CN114624812A - 一种多芯传能光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高功率光纤激光技术领域，公开了一种多芯传能光纤及其制备方法。该多芯传能光纤包括内包层、纤芯和涂覆层，内包层沿轴向设有至少两个芯孔；纤芯一一对应地穿设于芯孔，纤芯包括内芯、掺氟层和缓冲层，掺氟层套设于内芯的外周，缓冲层套设于掺氟层的外周；涂覆层包括第一涂覆层和第二涂覆层，第一涂覆层套设于内包层的外周，第二涂覆层套设于第一涂覆层的外侧。本发明提供的多芯传能光纤，内包层能将至少两个纤芯集成于一束，使单根光纤能传输多束激光，进而提高激光焊接设备集成度；通过设置掺氟层，掺氟层能负向构建纤芯折射率，防止纤芯内传输激光泄漏；通过设置缓冲层，缓冲层能有效提高内芯的抗弯性能，起到应力缓冲作用。

Description

一种多芯传能光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及高功率光纤激光技术领域，尤其涉及一种多芯传能光纤及其制备方法。

背景技术

在现代工业制造中，激光技术和焊接技术的有机结合形成了激光新型焊接技术。激光新型焊接技术已在诸多领域应用，在整个激光产业链中，激光新型焊接技术的市场规模仅次于激光切割，是第二大规模的激光应用。激光焊接在汽车制造、新能源和工业加工等领域发挥了巨大应用价值。激光焊接技术采用激光光源替代传统的焊材，用激光能量加热焊接件表面，通过激光热辐射和材料表面热传导来实现高效精密焊接。

双光束和多光束激光高功率焊接技术能够有效提高激光焊接对装配进度的适应性，提升激光焊接过程工艺的稳定性，且能提高焊接工序的整体质量。对于常规的单光束激光焊接难以焊接的材料和接头，采用双光束与多光束焊接工艺可以取得理想的工艺应用效果。

目前激光焊接和3D打印装备通常是一束激光或一台激光器独立配备一个激光加工头。激光焊接加工头的体积较大，光纤激光器的QBH器件内目前使用的传能光纤均是单芯传输激光，即一根光纤只能传输一束激光。因而在实际的多光束焊接工艺中，一套设备需要配备多个激光焊接加工头，大大降低了多光束激光焊接设备的系统集成度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多芯传能光纤及其制备方法，旨在提高多光束激光焊接设备的系统集成度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种多芯传能光纤，包括：

