以高频脉冲二氧化碳激光作为热源的光纤熔融拉锥方法

摘要

本发明涉及一种以高频脉冲二氧化碳激光作为热源的光纤熔融拉锥方法。它基于石英光纤在二氧化碳激光波长附近良好的吸热性能，利用高频二氧化碳激光能够产生持续高温的特点，精确调整激光束，使其沿一定光纤长度不停加热光纤的同时拉制熔锥光纤。该方法的主要特征是：设计合理的激光束扫描轨迹图，保证在整个拉制的过程中激光束一直在扫描光纤，并能在光纤上产生一个足够平稳的热区；同时需要调整二氧化碳激光束的参数和步进电机的步长，以保证光纤在拉制过程中热与力的平衡。该方法对光纤无污染；不受室内气流及含氧量等的影响；可近似看作是点热源，大大提高了熔锥光纤的制作精度。该方法制作的熔锥光纤可广泛应用于光的分束和连接、光纤传感、光滤波器、光通信等领域，其应用潜力极大。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以高频脉冲二氧化碳激光作为热源的光纤熔融拉锥方法，属于光纤技术领域。

背景技术

二氧化碳（CO₂）激光加工技术已经成功的应用在许多基于光纤加工的微光学器件的制备过程中。例如制作长周期光纤光栅、近场扫描探针和熔锥光纤等。熔锥光纤是具有锥腰和对称双锥过渡区的特殊波导结构，在许多光学器件中得到广泛的应用，例如熔融光纤定向耦合器、可调谐滤波器和光纤倐逝波传感器等。

熔锥光纤一般是由光纤通过熔融拉锥技术来制作的。它是利用热源，将一段除去保护层的光纤进行加热，使其熔融，同时由步进电机带动固定光纤的夹具，使其向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构。传统熔融拉锥工艺中多以氢氧焰作为热源，该技术相对比较成熟，性价比较高，因此是目前应用最为普遍的熔融拉锥方法。但是该技术易受周围环境的影响，火焰温度的变化将引起锥腰半径的非均匀性，同时由于热源面积大，会导致熔锥型器件的精度受到一定的限制。1997年，Hirohisa Yokota等人提出在CO₂激光对光纤进行加热时会有自约束效应（self-regulating effect），即：一定功率条件下，光纤被拉细到一定的直径后，光纤不能够吸收足够的热量使其熔融，若此时不加大激光功率光纤就不能继续变细，这是火焰加热熔锥方法所不具备的特性，该特性精确控制熔锥光纤的锥腰半径十分有利。此后，基于CO₂激光的熔锥光纤的制作方法得到了人们的广泛关注。Timothy E Dimmick等人1999年在《APPLIED OPTICS》第33期第38卷发表了篇名为Carbon dioxide laser fabrication of fused-fiber couplers and tapers的文章，第一次提出利用二氧化碳激光熔拉锥的装置并且制作出了熔锥光纤和熔锥型耦合器。该装置采用扫描振镜的方法使激光束沿光纤不停扫描，在扫描加热光纤的同时拉制熔锥光纤。该技术有望对火焰法工艺条件下，器件易产生耦合区析晶、锥区微裂纹等流变缺陷问题加以改善。通过查阅文献可以发现：                                                现有的CO₂激光作为热源熔融拉锥方法中，设备显得比较复杂；所用激光光斑直径达到几百微米（或者更大），如果要达到光纤的熔点（1800摄氏度左右）需要选用大功率（20瓦或者更大）的激光器，这样导致能耗比较高；选用的激光多为连续光，更不利于克服振镜的滞后性 （在实际扫描过程中，扫描振镜存在一定的滞后性，即，当振镜移动到扫描区域的左右两端时，振镜的加速度瞬间消失，而此时激光束并没有停止，这样就导致在热区的边缘形成激光密集区，产生过高的温度，甚至对光纤造成物理损伤）的影响，不利于产生一个较平稳的热区范围。本发明提出采用高频脉冲CO₂激光作为热源，制作熔融拉锥光纤，该技术表现出许多火焰技术没有的优势，对于制作高质量的熔锥光纤具有重要价值。

