本发明专利技术提供一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法。该光学系统应用于特种光纤生长装置中，其包括二氧化碳激光器、光束整形器及透镜组件。二氧化碳激光器用于出射激光。光束整形器位于二氧化碳激光器的出射光束路径上，用于将激光的高斯光束转换为艾里斑强度分布的光束。透镜组件位于光束整形器的出射光束路径上，用于调整光束的焦面位置以将光束聚焦至特种光纤生长装置的预制源棒的顶端。反射组件位于二氧化碳激光器与预制源棒之间的光学路径中，用于调整光束的方向以将光束反射聚焦至预制源棒的顶端。本发明专利技术能够解决激光加热基座法制备过程中存在的光路调节繁琐，不易量化环形光斑的均匀性等问题。光斑的均匀性等问题。光斑的均匀性等问题。
【技术实现步骤摘要】
一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法
[0001]本专利技术涉及光纤材料制备
，尤其涉及一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法。
技术介绍
[0002]特种光纤是指区别于国际通信标准光纤的特殊性能和用途的特殊用途光纤，例如：单晶光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、光子晶体光纤等。由于特种光纤的材料组分、结构设计、传输波长、光学性能、机械和环境性能都具有特殊性，因此其制备方法与传统石英光纤有很大区别。主流的特种光纤制备方法中，激光加热基座法(Laser
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Heated Pedestal Growth，LHPG)使用二氧化碳(CO2)激光器作为超清洁热源加热预制源棒的顶端形成高温的融化区域，放入种子光纤一端进入融化区域，通过牵引种子光纤向上提拉生长光纤。这是生长高品质百微米直径单晶光纤的唯一方式。由于生长光纤的质量很大程度上取决于加热区域的均匀程度，因此，从提出LHPG技术开始，其生长工艺就被不断改进，目的是为了形成更均匀的加热区域，从而提高所制备光纤的品质。
[0003]在最初的LHPG系统中利用激光器直接汇聚从侧面加热预制源棒的顶端形成融化区域，然后放入种子光纤进入融化区域向上提拉生长光纤。然而，由于激光光源从一侧汇聚导致加热不均匀，生长的光纤直径受到影响。为了提高预制源棒融化区域受热的均匀性，另外一种方式是将同一束激光分为两束，甚至四束，从对称的方向汇聚到预制源棒的顶端，提升加热的均匀性。上述方式逐渐优化发展为当前主流的LHPG系统中，形成了利用双锥透镜组将高斯分布的原始激光转换为直径大约50mm到70mm的环形激光，然后通过45度中间带孔的反射镜反射，平行地照射中间带孔的弧型聚焦镜，再通过弧型聚焦镜汇聚成为环形光斑的光路设计方案。光纤和预制源棒贯穿反射镜和弧型聚焦镜。为了让汇聚到预制源棒顶端的环形光斑在强度上均匀分布，前述的四个透镜的光学精度要求十分高，并且对于这四面镜子的调节也有很高要求。
[0004]当前主流LHPG技术方案的光路调节自由度多，光路调节过程较为繁琐。由于环形光斑尺寸巨大，不易量化环形光斑的均匀性，因此，光纤生长的过程中需要经常性地手工调节和修正，急需更简化的光路设计。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于提供一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法，能够解决激光加热基座法制备过程中存在的光路调节繁琐，不易量化环形光斑的均匀性等问题。
[0006]本专利技术一个方面提供一种光学系统，应用于特种光纤生长装置中。所述光学系统包括二氧化碳激光器、光束整形器、透镜组件及反射组件。所述二氧化碳激光器用于出射激光。所述光束整形器位于所述二氧化碳激光器的出射光束路径上，用于将激光的高斯光束转换为艾里斑强度分布的光束。所述透镜组件位于所述光束整形器的出射光束路径上，用于调整所述光束的焦面位置以将所述光束聚焦至所述特种光纤生长装置的预制源棒的顶
端。所述反射组件位于所述二氧化碳激光器与所述预制源棒之间的光学路径中，用于调整所述光束的方向以将所述光束反射至所述预制源棒的顶端。
[0007]本专利技术另一个方面提供一种特种光纤生长装置。所述特种光纤生长装置包括如上所述的光学系统、预制源棒、种子光纤、进给系统及提拉装置。所述种子光纤放置于所述预制源棒顶端的熔融区。所述进给系统在特种光纤的生长过程中用于向上递送所述预制源棒。所述提拉装置在特种光纤的生长过程中用于向上提拉生长出的特种光纤。
[0008]本专利技术又一个方面还提供了一种特种光纤生长方法。所述特种光纤生长方法包括：使用二氧化碳激光器出射激光；使用光束整形器将所述激光的高斯光束转换为艾里斑强度分布的光束；以及调整所述光束的焦面位置及调整所述光束的方向以将所述光束反射聚焦至预制源棒的顶端，形成环形加热区域以实现特种光纤的生长。
[0009]本专利技术的有益效果：
[0010]1、本专利技术采用激光对光纤原料进行加热，可以极大地降低特种光纤生长过程中杂质的引入。在特种光纤生长过程中通过改变预制源棒的送棒速度与特种光纤的拉升速度的比例可以实时调控特种光纤的直径。
[0011]2、工艺制造方法简单高效，不需要复杂的光路调节流程。由于传统LHPG技术方案是将高斯光束变换为环形光束后聚焦至预制源棒的顶端，对环形光束的对称性要求很好，环形光束与光轴的中心位置并不重合因此增大了光路调节的复杂性。而本专利技术的生长方法是直接对具有“艾里斑”强度分布的光束进行聚焦，无需经过上述复杂光束空间整形过程。
[0012]3、本专利技术的特种光纤生长方法更为灵活。可以根据所需生长的特种光纤的长度灵活调整系统的工作距离。
[0013]4、本专利技术有利于提高光能利用率，采取平面反射镜代替传统LHPG技术中使用的抛物面镜，有利于减小像差，使能量更加集中于热场的中心区域，减少中央光斑的能量向外弥散。
附图说明
[0014]图1为本专利技术第一实施例的应用于特种光纤生长装置的光学系统的结构示意图。
[0015]图2为本专利技术第二实施例的应用于特种光纤生长装置的光学系统的结构示意图。
