專利名稱：光導纖維及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種用于傳輸高功率激光射線的光導纖維以及一種用于制 造這種光導纖維的方法，該光導纖維具有一個纖維芯；具有一個包圍該纖 維芯的內纖維包層，用于引導纖維芯中的激光射線；具有一個包圍該內纖 維包層的第一外纖維包層，該第一外纖維包層借助縱向指向的、充氣的毛 細管而具有比內纖維包層小的折射率；并具有一個包圍該第一外纖維包層 的第二外纖維包層，其中第一外纖維包層具有一個無毛細管的縱向區段。
背景技術：
這種光導纖維例如己由US 2005/0117860 A公知。光導纖維與高功率激光器相結合被作為光導體使用，激光射線從激光 器經過一個距離被傳導給用戶，例如材料加工裝置。用于傳輸千瓦功率范 圍內的激光射線的光導體(光導纖維)通常由一個石英玻璃芯(光導體芯， core)和一個石英玻璃包層(光導體包層，cladding)組成，該石英玻璃包 層通過適當的攙雜或微結構化具有比光導體芯小的(有效)折射率。光導 體芯借助全反射傳導激光射線直到一個最大的接收角。光導體包層不用于 傳輸光，而是提供用于全反射所需的小折射率。為了保護光導纖維，在石 英玻璃包層上施加一個由柔性材料(例如硅，丙烯酸鹽)制成的保護套， 該保護套通常具有比石英玻璃包層低的折射率并且部分地吸收激光射線。具有微結構化石英玻璃包層的光導纖維也被稱為"光子晶體纖維"， 它具有一個石英玻璃包層，該石英玻璃包層包括縱長的、填充空氣的毛細 管，以便降低石英玻璃包層的有效折射率。毛細管相對纖維芯平行地延伸。 通過毛細管的直徑及其距離可確定纖維芯的數值孔徑毛細管的直徑愈大 并且它們相互布置得愈緊，則纖維芯的數值孔徑愈大。通過纖維芯的數值 孔徑可影響被傳輸的激光射線的束品質。空心纖維是傳輸高(脈沖峰值) 功率的激光射線的光導的一個新概念，它不具有實心的石英玻璃芯而具有空心的、填充空氣的芯。在這些空心光纖中，芯也被一個穿過毛細管的石 英玻璃包層包圍。為了輸入耦合到光導纖維中，激光射線例如被聚焦在纖維入射端部上。 在此，激光射線的一部分也可到達纖維的包層區域中。這尤其出現在激光 射線與光導纖維必需相互調節的情況下。激光射線功率可通過反向散射和 反射由被加工的工件到達包層區域中。當光導纖維被柔性的、具有比包層 區域小的折射率的保護套包圍時，到達纖維包層中的激光射線分量可通過 全反射也在纖維芯外部被傳導。如果(例如在纖維彎曲處或接頭連接處) 包層區域的全反射受到干擾，激光射線可由石英玻璃包層進入保護套或穿 出該保護套。通過在保護套中吸收激光射線，該保護套可變熱并被損壞。 未在纖維芯中傳導的激光射線尤其可在光導的端部區域上導致損壞。此外， 所傳輸的激光射線的束品質變差，這對隨后的光學部分及加工質量產生負 面作用。在由開始部分所述的US 2005/0117860 A所公知的光導纖維中，無毛細 管的縱向區段構成一個側面窗口，以便使光輸入耦合到內纖維包層中或由 內纖維包層輸出耦合。無毛細管的縱向區段可通過光導纖維的拉伸來制造， 由此使毛細管在那里萎縮并同時使纖維芯變細。在該變細的纖維區段上在 纖維芯中傳播的高階波模被脫出，即變細的纖維芯區段起到波模濾波器的 作用，這時被脫出的高階波模在內纖維包層中傳播。由US 4，637，686公知了具有包圍內纖維包層的外纖維包層的光導纖維， 該外纖維包層在其整個長度上具有用于散射和吸收在纖維包層中傳播的光 的材料。外纖維包層具有比內纖維包層高的折射率，以致光在內纖維包層 中不能借助全反射被傳導并射出到外纖維包層中，在那里在一個短的長度 后就在被該材料散射或吸收。由US 2004/007 1420 A還公知了一種光導纖維，它具有一個或多個具有持續變化的折射率的區，由此在纖維芯中傳播的光可泄漏到纖維包層中。 最后，由EP 1 213 594A還公知了一種光導纖維，它的纖維包層具有散 射元件。