專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多芯激光光纖的拉制方法及其拉制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖制造技術(shù)，特別涉及一種包含激光增益介質(zhì)的大模場(chǎng)多芯激光光纖的拉制方法及其拉制系統(tǒng)，屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
將光纖結(jié)構(gòu)應(yīng)用于激光器和激光放大器的思想是由Snitzer于1961年提出并加以驗(yàn)證，他采用纖芯為300 μ m的摻Nd光纖作為激光增益介質(zhì)。然而低損耗光纖制造技術(shù)和半導(dǎo)體激光器的發(fā)展與應(yīng)用為光纖激光器帶來(lái)了新的前景。以摻雜光纖為核心的光纖激光器、光纖激光放大器具有如下許多優(yōu)勢(shì)穩(wěn)定性高，對(duì)環(huán)境要求低；散熱快、損耗低、效率高；輸出波長(zhǎng)多，可調(diào)諧；光纖導(dǎo)出，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)研究，光纖纖芯尺寸影響著光纖傳輸功率，大直徑光纖纖芯可以傳輸更高功率， 而小直徑光纖纖芯會(huì)產(chǎn)生非線性，從而影響光纖輸出功率，損傷光纖。而過(guò)大直徑的光纖纖芯會(huì)影響光束質(zhì)量，造成光纖激光器和光纖激光放大器的多模輸出。因此，按照需求設(shè)計(jì)光纖纖芯尺寸結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。通信用小直徑光纖纖芯直徑在6-10微米之間，包層直徑 125微米，大直徑光纖代表即光子晶體光纖，纖芯可達(dá)20-50微米甚至更高。光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber, PCF)，又稱(chēng)為微結(jié)構(gòu)光纖 (Microstructure fiber, MF)。1996 年，英國(guó) Southampton 大學(xué)光電研究中心的 P. St. J. Russel等人實(shí)現(xiàn)了第一根石英光子晶體光纖。石英光子晶體光纖一般由石英和空氣孔構(gòu)成，其橫截面上周期性排列著沿軸向均勻分布的圓形空氣孔，其周期性被破壞形成缺陷，這些空氣孔的尺度與光波波長(zhǎng)大致在同一量級(jí)且貫穿器件的整個(gè)長(zhǎng)度，光波可以被限制在光纖纖芯區(qū)傳播。近年來(lái)，石英光子晶體光纖被作為有源摻雜的載體，且引入了雙包層結(jié)構(gòu)， 從而提高了光纖激光器的泵浦效率、增益、輸出功率等性能。類(lèi)似于現(xiàn)有多芯光纖的制備工藝，由于多芯光纖種類(lèi)繁多，其預(yù)制棒的制備是整個(gè)制備工藝的核心內(nèi)容，而后續(xù)拉絲工藝和測(cè)試方法基本一致。英國(guó)Southampton大學(xué)首先提出毛細(xì)管組合法制作預(yù)制棒，經(jīng)過(guò)三次拉絲過(guò)程將直徑30mm的石英棒經(jīng)過(guò)鉆孔、拉伸、堆積、再拉伸，制作成多芯光纖。此方法結(jié)構(gòu)調(diào)整靈活、簡(jiǎn)單易行；但是此方法容易帶來(lái)夾雜和表面缺陷。韓國(guó)三星公司提出溶膠-凝膠(Sol-Gel)工藝，將溶膠澆注成設(shè)計(jì)尺寸的多芯光纖結(jié)構(gòu)使其凝膠，其空氣孔結(jié)構(gòu)可由圓棒插入，而圓棒直徑等于設(shè)計(jì)的空氣孔的直徑，待凝膠后移除插入的圓棒則形成多芯光纖預(yù)制棒，該方法在燒結(jié)時(shí)容易出現(xiàn)局部玻璃開(kāi)裂，導(dǎo)致光纖作廢。P. Falkenstein等人在2004年公布了化學(xué)腐蝕法實(shí)現(xiàn)預(yù)制棒的多孔結(jié)構(gòu)。