晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，它屬于光纖信息傳輸領(lǐng)域和光纖傳感領(lǐng)域技術(shù)，其特征在于它包括超純石英玻璃芯、環(huán)繞在超純石英玻璃芯周圍的晶體包層和摻氟的外包層管以及設(shè)置外包層管的管壁外表面的有機(jī)樹脂保護(hù)涂層構(gòu)成；所述的晶體包層由圍繞排列在超純石英玻璃芯周圍的多根晶體單元管構(gòu)成；在所述的超純石英玻璃芯和晶體包層之間的空隙中填充有高純氧氣或高純氮?dú)狻１景l(fā)明具有超大的數(shù)值孔徑，因此大幅度降低了光纖的彎曲附加衰耗、大幅度減少了包層模向保護(hù)涂層中泄漏，及提高了光纖的傳輸效率又保證了傳輸大功率激光和超大激光功率的可靠性、安全性。
【專利說(shuō)明】晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及一種晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，它屬于光纖信息傳輸領(lǐng)域和光纖傳感領(lǐng)域技術(shù)，特別是大功率光纖【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
:
[0002]晶體結(jié)構(gòu)光纖(Photonic Crystal Fibers - PCFs)是在九十年代初提出的一個(gè)新概念，基于晶體結(jié)構(gòu)光纖卓越的傳輸性能，如:超大的飽和功率、極低的色散、覆蓋很寬的傳輸波長(zhǎng)，和卓越的傳感性能，如:克爾效應(yīng)(Kerr effect)能夠>50 ;溫度瞬變響應(yīng)(Temperature transients)接近6.5 ;法拉第磁光響應(yīng)系數(shù)(Faraday effect) >10 等，引起了光纖信息傳輸領(lǐng)域和光纖傳感領(lǐng)域的極大興趣。但是由于晶體結(jié)構(gòu)光纖的制造的工藝技術(shù)難度很大，所以至今無(wú)論國(guó)內(nèi)或國(guó)際仍徘徊在實(shí)驗(yàn)室樣品階段，市場(chǎng)上還沒(méi)有規(guī)?；a(chǎn)的晶體光纖產(chǎn)品出現(xiàn)。
[0003]傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光纖無(wú)論是光纖芯摻雜還是包層摻雜其傳輸?shù)娘柡凸β屎蛡鬏敼獾牟ㄩL(zhǎng)范圍都受摻雜材料限制，因此傳輸飽和功率密度較低、傳輸波長(zhǎng)范圍相對(duì)較窄。
[0004]作為單純傳輸激光功率的介質(zhì)，數(shù)值孔徑除了影響光注入的耦合效率外，還直接影響光纖的使用性能，光在光纖內(nèi)傳輸過(guò)程中除了包層模之外還會(huì)有部分光能量沿途不斷向光纖包層中滲透尤其在光纖發(fā)生彎曲時(shí)，如果光纖數(shù)值孔徑不足夠大，滲透進(jìn)包層中的光能量以及包層模能量大部分會(huì)泄漏進(jìn)入光纖的保護(hù)涂層，被保護(hù)涂層吸收。一旦需要光纖的傳輸能量達(dá)到數(shù)千瓦甚至數(shù)十千瓦時(shí)，一點(diǎn)點(diǎn)微小的滲透就會(huì)導(dǎo)致包層和保護(hù)涂層嚴(yán)重發(fā)熱直至被燒毀。因而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光纖數(shù)值孔徑不足夠大，傳輸大功率激光光纖自身容易被燒毀。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸效率高、傳輸安全性和可靠性高，且生產(chǎn)成本較低的晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，其特征在于它包括超純石英玻璃芯、環(huán)繞在超純石英玻璃芯周圍的晶體包層和摻氟的外包層管以及設(shè)置外包層管的管壁外表面的有機(jī)樹脂保護(hù)涂層構(gòu)成；所述的晶體包層由圍繞排列在超純石英玻璃芯周圍的多根晶體單元管構(gòu)成；在所述的超純石英玻璃芯和晶體包層之間的空隙中填充有高純氧氣或高純氮?dú)狻?br> [0008]所述的超純石英玻璃芯為金屬氧化物雜質(zhì)總含量低于0.5ppm,輕基含量(OH)約
0.2ppm,氣泡、氣線含量接近零，傳輸效率>98%的超純石英玻璃芯。
[0009]所述的晶體單元管為石英玻璃毛細(xì)管。
