[发明专利]基于空间整形的单晶光纤及其加工方法、系统

说明书

本发明公开了一种空间整形的单晶光纤及其加工方法、系统。该单晶光纤包括包层和纤芯；包层是通过激光辐照改变单晶折射率的方式形成，且包层的折射率小于纤芯的折射率。包层的折射率在径向方向可以是恒定的，也可以是渐变的，同样在沿着光纤长度方向包层的折射率相同，也可以不相同。这种单晶光纤及其加工方法仅通过改变单晶原料一定区域内的折射率从而达到了制备包层的目的，避免了在单晶原料通过增加或者去除材料的方式制备包层所带来的诸多问题。

技术领域

本发明属于光纤加工技术领域，具体涉及一种基于空间整形的单晶光纤及其加工方法、系统。

背景技术

光纤是光导纤维的简写，是一种基于光的全反射机理进行光传导的介质。可以分为石英玻璃及单晶光纤两种，其中石英光纤是目前应用最为广泛制造技术最为成熟的一种，但是石英光纤在高温条件下应用于光传输会有不稳定性。单晶光纤（SCF）被认为是块状晶体和常规纤维的组合，是一种新型的一维功能晶体材料，与传统的玻璃光纤相比较具有有热导率高、红外透过性好、损伤阈值高、非线性效应低等优点。因此，单晶光纤优越的性能使其在高功率激光应用（高功率激光器、高功率激光武器等方面）具有重大应用前景，其次在军事、信息通讯、材料加工、医疗等领域也具有重大应用价值。

现有提出的制备单晶光纤的方式分为两种：

一是增材制造，例如溶胶凝胶法、磁控溅射法、液相外延法与离子注入法，即是在光纤表面增加物质，形成薄膜/或者微结构，作为光纤的包层，从而由光纤本体与包层共同组成单晶光纤，实现光束的传输。该方法属于现有的单晶光纤制备手段中较为成熟的技术。

但该方法存在工艺繁琐、效率低、表面制备一致性低、成本高昂等问题，例如融凝溶胶方法中需要严格控制融凝溶胶浓度、镀膜的厚度、溶胶液黏度、以及烧结气氛，制备工艺复杂，成本高且只适用于小尺寸的光纤，并且光纤膜层不稳定，甚至有可能脱落。

二是减材制造：例如离子束刻蚀、化学腐蚀等，是通过将光纤表面将一部分的材料去除，形成微结构，形成折射率较低的光纤包层。若采用离子束刻蚀微纳米级的结构，需要制作极为精细的掩膜版，加工困难、制造成本极其高昂、研制周期很长。而化学腐蚀腐蚀精度不可控、一致性差，不太适用于微纳米级的高精度加工。

发明内容

为了解决现有单晶光纤采用增材制造的方式存在的工艺繁复、成本高昂、效率低下等问题，以及采用减材制造的方式存在的微结构加工精度极高造成对装备加工精度要求极高的问题，本发明提出了一种基于空间整形的单晶光纤及其加工方法。

同时还提供了一种具有在线监测能力的基于空间整形的单晶光纤加工系统。

本发明的具体技术方案是：

提供了一种基于空间整形的单晶光纤，包括包层和纤芯，包层是通过激光辐照改变单晶折射率的方式形成，且包层的折射率小于纤芯的折射率。

进一步地，上述光纤中包层的折射率恒定，或者包层的折射率由光纤表面至纤芯的方向等间隔减小或者变间隔减小。

进一步地，上述光纤中沿着光纤长度方向包层的折射率相同，或者沿着光纤长度方向包层的折射率不相同。

本发明还提供了上述基于空间整形的单晶光纤加工方法，其主要实现步骤如下：

步骤1：建立折射率与激光功率映射关系表；

所述映射关系表为单晶原料在不同激光功率辐照下，所测得不同折射率；

步骤2：制备单晶光纤的包层；

步骤2.1：确定单晶光纤的包层折射率；

若所需单晶光纤的包层折射率恒定，则执行步骤2.2；

若所需单晶光纤包层折射率渐变，则执行步骤2.3：