用于使用激光加热基座生长来生产薄晶光纤的设备及方法技术

本发明专利技术揭示用于经由光学加热来生长薄晶光纤的设备及方法。所述设备可包含且所述方法可采用：光能源，其用于加热源材料以形成熔化源材料的熔融区；上光纤导轨，其用于沿着经界定平移轴将生长晶体光纤拉离所述熔融区；及下馈送导轨，其用于沿着经界定平移轴将额外源材料推向所述熔融区。对于某些此类设备及采用所述设备的所述方法，所述下馈送导轨的平移轴及上光纤导轨的平移轴大体上竖直且轴向对准，以在一些情况下在约5μm的水平容限内将所述源材料水平定位在从所述光能源发射的光能路径中。

Equipment and method for producing thin crystal fiber by laser heating base growth

The invention discloses a device and a method for the growth of a thin crystal fiber via optical heating. The apparatus may contain and the method can be used: light energy, which is used for heating source melting area of the material to form a melt source material; fiber guide for the definition of translation along the axis will pull away from the growth of crystal fiber melting zone; and the feeding guide for the definition of translation along the axis the amount of foreign material into the melt zone. For some of these equipment and the method of using the apparatus, the translation translation axis and feeding guide rail shaft substantially vertical fiber axially aligned with, in some cases at about 5 m level within the tolerance level from the source material located in the light path of the the light emission of energy.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使用激光加热基座生长来生产薄晶光纤的设备及方法相关申请案的交叉参考本公开主张2015年3月25日申请的标题为“用于使用激光加热基座生长来生产薄晶光纤的设备及方法(APPARATUSESANDMETHODSFORPRODUCINGTHINCRYSTALFIBERSUSINGLASERHEATINGPEDESTALGROWTH)”的美国临时专利申请案第62/138,301号(代理人档案编号第SCRSP001PUS号)的优先权，所述案以引用的方式并入本文中。
技术介绍
光纤激光器优于其传统对应物，这归因于光纤激光器实施极长激光增益介质(且由此产生极高功率激光辐射)的能力，其相当于极紧凑几何形状。图1示意性地说明如沿着光纤的中心轴查看的简单光纤激光设计的横截面。所述图展示基础光纤100由经掺杂激光材料的芯110构成，所述芯110被外覆层120围绕，所述外覆层120充当波导且还提供设定光学谐振器所必需的反射。在常规光纤激光器中，激光光纤的芯110由经掺杂玻璃制成；然而，玻璃材料的使用损及常相关联于如通常在普通(非光纤)激光设计中采用的结晶激光增益介质的使用的诸多优势。
技术实现思路