发明内容

本发明的目的在于针对已有熔融拉锥光纤制备技术的缺陷，提供一种以高频脉冲CO₂激光作为热源的熔拉光纤的方法。

为达到上述目的，本发明的构思是：选用高频脉冲CO₂激光作为热源，脉冲光的能量在时域上被高度压缩，具有很高的峰值功率，能产生瞬间高温，而把脉冲激光置于高频状态下工作时，这样既能产生瞬间高温又能保持持续高温，能够提供光纤熔融拉锥过程中所需的持续热量。选用的高频脉冲CO₂激光的光斑直径只有约50微米，小于光纤的直径，不能够完全覆盖光纤，为了在光纤上产生足够大的稳定热区，需设计一个激光束扫描轨迹图，利用扫描振镜使得激光束按照该激光束扫描轨迹图连续扫描光纤，从而达到使光纤熔融的目的。

利用计算机设定激光扫描轨迹图，其沿光纤轴向的距离表征了被熔融光纤的长短，而沿径向的距离应设置为熔锥光纤锥腰最终直径和光斑直径之间。该轨迹图有十条间隔不一样的有向线段组成，扫描振镜可以使激光束按照该扫描轨迹图沿着光纤轴向方向进行Z字形往复扫描，发明中考虑到光纤是圆柱形的，所以设计了中间密两边疏的结构，这样有利于光纤的吸热均匀，采用Z字行扫描有效避免了激光束对光纤两端的物理损伤，能够尽量保证热区的均匀性。

该方法的主要步骤是：将光纤用剥线钳除去涂覆层的部分光纤置于二氧化碳激光下加热熔融，同时由步进电机带动两个光纤夹具向两侧拉伸，使光纤局部软化部分（裸纤部分）以适当的速度被拉细，最终在加热区形成包含两个对称过渡区和锥腰的双锥体形状的特殊波导结构。以下对该发明的主要步骤作进一步详细描述：

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：一种以高频脉冲二氧化碳激光作为热源的光纤熔融拉锥方法，操作步骤如下：1）光纤的准备过程，2）预热过程，3）熔融拉锥过程，4）封装过程；其特征在于所述预热过程和熔融拉锥过程中，采用高频脉冲二氧化碳激光器作为热源对光纤的裸纤部分进行加热，即采用的激光束为高频脉冲光，频率为5-10千赫兹，占空比为80%±2%，其激光光斑的直径为50±5微米，小于裸纤部分的直径，可近似为点热源，激光束在裸纤部分的扫描热区可精确控制，只需0.4W的激光功率就可使裸纤部分达到熔融状态；所述激光束的激光扫描轨迹图由十条中间密两侧疏的往还线段组成，激光束按照该激光扫描轨迹图沿裸纤部分轴向进行Z字型往复扫描，从而在裸纤部分上形成设定范围的扫描热区，并能保证大小为400π±40μm²的光纤面积始终在激光束的扫描下，从而保证裸纤部分一直保持受热熔融状态，并避免裸纤部分被拉断。

上述步骤 1）光纤的准备过程为：取一段带有涂覆层的光纤，将光纤中间部分用剥线钳除去涂覆层得到一定长度的裸纤部分，用酒精反复擦拭裸纤部分包层待用；调整两个光纤夹具之间的距离，将除去涂覆层的裸纤部分水平置于与激光束垂直的位置，先把一端的光纤夹具夹牢，等施以一定重量的砝码使光纤处于自然绷直状态后，再夹牢另一光纤夹具；光纤的一端接光源，另一端接光功率计；调整显微镜位置使其对准裸纤部分。

