一種長距離激光能量傳輸光纖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖激光器傳輸領(lǐng)域，具體為一種激光能量傳輸光纖。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖激光器已經(jīng)在激光加工領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，由于光纖的柔軟性，其可以 應(yīng)用于一些特殊場合，如在狹窄空間進(jìn)行激光處理的場合，高功率光纖激光器也為水下切 割提供了高效、安全、環(huán)保的新方法與途徑。為適應(yīng)狹窄空間、水下作業(yè)等需要，要求激光由 光纖傳輸幾十甚至上百米的長距離，而目前大多數(shù)的激光能量傳輸光纖的長度都在10米 左右，這就極大地限制了光纖激光器在這些場合的應(yīng)用。長距離的激光傳輸對光纖傳輸系 統(tǒng)提出了更高的要求，一方面，長距離的傳輸需要減少光纖的傳輸損耗，從而保證輸出端具 有較大的輸出光功率；另一方面，在存在一定的傳輸損耗的情況下，應(yīng)增大注入光纖的激光 功率，從而增加光纖輸出端激光輸出功率。
[0003] 大多數(shù)的激光能量傳輸光纖使用純石英纖芯光纖，其結(jié)構(gòu)為普通的階躍型光纖結(jié) 構(gòu)，即纖芯折射率高，而包層折射率低，纖芯和包層區(qū)域折射率不變，這種結(jié)構(gòu)最為簡單。其 包層分為石英包層型和塑料包層型兩大類。石英包層型能量光纖能夠傳輸較高的激光功 率，具有良好的抗光學(xué)損傷能力及較低的衰減和較高的光透過率(從近紫外波段到近紅外 波段是400nm~1600nm);塑料包層型能量光纖的數(shù)值孔徑更大，有利于光耦合，但其抗光 學(xué)操作能力弱于石英包層光纖。為減少光纖傳輸?shù)墓夤β拭芏龋苊夤饫w損傷，激光能量 傳輸光纖的芯徑一般在1〇〇~1〇〇〇 μ m之間，相對傳輸距離較短(小于10m)，是典型的多模光 纖。增大纖芯尺寸可以減小光功率密度，有利于減少光損傷，但也會導(dǎo)致光纖的柔軟性變 差，易斷裂。由于光纖直徑越大，其機械彎曲性能越差，因此，理想的激光能量傳輸光纖應(yīng)在 同樣的光纖直徑下，具有更大的模場面積。
[0004] 激光能量傳輸光纖應(yīng)具有低損耗和更好的穩(wěn)定性，在l〇64nm波段，目前全石英激 光能量傳輸光纖的傳輸損耗可達(dá)10 dB/km以下，材料損耗是限制光纖損耗的重要因素，此 外，高階模引起的泄露損耗是其中重要的一個因素，另一方面，長距離傳輸時，激光易受光 纖彎曲和外界應(yīng)力的影響，產(chǎn)生彎曲損耗，這是限制高功率激光傳輸距離的重要因素之一。 傳輸損耗不但減少了光纖輸出的激光功率，也帶來傳輸光纖散熱等問題，直接影響光纖傳 輸高功率激光的距離。
[0005] 近年來，出現(xiàn)了米用微結(jié)構(gòu)光纖【All-glass large-core leakage channel fibers (全玻璃大纖芯通道泄露光纖）· IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron·, 15(1): 47-53，2009】、空芯光子帶隙光纖【Hollow-core photonic crystal fibre for high power laser beam delivery(空芯光子晶體光纖用于高功率激光傳輸）· High Power Laser Science and Engineering, 1(01): 17-28，2013】、Bragg 光纖【Solid-core photonic bandgap fibers for high-power fiber lasers (用于高功率光纖激光的全固 態(tài)帶隙光纖）· IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 15(1): 20-29，2009】等新型光纖結(jié)構(gòu)以傳輸高功率激光，除了在靈活性和模場特性上獲得提高 外，這些新型光纖傳輸激光的功率尚未能超過全石英多模光纖。