此方法在構(gòu)成預(yù)制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蝕的玻璃材料，再按照設(shè)計(jì)要求排列好預(yù)制棒并融化成型后，利用酸腐蝕掉不需要的部分形成空氣孔制作多芯光纖，此方法精度不高，不能精確控制光纖空氣孔直徑和纖芯直徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是在于克服現(xiàn)有多芯光纖設(shè)計(jì)和制造中所存在的缺陷和不足，而提供一種包含激光增益介質(zhì)的大模場(chǎng)多芯激光光纖的拉制方法及其拉制系統(tǒng)，該拉制方法是先采用真空擠壓裝置將石英原材料制備成多芯激光光纖細(xì)棒，再將光纖細(xì)棒切割成長(zhǎng)度相同的若干光纖細(xì)棒，然后將若干光纖細(xì)棒按設(shè)計(jì)幾何圖形進(jìn)行排列堆積并套入石英套管內(nèi)形成多芯激光光纖預(yù)制棒，最后將多芯激光光纖預(yù)制棒采用拉制系統(tǒng)進(jìn)一步拉制成多芯激光光纖。本發(fā)明的另一目的還提供一種激光光纖細(xì)棒的擠壓裝置和拉制多芯激光光纖的拉制系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是通過(guò)下述措施構(gòu)成的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明一種采用真空擠壓法制備多芯光纖細(xì)棒的真空擠壓裝置，其特征在于包括容納石英材料的加熱腔，在加熱腔外部設(shè)置掃描氫氧焰，加熱腔底部設(shè)置一真空擠壓口，于真空擠壓口外連接一真空腔，真空腔下部右側(cè)連接一抽真空閥，真空擠壓口處還增設(shè)一頂針。上述技術(shù)方案中，所述加熱腔為漏斗形狀；所述真空腔高度設(shè)計(jì)為30cm ；所述真空擠壓口直徑設(shè)置在0. 5mm-5mm之間；其形狀設(shè)計(jì)為圓形，或矩形，或正六邊形，或三角形； 所述頂針直徑小于真空擠壓口的直徑。本發(fā)明一種多芯激光光纖的拉制方法，其特征在于包括以下工藝步驟(1)多芯激光光纖細(xì)棒的制備采用真空擠壓裝置制備多芯激光光纖細(xì)棒將石英原材料置于加熱腔中，利用掃描氫氧焰對(duì)其進(jìn)行加熱，其加熱溫度為2500-300(TC，待石英原材料融化后，在加熱腔上端施加5-20牛頓的壓力，使熔融石英材料從加熱腔底部真空擠壓口處的頂針擠出圓形，或矩形，或正六邊形，或三角形的光纖細(xì)棒，整個(gè)擠壓過(guò)程均在真空腔內(nèi)進(jìn)行；(2)多芯激光光纖預(yù)制棒的形成將步驟(1)得到的光纖細(xì)棒切割成長(zhǎng)度相同的若干光纖細(xì)棒，再將若干光纖細(xì)棒按設(shè)計(jì)的幾何圖形和數(shù)量進(jìn)行排列堆積，將排列堆積好的光纖細(xì)棒套入能容納所排列堆積細(xì)棒數(shù)量的石英套內(nèi)，即形成多芯激光光纖預(yù)制棒；(3)多芯激光光纖的拉制將步驟( 形成的多芯激光光纖預(yù)制棒置于加熱管內(nèi)，光纖預(yù)制棒左端固定，右端由步進(jìn)電機(jī)牽引，加熱管由兩束掃描氫氧焰對(duì)其加熱，以保持其管內(nèi)溫度的均勻分布，待多芯激光光纖預(yù)制棒融化時(shí)則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)對(duì)其進(jìn)行拉伸，在拉制過(guò)程中，為進(jìn)一步保護(hù)光纖的拉制，于加熱管惰性氣體注入口通入He惰性氣體；即得到拉制的多芯激光光纖；(4)多芯激光光纖拉制過(guò)程中溫度和其直徑的監(jiān)控在步驟(3)拉制過(guò)程的同時(shí)，利用溫度傳感器對(duì)加熱管內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)控；利用光纖測(cè)徑儀對(duì)拉制出來(lái)的多芯激光光纖直徑進(jìn)行監(jiān)控；將監(jiān)控到的溫度信息和直徑信息送入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將處理后的信息再反饋給步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)反饋信息來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)拉伸速度和氫氧焰加熱溫度，如果直徑過(guò)大，則增加溫度、降低步進(jìn)電機(jī)拉伸速度，如果直徑過(guò)小，則降低溫度、增加步進(jìn)電機(jī)拉伸速度；(5)在多芯激光光纖上增加涂覆層在步驟(3)得到的多芯光纖上噴涂丙烯酸樹(shù)脂涂覆層，并用固化裝置對(duì)其進(jìn)行固化，即制備成用于激光整形、激光放大器、高功率光纖激光器領(lǐng)域的多芯激光光纖。
