一种超大模场的多沟槽单模光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其是指一种超大模场的多沟槽单模光纤及其制备方法。

背景技术

高功率激光器在材料加工、医疗美容和通信等领域被广泛应用，根据能量输出介质的不同可分为固体激光器和光纤激光器；其中高功率光纤激光器的发展受限于光纤技术，例如在工业加工中使用范围较广的1.06μm波长的高功率激光，缺少相适配的有源光纤；具体表现为，高功率激光在光纤中传输一定距离时易带来显著的非线性效应，若通过加大模场面积缓解高非线性，则会引起纤芯尺寸的增加，进而激发高阶模，阻碍单模传输。现有技术中缺少能够使用在高功率光纤激光器中的，满足低非线性和单模传输且便于加工生产的特种光纤。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中高功率光纤激光器缺少适配的有源光纤，现有光纤难以同时满足低非线性和单模传输需求的技术难点，提供一种超大模场的多沟槽单模光纤及其制备方法，具有超过10000μm

第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种超大模场的多沟槽单模光纤，其包括，

纤芯，所述纤芯的截面半径为r

内包层，所述内包层位于所述纤芯外部；所述内包层包括沿光纤截面的径线方向由内向外依次同心设置的环状的第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽，所述第一沟槽包覆于所述纤芯外周，所述第一沟槽与所述第二沟槽之间具有第一间隙，所述第二沟槽与所述第三沟槽之间具有第二间隙，所述第一间隙和所述第二间隙在所述径线方向上的宽度均为d，42μm≤d≤45μm；

外包层，所述外包层位于所述内包层外部。

在本发明的一个实施例中，所述内包层还包括填充于所述第一间隙的第一填充层，以及填充于所述第二间隙的第二填充层；所述纤芯、所述第一填充层、所述第二填充层和所述外包层的材料的折射率一致。

在本发明的一个实施例中，所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽的材料相同，该材料的折射率小于所述纤芯的材料的折射率，且折射率差值为Δn。

在本发明的一个实施例中，0.0008≤Δn≤0.001。

在本发明的一个实施例中，所述纤芯的材质设置为掺杂有镱元素的氟化物玻璃。

在本发明的一个实施例中，所述第一沟槽、所述第二沟槽和所述第三沟槽三者在所述径线方向的宽度均为t，0.8μm≤t≤1μm。

第二方面，本发明还提供一种超大模场的多沟槽单模光纤的制备方法，用于制备上述任一实施例所述的超大模场的多沟槽单模光纤，所述制备方法包括如下步骤，

S1，通过直接熔融法制备得到掺镱氟化物玻璃芯棒；

S2，将三根氟化物玻璃管分别拉制得到预制棒的第一填充层、第二填充层和外包层，并依次套设在所述芯棒外部；在所述预制棒的第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽的位置填塞固定件形成固定结构；

S3，将S2中得到的固定结构的末端通过光纤拉丝塔熔融形成细锥状，切割锥形尖端的另一侧并废弃，得到半成品预制棒结构；

S4，将填充件填入S3中所述半成品预制棒结构中的第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽位置，得到预制棒；

S5，将S4中得到的预制棒加热熔融后拉制得到成品光纤。

在本发明的一个实施例中，S4中所述填充件的材料为聚碳酸酯、聚苯乙烯、丙烯酸树脂中的一种或多种，所述填充件设置为颗粒状固体。

在本发明的一个实施例中，S4中所述填充件完成填充后的顶面低于所述半成品预制棒的顶部。

在本发明的一个实施例中，S5中所述预制棒竖直放入光纤拉丝塔的加热炉中，所述加热炉升温至320℃，拉制过程的送棒速度设置为0.1mm/min，拉纤速度设置为100m/min。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：

