專利名稱：一種用于照明傳能的大芯徑石英光纖的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光纖技術領域，為80(Tl600nm波長范圍內的光能傳輸光纖，適用于激 光泵浦、激光傳導、感應器、探測器以及照明等領域。
背景技術：
近年來隨著科技的迅猛發(fā)展，光纖新材料不斷涌現(xiàn)，人們對于光纖特性及其各種 效應的認識也不斷深入，以石英為主要材料的石英系光纖在國民經(jīng)濟各領域中的應用也在 迅速地拓展。目前用于通信的光纖絕大多數(shù)是石英光纖，其中占主導地位的是單模石英系 光纖，而在非通信領域，特別是用于照明傳能領域的石英光纖則主要是多模、大芯徑、大數(shù) 值孔徑的石英光纖。傳統(tǒng)的照明傳能光纖通常有塑料光纖、多組分玻璃光纖以及石英光纖。塑料光纖 和多組分玻璃光纖由于成本低、制作工藝簡單而被大量采用。但是由于塑料光纖和摻雜玻 璃光纖的高傳輸損耗(比石英光纖大兩個數(shù)量級)和低損傷閾值，使它們無法應用于高端照 明傳能和遠程照明傳能的領域。適用于照明以及傳能用的光纖應有以下幾個特征(1)高能量閾值，即在更細的 光纖中傳輸更高的光能或是在更短的時間內承受更高的峰值功率；(2)低傳輸損耗，即單 位長度光能的損耗低；(3)大芯徑、大數(shù)值孔徑，便于與輸入光源耦合以及熔接。在制作光 纖的所有材料中，純石英材料在能量閾值和傳輸損耗兩項中，相對于聚合物或是摻雜玻璃 等有著絕對的優(yōu)勢。這就是說，在大功率、高能量密度或是長距離照明傳能的情況下，石英 光纖幾乎是唯一的選擇。因此，照明傳能用的石英光纖的纖芯采用純石英材料(SiO2)為最 佳。石英光纖傳輸波長范圍寬(從近紫外到近紅外，波長從0.38-2. Ium )，所以石英光纖適 用于紫外到紅外各波長能量的傳輸。照明傳能用的石英光纖的包層可采用低折射率的有機 或無機材料來滿足光導結構。目前，照明傳能用光纖的技術在國內僅有一例專利文獻記載，即中國電子科技 集團公司第二十三研究所的“高抗損傷傳能光纖”(申請?zhí)枮?00910048566.0，公開號為 CN101852886A)，其中所述纖芯的材料為純石英，包層的材料為低折射率有機聚合物。這種 采用純石英為纖芯、有機聚合物為包層的傳能光纖(通常稱為軟皮層石英光纖)的彎曲性能 很好。但是應用于高功率在最高耐溫(僅為200° C左右)、精密度以及可靠性上還遠遠不 夠。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題和提出的技術任務是解決現(xiàn)有照明傳能光纖的能量閾 值低、精密度低、可靠性差等問題，提供一種用于照明傳能的大芯徑裸石英光纖，使所制造 的光纖具有高能量閾值，較現(xiàn)有傳能光纖能傳輸更高功率的光能。本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)一種用于照明傳能的大芯徑裸石英光纖，由橫截 面為圓形的纖芯、包圍在該纖芯外圍的橫截面為圓環(huán)形的包層以及包圍在所述包層外圍的