上述技術(shù)方案中，所述制備的多芯激光光纖細(xì)棒為實(shí)心棒，或帶空氣孔的空心棒。上述技術(shù)方案中，所述石英原材料為純凈石英原材料，或摻稀土離子的石英原材料，或摻過(guò)渡族金屬離子的石英原材料。上述技術(shù)方案中，所述石英原材料中摻稀土離子方式是在制備同一根細(xì)棒的石英原材料中摻一種稀土離子，或者是多種稀土離子混摻于制備同一根細(xì)棒的石英原材料中； 或者是在制備多根細(xì)棒的石英原材料中摻多種稀土離子。上述技術(shù)方案中，所述石英原材料中摻過(guò)渡族金屬離子方式是在制備同一根細(xì)棒的石英原材料中摻一種過(guò)渡族金屬離子，或者是多種過(guò)渡族金屬離子混摻于制備同一根細(xì)棒的石英原材料中；或者是在制備多根細(xì)棒的石英原材料中摻多種過(guò)渡族金屬離子。上述技術(shù)方案中，所述石英原材料中所摻稀土離子為釹離子、或鐿離子、或鉺離子、或鐠離子、或銩離子，或鈥離子；所摻過(guò)渡族金屬離子為鐵離子、或鈷離子、或鉻離子、或銅離子。上述技術(shù)方案中，所述摻稀土離子和過(guò)渡族金屬離子的摻雜濃度均為 500ppm-5000ppmo本發(fā)明一種多芯激光光纖的拉制系統(tǒng)，其特征在于包括加熱管，其左端接一惰性氣體注入口，置于加熱管內(nèi)的多芯激光光纖預(yù)制棒，多芯激光光纖預(yù)制棒左端固定，其右端由連接多芯激光光纖預(yù)制棒的步進(jìn)電機(jī)牽引，加熱管上下面分別設(shè)置的對(duì)其加熱的掃描氫氧焰，加熱管內(nèi)設(shè)置的溫度傳感器用于監(jiān)控加熱管內(nèi)溫度，由步進(jìn)電機(jī)拉制出的光纖側(cè)面設(shè)置一監(jiān)控光纖直徑的光纖測(cè)徑儀，增加光纖涂覆層噴口位于拉制出的光纖側(cè)面并于光纖測(cè)徑儀之后，固化涂覆層的固化裝置位于拉制出的光纖側(cè)面并于涂覆層噴口之后，用于處理溫度信息和光纖直徑信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與整個(gè)光纖拉制系統(tǒng)連接。本發(fā)明拉制的多芯激光光纖包含激光增益介質(zhì)的大模場(chǎng)多芯激光光纖，其結(jié)構(gòu)包括纖芯區(qū)、包層區(qū)和涂覆層區(qū)，所述多芯光纖纖芯在包層中按設(shè)計(jì)的幾何圖形，如圓形，或矩形，或正六邊形，或三角形的規(guī)律排列有2-10根亞波長(zhǎng)直徑的纖芯根據(jù)需要或者模擬結(jié)果佐證，根據(jù)需要，模場(chǎng)需求越大需要的纖芯越多，在實(shí)施例5或6進(jìn)行佐證。所述光纖包括石英區(qū)和空氣孔區(qū)；摻稀土離子的多根纖芯按一定規(guī)律排列，所述纖芯中為摻入相同稀土離子和不同的稀土離子，或摻入相同的過(guò)渡族金屬離子或不同的過(guò)渡族金屬離子；所述包層區(qū)的折射率小于纖芯區(qū)的折射率。對(duì)不同結(jié)構(gòu)多芯光纖進(jìn)行模擬，分析不同結(jié)構(gòu)多芯光纖對(duì)模場(chǎng)的影響，從而可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明對(duì)激光模場(chǎng)的控制是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)不同多芯光纖纖芯直徑尺寸和纖芯排列方式的不同結(jié)構(gòu)、以及所用材料來(lái)指導(dǎo)多芯光纖的拉制，在實(shí)際使用過(guò)程中起到保證光束質(zhì)量，模式控制、模式轉(zhuǎn)換的作用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)和有益技術(shù)效果1、本發(fā)明制備光纖細(xì)棒的擠壓裝置中將擠壓口設(shè)計(jì)成圓形、或矩形、或正六邊形、 或三角形等形狀，可直接得到有表面形狀的較細(xì)的，并省去了進(jìn)一步拉制和打磨細(xì)棒表面形狀的過(guò)程；在擠壓口處增設(shè)一直徑稍微小于其擠壓口直徑的頂針，可以直接得到中空的細(xì)棒；同時(shí)在擠壓口外接一個(gè)真空腔，真空環(huán)境更利于細(xì)棒的擠壓形成，同時(shí)也降低了環(huán)鏡中雜質(zhì)和空氣流動(dòng)等影響。