本发明所述的一种超大模场的多沟槽单模光纤，在光纤的几何结构上增加沟槽间隔，在保持LP

本发明所述的一种超大模场的多沟槽单模光纤还能够实现超过10000μm

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明实施例一中超大模场的多沟槽单模光纤的截面结构示意图；

图2为本发明实施例一中超大模场的多沟槽单模光纤的折射率分布示意图；

图3为本发明实施例一中光纤泄露损耗随沟槽间隔变化的示意图；

图4为本发明实施例一中纤芯内能量占比随沟槽间隔变化的示意图；

图5为本发明实施例二中光纤泄露损耗随沟槽间隔变化的示意图；

图6为本发明实施例二中纤芯内能量占比随沟槽间隔变化的示意图；

图7为本发明实施例三中沟槽宽度t变化的仿真结果示意图；

图8为本发明实施例四中折射率差值Δn变化的仿真结果示意图；

图9为本发明实施例五中制备方法的流程图；

图10为本发明实施例五中步骤S2固定件的位置示意图；

图11为本发明实施例五中步骤S3的示意图；

图12为本发明实施例五中步骤S4填充件的位置示意图；

图13为本发明实施例五中步骤S5的示意图。

说明书附图标记说明：1、纤芯；2、内包层；21、第一沟槽；22、第二沟槽；23、第三沟槽；24、第一填充层；25、第二填充层；3、外包层；4、固定件；5、填充件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

现有技术中为实现低非线性和单模传输，主要的光纤类型包括大孔间距光纤、光子晶体光纤以及多沟槽光纤；其中大孔间距光纤结构复杂生产难度较大，不便批量生产；光子晶体光纤在大模场情况下光束质量不佳；多沟槽光纤为解决高非线性问题而增加模场面积，但超大模场面积引起了高阶模，阻碍了单模传输。据此，本发明实施例一提供一种超大模场的多沟槽单模光纤，包括纤芯1，以及由低折射率沟槽和高折射率材料填充的介质层交替形成的包层组成；所述光纤内的光模式的泄露损耗相较于现有的光纤极大地降低，能够实现只有基模的单模传输；所述光纤具有超过10000μm

具体地，参照图1所示，本发明实施例一所述光纤包括沿截面的径线方向由内向外依次设置的纤芯1、内包层2和外包层3；所述纤芯1位于中心，所述纤芯1的截面半径为r

进一步地，参照图2所示，所述纤芯1、所述第一填充层24、所述第二填充层25和所述外包层3具有相同折射率；优选地，所述纤芯1的材质设置为掺杂有镱元素的氟化物玻璃。所述第一沟槽21、所述第二沟槽22和所述第三沟槽23的材料相同且具有相同折射率，且该材料的折射率小于所述纤芯1的材料的折射率。

需要注意的是，经本案发明人研究发现，在某些波长激光的传输中，当现有光纤增大芯径尺寸后，对部分高阶模的限制损耗降低，导致基模与高阶模同时在纤芯中传导难以分离去除。据此，在本发明实施例一中，所述光纤相较于现有技术中的多沟槽光纤调整包层结构参数，在增大芯径的同时增加沟槽间隔。增大芯径后大部分高阶模在传输过程中损耗更高，且因为高损耗而快速耗散，不再影响单模传输；部分高阶模的损耗不足以实现快速耗散，但因模场位置偏移而无法被放大，也同样不会与基模一同在纤芯中传导，实现单模传输。

接续，在本发明实施例一中，所述第一沟槽21、所述第二沟槽22和所述第三沟槽23三者在所述径线方向的宽度均为t，0.8μm≤t≤1μm；沟槽材料与纤芯1及填充层材料的折射率差值为Δn，0.0008≤Δn≤0.001。优选地，保持所述纤芯1在大孔径范围，100μm≤r