[0010]所述的石英玻璃毛細(xì)管為超高純的光纖級(jí)石英玻璃毛細(xì)管。
[0011]所述的摻氟外包層管為摻氟石英玻璃管，所述的摻氟石英玻璃管的折射率與石英玻璃毛細(xì)管的折射率差Λ?0.009。
[0012]所述的晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖傳輸波長(zhǎng)覆蓋范圍:0.4 μ m?1.6 μ m。傳輸功率密度:>10kw/mm2。
[0013]所述的晶體包層由圍繞排列在超純石英玻璃芯的多根晶體單元管構(gòu)成的一層結(jié)構(gòu)的晶體包層。
[0014]所述的晶體包層由圍繞排列在超純石英玻璃芯周圍的多根晶體單元管構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)的晶體包層。
[0015]所述的有機(jī)樹脂保護(hù)涂層為有機(jī)硅橡膠光纖涂料或丙烯酸樹脂光纖涂料或聚酰亞胺光纖涂料。
[0016]在所述的超純石英玻璃芯和晶體包層之間的空隙中填充有純凈、分子量較低的特選氣體，所述的特選氣體的占空比例不低于60 %。
[0017]本發(fā)明具有超大的數(shù)值孔徑，因此大幅度降低了光纖的彎曲附加衰耗、大幅度減少了包層模向保護(hù)涂層中泄漏，及提高了光纖的傳輸效率又保證了傳輸大功率激光和超大激光功率的可靠性、安全性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
:
[0018]圖1為本發(fā)明的截面結(jié)構(gòu)示意圖
[0019]圖2為本發(fā)明的傳輸原理圖
[0020]圖3為本發(fā)明的測(cè)試系統(tǒng)圖
[0021]圖4為本發(fā)明顯示數(shù)值孔徑的被測(cè)光斑圖
[0022]圖5為本發(fā)明實(shí)施例2的截面結(jié)構(gòu)示意圖

【具體實(shí)施方式】
:
[0023]下面結(jié)合附圖1、圖2、圖3、圖4和圖5，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明:
[0024]實(shí)施例1，如圖1中所示:
[0025]在本實(shí)施例中，本發(fā)明包括超純石英玻璃芯1、環(huán)繞在超純石英玻璃芯I周圍的晶體包層2和摻氟的外包層管3以及設(shè)置外包層管3的管壁外表面的有機(jī)樹脂保護(hù)涂層4構(gòu)成；所述的晶體包層2由圍繞排列在超純石英玻芯I周圍的多根晶體單元管構(gòu)成；在所述的超純石英玻璃芯I和晶體包層2之間的空隙中填充有純凈、分子量較低的特選氣體，如高純氧氣或高純氮?dú)?。在本?shí)施例中，所述的晶體包層由圍繞排列在超純石英玻璃芯的多根晶體單元管構(gòu)成的一層結(jié)構(gòu)的晶體包層，也就是指圍繞在超純石英玻芯I周圍的多根晶體單元管構(gòu)成了單層的晶體包層。所述的純凈、分子量較低的特選氣體高純氧氣或高純氮?dú)庹伎毡壤坏陀?0%。
[0026]在本實(shí)施例中，所述的有機(jī)樹脂保護(hù)涂層為有機(jī)硅橡膠光纖涂料或丙烯酸環(huán)氧光纖涂料。
[0027]有上述結(jié)構(gòu)可以總結(jié)為:本發(fā)明內(nèi)芯是超純石英玻璃芯，超純石英玻璃芯外包裹著一層由多根晶體單元管構(gòu)成的晶體包層，在所述的晶體包層外套有一摻氟外包層管，在摻氟外包層管的外表面的涂敷了有機(jī)樹脂保護(hù)涂層。
[0028]在本實(shí)施例中，采用了超大幾何尺寸的超高純的石英玻璃芯。原材料中金屬氧化物含量，Li ；Na；K ；Mg ；Ca ；Fe ；Cu ；Cr ；Mn ；Ti ；A1 ;Zr都低于測(cè)試儀器的探測(cè)靈敏度，所以稱作“超化學(xué)分析純”也稱超高純，金屬氧化物雜質(zhì)總含量低于0.5ppm，羥基含量(OH)0.2ppm，氣泡、氣線含量接近零，確保了光纖芯最低的散射損耗和吸收損耗，傳輸效率>98%。
[0029]本發(fā)明的傳輸波長(zhǎng)覆蓋范圍:0.4μπι?1.6μπι，傳輸功率密度:>10kw/mm2。
[0030]所述的摻氟外包層管為摻氟石英玻璃管,所述的晶體單元管為石英玻璃毛細(xì)管，在本實(shí)施例中，選用超高純的石英玻璃毛細(xì)管；所述的摻氟石英玻璃管的折射率與超高純的光纖級(jí)石英玻璃管的折射率差Λ?0.009。
[0031]本發(fā)明采用的是不摻雜的超化學(xué)分析純的石英玻璃材料，晶體包層由數(shù)十支或幾百支石英玻璃毛細(xì)管構(gòu)成。