2、本發(fā)明制備的多芯激光光纖預(yù)制棒中，摻稀土離子和不摻稀土離子的纖芯可控制其摻雜的濃度、摻雜組合和靈活規(guī)律排列，可使拉制的激光光纖折射率范圍寬，模場(chǎng)大， 同時(shí)可以提高激光光纖的有源輸出功率；不同的稀土離子可以實(shí)現(xiàn)多種激光波長(zhǎng)輸出，對(duì)于同時(shí)摻不同稀土離子的多芯激光光纖，可以實(shí)現(xiàn)多種波長(zhǎng)的同時(shí)輸出，且覆蓋激光波長(zhǎng)范圍較寬。3、本發(fā)明使用真空擠壓裝置制作小尺寸的細(xì)棒，省去了將大尺寸預(yù)制棒拉細(xì)的第一次拉伸過(guò)程；從設(shè)計(jì)好幾何圖形的擠壓口擠壓出的細(xì)棒不需要進(jìn)行進(jìn)一步的打磨就能達(dá)到所需細(xì)棒表面的形狀；其次，所述采用的真空擠壓裝置減少了多次拉制和后期進(jìn)一步打磨工序、鉆孔引起的誤差和表面不均勻性等，因此該方法更加簡(jiǎn)潔方便；同時(shí)使用真空擠壓裝置還可制作大直徑的石英套管。4、本發(fā)明多芯激光光纖整個(gè)拉制過(guò)程相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的毛細(xì)管組合三次拉制法、 溶膠-凝膠法和腐蝕法，其制作過(guò)程簡(jiǎn)單、快速，制作成本低，且減少了多次熱處理過(guò)程中引入缺陷的可能性，所拉制的多芯激光光纖質(zhì)量好、精度高。5、本發(fā)明多芯激光光纖利用若干纖芯不同排列結(jié)構(gòu)有效地耦合，實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高功率激光的傳輸和整形，同時(shí)利用摻稀土離子的纖芯提供增益，并且能對(duì)導(dǎo)入的激光進(jìn)行空間整形，并可以應(yīng)用于激光整形、激光放大器、高功率光纖激光器等領(lǐng)域。6、本發(fā)明可對(duì)不同結(jié)構(gòu)多芯激光光纖進(jìn)行模擬，分析、優(yōu)化不同結(jié)構(gòu)的多芯激光光纖對(duì)模場(chǎng)的影響，同時(shí)分析、研究、優(yōu)化增益的分布對(duì)模場(chǎng)的影響，得到需要的、優(yōu)化的多芯激光光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。


圖1是本發(fā)明采用真空擠壓法制備多芯激光光纖細(xì)棒擠壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明制備的多芯激光光纖預(yù)制棒的一種橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明拉制的多芯激光光纖的一種橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明多芯激光光纖拉制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明利用ANSYS軟件模擬雙纖芯激光光纖和六纖芯激光光纖模場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是是本發(fā)明利用ANSYS軟件模擬19芯激光光纖和六纖芯激光光纖模場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1-石英原材料，2-加熱腔，3-真空腔，4-抽真空閥，5-真空擠壓口，6-頂針，7-石英套管，8-光纖細(xì)棒，9-摻稀土離子細(xì)棒，10-空氣孔，11-光纖涂覆層，12-包層， 13-纖芯，14-增益層，15-多芯激光光纖預(yù)制棒，16-氫氧焰，17-藍(lán)寶石管，18-光纖測(cè)徑儀，19-涂覆層噴口，20-步進(jìn)電機(jī)，21-惰性氣體注入口，22-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，23-溫度傳感器， 24-固化裝置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖并通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但它僅用于說(shuō)明本發(fā)明的一些具體的實(shí)施方式，而不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的任何限定。實(shí)施例1多芯光纖細(xì)棒的制備