3橫截面為圓環(huán)形的保護層構成，所述的纖芯為純SiO2，所述的包層為低折射率的摻氟SiO2 層，所述的保護層為聚合物層，所述纖芯和包層的折射率剖面成階梯型分布。純石英具有理 論最大損傷閾值和低損耗，摻氟石英包層的折射率低于纖芯使所述的纖芯具有極高的數(shù)值 孔徑。作為優(yōu)選技術手段，所述纖芯相對于包層的折射率差D在0. 01 0. 06之間；所述 纖芯的半徑為200 士 10 μ m ；所述包層的厚度為20 士 2 μ m。作為優(yōu)選技術手段，所述的纖芯和包層的數(shù)值孔徑為0. 2士0. 02。作為優(yōu)選技術手段，所述的纖芯和包層的芯包同心度小于3 μ m。作為優(yōu)選技術手段，所述的纖芯與包層構成裸石英光纖，所述裸石英光纖的直徑 為220 士 20 μ m ；所述保護層的厚度為20 士 5 μ m，所述保護層的楊氏模量為1. 2 士0. IMPa ；成 品光纖的直徑為240 士 20 μ m。作為優(yōu)選技術手段，成品光纖在SOOnm波長下的傳輸損耗不大于3dB/km ；成品光 纖在1200nm波長下的傳輸損耗不大于2. 5dB/km。該照明傳能光纖可通過下述方法制造，首先根據(jù)設計的纖芯的半徑，以外部氣相 沉積法(0VD法)或縱向氣相沉積法(VAD法)制造符合設計要求的純石英棒作為光纖預制棒 的芯棒，以套管法(RIC法)制造包圍在芯棒外圍的包層從而得到光纖預制棒，再在拉絲塔上 將該光纖預制棒拉制成裸石英光纖，該裸石英光纖經(jīng)兩次紫外光固化聚合物(如樹脂)涂覆 形成設計尺寸的保護層；最后經(jīng)一系列機械、光學和化學篩選后卷盤成為光纖成品。本發(fā)明的有益效果是通過對裸石英光纖的纖芯和包層進行合理的設計，實現(xiàn)了 在工藝上可行、制造流程較為簡單、制造成本較為低廉，并能完全滿足高功率光能傳輸?shù)恼?明傳能光纖。該石英光纖具有大芯徑(可達800微米)、大數(shù)值孔徑(>0.2)、低傳輸損耗(在 SOOnm處損耗小于<5db/km)的特性；與以純石英為纖芯、聚合物為包層和保護層的傳能石 英光纖相比，本發(fā)明裸石英光纖的最高工作溫度由原來的200° C左右提高到1600° C，且 能量閾值提高10倍以上，大大提高了石英光纖能傳輸?shù)墓饽茇摵桑型麖V泛地使用在遠程 照明傳光、激光切割制造、激光醫(yī)療等領域。
圖1是本發(fā)明照明傳能石英光纖的橫截面示意圖，其中a為纖芯，b為包層，c為保護層。圖2是圖1所示照明傳能石英光纖的折射率剖面結構示意圖，其中a為纖芯，b為 包層，c為保護層，R為纖芯的半徑，Sl為包層厚度，S2為保護層厚度。圖3是利用VAD法(或OVD法)結合OVD法制造光纖預制棒的示意圖，其中A為芯 棒，B為摻雜石英包層。
具體實施例方式參照圖1，本發(fā)明的用于照明傳能的大芯徑石英光纖，由橫截面為圓形的纖芯a、 包圍在纖芯a外圍的橫截面為圓環(huán)形的包層b以及包圍在包層b外圍的橫截面為圓環(huán)形的 保護層c構成，纖芯a為純SiO2，包層b為低折射率的摻氟SiO2層，保護層c為聚合物層， 纖芯a和包層b的折射率剖面成階梯型分布。
本發(fā)明可以采用氣相軸線沉積工藝(VAD法)或縱向氣相沉積工藝(0VD法)制備得 到具有圖2所示折射率剖面結構的光纖預制棒的純石英芯棒，然后再以MCVD (也可用等離 子體化學氣相沉積PCVD或其套管技術RIC等類似方法代替)技術制造摻氟石英包層，從而 制備得到光纖預制棒。具體工藝如下所述
利用VAD (或0VD)結合OVD的方法制造光纖預制棒(參見圖3)參照圖2根據(jù)選用套 管的尺寸計算所需芯棒的尺寸，并計算出包層折射率剖面結構的幾何尺寸和折射率；采用 VAD制造純石英芯棒并使用OVD制造摻雜石英包層，通過在噴燈的SiCl4原料中摻雜含F(xiàn) 氣體以適當?shù)臏p低包層b相對于純石英纖芯的折射率差D，并通過沉積時間和原料流量等 參數(shù)控制包層b的沉積層尺寸制成符合設計要求的預制棒，經(jīng)玻璃化爐燒結成透明的玻璃 體，即得到光纖預制棒。