[0032]作為單純傳輸激光功率的介質(zhì)，數(shù)值孔徑除了影響光注入的耦合效率外，還直接影響光纖的使用性能，光在光纖內(nèi)傳輸過(guò)程中除了包層模之外還會(huì)有部分光能量沿途不斷向光纖包層中滲透尤其在光纖發(fā)生彎曲時(shí)，如果光纖數(shù)值孔徑不足夠大，滲透進(jìn)包層中的光能量以及包層模能量大部分會(huì)泄漏進(jìn)入光纖的保護(hù)涂層，被保護(hù)涂層吸收。一旦需要光纖的傳輸能量達(dá)到數(shù)千瓦甚至數(shù)十千瓦時(shí)，一點(diǎn)點(diǎn)微小的滲透就會(huì)導(dǎo)致包層和保護(hù)涂層嚴(yán)重發(fā)熱直至被燒毀。與傳統(tǒng)光纖結(jié)構(gòu)相比，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光纖無(wú)論是光纖芯摻雜還是包層摻雜其傳輸?shù)娘柡凸β屎蛡鬏敼獾牟ㄩL(zhǎng)范圍都受摻雜材料限制，因此遠(yuǎn)低于晶體包層結(jié)構(gòu)光纖。由于在所述的超純石英玻璃芯I和晶體包層2之間的空隙中填充有純凈、分子量較低的特選氣體，取代了成分復(fù)雜、攜帶灰塵的空氣，確?？諝獍鼘幼畹偷纳⑸鋼p耗和吸收損耗，也使得本發(fā)明的晶體包層與超純石英玻璃芯之間有很大的折射率差，所以數(shù)值孔徑(NA)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光纖。
[0033]在本實(shí)施例中，摻氟外包層管3由于摻氟使外包層管材料的折射率略低于超純石英玻璃芯周圍作為晶體包層的晶體單元管的管壁材料的折射率，避免了傳輸過(guò)程中大量的包層模進(jìn)入摻氟外包層管3。外包層管3與作為晶體包層2的晶體單元管管壁之間的折射率差Λ?0.009。摻氟外包層管3阻擋了晶體單元管管壁傳輸?shù)哪芰恐苯舆M(jìn)入有機(jī)樹脂保護(hù)涂層4，所以摻氟外包層管3也稱晶體包層與有機(jī)樹脂保護(hù)涂層之間的“阻擋層”。
[0034]本發(fā)明的傳輸原理與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)階躍式折射率分布多模光纖的傳輸原理基本相同。如圖2中所示晶體包層與光纖芯之間介面的全反射保證了注入進(jìn)光纖內(nèi)的光線向前傳輸過(guò)程中不被散出，沿光纖軸線向前傳。
[0035]與目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大功率光纖相比，晶體包層的各晶體單元管的管壁材料與它周圍純凈氣體之間，折射系數(shù)相差非常大，△>().3，由此可見圍繞在光纖芯周圍的晶體單元管的管壁也同樣與它周圍的純凈氣體接觸的界面形成了良好的光學(xué)介面，晶體單元管管壁與周圍純凈氣體構(gòu)成了良好的光波導(dǎo)，所以進(jìn)入晶體單元管管壁中的能量在傳輸過(guò)程的損失也非常小，幾乎所有包層模的能量都能夠被傳送到光纖的接收端，大大提高了光纖傳輸效率；外包層管阻擋了晶體包層傳輸?shù)陌鼘幽＿M(jìn)入最外層的有機(jī)樹脂保護(hù)涂層，減少了保護(hù)涂層內(nèi)的能量吸收、積累，確保了光纖傳運(yùn)行的安全性能。
[0036]光纖的數(shù)值孔徑NA的計(jì)算如經(jīng)典公式:
[0037]NA =Vn11- nl
[0038]在本發(fā)明中，光纖的包層是由環(huán)繞光纖芯的晶體單元管、空管與空管之間的間隙中的純凈氣體及外包層管共同組成，因此包層的折射率包含了晶體單元管內(nèi)部氣體的折射率、晶體單元管壁材料的折射率以及摻氟外包層管的折射率等三部分不相同的折射率。所以包層的折射率就不能簡(jiǎn)單的用氣體的折射率I計(jì)算，式中η。是氣體折射率和晶體單元管管壁材料以及外包層管材料折射率的組合，η。的數(shù)值是晶體單元管管壁加外包層管管壁截面積之和與純凈氣體在包層中占空比例的函數(shù)，氣體的占空比例越高、包層組合的折射系數(shù)越低，光纖數(shù)值孔徑越大。
[0039]本發(fā)明的光纖芯材料采用的是超純石英玻璃，折射率η2約1.458，包層中氣體的占空比例不低于60%，光纖數(shù)值孔徑典型值NA~0.42，光纖的入射接收角Θ不小于37°。
[0040]本發(fā)明的各項(xiàng)技術(shù)性能測(cè)試結(jié)果:
[0041]1.測(cè)試設(shè)備:采用如圖3中所示的測(cè)試系統(tǒng)