本實(shí)例所用石英原材料1為純石英原材料；所述加熱腔2為藍(lán)寶石作成。本實(shí)施例中，采用圖1所示的真空擠壓裝置結(jié)構(gòu)圖制備激光光纖細(xì)棒，按圖1結(jié)構(gòu)連接好各部件；將純石英原材料1置于漏斗狀藍(lán)寶石加熱腔2中，利用氫氧焰16對(duì)其加熱， 加熱溫度為2500°C，待石英原材料融化后，在藍(lán)寶石加熱腔2上端施加一 20牛頓壓力，使熔融石英原材料從藍(lán)寶石加熱腔2底部真空擠壓口 5擠出形成光纖細(xì)棒。本實(shí)例中，所述真空擠出口 5直徑設(shè)置為0. 5mm的圓形，因此，當(dāng)熔融石英原材料被擠出時(shí)，可直接得到表面形狀為圓柱形的直徑0. 5mm的純石英原材料的光纖細(xì)棒，當(dāng)熔融石英材料從真空擠壓口 5 被擠出時(shí)，由于受到尺寸更小的頂針6的阻擋，則可直接得到中空的細(xì)棒。此外，利用抽真空閥4控制真空腔3內(nèi)真空度在100 以內(nèi)，真空腔高度設(shè)計(jì)為30cm，制作出的光纖細(xì)棒長(zhǎng)度則約為30cm，而真空腔為擠壓出的光纖細(xì)棒提供了一個(gè)負(fù)壓，同時(shí)也減少了環(huán)境中雜質(zhì)和空氣流動(dòng)對(duì)光纖細(xì)棒的影響。實(shí)施例2多芯光纖細(xì)棒的制備本實(shí)例所用石英原材料1為摻稀土釹離子的石英原材料，其釹離子濃度為 IOOOppmo其他制備步驟和工藝條件與實(shí)施例1相同，得到摻雜離子為釹離子增益的光纖細(xì)棒。實(shí)施例3多芯光纖預(yù)制棒的制備將實(shí)施例1和實(shí)施例2中制備的光纖細(xì)棒排列堆積成為多芯光纖預(yù)制棒，是將光纖細(xì)棒切割成長(zhǎng)度相同的細(xì)棒160根左右，然后將帶有空氣孔10的純凈石英光纖細(xì)棒8和帶有空氣孔10的摻釹土離子光纖細(xì)棒9按照所設(shè)計(jì)的六邊形結(jié)構(gòu)排列堆積；六邊形中間是實(shí)心的純凈石英光纖細(xì)棒8，在其周?chē)帕卸逊e摻釹離子的光纖細(xì)棒9，再逐漸向外層排列堆積純凈的石英纖芯預(yù)制棒8 ；排列堆積完成之后，套入內(nèi)徑為能容納所堆積的纖芯預(yù)制棒的內(nèi)徑為IOmm的石英套管7內(nèi)，則形成多芯光纖預(yù)制棒15，其橫截面如圖2所示。實(shí)施例4多芯光纖的拉制所述加熱管為藍(lán)寶石管17，其內(nèi)徑為50mm-100mm，長(zhǎng)度為25-30cm，壁厚為 2_5mm ；所用惰性氣體為He氣；所述固化裝置為固化爐；光纖涂覆層11為丙烯酸樹(shù)脂。將實(shí)施例3排列堆積好的多芯光纖預(yù)制棒拉制成多芯激光光纖，拉制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。按圖4連接好各部件，將多芯光纖預(yù)制棒15置于藍(lán)寶石管17中，其左端固定， 右端由高精度步進(jìn)電機(jī)20牽引；藍(lán)寶石管17由兩束掃描氫氧焰16加熱，兩束掃描氫氧焰 16和藍(lán)寶石管17可以很好的控制和維持對(duì)多芯光纖預(yù)制棒15的加熱溫度分布均勻。待多芯光纖預(yù)制棒15融化時(shí)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)20拉伸；在這個(gè)拉伸過(guò)程進(jìn)行的同時(shí)對(duì)加熱管藍(lán)寶石管17內(nèi)溫度利用溫度傳感器23進(jìn)行監(jiān)控；對(duì)拉制出來(lái)的多芯光纖直徑由光纖測(cè)徑儀 18監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的溫度信息和多芯光纖直徑信息的反饋來(lái)控制氫氧焰16掃描速度以控制藍(lán)寶石管17內(nèi)溫度和控制步進(jìn)電機(jī)20的拉伸速度，所有監(jiān)控反饋調(diào)節(jié)都通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)22完成。