内包层，所述内包层沿轴向设有至少两个芯孔；

纤芯，所述纤芯一一对应地穿设于所述芯孔，所述纤芯包括内芯、掺氟层和缓冲层，所述掺氟层套设于所述内芯的外周，所述缓冲层套设于所述掺氟层的外周；

涂覆层，所述涂覆层包括第一涂覆层和第二涂覆层，所述第一涂覆层套设于所述内包层的外周，所述第二涂覆层套设于所述第一涂覆层的外侧。

可选地，所述第一涂覆层和所述第二涂覆层的材质均为聚合物。

可选地，所述缓冲层的外壁与所述内包层的外壁沿所述内包层的径向距离不小于8μm。

可选地，所述内芯和/或所述内包层的材质为高纯二氧化硅。

可选地，所述内芯的直径为9μm-100μm。

可选地，所述内包层的直径为125μm-2000μm。

可选地，所述内包层沿轴向还设有标记孔，所述标记孔内穿设有标记芯。

一种多芯传能光纤的制备方法，基于以上任一方案所述的多芯传能光纤，包括如下步骤：

S1、对所述内包层和所述纤芯的尺寸进行设计；

S2、制备所述内包层，并在所述内包层上加工所述芯孔；

S3、制备所述纤芯，并将所述纤芯穿设于所述芯孔内；

S4、在所述内包层外周形成所述涂覆层。

可选地，步骤S3包括：

S31：制备所述内芯；

S32：对所述内芯进行掺氟处理，形成所述掺氟层；

S33：在所述掺氟层外侧沉积所述缓冲层，得到所述纤芯；

S34：将所述纤芯穿设于所述芯孔内。

可选地，步骤S4包括：

S41：对所述内包层进行熔缩延伸处理；

S42：对所述内包层进行精密拉丝处理，并在所述内包层外周制备所述涂覆层。

本发明的有益效果：

本发明提供的多芯传能光纤，通过设置内包层，内包层沿轴向设有至少两个芯孔，纤芯一一对应地穿设于所述芯孔，内包层能将至少两个纤芯集成于一束，使一束光纤能传输多束激光，进而提高了激光焊接设备的集成度；通过设置掺氟层，掺氟层套设于内芯的外周，掺氟层能负向构建纤芯折射率，防止纤芯内传输激光泄漏；通过设置缓冲层，缓冲层套设于掺氟层的外周，缓冲层能有效防止激光泄漏，提高内芯的抗弯性能，起到应力缓冲作用；通过设置涂覆层，涂覆层包括第一涂覆层和第二涂覆层，第一涂覆层套设于内包层的外周，第二涂覆层套设于第一涂覆层的外侧，能对纤芯进行保护，提高了该多芯传能光纤的可靠性。

本发明提供的多芯传能光纤的制备方法，能够提升单根光纤传输的光束数量，提高激光3D打印和熔覆加工精确度，提高制造效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多芯传能光纤的一种方案的截面结构示意图；

图2是本发明实施例提供的多芯传能光纤的另一种方案的截面结构示意图；

图3是本发明实施例提供的多芯传能光纤的制备方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的设有标记芯的多芯传能光纤的制备方法的流程图。

图中：

1、内包层；2、纤芯；21、内芯；22、掺氟层；23、缓冲层；3、涂覆层；31、第一涂覆层；32、第二涂覆层；4、标记芯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种多芯传能光纤。该多芯传能光纤包括内包层1、纤芯2和涂覆层3，内包层1沿轴向设有至少两个芯孔；纤芯2一一对应地穿设于芯孔，纤芯2包括内芯21、掺氟层22和缓冲层23，掺氟层22套设于内芯21的外周，缓冲层23套设于掺氟层22的外周；涂覆层3包括第一涂覆层31和第二涂覆层32，第一涂覆层31套设于内包层1的外周，第二涂覆层32套设于第一涂覆层31的外侧。

本发明提供的多芯传能光纤，通过设置内包层1，内包层1沿轴向设有至少两个芯孔，纤芯2一一对应地穿设于所述芯孔，内包层1能将至少两个纤芯2集成于一束，使一束光纤能传输多束激光，进而提高了激光焊接设备的集成度；通过设置掺氟层22，掺氟层22套设于内芯21的外周，掺氟层22能负向构建纤芯2折射率，防止纤芯2内传输激光泄漏；通过设置缓冲层23，缓冲层23套设于掺氟层22的外周，缓冲层23能有效防止激光泄漏，提高内芯21的抗弯性能，起到应力缓冲作用；通过设置涂覆层3，涂覆层3包括第一涂覆层31和第二涂覆层32，第一涂覆层31套设于内包层1的外周，第二涂覆层32套设于第一涂覆层31的外侧，能对纤芯2进行保护，提高了该多芯传能光纤的可靠性。

进一步地，缓冲层23的外壁与内包层1的外壁沿内包层1的径向距离不小于8μm。通常在传输高功率激光时，涂覆层3的耐受温度为80℃，而长时间高功率激光传输使涂覆层3的耐受温度低于50℃，缓冲层23的外壁与内包层1的外壁沿内包层1的径向的距离设置为不小于8μm，能有效防止在多芯传能光纤发生变形时内部激光泄漏到涂覆层3内，引起涂覆层3发热。

可选地，内芯21和/或内包层1的材质为高纯二氧化硅。高纯二氧化硅具有较好的折射率，且储量丰富，加工成本低。本实施例中，二氧化硅的纯度不低于99.999999％。由于传输的激光为高功率激光，二氧化硅的纯度越高，其存在的缺陷越少，越有利于降低传输损耗。

优选地，内芯21的直径为9μm-100μm。该种设置，能有效保证内芯21能传输单束或多束激光，扩大使用范围。本实施例中，单个纤芯2能支撑1kW及以上的高功率激光传输。