本文中揭示用于经由光学加热来生长薄晶光纤的设备。所述设备可包含：光能源，其用于加热源材料以形成熔化源材料的熔融区；上光纤导轨，其用于沿着经界定平移轴将生长晶体光纤拉离所述熔融区(由此还将与所述晶体光纤连接的未结晶熔化源材料撤离所述熔融区，使得熔化源材料可冷却、结晶且添加到所述生长晶体光纤)；及下馈送导轨，其用于沿着经界定平移轴将额外源材料推向所述熔融区。在某些此类实施例中，所述下馈送导轨的平移轴经对准，以将所述源材料水平定位在从所述光能源发射的光能路径中。在某些此类实施例中，所述上光纤导轨的平移轴经对准，以将所述源材料水平定位在从所述光能源发射的光能路径中。在某些此类实施例中，所述下馈送导轨的平移轴及上光纤导轨的平移轴大体上竖直且轴向对准，以将所述源材料水平定位在从所述光能源发射的光能路径中。在一些实施例中，所述上光纤导轨经配置以按一定平移速率将所述晶体光纤拉离所述熔融区，所述平移速率大于所述下馈送导轨经配置以将所述源材料推向所述熔融区的平移速率。在一些实施例中，所述设备可进一步包含直径控制反馈系统。所述直径控制反馈系统可包含：光纤直径测量模块，其经配置以测量所述生长晶体光纤的直径；及控制器，其经配置以响应于从所述光纤直径测量系统接收的信号而调整所述下馈送导轨推动所述源材料的所述平移速率，以使所述生长晶体光纤的所述直径保持近似恒定。在某些此类实施例中，所述光纤直径测量模块包含：探测激光器，其经配置以使用激光辐射照射所述生长晶体光纤；及光检测器，其经配置以测量通过所述激光辐射与所述生长晶体光纤的相互作用产生的一或多个干涉条纹。取决于实施例，所述下馈送导轨可包含：下导管，其具有界定所述下馈送导轨将源材料推向所述熔融区所沿着的所述平移轴的内部；导块，其具有沟槽；及馈送带。取决于实施例，所述上光纤导轨可具有界定所述上光纤导轨将所述生长晶体光纤拉离所述熔融区所沿着的所述平移轴的内部，且所述上光纤导轨可包含一对导引衬垫，所述对导引衬垫经配置以从两侧施加水平压力于所述晶体光纤上，以在所述晶体光纤被拉离所述熔融区时进一步稳定所述晶体光纤的水平位置，且所述上光纤导轨可进一步包含卷筒，所述卷筒经配置以通过旋转来拉动所述晶体光纤穿过所述对导引衬垫且拉离所述熔融区。本文中还揭示用于经由光学加热来生长薄晶光纤的方法。所述方法可包含：使用光能加热源材料以形成熔化源材料的熔融区；沿着由光纤导轨界定的平移轴将生长晶体光纤拉离所述熔融区(由此还将与所述晶体光纤连接的未结晶熔化源材料撤离所述熔融区，使得所述熔化源材料可冷却、结晶且添加到所述生长晶体光纤)；及沿着由馈送导轨界定的平移轴将额外源材料推向所述熔融区。在某些此类实施例中，由所述馈送导轨界定的所述平移轴及由所述光纤导轨界定的所述平移轴大体上竖直且轴向对准，以在约5μm的水平容限内将所述源材料水平定位在光能路径中。在一些实施例方法中，按比所述源材料被推向所述熔融区的平移速率大的平移速率将所述晶体光纤拉离所述熔融区，且在某些此类实施例中，所述晶体光纤被拉动的所述平移速率介于所述源材料被推动的所述平移速率的2倍与25倍之间。在一些实施例中，所述薄晶光纤生长方法可进一步包含测量所述生长晶体光纤的直径，及调整所述下馈送导轨推动所述源材料的所述平移速率，以使所述生长晶体光纤的所述直径保持近似恒定。一些实施例方法可进一步包含在所述晶体光纤生长时在其长度的一定部分内按介于拉制晶体光纤的每cm约0.1％与10％之间的速率来改变平移拉动对比平移推动的比率。在一些实施例方法中，被推向所述熔融区的所述源材料是多晶材料棒，例如经掺杂多晶YAG，而在一些实施例方法中，被推向所述熔融区的所述源材料是在光学加热的先前操作中生长的晶体光纤，且所述生长晶体光纤的直径小于所述源晶体光纤的直径达介于约1.5与5之间的倍数。在一些实施例中，使用前述方法及/或设备生产的所述晶体光纤可具有40μm或更小的直径及30cm或更大的长度，且在某些实施例中，所述晶体光纤可由经掺杂结晶YAG组成。附图说明图1是沿着激光光纤的轴的横截面图，所述激光光纤具有被外覆层围绕的经掺杂激光材料的芯。图2是符合本文中揭示的各种实施例的激光加热基座生长(LHPG)光纤晶体生产设备的总体示意图。图3A是LHPG过程的起始阶段的示意图。图3B是LHPG过程的连续光纤生长阶段的示意图。图4是符合本文中揭示的各种实施例的光纤晶体生产设备的下馈送导轨组件的特写示意图。图5是符合本文中揭示的各种实施例的光纤晶体生产设备的上光纤导轨组件的特写示意图。图6是符合本文中揭示的各种实施例的光纤晶体生产设备的光能源组件的特写示意图。图7是使用闭环直径控制反馈系统生长的晶体光纤对比未使用直径控制反馈系统生长的晶体光纤的直径的纵向变动的比较曲线图。具体实施方式在下文描述中，阐述众多具体细节以提供本专利技术的透彻理解。然而，可在没有一些或所有这些具体细节的情况下实践本专利技术。在其它例项中，并未详细描述熟知过程操作或硬件，以免不必要地模糊本作品的专利技术方面。虽然将结合具体的详细实施例描述本专利技术，但应理解，这些具体的详细实施例并非意图限制本文中揭示的专利技术概念的范围。引言单晶光纤可被视为介于激光晶体与经掺杂玻璃光纤之间的中间体。