[0006] 激光能量傳輸光纖端面損傷閾值要高。為獲得高功率的激光輸出，在存在一定 傳輸損耗的前提下，需要盡量提高傳能光纖輸入端的光功率。研究表明：高功率激光傳輸 時，其損傷往往先從端面開始【光纖端面Nd: YAG激光誘導(dǎo)損傷分析.光學(xué)學(xué)報，29 (4): 923-926，2009】。除了通過增大纖芯面積的方法減小端面光功率密度外，采用增大輸入端 面的方法也是其中一種常用的方法。
[0007] 由于上述技術(shù)的限制，目前還未見有長距離且能夠傳輸高功率激光的激光能量傳 輸光纖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種有效降低光纖傳輸損耗、增加激 光輸入光功率且適合幾十甚至上百米的長距離傳輸?shù)募す饽芰總鬏敼饫w。
[0009] 為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：本發(fā)明由纖芯和包層兩 部分組成，纖芯采用純石英，包層由摻氟的石英組成，包層折射率由光纖中心向外逐 漸減少，包層的折射率分布滿足：與纖芯中心距離r處的包層相應(yīng)點的折射率為：
【主權(quán)項】
1. 一種長距離激光能量傳輸光纖，由纖芯和包層兩部分組成，其特征是： 纖芯采用純石英，包層由摻氟的石英組成，包層折射率由光纖中心向外逐漸減 少，包層的折射率分布滿足：與纖芯中心距離r處的包層相應(yīng)點的折射率為：
為纖芯外沿的折射率，？I，為包層外沿的折射 ill· - 率，O1 S纖芯的半徑，S包層的半徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述長距離激光能量傳輸光纖，其特征是：纖芯外沿的折射率％ 與包層外沿的折射率《2之差滿足〇.〇1〈 Wi -H2〈0.025。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述長距離激光能量傳輸光纖，其特征是：纖芯的半徑CI1最佳為 100~1000 μL?，包層寬度冶 f/: -f/t 最佳為 10~80 μL?。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述長距離激光能量傳輸光纖，其特征是：包層摻氟的比例d F= (nsiliea-nF) /4. 665 X 10_3 (mol%)，Iisiliea為純石英的折射率，n F為摻氟石英的折射率
Ij1 =0.6961663，Wi =0.0684043X10' =0.4079426, W2 =0· 1162414X10' =0.8974794, W1 =9. 896161 X ΚΓ6，2 是光波長。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述長距離激光能量傳輸光纖，其特征是：包層為涂覆層，涂覆層采 用紫外光固化高折射率涂料層或者雙層涂覆層，雙層涂覆層的內(nèi)層涂料為紫外光固化低折 射率硅橡膠，外層涂料為紫外光固化高折射率涂料。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種長距離激光能量傳輸光纖，纖芯采用純石英，包層由摻氟的石英組成，包層的折射率分布滿足：與纖芯中心距離r處的包層相應(yīng)點的折射率為：，為纖芯外沿的折射率，為包層外沿的折射率，為纖芯的半徑，為包層的半徑；包層折射率由光纖中心向外逐漸減少，能有效增加基模的模場直徑，有助于光的耦合以及減少激光對光纖的損傷，通過在包層引入漸變折射率分布結(jié)構(gòu)，減少了低階模在高摻雜區(qū)的能量分布，從而減少其傳輸損耗，由于包層外沿與纖芯折射率差仍很大，甚至可以更高，保證了光纖具有的大數(shù)值孔徑，保證激光可以有效輸入耦合到光纖中。
【IPC分類】G02B6-028, G02B6-02
【公開號】CN104635296
【申請?zhí)枴緾N201410626272
【發(fā)明人】陳明陽, 張永康, 張茜, 張莉, 蔡玉娜
【申請人】江蘇大學(xué), 東南大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年11月10日