[0016]图3为通过本专利技术实施例的光束整形器前后激光光强分布对比图，其中a为未经过光束整形器前的高斯光束光强分布图，b为高斯光束通过光束整形器后得到的艾里斑光强分布图。
[0017]图4为本专利技术一个实施例的特种光纤生长方法的流程图。
具体实施方式
[0018]这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本专利技术相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本专利技术的一些方面相一致的装置的例子。
[0019]在本专利技术实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本专利技术。除非另作定义，本专利技术实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属领域
内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0020]本专利技术实施例提供了一种特种光纤生长装置。该特种光纤生长装置包括光学系统、预制源棒、种子光纤、进给系统50及提拉装置60。种子光纤放置于预制源棒顶端的熔融区。进给系统50在特种光纤的生长过程中可以用来向上递送预制源棒。提拉装置60在特种光纤的生长过程中可以用来向上提拉生长出的特种光纤。
[0021]特种光纤例如可以包括但不限于单晶光纤、光子晶体光纤、玻璃光纤、塑料光纤或多功能光纤等。
[0022]本专利技术实施例提供了两种应用于特种光纤生长装置的光学系统，能够克服现有技术的不足，解决激光加热基座法(LHPG)制备过程中存在的光路调节繁琐，不易量化环形光斑的均匀性等问题。
[0023]图1揭示了本专利技术第一实施例的应用于特种光纤生长装置的光学系统10的结构示意图。如图1所示，本专利技术实施例的光学系统10包括二氧化碳(CO2)激光器11、光束整形器12、透镜组件13及反射组件15。二氧化碳激光器11可以用来出射激光。在一些实施例中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种光学系统，应用于特种光纤生长装置中，其特征在于，包括：二氧化碳激光器，用于出射激光；光束整形器，位于所述二氧化碳激光器的出射光束路径上，用于将所述激光的高斯光束转换为艾里斑强度分布的光束；透镜组件，位于所述光束整形器的出射光束路径上，用于调整所述光束的焦面位置以将所述光束聚焦至所述特种光纤生长装置的预制源棒的顶端；以及反射组件，位于所述二氧化碳激光器与所述预制源棒之间的光学路径中，用于调整所述光束的方向以将所述光束反射至所述预制源棒的顶端。2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：还包括：非球面透镜，位于所述二氧化碳激光器与所述光束整形器之间，用于将所述激光的光束准直成平行光后入射至所述光束整形器，并调节所述平行光的光斑直径尺寸与所述光束整形器的入射孔径相匹配。3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述非球面透镜的材料包括ZnSe，所述非球面透镜的镀膜范围为7～12μm抗反射，对所述二氧化碳激光器出射的激光高透。4.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述反射组件位于所述透镜组件与所述预制源棒之间的光学路径中，其包括沿所述光学路径依次设置的第一反射镜和第二反射镜。5.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于：所述第一反射镜和所述第二反射镜均为镀有保护层金膜的平面镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜的镀膜范围为800nm～20μm，对所述二氧化碳激光器出射的激光入射角不敏感，反射率大于96％。6.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述透镜组件包括反远距光组。7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于：所述光束整形器与所述反远距光组物方主平面的距离与所述光束整形器的工作距离一致。8.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于：所述反远距光组包括沿所述光束整形器与所述反射组件之间的光学路径依次设置的第一光组和第二光组，其中，所述第一光组包括双凹透镜，所述第二光组包括双凸透镜。9.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于：所述双凹透镜和所述双凸透镜的材料均包括ZnSe，所述双凹透镜和所述双凸透镜的镀膜范围均为7～12μm抗反射，对所述二氧化碳激光器出射的激光高透。10.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于：调节所述反远距光组中所述第一光组和所述第二光组的焦距来改变所述光束的焦面位置以根据所需生长的特种光纤的长度来调整所述光学系统的工作距离。11.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：还包括：扩束系统，位于所述二氧化碳激光器与所述光束整形器之间的光学路径中，用于将所述激光扩束并准直成平行光。12.如权利要求11所述的光学系统，其特征在于：所述扩束系统包括沿所述光学路径依次设置的平凹透镜和平凸透镜。13.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于：所述平凹透镜和所述平凸透镜的材料均包括ZnSe，所述平凹透镜和所述平凸透镜的镀膜范围均为7～12μm抗反射，对所述二氧化
碳激光器出射的激光高透。14.如权...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘波，高悉宝，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：
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