和外芯层130。

其中，由于芯层100的折射率大于包层200的折射率，包层200可以将光限制在芯层100内，使光束在芯层100内传输。

本实施例提供的传能光纤，通过设置芯层100和包层200，沿传能光纤500的中心至传能光纤500的外壁，芯层100包括依次包覆的内芯层110、内陷层120和外芯层130，包层200包覆在外芯层130的外壁。沿垂直于传能光纤500的延伸方向，内芯层110的截面的形状呈圆形，内陷层120的截面的形状呈圆环形，外芯层130的截面的内壁呈圆环形，外芯层130的截面的外壁呈矩形环形，内芯层110和内陷层120同心设置，外芯层130沿内芯层的圆心呈中心对称。内芯层110、内陷层120和外芯层130中至少两者的折射率不同。这样，可以破坏传能光纤的圆对称结构的同时使芯层具有不同的折射率，使芯层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，使芯层中心处的能量能够分散到周边，从而将高斯光束转变为平顶光束，因此，传能光纤输出的光束的能量的均匀性较好，切割板材时，切割热影响区较小，不易对板材造成损伤。

在一种可能的实现方式中，内芯层110的折射率与外芯层130的折射率的第一差值不大于0.002，内陷层120的折射率与外芯层130的折射率的第二差值不大于0.003，且内陷层120的折射率不大于外芯层130的折射率。这样，可以提高均化效果，使光束在内芯层110、内陷层120和外芯层130之间分散传输。

其中，第一差值等于|n

具体的，n

示例性的，第一差值为0，第二差值为0.001，或者，第一差值为0.001，第二差值为0.002。

为了便于加工，简化加工难度，沿垂直于传能光纤500的延伸方向，外芯层130的截面的外壁包括依次首尾连接的多个直边，至少两个相邻的直边之间通过弧形段连接。

在一些实施例中，包层200包括第一包层210和包覆在第一包层210的外壁的第二包层220，第一包层210包覆在外芯层130的外壁，第一包层210的折射率与外芯层130的折射率的差值|n

示例性的，第一包层210的折射率与外芯层130的折射率的差值为0.01或者0.006。

第二包层220的折射率与外芯层130的折射率的差值|n

第二包层220的折射率与外芯层130的折射率的差值可以为0.01或者0.02。

在一种可能的实现方式中，内芯层110为二氧化硅层。外芯层130为二氧化硅层。内陷层120为二氧化硅层掺氟的二氧化硅层。

在另一种可能的实现方式中，内芯层110为锗氟共掺的二氧化硅层，外芯层130为二氧化硅层，内陷层120为二氧化硅层。

在一些实施例中，传能光纤还包括外涂层300，外涂层300包覆在第二包层220的外壁。

外涂层300不仅具有保持传能光纤强度、防止传能光纤微弯损耗和防止传能光纤受潮的作用，还可减少传能光纤的机械损伤。

具体的，第一包层210为掺氟的二氧化硅层，第二包层220为具有丙烯酸树脂层。外涂层300为丙烯酸树脂层。

需要说明的是，第二包层220的丙烯酸树脂涂料的折射率低于外涂层300的丙烯酸树脂涂料的折射率。

可以理解的是，沿垂直于传能光纤的延伸方向，外芯层130的截面的外壁可以呈正方环形或者长方环形，为了便于说明，下文以外芯层130的截面的外壁呈正方环形进行描。

图3为本发明实施例提供的传能光纤中芯层的结构示意图。

参见图3所示，在一种可能的实现方式中，内芯层110的直径a

内陷层120的直径a

沿垂直于传能光纤500的延伸方向，外芯层130的截面的外壁为呈正方环形，外芯层130的截面的外壁的相对的直边之间的距离a

第一包层210的外壁的直径为90μm至1000μm。

第二包层220的外壁的直径为170μm至1200μm。

外涂层300的外壁的直径为250μm至1400μm。

在一种可能的实现方式中，弧形段为圆弧段，圆弧段的半径r

图4为本发明实施例提供的传能光纤的制备方法的流程图。

本发明还提供一种传能光纤的制备方法，用于制备上述实施例提供的传能光纤，传能光纤的制备方法包括：

S101、在基管的内壁依次形成内陷层120和内芯层110，以形成第一预制棒，其中，内陷层120包覆在内芯层110的外壁。

具体的，内陷层120和内芯层110可以采用改进的化学气相沉积(MCVD，ModifiedChemical Vapor Deposition)的方式进行制备。

S102、在第一预制棒的外壁形成外芯层130。

具体的，外芯层130可以通过外部气相沉积(OVD，Chemical Vapor Deposition)或气相轴向沉积(VAD，Vapour Axial Deposition)的方式进行制备。