进一步地，内包层1的直径为125μm-2000μm。该种设置，使内包层1适合目前高功率激光传输应用的2芯-7芯，9芯，13芯和19芯的多芯传能光纤，扩大了应用范围。示例性地，图1为多芯传能光纤为2芯时的结构示意图，图2为多芯传能光纤为4芯时的结构示意图。

可选地，芯孔绕内包层1的中心轴呈圆周均匀分布。该种设置，便于加工芯孔，提高加工效率。具体地，当多芯传能光纤包括2芯或4芯时，芯孔绕内包层1的中心轴呈圆周均匀分布；当多芯传能光纤包括5芯或7芯时，内包层1的中心设有一芯孔，其余芯孔绕内包层1的中心轴呈圆周均匀分布。

可选地，内包层1沿轴向还设有标记孔，标记孔内穿设有标记芯4。标记芯4的设置便于对各个纤芯2的位置进行识别，利于该多芯传能光纤的熔接对准。

本实施例中，第一涂覆层31和第二涂覆层32的材质均为聚合物。该种设置，能有效提高第一涂覆层31和第二涂覆层32的耐高温的性能。第一涂覆层31的折射率优选为1.37，该种设置，能有效降低激光泄漏。在其他实施例中，本领域技术人员可根据需要设定具有其他折射率的第一涂覆层31。

如图3所示，本实施例还提供了一种多芯传能光纤的制备方法，基于上述的多芯传能光纤，包括如下步骤：

S1、对内包层1和纤芯2的尺寸进行设计；

S2、制备内包层1，并在内包层1上加工芯孔；

S3、制备纤芯2，并将纤芯2穿设于芯孔内；

S4、在内包层1外周形成涂覆层。

本发明提供的多芯传能光纤的制备方法，能够提高多芯传能光纤传输激光束的数量，提升激光3D打印和激光熔覆加工精确度，提高制造效率。

步骤S1中，可选地，线芯2的数值孔径为0.08-0.28。该种设置能有效防止传输激光的泄漏。进一步地，本领域技术人员可根据具体应用场景设定内包层1的尺寸、芯孔的大小和个数及涂覆层3的直径。

可选地，步骤S2中，制备完内包层1后，对内包层1的端面进行平整处理，再对内包层1进行精密打孔，加工出芯孔。平整处理有效保证了打孔过程的准确性；精密打孔工艺的打孔精度高且打孔效率高。

可选地，精密打孔为超声波振动打孔，打孔深度为40cm-60cm。该种设置，有效提高了打孔精度和打孔合格率。在实际打孔过程中，内包层1长度大于60cm的情况下，可采用两端打孔，以实现长距离打孔。本实施例中，精密打孔的打孔精度不低于±1mm。打孔后对芯孔进行珩磨工艺处理，使芯孔内壁的光洁度大于12级。

具体地，步骤S3包括：

S31：制备内芯21；

S32：对内芯21进行掺氟处理，形成掺氟层22；

可选地，采用管内法或管外法对内芯21进行掺氟处理，便于对掺氟层22的厚度进行精确控制。本实施例中，掺氟层22的厚度可为1mm。在其他实施例中，本领域技术人员可根据实际需要设定掺氟层22的厚度。

