光导纤维及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种用于传输高功率激光射线的光导纤维（１），它具有一个纤维芯（２）；具有一个包围纤维芯（２）的内纤维包层（３），用于引导纤维芯（２）中的激光射线；具有一个包围该内纤维包层（３）的第一外纤维包层（４），该第一外纤维包层借助纵向指向的、充气的毛细管（５）而具有比内纤维包层（３）小的折射率；并具有一个包围第一外纤维包层（４）的第二外纤维包层（６），其中，第一外纤维包层（４）具有一个无毛细管的纵向区段（８），根据本发明专利技术，第二外纤维包层（６）至少在该无毛细管的纵向区段（８）的区域中具有散射中心（７），用于散射沿着该无毛细管的纵向区段（８）从内纤维包层（３）中射出的激光射线。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于传输高功率激光射线的光导纤维以及一种用于制 造这种光导纤维的方法，该光导纤维具有一个纤维芯；具有一个包围该纤 维芯的内纤维包层，用于引导纤维芯中的激光射线；具有一个包围该内纤 维包层的第一外纤维包层，该第一外纤维包层借助纵向指向的、充气的毛 细管而具有比内纤维包层小的折射率；并具有一个包围该第一外纤维包层 的第二外纤维包层，其中第一外纤维包层具有一个无毛细管的纵向区段。
技术介绍
这种光导纤维例如己由US 2005/0117860 A公知。光导纤维与高功率激光器相结合被作为光导体使用，激光射线从激光 器经过一个距离被传导给用户，例如材料加工装置。用于传输千瓦功率范 围内的激光射线的光导体(光导纤维)通常由一个石英玻璃芯(光导体芯， core)和一个石英玻璃包层(光导体包层，cladding)组成，该石英玻璃包 层通过适当的搀杂或微结构化具有比光导体芯小的(有效)折射率。光导 体芯借助全反射传导激光射线直到一个最大的接收角。光导体包层不用于 传输光，而是提供用于全反射所需的小折射率。为了保护光导纤维，在石 英玻璃包层上施加一个由柔性材料(例如硅，丙烯酸盐)制成的保护套， 该保护套通常具有比石英玻璃包层低的折射率并且部分地吸收激光射线。具有微结构化石英玻璃包层的光导纤维也被称为"光子晶体纤维"， 它具有一个石英玻璃包层，该石英玻璃包层包括纵长的、填充空气的毛细 管，以便降低石英玻璃包层的有效折射率。毛细管相对纤维芯平行地延伸。 通过毛细管的直径及其距离可确定纤维芯的数值孔径毛细管的直径愈大 并且它们相互布置得愈紧，则纤维芯的数值孔径愈大。通过纤维芯的数值 孔径可影响被传输的激光射线的束品质。空心纤维是传输高(脉冲峰值) 功率的激光射线的光导的一个新概念，它不具有实心的石英玻璃芯而具有空心的、填充空气的芯。在这些空心光纤中，芯也被一个穿过毛细管的石 英玻璃包层包围。为了输入耦合到光导纤维中，激光射线例如被聚焦在纤维入射端部上。 在此，激光射线的一部分也可到达纤维的包层区域中。这尤其出现在激光 射线与光导纤维必需相互调节的情况下。激光射线功率可通过反向散射和 反射由被加工的工件到达包层区域中。当光导纤维被柔性的、具有比包层 区域小的折射率的保护套包围时，到达纤维包层中的激光射线分量可通过 全反射也在纤维芯外部被传导。如果(例如在纤维弯曲处或接头连接处) 包层区域的全反射受到干扰，激光射线可由石英玻璃包层进入保护套或穿 出该保护套。通过在保护套中吸收激光射线，该保护套可变热并被损坏。 未在纤维芯中传导的激光射线尤其可在光导的端部区域上导致损坏。此外， 所传输的激光射线的束品质变差，这对随后的光学部分及加工质量产生负 面作用。在由开始部分所述的US 2005/0117860 A所公知的光导纤维中，无毛细 管的纵向区段构成一个侧面窗口，以便使光输入耦合到内纤维包层中或由 内纤维包层输出耦合。无毛细管的纵向区段可通过光导纤维的拉伸来制造， 由此使毛细管在那里萎縮并同时使纤维芯变细。在该变细的纤维区段上在 纤维芯中传播的高阶波模被脱出，即变细的纤维芯区段起到波模滤波器的 作用，这时被脱出的高阶波模在内纤维包层中传播。由US 4，637，686公知了具有包围内纤维包层的外纤维包层的光导纤维， 该外纤维包层在其整个长度上具有用于散射和吸收在纤维包层中传播的光 的材料。外纤维包层具有比内纤维包层高的折射率，以致光在内纤维包层 中不能借助全反射被传导并射出到外纤维包层中，在那里在一个短的长度 后就在被该材料散射或吸收。由US 2004/007 1420 A还公知了一种光导纤维，它具有一个或多个具有持续变化的折射率的区，由此在纤维芯中传播的光可泄漏到纤维包层中。 最后，由EP 1 213 594A还公知了一种光导纤维，它的纤维包层具有散 射元件。