發明內容與此相對，本發明的任務在于，對于開始部分所述類型的光導纖維，以盡可能簡單的方式避免由到達包層區域中的激光射線產生的負面作用， 而不影響纖維芯的激光射線傳導特性。根據本發明，該任務這樣解決第二外纖維包層至少在無毛細管的縱 向區段的區域中具有散射中心，用于散射沿著該無毛細管的縱向區段從內 纖維包層射出的激光射線。該無毛細管的縱向區段可以環形地在光導纖維 的整個周邊上延伸或僅在其部分周邊上延伸。在根據本發明的這種光導纖維中，輸入耦合到內纖維包層中的激光射 線一直被可靠地傳導，直至它到達無毛細管的縱向區段上。在那里，在內 纖維包層中傳導的激光射線轉移到第二外纖維包層中，在散射中心上遭受 角度改變并且由此被從纖維中有目的地輸出耦合。纖維芯的傳導激光射線 的特性沿著該無毛細管的縱向區段在很大程度上保持不受影響。纖維芯可由攙雜的或未攙雜的石英玻璃制成或通過空心纖維的充氣 的、尤其填充空氣的空腔構成。在一個優選實施方式中，內纖維包層由攙雜的石英玻璃制成，其攙雜 這樣選擇，以致內纖維包層具有比纖維芯小的折射率。適于降低內纖維包 層的折射率的攙雜對于石英玻璃來說例如由氟化物離子構成。在另一優選實施方式中，內纖維包層借助縱向指向的充氣的、最好填 充空氣的毛細管而具有比纖維芯小的折射率。設置在第一外纖維包層中的 毛細管具有比內纖維包層的毛細管大的直徑并且彼此緊密相鄰地布置，以 致對于第一外纖維包層的折射率得到與空氣相似的值。以此方式，輸入耦 合到內纖維包層中的激光射線在內纖維包層內部通過全反射被引導并且可 以有目的地在確定的位置上被輸出耦合。最好第一及第二外纖維包層由石英玻璃制成。優選第二外纖維包層在其整個長度上具有散射中心。變換地，散射中 心也可僅在光導的有限縱向區段上延伸，即有針對性地作為輸出耦合部位 設置在外纖維包層中。散射中心可以是填充空氣的氣泡或微晶體并且通過 相應結構化的預制件(具有氣泡或微晶的石英玻璃)或通過用超短激光脈 沖對纖維輻射來施加到第二外纖維包層中。為了在第二外纖維包層的整個 長度上產生氣泡，光導纖維預制件包括一個由不透明的石英、即其中包含 氣泡的石英制成的最外層。為了在第二外纖維包層中產生微晶體，在制造 用于纖維預制件的合成石英玻璃時，這樣控制過程，以致產生微晶體。在拉制光導纖維時，這些微晶體作為散射中心被保留。變換地，可以將納米 顆粒施加到拉制過程后形成第二外纖維包層的預制件區域中。散射中心最 好僅設置在第二外纖維包層的遠離表面的內部體積中，以致與第一外纖維 包層相鄰接的邊界面和第二外纖維包層的表面沒有干擾。因此光導體的機 械負荷能力盡可能小地受到影響。為了有目的地在已拉制的纖維的一定縱 向區段中產生散射中心，用超短脈沖激光照射該纖維。該激光射線的波長 這樣選擇，以致纖維材料對于激光射線很大程度上是可透過的，直到一個 確定的光束功率密度。如果在激光射線的焦點上達到該功率密度，則通過 石英材料的微損傷產生散射中心。激光射線被這樣對準光導纖維，以致激 光射線的焦點位于第二外纖維包層中。如果光導纖維被一個保護套包圍，該保護套無足夠的功率適用性，則 該保護套可以沿著無毛細管的縱向區段被去除。然后第二外纖維包層有利 地沿著無毛細管的縱向區段被一個吸收器包圍。此外還可以是，在無毛細 管的縱向區段上設置一個用于測量功率的傳感器，以便測量導入內纖維包 層中的光束功率。這尤其在激光射線與光導體相互校準時是有利的。本發明還涉及一種用于制造如上構成的高功率光導體的方法，其中， 光導纖維具有一個纖維芯，具有一個包圍該纖維芯的內纖維包層，具有一個包圍該內纖維包層的第一外纖維包層，該第一外纖維包層借助縱向指向 的、充氣的毛細管而具有比內纖維包層小的折射率，并具有一個包圍該第 一外纖維包層的第二外纖維包層，該第二外纖維包層在一個縱向區段上或 在其整個長度上具有散射中心，在一個縱向區段上被加熱并由此使在該縱 向區段中存在的第一外纖維包層毛細管被去除。換句話說，在所希望的縱 向區段上，第一外纖維包層的毛細管結構通過加熱被萎縮，而不實質性影 響其余纖維層的結構。