[发明专利]用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法

说明书

本申请公开了一种用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法，采用异形加工的玻璃基管进行拉制异形玻璃毛细管；并将异形玻璃毛细管按照圆形紧密排列在圆形玻璃棒或圆形玻璃管的外圆；然后套入一个尺寸合适的圆形玻璃套管内，使得异形玻璃毛细管被稳定的固定于圆形玻璃套管和圆形玻璃棒(或圆形玻璃管)之间的空隙，然后对该组合而成的预制棒进行拉丝，获得数值孔径在0.37～0.95范围内的高数值孔径空气包层。该方法便捷易行、稳定可靠、成本低，适合规模化生产高NA的空气包层光纤。

技术领域

本申请涉及光纤制造技术领域，具体涉及一种用于制备高数值孔径空气包层光纤的方法。

背景技术

最早的光子晶体光纤发明于1996年，发明者创造性地在光纤内部设置光波长量级的纵向气孔结构，使得光纤的设计自由度拓展至空气包层领域。例如可以在很大范围内调控光纤色散，可以实现无截止的宽带单模传输，可以实现空芯波导传输，也可以实现高达0.5以上的光纤数值孔径(NA)，如此设计自由度使得光子晶体光纤(又称微结构光纤)在近二十多年在科研、工业加工、传感等领域获得了广泛而深入的发展。

其中，实现光纤高NA的常规技术手段通常有氟掺杂和光纤低折射率涂层两类方案。前者在实践中能实现的最大NA为0.25，后者能实现的最大NA为0.48。又因为采用光纤低折射率涂层来实现时必须用到昂贵的低折射率涂料，而且这类涂料的耐温性能通常在85度以下。这在事实上限制了光纤的设计自由度和应用范围。高NA对于提高光纤包层的收光能力有直接决定作用，这一点对于光纤激光领域的双包层光纤而言十分重要。高NA意味着可以更加容易地将更多的泵浦激光能量耦合进入光纤的泵浦包层当中，这对高功率、高能量的脉冲激光尤为重要。

空气包层光纤技术是实现高NA光纤的一种有效途径。因为光纤的高NA包层可以经由带有气孔的毛细管来制造，这使得空气包层区域的有效折射率可以大大下降，进而获得远超常规技术方法的高NA。

现有关于空气包层技术的文献例如“All-silica single-mode optical fiberwith photonic crystal cladding”最早制备出光子晶体光纤，创造性地将光子晶体设计概念引入到光纤领域，带有空气孔的包层技术由此诞生；文献“Very High NumericalAperture Fibers”从理论和实验上分析了实现高NA空气包层所需的形貌特征，指出减小空气孔之间的石英壁厚度是关键；文献“High power air-clad photonic crystal fibrelaser”，采用空气包层实现了0.8的高NA。

公开号为CN108473356A的专利文献中描述了微结构光纤的一类制造工艺，其中关于空气包层的制造，采取了在线拉丝压力控制毛细管内压力的实现方法；公开号为CN103936276B的专利中则公开了一种离线的毛细管压力控制方法并由此制造微结构光纤及其空气包层；公开号为CN111025456B的专利中则公开了一种空气包层的异形纤芯光纤，其中简要提及了空气包层制造，这种方法完全类似CN108473356A描述的方法。

综上，上述公开的专利和文献的重点都在于描述空气包层的理论、具体特征或者简单描述了采用毛细管堆叠来制造空气包层，而关于如何制造光纤的高NA空气包层，则未有详细描述。事实上，为了实现高NA，在制造工艺上必须使得光纤空气包层中气孔与气孔之间的壁厚非常之薄，量级可达几十纳米到一千纳米范围，而且必须在公里级的纵向长度上保持一致。壁厚越薄，相应地NA也越高，其制造难度越大，这对光纤制造工艺提出了严苛挑战。通常的做法是采用薄壁的毛细管(例如内外径之比大于0.9)，或者经由向毛细管内部加压(例如公开号为CN108473356A的专利文献和公开号为CN103936276B的专利)，最终获得高NA的空气包层。但这些方法都存在相应的问题，薄壁毛细管在处理加工过程中非常容易破碎，这对工艺控制和产出率的提高都是有害的；毛细管内部加压虽说可以有效提升毛细管的空气填充率，但是存在着对控压系统要求严苛、对毛细管一致性要求苛刻等问题，进而影响制造工艺稳定性和产出率。

发明内容