技术实现思路
与此相对，本专利技术的任务在于，对于开始部分所述类型的光导纤维，以尽可能简单的方式避免由到达包层区域中的激光射线产生的负面作用， 而不影响纤维芯的激光射线传导特性。根据本专利技术，该任务这样解决第二外纤维包层至少在无毛细管的纵 向区段的区域中具有散射中心，用于散射沿着该无毛细管的纵向区段从内 纤维包层射出的激光射线。该无毛细管的纵向区段可以环形地在光导纤维 的整个周边上延伸或仅在其部分周边上延伸。在根据本专利技术的这种光导纤维中，输入耦合到内纤维包层中的激光射 线一直被可靠地传导，直至它到达无毛细管的纵向区段上。在那里，在内 纤维包层中传导的激光射线转移到第二外纤维包层中，在散射中心上遭受 角度改变并且由此被从纤维中有目的地输出耦合。纤维芯的传导激光射线 的特性沿着该无毛细管的纵向区段在很大程度上保持不受影响。纤维芯可由搀杂的或未搀杂的石英玻璃制成或通过空心纤维的充气 的、尤其填充空气的空腔构成。在一个优选实施方式中，内纤维包层由搀杂的石英玻璃制成，其搀杂 这样选择，以致内纤维包层具有比纤维芯小的折射率。适于降低内纤维包 层的折射率的搀杂对于石英玻璃来说例如由氟化物离子构成。在另一优选实施方式中，内纤维包层借助纵向指向的充气的、最好填 充空气的毛细管而具有比纤维芯小的折射率。设置在第一外纤维包层中的 毛细管具有比内纤维包层的毛细管大的直径并且彼此紧密相邻地布置，以 致对于第一外纤维包层的折射率得到与空气相似的值。以此方式，输入耦 合到内纤维包层中的激光射线在内纤维包层内部通过全反射被引导并且可 以有目的地在确定的位置上被输出耦合。最好第一及第二外纤维包层由石英玻璃制成。优选第二外纤维包层在其整个长度上具有散射中心。变换地，散射中 心也可仅在光导的有限纵向区段上延伸，即有针对性地作为输出耦合部位 设置在外纤维包层中。散射中心可以是填充空气的气泡或微晶体并且通过 相应结构化的预制件(具有气泡或微晶的石英玻璃)或通过用超短激光脉 冲对纤维辐射来施加到第二外纤维包层中。为了在第二外纤维包层的整个 长度上产生气泡，光导纤维预制件包括一个由不透明的石英、即其中包含 气泡的石英制成的最外层。为了在第二外纤维包层中产生微晶体，在制造 用于纤维预制件的合成石英玻璃时，这样控制过程，以致产生微晶体。在拉制光导纤维时，这些微晶体作为散射中心被保留。变换地，可以将纳米 颗粒施加到拉制过程后形成第二外纤维包层的预制件区域中。散射中心最 好仅设置在第二外纤维包层的远离表面的内部体积中，以致与第一外纤维 包层相邻接的边界面和第二外纤维包层的表面没有干扰。因此光导体的机 械负荷能力尽可能小地受到影响。为了有目的地在已拉制的纤维的一定纵 向区段中产生散射中心，用超短脉冲激光照射该纤维。该激光射线的波长 这样选择，以致纤维材料对于激光射线很大程度上是可透过的，直到一个 确定的光束功率密度。如果在激光射线的焦点上达到该功率密度，则通过 石英材料的微损伤产生散射中心。激光射线被这样对准光导纤维，以致激 光射线的焦点位于第二外纤维包层中。如果光导纤维被一个保护套包围，该保护套无足够的功率适用性，则 该保护套可以沿着无毛细管的纵向区段被去除。然后第二外纤维包层有利 地沿着无毛细管的纵向区段被一个吸收器包围。此外还可以是，在无毛细 管的纵向区段上设置一个用于测量功率的传感器，以便测量导入内纤维包 层本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于传输高功率激光射线的光导纤维（１；１′；１″），它具有一个纤维芯（２；２″）；具有一个包围纤维芯（２；２″）的内纤维包层（３；３′），用于引导纤维芯（２；２″）中的激光射线；具有一个包围该内纤维包层（３；３′）的第一外纤维包层（４），该第一外纤维包层借助纵向指向的、充气的毛细管（５）而具有比内纤维包层（３；３′）小的折射率；并具有一个包围第一外纤维包层（４）的第二外纤维包层（６），其中，第一外纤维包层（４）具有一个无毛细管的纵向区段（８），其特征在于：第二外纤维包层（６）至少在该无毛细管的纵向区段（８）的区域中具有散射中心（７），用于散射沿着该无毛细管的纵向区段（８）从内纤维包层（３；３′）中射出的激光射线。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M库姆卡尔，R胡贝尔，
申请(专利权)人：通快激光两合公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]