同時(shí)通過(guò)惰性氣體注入口 21向藍(lán)寶石管17通入惰性氣體He氣，以維持藍(lán)寶石管17內(nèi)部的氣壓平衡，進(jìn)一步保護(hù)多芯光纖的拉制；拉制成型的多芯光纖由涂覆層噴口 19及固化裝置M中固化爐增加光纖涂覆層11，增加的涂覆層為丙烯酸樹(shù)脂，起到保護(hù)光纖作用。本發(fā)明所拉制的多芯激光光纖其橫截面如圖3所示，從圖3可看到得到了微結(jié)構(gòu)多芯激光光纖。在本發(fā)明實(shí)施例2中，純凈石英纖芯預(yù)制棒8由摻釹離子的纖芯預(yù)制棒9按六邊形結(jié)構(gòu)包圍，在拉制成光纖之后在纖芯13周?chē)纬稍鲆鎸?4，堆積在外層的纖芯預(yù)制棒形成了多芯光纖的包層12，最后整根光纖由涂覆層11保護(hù)。實(shí)施例5雙芯和六芯光纖的模場(chǎng)模擬本實(shí)施例中，利用有限元法計(jì)算的雙芯多芯光纖和六芯多芯光纖的模場(chǎng)圖如圖5 所示。先用ANSYS建立光子晶體光纖橫截面的二維模型，把空氣孔和石英用不同的材料參數(shù)編號(hào)來(lái)區(qū)分。為了進(jìn)行有限元數(shù)值分析，這里把二維模型劃分為有限個(gè)三角形單元， 每個(gè)單元有六個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后導(dǎo)出單元節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，包括單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、材料參數(shù)和邊界條件寸。根據(jù)有限元數(shù)值計(jì)算法，利用C++語(yǔ)言編譯特征矩陣計(jì)算程序，把建模數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入，計(jì)算得到的最大特征值就是所求光子晶體光纖基模的傳播常數(shù)，對(duì)應(yīng)的特征向量就是基模場(chǎng)振幅的分布數(shù)據(jù)。最后利用有限元后處理軟件Tecplot，導(dǎo)入基模場(chǎng)振幅的數(shù)據(jù)文件，繪制出基模場(chǎng)振幅分布示意圖。如圖5中(a)圖設(shè)計(jì)的兩芯多芯光纖，在占空比40%，波長(zhǎng)1.55 μ m情況下對(duì)其模場(chǎng)進(jìn)行模擬，作為對(duì)照，同時(shí)在相同占空比和波長(zhǎng)情況下模擬6芯的多芯光纖的模場(chǎng)，如圖5中(b)圖所示。因此，通過(guò)不同的纖芯數(shù)和不同的排列方式對(duì)多芯光纖模場(chǎng)進(jìn)行了所需要的調(diào)整和整形。實(shí)施例6多芯光纖不同直徑情況的模場(chǎng)模擬本實(shí)施例中，計(jì)算的19芯多芯光纖模場(chǎng)，步驟是設(shè)計(jì)19芯多芯光纖，在孔間距 5 μ m,波長(zhǎng)1. 55 μ m，不同孔直徑的情況下對(duì)其模場(chǎng)進(jìn)行模擬，如圖6所示，圖6中(a) (b)和 (c)圖分別為空氣孔直徑1. 3 μ m、1. 9 μ m、2. 2 μ m情況下的多芯光纖模場(chǎng)分布圖，不同孔直徑對(duì)多芯光纖模場(chǎng)進(jìn)行了所需要的調(diào)整和整形。對(duì)于所述其他稀土離子，如鐿離子、或鉺離子、或鐠離子、或銩離子，或鈥離子等摻入所用石英原材料1中，其制備步驟和其他工藝條件與實(shí)施例1相同，均可制備成摻有稀土離子的光纖細(xì)棒；同樣，摻稀土離子可在制備同一根細(xì)棒的石英原材料中摻一種稀土離子， 或者是將多種稀土離子混摻于制備同一根細(xì)棒的石英原材料中；或者是在制備多根細(xì)棒的石英原材料中摻多種稀土離子制備的光纖細(xì)棒；將光纖細(xì)棒排列堆積成光纖預(yù)制棒采用光纖拉制系統(tǒng)即可拉制成多芯激光光纖。對(duì)于所述其他過(guò)渡族金屬離子，如鐵離子、或鈷離子、或鉻離子、或銅離子等摻入所用石英原材料1中，其制備步驟和其他工藝條件與實(shí)施例1相同，均可制備成摻有過(guò)渡族金屬離子的光纖細(xì)棒；同樣，摻過(guò)渡族金屬離子可在制備同一根細(xì)棒的石英原材料中摻一種過(guò)渡族金屬離子，或者是將多種過(guò)渡族金屬離子混摻于制備同一根細(xì)棒的石英原材料中；或者是在制備多根細(xì)棒的石英原材料中摻多種過(guò)渡族金屬離子制備的光纖細(xì)棒；將光纖細(xì)棒排列堆積成光纖預(yù)制棒采用光纖拉制系統(tǒng)即可拉制成多芯激光光纖。
