[发明专利]一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法

说明书

本发明提供一种光学系统、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。

技术领域

本发明涉及光纤材料制备技术领域，尤其涉及一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法。

背景技术

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-Heated PedestalGrowth，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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。