实施例二

本发明实施例二提供一种超大模场的多沟槽单模光纤，其与实施例一的区别在于，纤芯1的截面半径为r

具体地，本发明实施例二所述光纤进行激光传输且激光波长为1.06μm时，参照图5所示沟槽间隔与泄露损耗的仿真结果，以及图6所示沟槽间隔与纤芯内能量占比的结果可知：

第一方面，根据图5所示，除LP

第二方面，根据图5和图6所示，LP

第三方面，根据图5所示，LP

综上，本发明实施例二所述光纤将沟槽间隔d拓宽至42μm~45μm，此时高阶模泄露损耗较大，或者，与纤芯重合比例较小，均无法被有效放大传输；而基模泄露损耗较小且重合比例较高，能够实现单模传输效果。

实施例三

本发明实施例三提供一种超大模场的多沟槽单模光纤，其与实施例二的区别仅在于第一沟槽21、第二沟槽22和第三沟槽23三者在径线方向的宽度t设置为0.8μm~1μm。

参照图7可知，沟槽宽度t在0.8μm~1μm 范围内时，LP

本发明实施例三能够实现超大模场和单模输出，基模的有效模场面积高达10500μm

实施例四

本发明实施例四提供一种超大模场的多沟槽单模光纤，其与实施例二的区别仅在于沟槽与纤芯1的折射率差值Δn设置为0.0008~0.001。

参照图8可知，沟槽部分与其他部分的折射率差值在0.0008~0.001范围内时，LP

本发明实施例四能够实现超大模场和单模输出，基模的有效模场面积高达10500μm

实施例五

现有技术普遍采用单一的化学气相沉积方法制作多沟槽光纤预制棒，将携带原材料颗粒的气体输送入高温加热的玻璃衬管内，使其发生化学反应形成固态玻璃，并在衬管内壁逐层沉积。在进行多沟槽光纤预制棒制备时，需要先沉积芯棒部分，完成后再逐层沉积芯棒外的低折射率沟槽部分、高折射率的沟槽间隙部分，逐层沉积得到的疏松的固体棒经升温熔缩后得到光纤预制棒。对于超大模场的多沟槽光纤而言，既需要严格控制相邻结构的折射率差值，同时需要控制每一部分的折射率数值分布均匀；而现有的化学气相沉积法一方面难以控制折射率参数，另一方面由于需要逐层沉积导致加工耗时较长，生产效率较低。

据此，参照图9所示，本发明实施例五提供一种超大模场的多沟槽单模光纤的制备方法，用于制备上述任一实施例所述的超大模场的多沟槽单模光纤。所述制备方法采用多层嵌套管加工光纤预制棒，相较于化学气相沉积法而言加工难度更低，效率更高，更易精准控制折射率参数。

完成光纤预制棒设计后，得到纤芯1及沟槽的具体尺寸及材料折射率具体要求，实施例五所述制备方法具体包括如下步骤，

S1，通过直接熔融法制备得到掺镱氟化物玻璃芯棒；

具体地，S1包括，

S101，按照原料配比称取分析物料并研磨混合均匀；

S102，将步骤S101中得到的混合均匀的原料放入马弗炉或电加热炉中熔制1~2小时；

S103，将步骤S102中得到的玻璃熔体倒入提前预热好的黄铜模具中，经退火后取出完成。

在一些实施方式中，所述掺镱氟化物玻璃设置为掺杂有镱元素的ZrF

混合均匀的原料放入350℃的马弗炉中熔制1小时；然后将马弗炉温度调为250℃，取出玻璃熔体并倒入事先预热150℃的黄铜模具中，为制备直径550μm的光纤预制棒，所述玻璃熔体放入的模具内径为28.2cm，填充长度设置为60cm；将模具放入150℃退火炉中退火5小时，得到预制棒的芯棒。

需要注意的是，步骤S1中可以通过添加氟化铋BiF

S2，将三根氟化物玻璃管分别拉制得到相应预设尺寸，得到预制棒的第一填充层、第二填充层和外包层，并依次套设在所述芯棒外部；在所述预制棒的第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽的位置填塞固定件4形成固定结构。