權(quán)利要求
1.一種采用真空擠壓法制備多芯光纖細(xì)棒的真空擠壓裝置，其特征在于包括容納石英材料(1)的加熱腔O)，在加熱腔外部設(shè)置掃描氫氧焰(16)，加熱腔底部設(shè)置一真空擠壓口 (5)，于真空擠壓口外連接一真空腔(3)，真空腔(3)下部右側(cè)連接一抽真空閥G)，真空擠壓口 (5)處還增設(shè)一頂針(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多芯光纖細(xì)棒的真空擠壓裝置，其特征在于所述加熱腔O) 為漏斗形狀；所述真空腔高度為30cm ；所述真空擠壓口(5)直徑設(shè)置在0. 5mm-5mm之間；其形狀設(shè)計(jì)為圓形，或矩形，或正六邊形，或三角形；所述頂針(6)直徑小于真空擠壓口(5)的直徑。
3.—種多芯激光光纖的拉制方法，其特征在于包括以下工藝步驟(1)多芯光纖細(xì)棒的制備采用真空擠壓裝置制備多芯光纖細(xì)棒將石英原材料(1)置于加熱腔(2)中，利用掃描氫氧焰(16)對(duì)其進(jìn)行加熱，其加熱溫度為2500-3000°C，待石英原材料融化后，在加熱腔上端施加5-20牛頓的壓力，使熔融石英材料從加熱腔底部真空擠壓口( 處的頂針(6)擠出圓形，或矩形，或正六邊形，或三角形的光纖細(xì)棒，整個(gè)擠壓過(guò)程均在真空腔(3)內(nèi)進(jìn)行；(2)多芯光纖預(yù)制棒的形成將步驟(1)得到的光纖細(xì)棒切割成長(zhǎng)度相同的若干光纖細(xì)棒，再將若干光纖細(xì)棒按設(shè)計(jì)的幾何圖形和數(shù)量進(jìn)行排列堆積，將排列堆積好的光纖細(xì)棒套入能容納所排列堆積細(xì)棒數(shù)量的石英套(7)內(nèi)，即形成多芯激光光纖預(yù)制棒(15)；(3)多芯激光光纖的拉制將步驟( 形成的多芯光纖預(yù)制棒置于加熱管內(nèi)，光纖預(yù)制棒左端固定，右端由步進(jìn)電機(jī)牽引，加熱管由兩束掃描氫氧焰對(duì)其加熱，以保持其管內(nèi)溫度均勻分布，待多芯激光光纖預(yù)制棒融化時(shí)則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)對(duì)其進(jìn)行拉伸，在拉制過(guò)程中，為進(jìn)一步保護(hù)光纖的拉制， 于加熱管惰性氣體注入口通入He惰性氣體；即得到拉制的多芯激光光纖；(4)多芯激光光纖拉制過(guò)程中溫度和其直徑的監(jiān)控在步驟(3)拉制過(guò)程的同時(shí)，利用溫度傳感器對(duì)加熱管內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)控；利用光纖測(cè)徑儀對(duì)拉制出來(lái)的多芯激光光纖直徑進(jìn)行監(jiān)控；將監(jiān)控到的溫度信息和直徑信息送入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將處理后的信息再反饋給步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)反饋信息來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)拉伸速度和氫氧焰加熱溫度，如果直徑過(guò)大，則增加溫度、降低步進(jìn)電機(jī)拉伸速度，如果直徑過(guò)小，則降低溫度、增加步進(jìn)電機(jī)拉伸速度；(5)在多芯激光光纖上增加涂覆層在步驟(3)得到的多芯光纖上噴涂丙烯酸樹(shù)脂涂覆層，并用固化裝置對(duì)其進(jìn)行固化， 即制備成用于激光整形、激光放大器、高功率光纖激光器領(lǐng)域的多芯激光光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多芯激光光纖的拉制方法，其特征在于所述制備的多芯激光光纖細(xì)棒為實(shí)心棒，或帶空氣孔的空心棒。