S33：在掺氟层22外侧沉积缓冲层23，得到纤芯2；

可选地，缓冲层23的厚度大于掺氟层22的厚度，以保证纤芯2具有较好的抗弯性能，以缓解在使用过程中，内包层1对纤芯2的应力冲击。

本实施例中，缓冲层23的主体材料为硅。优选地，缓冲层23内添加有铝和锗，铝和锗能提高缓冲层的延展性。

可选地，缓冲层23制备完成后，对纤芯2进行抛光处理，以保证纤芯2的直径的一致性。

S34：将纤芯2穿设于芯孔内。

进一步地，步骤S4包括：

S41：对内包层1进行熔缩及延伸处理；

对芯孔内设有纤芯2的内包层1进行熔缩处理，使纤芯2和内包层1在高温下熔缩成一根多芯芯棒。

S42：对内包层1进行精密拉丝处理，并在内包层1外周制备涂覆层3。

在特种光纤拉丝塔对多芯芯棒进行精密拉丝处理，在精密拉丝处理后的内包层1的外侧制备第一涂覆层31和第二涂覆层32。

可选的，制备涂覆层3的过程也可在精密拉丝过程中完成。示例性地，先将涂覆层3涂覆于内包层1的外侧，在精密拉丝过程中，涂覆层3经紫外光固化形成稳定的聚合物。

本实施例中，步骤S4后还包括步骤S5，步骤S5为性能检测。

将涂覆层3制备完成后的内包层1复绕到光纤盘具上，对绕盘的内包层1进行性能检测，性能检测包括折射率剖面检测、端面的结构检测以及对接入匹配的多芯合束器后的激光传输测试。最后，性能检测达到要求的多芯传能光纤即可应用到实际场景中。

可选地，标记芯4包括内芯棒和外包层，外包层套设于内芯棒的外周，内芯棒为纯硅芯，外包层掺有少量的氟，外包层的厚度为0.5mm。标记芯4结构简单，易于制造。具体地，采用管内法或管外法对内芯棒进行掺氟处理形成外包层。

图4是本实施例提供的设有标记芯4的多芯传能光纤的制备方法的流程图，步骤S1中，在对设有标记芯4的多芯传能光纤进行制备时，在对内包层1和纤芯2的尺寸进行设计时，需同时对标记芯4的尺寸进行设计，并选定标记芯4在内包层1的具体坐标，接着，步骤S2中，制备内包层1，并在内包层1上加工芯孔和标记孔。步骤S3包括制备纤芯2和标记芯4，将纤芯2穿设于芯孔内，将标记芯4穿设于标记孔内，最后为步骤S4，在内包层1外周形成涂覆层3。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多芯传能光纤，其特征在于，包括：

内包层(1)，所述内包层(1)沿轴向设有至少两个芯孔；

纤芯(2)，所述纤芯(2)一一对应地穿设于所述芯孔，所述纤芯(2)包括内芯(21)、掺氟层(22)和缓冲层(23)，所述掺氟层(22)套设于所述内芯(21)的外周，所述缓冲层(23)套设于所述掺氟层(22)的外周；

涂覆层(3)，所述涂覆层(3)包括第一涂覆层(31)和第二涂覆层(32)，所述第一涂覆层(31)套设于所述内包层(1)的外周，所述第二涂覆层(32)套设于所述第一涂覆层(31)的外侧。

2.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征在于，所述第一涂覆层(31)和第二涂覆层(32)的材质均为聚合物。

3.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征在于，所述缓冲层(23)的外壁与所述内包层(1)的外壁沿所述内包层(1)的径向距离不小于8μm。

4.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征在于，所述内芯(21)和/或所述内包层(1)的材质为高纯二氧化硅。

5.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征在于，所述内芯(21)的直径为9μm-100μm。

6.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征在于，所述内包层(1)的直径为125μm-2000μm。

7.根据权利要求1所述的多芯传能光纤，其特征在于，所述内包层(1)沿轴向还设有标记孔，所述标记孔内穿设有标记芯(4)。

8.一种多芯传能光纤的制备方法，基于如权利要求1-7任一项所述的多芯传能光纤，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对所述内包层(1)和所述纤芯(2)的尺寸进行设计；

S2、制备所述内包层(1)，并在所述内包层(1)上加工所述芯孔；

S3、制备所述纤芯(2)，并将所述纤芯(2)穿设于所述芯孔内；

S4、在所述内包层(1)外周形成所述涂覆层(3)。

9.根据权利要求8所述的多芯传能光纤的制备方法，其特征在于，步骤S3包括：

S31：制备所述内芯(21)；

S32：对所述内芯(21)进行掺氟处理，形成所述掺氟层(22)；

S33：在所述掺氟层(22)外侧沉积所述缓冲层(23)，得到所述纤芯(2)；

S34：将所述纤芯(2)穿设于所述芯孔内。

10.根据权利要求8所述的多芯传能光纤的制备方法，其特征在于，步骤S4包括：

S41：对所述内包层(1)进行熔缩延伸处理；

S42：对所述内包层(1)进行精密拉丝处理，并在所述内包层(1)外周制备所述涂覆层(3)。

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