具体地，所述三根氟化物玻璃管选用折射率与所述芯棒相同的材料，可以通过市售无源氟化物玻璃管加工，也可以根据前述制备方法制备得到。所述固定件4设置为特定尺寸的玻璃管或玻璃棒，参照图10所示将预设的沟槽间隙填满塞紧。

在一些实施方式中，将折射率为1.521的三根氟化物玻璃管使用光纤拉丝塔，在320℃的加热炉中拉制，拉制长度为60cm，与所述芯棒一致；拉制后的内径和外径尺寸参照表1所示；

表1

送棒速度可根据拉制速度和外径尺寸，使用质量守恒定律来计算。需要注意的是玻璃管的拉制受到温度、拉制速度等因素的综合影响，实际尺寸可能与计算结果略有偏差，在拉制过程中根据测量的尺寸及时调整温度和拉制速度即可。

将所述预制棒第一填充层套设在所述芯棒外，所述预制棒第一填充层和所述芯棒之间设置为预留的预制棒第一沟槽位置，紧密填充一层长度约5cm、外径1mm的细管或细棒在芯棒与预制棒第一填充层之间；在长度方向的一端完全固定所述芯棒和所述预制棒第一填充层，使二者成为同心嵌套的圆柱结构；重复上述步骤依次固定预制棒第二填充层和预制棒外包层，预留出沟槽位置且整体结构固定效果较好不易形变。

S3，将S2中得到的固定结构的末端通过光纤拉丝塔熔融形成细锥状，切割锥形尖端的另一侧并废弃，得到半成品预制棒结构。

具体地，在一些实施例中，S3中光纤拉丝塔的加热炉炉温设置为300℃；参照图11所示，收集自动拉锥后掉落的下半部分锥体并丢弃；所述半成品预制棒结构的锥形端将整体结构固定，不会松动。

S4，将填充件5填入S3中所述半成品预制棒结构中的沟槽位置，得到预制棒；所述预制棒与成品光纤结构相同、各部分尺寸等比例放大。

具体地，所述填充件5的材料为聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS、丙烯酸树脂PMMA中的一种或多种；由于塑料光纤常用的各种原料的折射率不同，为准确控制所述填充件5的折射率，优选设置为多种塑料材质的混合物；将所述填充件5的材料在250℃容器中融化并充分混合，通过光谱分析仪在线检测混合物的折射率并同步调整混合组分比例，使混合物的折射率为1.52。实施例五所述制备方法能够准确控制包层折射率分布的均匀程度和折射率具体数值。

混合物冷却后使用陶瓷刀片将其切碎或绞碎为絮状或块状；参照图12所示，所述填充件5设置为颗粒状固体，并填入沟槽位置，填充量根据所需拉制的光纤数量确定，完成填充后所述填充件5的顶面低于所述半成品预制棒的顶部并距离10cm左右，为加热熔融后均匀分布提供冗余空间避免材料溢出。

S5，将S4中得到的预制棒加热熔融后拉制得到成品光纤。

参照图13所示，具体地，所述预制棒竖直放入光纤拉丝塔的加热炉中，所述加热炉升温至320℃，组成预制棒的氟化物玻璃由固态变为熔融状态，塑料材料熔化，熔化后的填充件5会自动填满整个沟槽的空间；熔融的预制棒进行送棒与拉丝，拉制过程的送棒速度设置为0.1mm/min，拉纤速度优选设置为100m/min，拉纤速度也可以根据拉制得到的实时的光纤直径调整；最终拉制得到直径为550μm的成品光纤，并将光纤收集缠绕在光纤卷轴上得到产品。

实施例五所述的制备方法采用多层嵌套管的加工方式来制作多沟槽光纤预制棒，在同一根多沟槽光纤中同时使用氟化物玻璃材料和塑料材料，利用两种材料熔融温度相近的优势，简化多沟槽结构的加工过程，便捷可靠、加工难度小；且解决了现有制备方法耗时长、折射率控制难度大的问题，利于科研上的快速加工和工业上的批量化生产。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。