上述步骤 2）预热过程为：把二氧化碳激光器设置为较小的功率值并启动，这时激光束按照激光束扫描轨迹图扫描在挡板上（这是因为脉冲二氧化碳激光器的起始几个脉冲能量较强且不稳定，直接扫描在裸纤部分上易造成物理损伤）；等待一定时间待激光束稳定后，启动Y轴步进电机打开挡板使激光束开始扫描裸纤部分，调整激光束在裸纤部分所在焦平面上的偏置参数，直至通过显微镜观察到激光光斑在裸纤部分上往复连续扫描为止，从而保证激光束对准裸纤部分连续加热；所述二氧化碳激光器的功率为较小值是指通过观察光功率计可看出这个过程中基本没有产生光功率损耗，从而有效避免激光束对裸纤部分造成物理损伤；此扫描过程持续约一定时间后使挡板复位，最后关闭二氧化碳激光器，

上述步骤 3）熔融拉锥过程为：预热过程完成后，设置好X轴步进电机的分段速度和步长，迅速增大二氧化碳激光器的功率为合适值并启动，先使激光束按照激光束扫描轨迹图扫描在挡板上；等待一定时间待激光束稳定后，先启动Y轴步进电机把挡板打开，在激光束扫描裸纤部分的同时X轴步进电机按照设定速度和步长带动两个光纤夹具向两侧拉伸；等待X轴步进电机按照设定速度和步长走完整个拉锥长度（通过调整X轴步进电机的拉锥总长度和激光束扫描轨迹图沿裸纤部分轴向的扫描距离可以精确控制熔锥光纤的形貌，从而优化熔锥光纤的光学特性），拉锥完成。使挡板复位后关闭二氧化碳激光器。在这个过程中，所述二氧化碳激光器的功率为合适值是指通过光功率计可记录下达到期待的拉锥过程中光功率随时间变化情况图。

上述步骤 4）封装过程为：拉锥结束后，可利用石英V型槽和环氧胶对熔锥光纤进行封装保护。

本发明与现在技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明充分利用了高频脉冲二氧化碳激光的优点，实现了用其作为热源熔融拉锥光纤的目的，是一种高效实用的熔锥光纤制作方法。发明中已选用0.4瓦的激光功率对被熔拉光纤进行加热，并成功拉制出了不同长度的低损耗熔锥光纤，这远远小于文献中提到的功率值（几十瓦）。该方法的主要优点有：

、高频脉冲光能够提供熔融光纤所需的持续热量，只需要很小的功率就可以把光纤熔融，这大大降低了激光器的能耗。

、激光束光斑直径小于被熔光纤的直径，可精确控制激光束使其完全作用于光纤上，提高了激光束的利用率。

、脉冲光的开关延时比较小，可有效克服扫描振镜滞后性的影响，容易得到均匀分布的热区范围，从而有利于制作低损耗的熔锥光纤。

附图说明

图1为本发明中制作熔锥光纤的装置示意图。

图2为本发明中光纤熔融过程中的光纤状态图、激光束扫描热区范围示意图以及激光扫描轨迹图。

图3为本发明中制作熔锥光纤的主要步骤。

图4为本发明中制作熔锥光纤过程中监测到的光功率随时间变化情况图。

图5为本发明中制作的熔锥光纤实例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明：

实施例一：

参见图1、图2和图3，以高频脉冲二氧化碳激光作为热源的光纤熔融拉锥方法，操作步骤如下：1）光纤的准备过程，2）预热过程，3）熔融拉锥过程，4）封装过程；其特征在于所述预热过程和熔融拉锥过程中，采用高频脉冲二氧化碳激光器作为热源对光纤的裸纤部分进行加热，即采用的激光束为高频脉冲光，频率为5-10千赫兹，占空比为80%±2%，其激光光斑的直径为50±5微米，小于裸纤部分的直径，可近似为点热源，激光束在裸纤部分的扫描热区可精确控制，只需0.4W的激光功率就可使裸纤部分达到熔融状态；所述激光束的激光扫描轨迹图由十条中间密两侧疏的往还线段组成，激光束按照该激光扫描轨迹图沿裸纤部分轴向进行Z字型往复扫描，从而在裸纤部分上形成设定范围的扫描热区，并能保证大小为400π±40μm²的光纤面积始终在激光束的扫描下，从而保证裸纤部分一直保持受热熔融状态，并避免裸纤部分被拉断。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