S103、将外芯层130沿垂直于传能光纤500的延伸方向的截面的外壁打磨成矩形环形，以形成第二预制棒。

可以理解的是，通过打磨的方式使外芯层130的截面的外壁形成矩形环形，便于加工，加工的精确性较高。

S104、在第二预制棒的外壁形成包层200。

最后，将预制棒拉丝至需求尺寸，依次采用低折射率的丙烯酸树脂涂料，和高折射率的丙烯酸树脂涂料进行涂设。

其中，拉丝的温度为1700～2200℃，拉丝的速度为3～30m/min，拉丝的张力为0.5～2N。

在一种可能的实现方式中，在外芯层130的外壁形成包层200，包括：

采用等离子体外部沉积的方式在外芯层130的外壁沉积包层200。

具体的，通过等离子体外部沉积(POD，Plasma Outside Deposition)的方式制备符合尺寸要求的掺氟层，以形成包层200。

在一种可能的实现方式中，在外芯层130的外壁形成包层200，包括；

将外芯层130的截面打磨成矩形的预制棒插设在掺氟套管中，将预制棒与掺氟套管进行熔缩。

将掺氟套管沿垂直于传能光纤500的延伸方向的截面打磨至圆环形。

具体的，掺氟套管采用PCVD工艺制备，在二氧化硅基管内表面沉积的掺氟层。

需要说明的是，熔缩后需要将预制棒表面的二氧化硅层打磨干净。

为便于理解，下面对方芯传能光纤的制备过程及性能参数进行详细阐述。

实施例一

第一步：在MCVD车床上安装基管，在基管内沉积SiCl

其中，SiCl

第二步：将第一预制棒安装在VAD车床上，通过火焰喷灯通入SiCl

第三步：将外芯层130沿垂直于传能光纤500的延伸方向的截面的外壁打磨至正方形，以形成第二预制棒。

其中，外芯层130的截面的外壁的相对的直边之间的距离为9mm，圆弧段的半径为0.9mm。

其中，打磨成型后将第二预制棒进行酸洗、碱洗及水洗处理。

第四步：通过POD在第二预制棒的外壁沉积SiO

第五步：将第三预制棒接上尾柄进行拉丝处理。

其中，拉丝处理前对第一预制棒进行酸洗、碱洗及水洗处理。拉丝时控制拉丝温度为1950℃，拉丝速度为20m/min，拉丝张力为1.2N。

拉丝处理后依次涂设低折射率的丙烯酸树脂涂层和外涂层300，低折射率的丙烯酸树脂涂层的折射率为1.37。

上述实施例制备完成的传能光纤的指标如下表1所示。

表1实施例一制备完成的传能光纤的指标

实施例二

第一步：在MCVD车床上安装基管，在管内沉积SiCl

其中，SiCl

第二步：将第一预制棒安装在VAD车床上，通过火焰喷灯通入SiCl

第三步：将外芯层130的截面打磨至正方形，以形成第二预制棒。

其中，正方形的的截面的外壁的相对的直边之间的距离为8mm，圆弧段的半径为0.5mm。

其中，打磨成型后将第二预制棒进行酸洗、碱洗及水洗处理。

第四步：将第二预制棒与制备的掺氟套管进行熔缩，形成第三预制棒。

其中，熔缩前需对掺氟套管分别进行酸洗、碱洗及水洗处理。熔缩流量为100slm，熔缩速度为5mm/min，熔缩后将第三预制棒打磨至圆形，外径为25.2mm，形成第一包层210。

第五步：将第三预制棒接上尾柄进行拉丝处理。

其中，拉丝处理前分别对第三预制棒进行酸洗、碱洗及水洗处理。

其中，拉丝温度为2050℃，拉丝速度为30m/min，拉丝张力为1.5N。

拉丝处理后依次涂设低折射率的丙烯酸树脂涂层和外涂层300，低折射率的丙烯酸树脂涂层的折射率为1.37。

上述实施例制备的传能光纤的指标如下表2所示。

表2实施例二制备完成的传能光纤的指标

实施例三

第一步：在MCVD车床上安装基管，在管内沉积SiCl

其中，SiCl

第二步：将第一预制棒安装在VAD车床上，通过火焰喷灯通入SiCl

第三步：将外芯层130的截面打磨至正方形，以形成第二预制棒。

其中，外芯层130的截面的外壁的相对的直边之间的距离为12mm，圆弧段的半径为0.6mm。

其中，打磨成型将第二预制棒分别进行酸洗、碱洗及水洗处理。

第四步：将第二预制棒与制备的掺氟套管进行熔缩，形成第三预制棒。

其中，熔缩前需对掺氟套管进行酸洗、碱洗及水洗处理。

熔缩流量为125slm，熔缩速度为18mm/min。熔缩后将第三预制棒打磨至圆形，外径为18.2mm，形成第一包层210。

第五步：将第三预制棒接上尾柄进行拉丝处理。

其中，拉丝处理前分别对第三预制棒进行酸洗、碱洗及水洗处理。

其中，拉丝温度为2020℃，拉丝速度为25m/min，拉丝张力为2N。

拉丝处理后依次涂设低折射率的丙烯酸树脂涂层和外涂层300，低折射率的丙烯酸树脂涂层的折射率为1.375。

上述实施例制备完成的传能光纤的指标如下表3所示。

表3实施例三制备完成的传能光纤的指标

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本发明还提供一种光纤激光器，包括光纤激光器本体和与光纤激光器本体连接的上述实施例提供的传能光纤500。

其中，传能光纤500的结构和原理在上述实施例中进行了详细说明，本实施例在此不一一赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。