采用VAD (或0VD)結合RIC法制造光纖預制棒的工藝是根據(jù)選用套管的尺寸計 算所需芯棒的尺寸，并計算出包層折射率剖面結構的幾何尺寸和折射率；采用上述VAD等 相同的方法制造芯棒；采用RIC技術，將芯棒的外表面和套管的內表面用一定濃度(如35%) 的氫氟酸(或其他可替代的化學試劑)清洗干凈；再將芯棒一端在切割機上加工2 4個導 氣槽并將芯棒插入與之匹配的外套管中；將帶有芯棒的套管的兩端接上石英結尾管，然后 安置在MCVD或PCVD機床上加熱使套管收縮到芯棒上形成光纖預制棒。收縮過程中使套管 和芯包之間的空間保持負壓，收縮時內部的空氣隨芯棒一端的導氣槽排出。將上述制備得到的光纖預制棒在紡絲機上進行紡絲，同時涂覆兩層不同硬度的聚 丙烯酸樹脂形成聚合物保護層c即得該照明傳能光纖。實施例1
采用VAD技術制造芯棒，OVD (或VAD)技術制造包層的工藝制造光纖預制棒。在沉積 纖芯a時，使用純SiCl4原料，得到純SiO2纖芯。在沉積摻氟石英包層時，在原料SiCl4中 摻雜一定量的氟使包層相對于纖芯的相對折射率(Iicrni)為0. 025。通過控制噴燈流量和 沉積時間將各層厚度控制為纖芯a的半徑R=6mm ；包層b的厚度為1. 2mm。通過控制拉絲 速度、滴頭溫度等將裸石英光纖(由纖芯與包層制成)直徑控制在220. 0 μ m ；聚合物保護層 c的涂覆厚度為20 μ m，楊氏模量為1.2 士0. IMPa;最終成品光纖直徑為240.0 μ m。本實施 例光纖的各性能參數(shù)如下在SOOnm波長下的傳輸損耗為不大于3dB/km ；在1200nm波長下 的傳輸損耗為不大于2. 5dB/km ；通過對纖芯a和包層b的折射率和厚度的控制，數(shù)值孔徑 達到0. 25 ；最高工作溫度在比塑料包層裸石英光纖提高三倍，達到600° C以上。實施例2
采用VAD技術制造芯棒，RIC技術制造外包層的工藝制造光纖預制棒。在沉積纖芯a 時，使用純SiCl4原料，得到純SiO2芯棒。RIC技術制造外包層時，采用MCVD工藝把純SiO2 纖芯插入到摻氟的套管中，為消除芯棒和套管之間的氣泡和應力，在把純石英芯棒和摻氟 石英套管燒結在一起時采取在芯棒和套管之間抽取真空的方式；通過控制噴燈流量和沉積 時間制得的純石英纖芯a的半徑R=IOmm,包層b的厚度為2mm ；通過控制拉絲速度、滴頭溫 度等將裸石英光纖直徑控制在220. 0 μ m ；聚合物保護層c的涂覆厚度為20 μ m，楊氏模量為 1. 2 士0. IMPa ；最終成品光纖直徑為240. 0 μ m。本實施例光纖的各項參數(shù)和實施例1相近， 且對包層b的控制更加精確，達到士 1 μ m。需要說明的是，上述實施例僅限于描述本發(fā)明，但本發(fā)明不只局限于上述方式，且本領域的技術人員據(jù)此可在不脫離本發(fā)明的范圍內方便的進行修飾，具體實施時，可具體 選擇下述技術參數(shù)，同樣可達到本發(fā)明的目的纖芯相對于包層的折射率差D在0. 01 0. 06之間；纖芯的半徑為200士 10 μ m;包層的厚度為20士2 μ m;纖芯和包層的數(shù)值孔徑為 0. 2士0. 02 ；纖芯和包層的芯包同心度小于3 μ m ；纖芯與包層構成裸石英光纖，裸石英光纖 的直徑為220 士 20 μ m ；保護層的厚度為20 士 5 μ m，保護層的楊氏模量為1. 2 士0. IMPa ；成品 光纖的直徑為240士20 μ m ；成品光纖在SOOnm波長下的傳輸損耗不大于3dB/km ；成品光纖 在1200nm波長下的傳輸損耗不大于2. 5dB/km。因此本發(fā)明的范圍應包括本發(fā)明所揭示的 原理和新特征的最大范圍。為便于說明本發(fā)明的內容，定義如下術語 裸石英光纖，由純石英纖芯和包層組成。纖芯即芯層，光纖中心部分，該部分是波導傳輸?shù)闹饕d體。包層包圍在纖芯外面的摻氟石英玻璃層，該部分主要起到保護纖芯的作用。保護層包圍在裸石英光纖外面的樹脂層。折射率差D 光纖纖芯和包層之間折射率的絕對差值與光纖纖芯和包層之間折射 率的平均值的比值，如纖芯折射率為IV包層折射率差為Ii1，則纖芯相對于包層的折射率差 D=2 Oi0-Ii1) / (rii+rio)。