、光纤的准备过程。取一段长为3m的带有涂覆层的标准单模光纤（5），将其中间部分用剥线钳除去涂覆层，得到一段长为1cm的裸纤部分（14），用酒精反复擦拭裸纤部分（14）包层待用。调整两个光纤夹具（11、12）之间的距离为8cm，将除去涂覆层的裸纤部分（14）水平置于与激光束（10）垂直的位置，先把光纤（5）一端的光纤夹具（11）夹牢，等施以一定重量的砝码使光纤（5）处于自然绷直状态后，再夹牢另一光纤夹具（12）。光纤（5）的一端连接1550nm光源（6），另一端连接光功率计（7），以监控整个加工过程。同时调整显微镜（8）使其对准裸纤部分（14）。

、预热过程。把二氧化碳激光器（2）的功率设置为0.2W并启动，这时激光束（10）按照激光束扫描轨迹图（18）扫描在挡板（9）上，等待5s后，启动Y轴步进电机（13）打开挡板（9）使激光束（10）开始扫描裸纤部分（14），调整激光束（10）在裸纤部分（14）所在焦平面上X和Y方向的偏移量分别为X=+0.289mm和Y=0mm，此时用显微镜（8）可以观察到激光光斑（16）在裸纤部分（14）上往复连续扫描，从而保证激光束（10）对准裸纤部分（14）连续加热。与此同时观察光功率计（7）上的光功率变化情况，可以看到这个过程中基本没有产生光功率损耗。此扫描过程持续约两分钟后，启动Y轴步进电机（13）使挡板（9）复位，最后关闭二氧化碳激光器（2）。

、熔融拉锥过程。预热过程完成后，设置X轴步进电机（3、4）的分段速度和步长为50μm/s（2mm）、30μm/s（5mm）和20μm/s（4mm），这样总拉锥长度为11mm，总拉锥时间为400s，熔锥光纤总长为13mm。迅速增大二氧化碳激光器（2）的功率为0.4W，并启动，先使激光束（10）按照激光束扫描轨迹图（18）扫描在挡板（9）上，等待5s，待激光束（10）稳定后，先启动Y轴步进电机（13）使挡板（9）打开，在激光束（10）扫描在裸纤部分（14）的同时，X轴步进电机（3、4）带动两光纤夹具（11、12）向两侧拉伸。等步进电机（3、4）走完设置的总拉锥长度，拉锥结束。在这个过程中，通过光功率计（7）记录下整个拉锥过程中光功率随时间变化情况图（19）（如图4所示）。同时通过显微镜（8）可以实时观察整个拉锥过程中的裸纤部分（14）物理变化情况（图5为拉锥结束时的熔锥光纤（20）实例图）。

、封装过程。拉锥完成后，对熔锥光纤（20）进行封装保护，将熔锥光纤（20）放在石英V型槽中，在两端的未拉锥光纤处点上适量的环氧胶，用热气吹至褐红色表示固化好，封装完成。

其中步骤2、3用到的激光束扫描轨迹图（18）的设计方法如下：在计算机（1）上画出十条不同方向和间隔的线段，将这些线段压缩成矩形组成激光束扫描轨迹图（18）。该激光束扫描轨迹图（18）沿裸纤部分（14）径向和轴向的距离分别为30μm和3mm，径向为30μm，远小于裸纤部分（14）的直径125μm，也小于激光光斑（16）的直径50μm，这样可以保证大小约为400πμm²光纤面积（17）始终在激光束（10）的扫描下，裸纤部分（14）在拉到直径小于20μm后仍然有激光束（10）在裸纤部分（14）上连续扫描；轴向为3mm，它直接决定裸纤部分（14）被熔融拉锥的体积大小，适当选择轴向长度和拉锥总长度可以制作出不同形貌的熔锥光纤（20）。

本制作熔锥光纤方法的实例，不仅工艺简单，制作成本低，而且得到了对称形貌的不同长度的低损耗熔锥光纤，该方法不受环境因素影响，具有很高的重复性，适合于批量生产。