在一些实施例中，单晶光纤可拥有用作用于激光的高效波导并且匹配通常在块状晶体中所见的效率的能力。此组合使单晶光纤成为高功率激光及光纤激光应用的候选。因此，虽然常规光纤激光设计中的芯激光材料(参见图6A)确实由经掺杂玻璃制成，但本文中揭示薄、经掺杂单晶光纤及用于生产此类薄晶光纤的基于LHPG的方法(及设备)，所述薄晶光纤适于用作光纤激光应用中的芯激光材料。例如，钇铝石榴石(YAG，Y3Al5O12)的单晶光纤提供电势路径到具有较高输出功率的光纤激光。与非晶硅玻璃光纤相比，单晶YAG光纤提供较高导热性、较高受激布里渊(Brillouin)散射阈值、较高熔化温度及较高掺杂浓度以及极佳环境稳定性。表1比较非晶硅玻璃光纤与单晶YAG光纤的热、物理及光学性质。表1LHPG设备及方法本文中揭示各种光纤晶体生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于经由光学加热来生长薄晶光纤的设备，所述设备包括：光能源，其用于加热源材料以形成熔化源材料的熔融区；上光纤导轨，其用于沿着经界定平移轴将生长晶体光纤拉离所述熔融区，且由此还将与所述晶体光纤连接的未结晶熔化源材料撤离所述熔融区，使得熔化源材料可冷却、结晶且添加到所述生长晶体光纤；及下馈送导轨，其用于沿着经界定平移轴将额外源材料推向所述熔融区；其中所述下馈送导轨的平移轴及上光纤导轨的平移轴大体上竖直且轴向对准，以将所述源材料水平定位在从所述光能源发射的光能路径中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.25 US 62/138,3011.一种用于经由光学加热来生长薄晶光纤的设备，所述设备包括：光能源，其用于加热源材料以形成熔化源材料的熔融区；上光纤导轨，其用于沿着经界定平移轴将生长晶体光纤拉离所述熔融区，且由此还将与所述晶体光纤连接的未结晶熔化源材料撤离所述熔融区，使得熔化源材料可冷却、结晶且添加到所述生长晶体光纤；及下馈送导轨，其用于沿着经界定平移轴将额外源材料推向所述熔融区；其中所述下馈送导轨的平移轴及上光纤导轨的平移轴大体上竖直且轴向对准，以将所述源材料水平定位在从所述光能源发射的光能路径中。2.根据权利要求1所述的设备，其中在约5μm的水平容限内将所述源材料水平定位在所述光能路径中。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述上光纤导轨经配置以按一定平移速率将所述晶体光纤拉离所述熔融区，所述平移速率大于所述下馈送导轨经配置以将所述源材料推向所述熔融区的平移速率。4.根据权利要求3所述的设备，其中所述上光纤导轨经配置以拉动所述晶体光纤的所述平移速率介于所述下馈送导轨经配置以推动所述源材料的所述平移速率的约4倍与9倍之间。5.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：直径控制反馈系统，其包括：光纤直径测量模块，其经配置以测量所述生长晶体光纤的直径；及控制器，其经配置以响应于从所述光纤直径测量系统接收的信号而调整所述下馈送导轨推动所述源材料的所述平移速率，以使所述生长晶体光纤的所述直径保持近似恒定。6.根据权利要求5所述的设备，其中所述光纤直径测量模块包括：探测激光器，其经配置以使用激光辐射照射所述生长晶体光纤；及光检测器，其经配置以测量通过所述激光辐射与所述生长晶体光纤的相互作用产生的一或多个干涉条纹。7.根据权利要求1所述的设备，其中所述下馈送导轨包括：下导管，其具有界定所述下馈送导轨将源材料推向所述熔融区所沿着的所述平移轴的内部。8.根据权利要求7所述的设备，其中所述下导管具有约150μm或更小的内径。9.根据权利要求7所述的设备，其中所述下馈送导轨进一步包括：导块，其具有沟槽；及馈送带；其中所述下馈送导轨经配置以通过使所述馈送带前进而将源材料推向所述熔融区，所述馈送带使所述源材料抵靠所述导块中的所述沟槽移动且进入及穿过所述下导管的所述内部。10.根据权利要求9所述的设备，其中所述导块包括铁氟龙。11.根据权利要求1所述的设备，其中所述上光纤导轨包括：上导管，其具有界定所述上光纤导轨将所述生长晶体光纤拉离所述熔融区所沿着的所述平移轴的内部。12.根据权利要求11所述的设备，其中所述上导管具有约1mm或更小的内径。13.根据权利要求11所述的设备，其中所述上光纤导轨进一步包括：一对导引衬垫，...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·马克斯韦尔，B·庞廷，
申请(专利权)人：夏士达水晶公司，
类型：发明
国别省市：美国,US