[发明专利]一种超细单晶光纤包层加工方法及系统

说明书

本发明涉及一种光纤包层加工方法，具体涉及一种超细单晶光纤包层加工方法及系统。解决目前制备单晶光纤包层的方法存在的工艺路线复杂、效率低、重复性差及精度差等问题，方法包括：仿真，获得微结构的直径以及微结构的深度；确定光学系统理论聚焦光斑直径；将激光光束整形为贝塞尔光束；对贝塞尔光束进行空间裁剪；确定微结构制造焦深h；将光纤分段；调整焦距，在光纤表面加工微结构；系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、可变环形光阑、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置。本发明将光纤分段，每一段对应不同的焦距，通过在线调整焦距实现各段光纤的加工，具有高的加工精度。

技术领域

本发明涉及一种光纤包层加工方法，具体涉及一种超细单晶光纤包层加工方法。

背景技术

光纤包层的意义在于其可以通过降低光纤外部的折射率实现光纤内部光束的全反射，提高光波导效率。玻璃光纤在光纤外部制备有与纤芯具有折射率差值的二氧化硅包层，可以实现全反射从而获得高效光波导。但单晶光纤是一种新型的一维功能晶体材料，它拥有玻璃光纤的高长径比和大比表面积特点，具有散热好、效率高、热管理简单等优势。传统的二氧化硅包层虽然可以实现单晶光纤表面包覆，但是光纤包层与纤芯折射率以及热学性质相差较大，光纤内部会出现严重的热效应，极大程度上降低了光纤的传输效率与使用寿命，因此此方法并不适用于单晶光纤。

针对单晶光纤包层目前主要的制备方法有溶胶凝胶法、磁控溅射法、液相外延法与离子注入法。溶胶凝胶法制备光纤包层是通过将包层材料的前驱体溶液涂覆到晶体光纤表面，通过高温烧结形成致密的晶态包层，该方法成本低，操作简便，但包层均匀性及包层制备效率较低。磁控溅射法是将处理后的光纤放置在沉积室中，同时使用多个高纯度溅射靶来提高包层速率并实现包层的均匀覆盖，制备时间会持续数百个小时，包层厚度一般为20-30nm，这一方法制备的包层致密性较好包层内部无明显的气孔等，但制备速率较慢。液相外延法是将纳米级粉末加入助熔剂中，将包层生长温度保持在900-1150℃，此种方法制备的包层厚度可以通过生长时间来进行调控，范围在1-150μm左右，包层区域受坩埚尺寸限制。离子注入法耗时时间久、工艺繁琐且离子注入不均匀导致包层均匀性较差。

因此，虽然单晶光纤拥有着优异的综合性能，但单晶光纤的全反射以及单/双包层结构加工工艺仍不成熟，成为目前制约单晶光纤激光发展的瓶颈之一。特别是在单晶光纤的包层制备环节，目前仍未获得高效高质的成熟可靠技术。

飞秒激光由于其柔性、非接触、高精密的加工属性，成为单晶光纤包层加工的可能的一种选择，但是目前采用飞秒激光进行光纤包层加工的报道还属空白，尤其针对超细光纤(最小光纤直径≤40um)，在加工包层的同时还需要预留纤芯直径，且制备的精度直接影响传输效率以及光纤的模式。

发明内容

针对目前制备单晶光纤包层的方法存在的工艺路线复杂、效率低、重复性差、精度差等问题，本发明公开了一种超细单晶光纤包层加工方法。

针对前期研究，超细光纤的激光加工主要面临两个问题：

1、高深径比加工需求与超细单晶光纤直径之间的矛盾：

根据单晶光纤包层微结构仿真需求，需要实现不同深径比的微结构加工，普通的激光高斯光斑不能实现一定深径比的微结构的加工，因此必须进行空间整形，但是针对不同直径的单晶光纤，需要加工的包层深度要求不一，且经过整形的贝塞尔光束的焦深一般均在百微米以上，对于超细直径单晶光纤直径制备，容易将单晶光纤穿透或者碎裂。

并且贝塞尔光束的光场分布如图2a，其两端的光能量分布较中间较弱，在实际加工中也容易制备出微结构形貌分布不均的情况，从而导致包层的效果减弱。

2、超细单晶光纤由于其直径过小，则装夹后将存在变形导致激光离焦不能实现高一致性包层微结构加工的问题。