光導體的加熱例如在氣體火焰中進行，通過電阻加 熱元件的熱輻射或借助激光射線來。如果第一外纖維包層的毛細管結構萎 縮，則在內纖維包層中傳導的激光射線在該部位上的全反射被取消，激光 射線被轉而耦合到第二外纖維包層中。在那里激光射線在散射中心上出光 導體散射出來。第一外纖維包層的毛細管結構的萎縮最好在該光導體的整 個周邊上進行。本發明還涉及一種如上構成的光導纖維的應用，用于傳輸高功率激光 射線。在此，到達內纖維包層中的激光射線在內纖維包層中被可靠地傳導，直到無毛細管的縱向區段的區域。在那里，激光射線從內纖維包層轉移到 第二外纖維包層中，在散射中心上被從光導體中散射出來，被接收在一個 包圍該光導體的吸收器中。根據本發明的光導纖維不僅可作為光導體用于將激光射線出激光器傳 輸到加工位置，而且也可直接用在激光諧振器或激光放大器中。在那里它 用作用于較高激光模的損耗元件，這些較高的激光模在纖維的無毛細管的 縱向區段上被有目的地輸出耦合。


本發明主題的其它優點及有利的構型可從說明書、附圖及權利要求中 得知。以上所述的和以下要描述的各個特征可以分別單獨地或以任意組合 地使用。所繪出的及所說明的實施方式不應被理解為窮舉，而是對于描述 本發明具有示例性特點。附圖表示圖1 本發明光導纖維在無毛細管的縱向區域的區域中的縱剖面； 圖2 圖1中所示光導纖維的橫截面；及圖3及4 圖1中所示本發明光導纖維的兩個另外的橫截面結構。
具體實施方式
圖1及圖2中所示的光導纖維1用于傳輸高功率(〉500W)的激光射 線。該纖維l包括 一個由未攙雜的或攙雜的石英玻璃制成的纖維芯2; — 個包圍該纖維芯2的內纖維包層3，該內纖維包層由攙雜的、尤其是攙雜氟 的石英玻璃制成，具有比纖維芯2小的折射率； 一個由石英玻璃制成的包 圍該內纖維包層3的第一外纖維包層4，該第一外纖維包層借助縱向指向的、 填充空氣的毛細管5而具有比內纖維包層3小的折射率；及一個由石英玻 璃制成的包圍該第一外纖維包層5的第二外纖維包層6，該第二外纖維包層 在其整個長度上具有散射中心7。第一外纖維包層4具有一個較細的、無毛 細管的縱向區段8，在該縱向區段上，第二外纖維包層6被一個吸收器9包 圍。纖維芯2借助全反射傳導激光射線直到一個最大接收角。內纖維包層3 不用于傳輸光，而是提供全反射所需的較小折射率，該折射率通過攙雜來相應調整。仍然例如在激光射線輸入耦合到纖維芯2中時到達內纖維包層3 中的激光射線在內纖維包層中借助全反射被引導，因為第一外纖維包層4 由于其縱向指向的、填充空氣的毛細管5而具有比內纖維包層3小的折射 率。這些毛細管5平行于纖維芯2延伸。在無毛細管的縱向區段8上，在 內纖維包層3中傳導的激光射線的全反射被取消，因此該激光射線沿著無 毛細管的縱向區段8射出到第二外纖維包層6中，在那里在散射中心7上 經受角度改變并且從光導體1輸出耦合到吸收器9中。纖維芯2的激光射 線傳導特性沿著無毛細管的縱向區段8很大程度上保持不受影響。圖3中所示的光導纖維l'與光導纖維1的區別僅在于在這里，內纖 維包層3'具有呈縱向指向的、填充空氣的毛細管10形式的微結構化，因此 具有比纖維芯2小的折射率。這些毛細管10平行于內纖維包層3'延伸。這 些毛細管典型地具有lpm范圍內的直徑和超過該直徑大約一個數量級的相 互距離，以致對于纖維芯得到從0.05至0.2的數值孔徑。因此在該光導纖 維中可傳輸束品質為0.2mm mrad至20mm mrad的激光射線。為了提高纖維r的穩定性，可在內纖維包層r與第一外纖維包層5之間設置另一個非 結構化的石英層(未示出)。圖4中所示的光導纖維r與光導纖維r的區別在于，在這里，纖維芯2〃 通過一個填充空氣的空心纖維的空腔來構成。
權利要求