[0042]?激光光源 IPG YLR 4000 SS
[0043]?氦氖激光光源HN 368 C
[0044]?光束發(fā)散角度分析儀
[0045]?光功率計(jì) Ophir 5000 W
[0046]?準(zhǔn)直器 f60
[0047]?光學(xué)聚焦鏡片組
[0048]?參考光纖芯徑1000 μ m
[0049]?光纖連接器
[0050]2.測(cè)試結(jié)果:
[0051]A.光纖衰耗，測(cè)試光源IPG YLR 4000瓦SS激光器，激光波長(zhǎng)1070nm。被測(cè)光纖芯徑800 μ m ;光纖長(zhǎng)度10m。
[0052]

【權(quán)利要求】
1.一種晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，其特征在于它包括超純石英玻璃芯(I)、環(huán)繞在超純石英玻璃芯(I)周圍的晶體包層(2)和摻氟的外包層管(3)以及設(shè)置外包層管(3)的管壁外表面的有機(jī)樹脂保護(hù)涂層(4)構(gòu)成；所述的晶體包層(2)由圍繞排列在超純石英玻璃芯(I)周圍的多根晶體單元管構(gòu)成；在所述的超純石英玻璃芯(I)和晶體包層(2)之間的空隙中填充有高純氧氣或高純氮?dú)狻?br> 2.如權(quán)利要求1中所述的晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，其特征在于所述的超純石英玻璃芯(I)為金屬氧化物雜質(zhì)總含量低于0.5ppm,輕基含量(OH)為0.2ppm,氣泡、氣線含量接近零，傳輸效率>98%的超純石英玻璃芯。
3.如權(quán)利要求1中所述的晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，其特征在于所述的晶體單元管為石英玻璃毛細(xì)管。
4.如權(quán)利要求1中所述的晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，其特征在于所述的摻氟外包層管(3)為摻氟石英玻璃管，所述的摻氟石英玻璃管的折射率與石英玻璃毛細(xì)管的折射率差Δ 0.009。
5.如權(quán)利要求4中所述的晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，其特征在于所述的石英玻璃毛細(xì)管為超高純的光纖級(jí)石英玻璃管。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4中所述的晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，其特征在于晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖傳輸波長(zhǎng)覆蓋范圍:0.4 μ m?1.6 μ m。傳輸功率密度:>10kw/mm2。
7.如權(quán)利要求1或2中所述的晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，其特征在于所述的晶體包層(2)由圍繞排列在超純石英玻璃芯(I)的多根晶體單元管構(gòu)成的一層結(jié)構(gòu)的晶體包層(2)。
8.如權(quán)利要求1或2中所述的晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，其特征在于所述的晶體包層(2)由圍繞排列在超純石英玻璃芯(I)周圍的多根晶體單元管構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)的晶體包層⑵。
9.如權(quán)利要求1中所述的晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，其特征在于所述的有機(jī)樹脂保護(hù)涂層(4)為有機(jī)硅橡膠光纖涂料或丙烯酸樹脂光纖涂料或聚酰亞胺光纖涂料。
10.如權(quán)利要求1中所述的晶體結(jié)構(gòu)大功率光纖，其特征在于在所述的超純石英玻璃芯(I)和晶體包層(2)之間的空隙中填充有純凈、分子量較低的特選氣體，所述的氣體的占空比例不低于60%。
【文檔編號(hào)】G02B6/036GK104199142SQ201410445778
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】李德建 申請(qǐng)人:鞍山量子科技有限公司