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多芯激光光纖的拉制方法，其特征在于所述石英原材料為純凈石英原材料，或摻稀土離子的石英原材料，或摻過(guò)渡族金屬離子的石英原材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的多芯激光光纖的拉制方法，其特征在于所述石英原材料中摻稀土離子方式是在制備同一根細(xì)棒的石英原材料中摻一種稀土離子，或者是多種稀土離子混摻于制備同一根細(xì)棒的石英原材料中；或者是在制備多根細(xì)棒的石英原材料中摻多種稀土離子。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的多芯激光光纖的拉制方法，其特征在于所述石英原材料中摻過(guò)渡族金屬離子方式是在制備同一根細(xì)棒的石英原材料中摻一種過(guò)渡族金屬離子，或者是多種過(guò)渡族金屬離子混摻于制備同一根細(xì)棒的石英原材料中；或者是在制備多根細(xì)棒的石英原材料中摻多種過(guò)渡族金屬離子。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的多芯激光光纖的拉制方法，其特征在于所述石英原材料中所摻稀土離子為釹離子、或鐿離子、或鉺離子、或鐠離子、或銩離子，或鈥離子；所摻過(guò)渡族金屬離子為鐵離子、或鈷離子、或鉻離子、或銅離子。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多芯激光光纖的拉制方法，其特征在于所述摻稀土離子和過(guò)渡族金屬離子的摻雜濃度均為500ppm-5000ppm。
10.一種多芯激光光纖的拉制系統(tǒng)，其特征在于包括加熱管(17)，其左端接一惰性氣體注入口(21)，置于加熱管(17)內(nèi)的多芯激光光纖預(yù)制棒(15)，多芯激光光纖預(yù)制棒(15) 左端固定，其右端由連接多芯激光光纖預(yù)制棒的步進(jìn)電機(jī)00)牽引，加熱管上下面分別設(shè)置的對(duì)其加熱的掃描氫氧焰(16)，加熱管內(nèi)設(shè)置的溫度傳感器用于監(jiān)控加熱管內(nèi)溫度，由步進(jìn)電機(jī)00)拉制出的光纖側(cè)面設(shè)置一監(jiān)控光纖直徑的光纖測(cè)徑儀(18)，增加光纖涂覆層噴口(19)位于拉出的光纖側(cè)面并于光纖測(cè)徑儀之后，固化涂覆層的固化裝置04) 位于拉出的光纖側(cè)面并于涂覆層噴口(19)之后，用于處理溫度信息和光纖直徑信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)02)與整個(gè)光纖拉制系統(tǒng)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多芯激光光纖的拉制方法及其拉制系統(tǒng)，屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域。該拉制方法是先采用真空擠壓裝置將石英原材料，或摻稀土離子石英材料，或摻過(guò)渡族金屬離子石英材料制備成多芯激光光纖細(xì)棒，再將光纖細(xì)棒切割成長(zhǎng)度相同的若干光纖細(xì)棒，將若干光纖細(xì)棒按設(shè)計(jì)的幾何圖形進(jìn)行排列堆積并套入石英套管內(nèi)形成多芯光纖預(yù)制棒，再將光纖預(yù)制棒用拉制系統(tǒng)進(jìn)一步拉制成多芯激光光纖。本發(fā)明多芯激光光纖整個(gè)拉制過(guò)程相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的毛細(xì)管組合三次拉制法、溶膠-凝膠法和腐蝕法，其制作過(guò)程簡(jiǎn)單、快速，制作成本低，且減少了多次熱處理過(guò)程中引入缺陷的可能性，所拉制的多芯激光光纖質(zhì)量好、精度高。
文檔編號(hào)C03B37/025GK102515506SQ20111045924
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者馮國(guó)英, 周壽桓, 周昊 申請(qǐng)人:四川大學(xué)