1.用于傳輸高功率激光射線的光導纖維(1；1′；1″)，它具有一個纖維芯(2；2″)；具有一個包圍纖維芯(2；2″)的內纖維包層(3；3′)，用于引導纖維芯(2；2″)中的激光射線；具有一個包圍該內纖維包層(3；3′)的第一外纖維包層(4)，該第一外纖維包層借助縱向指向的、充氣的毛細管(5)而具有比內纖維包層(3；3′)小的折射率；并具有一個包圍第一外纖維包層(4)的第二外纖維包層(6)，其中，第一外纖維包層(4)具有一個無毛細管的縱向區段(8)，其特征在于第二外纖維包層(6)至少在該無毛細管的縱向區段(8)的區域中具有散射中心(7)，用于散射沿著該無毛細管的縱向區段(8)從內纖維包層(3；3′)中射出的激光射線。
2. 根據權利要求1的光導纖維，其特征在于纖維芯(2)由攙雜的或未攙雜的石英玻璃制成。
3. 根據權利要求1的光導纖維，其特征在于纖維芯(2")通過空心纖維的內部空腔構成。
4. 根據以上權利要求之一的光導纖維，其特征在于內纖維包層(3)由攙雜的石英玻璃制成，其攙雜這樣選擇，以致內纖維包層(3)具有比纖維芯(2; 2")小的折射率。
5. 根據以上權利要求之一的光導纖維，其特征在于內纖維包層(3) 借助縱向指向的、充氣的毛細管(10)構成，用于引導光導芯(2， 2")中的激光射線。
6. 根據以上權利要求之一的光導纖維，其特征在于第一外纖維包層 (4)由石英玻璃制成。
7. 根據以上權利要求之一的光導纖維，其特征在于第二外纖維包層 (6)由石英玻璃制成。
8. 根據以上權利要求之一的光導纖維，其特征在于第二外纖維包層(6)在其整個長度上具有散射中心(7)。
9. 根據以上權利要求之一的光導纖維，其特征在于第二外纖維包層(6)中的散射中心(7)僅設置在第二外纖維包層(6)的遠離邊界面的內部體積中。
10. 根據以上權利要求之一的光導纖維，其特征在于第二外纖維包層(6)沿著無毛細管的縱向區段(8)被一個吸收器(9)包圍。
11. 用于制造根據以上權利要求之一的光導纖維的方法，其中，纖維具有一個纖維芯(2; 2");具有一個包圍該纖維芯(2; 2")的內纖維包層 (3; 3');具有一個包圍該內纖維包層(3; 3')的第一外纖維包層(4)，該第一外纖維包層借助縱向指向的、充氣的毛細管(5)而具有比內纖維包 層(3; 3')小的折射率；并具有一個包圍該第一外纖維包層(4)的第二外 纖維包層(6)，該第二外纖維包層在一個縱向區段(8)上或在其整個長 度上具有散射中心(7)，在一個縱向區段(8)上被加熱并由此使在該縱 向區段(8)中存在的第一外纖維包層(4)毛細管(5)被除去。
12. 根據權利要求1至9之一的光導纖維(1; l'; 1")的應用，用于 傳輸高功率激光射線，其中，在內纖維包層(3; 3')中被引導的激光射線 在無毛細管的縱向區段(8)的區域中由內纖維包層(3; 3')轉移到第二外 纖維包層(6)中，在那里在散射中心(7)上被散射，從光導纖維(1; l';r)射出，被接收在一個包圍該光導纖維(i; r; r)的吸收器(9)中。
13. 根據權利要求1至9之一的光導纖維(1; l'; 1")的應用，用作激光諧振器或激光放大器中用于輸出耦合較高的激光模的損耗元件。
全文摘要
本發明涉及一種用于傳輸高功率激光射線的光導纖維(1)，它具有一個纖維芯(2)；具有一個包圍纖維芯(2)的內纖維包層(3)，用于引導纖維芯(2)中的激光射線；具有一個包圍該內纖維包層(3)的第一外纖維包層(4)，該第一外纖維包層借助縱向指向的、充氣的毛細管(5)而具有比內纖維包層(3)小的折射率；并具有一個包圍第一外纖維包層(4)的第二外纖維包層(6)，其中，第一外纖維包層(4)具有一個無毛細管的縱向區段(8)，根據本發明，第二外纖維包層(6)至少在該無毛細管的縱向區段(8)的區域中具有散射中心(7)，用于散射沿著該無毛細管的縱向區段(8)從內纖維包層(3)中射出的激光射線。
文檔編號G02B6/02GK101331415SQ200680044841
公開日2008年12月24日 申請日期2006年9月28日 優先權日2005年9月29日
發明者M·庫姆卡爾, R·胡貝爾 申請人:通快激光兩合公司