權利要求
1.一種用于照明傳能的大芯徑石英光纖，其特征是由橫截面為圓形的纖芯(a)、包圍 在該纖芯(a)外圍的橫截面為圓環(huán)形的包層(b)以及包圍在所述包層(b)外圍的橫截面為 圓環(huán)形的保護層(c)構成，所述的纖芯(a)為純SiO2,所述的包層(b)為低折射率的摻氟SiO2 層，所述的保護層(c)為聚合物層，所述纖芯(a)和包層(b)的折射率剖面成階梯型分布。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于照明傳能的大芯徑石英光纖，其特征是所述纖芯 (a)相對于包層(b)的折射率差D在0. 01 0. 06之間；所述纖芯的半徑(R)為200士 10 μ m ； 所述包層(b)的厚度(Si)為20 士 2μπι。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種用于照明傳能的大芯徑石英光纖，其特征是所述的纖芯 (a)和包層(b)的數(shù)值孔徑為0. 2士0. 02。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種用于照明傳能的大芯徑石英光纖，其特征是所述的纖芯 (a)和包層(b)的芯包同心度小于3 μ m。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種用于照明傳能的大芯徑石英光纖，其特征是所述的纖 芯(a)與包層(b)構成裸石英光纖，所述裸石英光纖的直徑為220士20 μ m;所述保護層(c) 的厚度(S2)為20士5 μ m，所述保護層(c)的楊氏模量為1. 2士0. IMPa ；成品光纖的直徑為 240 士 20 μ m。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種用于照明傳能的大芯徑石英光纖，其特征是成品光纖 在SOOnm波長下的傳輸損耗不大于3dB/km ；成品光纖在1200nm波長下的傳輸損耗不大于 2.5dB/km。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于照明傳能的大芯徑裸石英光纖，由橫截面為圓形的纖芯、包圍在該纖芯外圍的橫截面為圓環(huán)形的包層以及包圍在所述包層外圍的橫截面為圓環(huán)形的保護層構成，所述的纖芯為純SiO2，所述的包層為低折射率的摻氟SiO2層，所述的保護層為聚合物層，所述纖芯和包層的折射率剖面成階梯型分布。純石英具有理論最大損傷閾值和低損耗，摻氟石英包層的折射率低于纖芯使所述的纖芯具有極高的數(shù)值孔徑。本發(fā)明光纖的芯徑顯著大于常規(guī)的光纖，其摻雜石英包層包層顯著提高了照明傳能光纖的能量閾值和使用范圍，適用于高功率、低損耗、遠距離的照明傳能用途。
文檔編號G02B6/02GK102109634SQ20101060665
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權日2010年12月27日
發(fā)明者吳鈞, 張立永, 潘晉, 王廷紅, 葛錫良 申請人:富通集團有限公司