專利名稱：：新型紫外傳輸光纖及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及工業(yè)應(yīng)用、光纖傳感和醫(yī)療領(lǐng)域中的一種傳輸光纖及其制備方法，具體說是一種新型紫外光傳輸光纖及其制備方法。該光纖可使用在600nm以下窗口，在紫外波長窗口具有較低的衰減，在使用的過程中能夠保持其穩(wěn)定的傳輸特性。該光纖在工業(yè)應(yīng)用、光纖傳感、光纖醫(yī)療領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：紫外激光具有波長短、能量高、無熱效應(yīng)、與物質(zhì)相互作用直接斷鍵等特點。用光纖傳輸紫外激光，可以將紫外激光引入到遠(yuǎn)距離的復(fù)雜工作目標(biāo)上，大大擴(kuò)展紫外激光的應(yīng)用范圍。例如，借助于紫外光纖，可以進(jìn)行紫外線淬火樹脂固化、機(jī)械微加工和制造、醫(yī)學(xué)治療、光柵制造、紫外光探測、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的工作。當(dāng)一個光纖被用來傳輸紫外光時，在許多場合要求其具有傳輸短波長、高能量的特性，但是波長短、高能量的紫外光在石英玻璃中產(chǎn)生了色心缺陷使其發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化，這將阻止紫外光的傳輸，并增加了損耗，大大地降低了光纖在紫外光的傳輸性能。當(dāng)一個標(biāo)準(zhǔn)的高OH紫外石英光纖，用一個未濾波的気燈連續(xù)照射24小時后，它的傳輸性能將下降約50%。紫外光的波長越短，功率越高，那么這種降低紫外光傳輸性能的問題就越突出，這可稱為光纖紫外抑制效應(yīng)。所以，當(dāng)一個準(zhǔn)分子激光器被用來作為光源時，石英光纖的傳輸性能就要發(fā)生異變，特別是KrF準(zhǔn)分子激光器(波長248nm)，&準(zhǔn)分子激光器(波長157mn)和ArF準(zhǔn)分子激光器(波長193nm)等作為光源時更為明顯。對紫外傳輸光纖的制造，國際上有過很多相關(guān)專利的報道美國專利US6588236里面介紹了一種增強(qiáng)光纖紫外傳輸性能的方法，使用紫外光照射光纖端面，同時使用加熱裝置對光纖進(jìn)行加熱。這種方法是在光纖拉制之后對光纖進(jìn)行處理，使用紫外光在光纖的端面照射，由于紫外光在光纖中的傳輸效率并不高，所以這種方法只能處理較短的光纖，并且由于加熱，會引起光纖的微裂紋的擴(kuò)大，降低光纖的強(qiáng)度，減少使用壽命。在日本專利Hei4-342427和Hei4-342436中，采用在石英玻璃光纖芯中增加氫氧根含量(大于500ppm)的方法。但是這種方法，當(dāng)氫氧根的含量增高時，紫外線吸收邊緣的波長會加長，結(jié)果短波長(特別是真空紫外區(qū)域)的紫外光不能在光纖中傳輸。另外，并不是氫氧根越高效果越好，它的改進(jìn)能力是有限的，當(dāng)氫氧根含量濃度高出一定值(如2000ppm)時，光纖的損耗也會加大。美國專利US6622527中使用高羥基的原料來生產(chǎn)紫外傳輸光纖預(yù)制棒，是用原材料的組分上對光纖的性能進(jìn)行優(yōu)化。但沒有從光纖的折射率剖面設(shè)計上對光纖的性能進(jìn)行優(yōu)化。也有方法在紫外光纖中進(jìn)行載氫處理，這樣也會改進(jìn)短波長、高能量紫外光在光纖中的傳輸性能，然而，載氫需要10"cm，農(nóng)度的氫氣，并且要在高壓容器中幾個星期才能完成，它不僅投資大、時間長，而且由于溫度等環(huán)境的變化會使一部份載氫逸出光纖，仍會降低它的傳輸性能。中國專利CN1455274A中也有報道，對光纖預(yù)制棒進(jìn)行處理，從而優(yōu)化拉制出的光纖的紫外傳輸性能。但此專利中沒有對處理后的效果進(jìn)行描述，也就無法得知專利的可行性了。在以上專利中對光纖的折射率剖面進(jìn)行優(yōu)化的沒有提及，一般都是對拉制出來的光纖進(jìn)行后續(xù)的處理，使得被處理的那部分光纖的紫外傳輸性能得到改善。然而光纖在紫外波段傳輸?shù)姆€(wěn)定性在光纖的應(yīng)用中同樣重要，光纖在紫外波段的傳輸穩(wěn)定性與光纖中的缺陷含量有著直接的關(guān)系，而上述專利中都未提及如何通過光纖參量的控制來達(dá)到減少光纖中缺陷含量的要求。紫外光纖的制造一般都是對光纖的成分進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)光纖在紫外波段的傳輸效率和傳輸穩(wěn)定性。一般采用的光纖設(shè)計是采用的包層純硅設(shè)計，芯層摻雜增加其折射率來達(dá)到芯層導(dǎo)光的效果。如圖l所示，在包層103和芯層101的界面102采用的是階躍結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用這樣的設(shè)計，芯層摻雜將會增加芯層的缺陷含量，增加光纖紫外波段的吸收。另一方面由于光纖設(shè)計和制造工藝過程中產(chǎn)生的缺陷，將導(dǎo)致光纖紫外波段的傳輸性能的下降。普通階躍型光纖設(shè)計，在包層和芯層的界面上采用跳躍過渡，形成垂直的界面。這樣的界面在拉絲的過程中由于界面兩側(cè)的材料性能差別很大，拉絲過程中容易斷鍵而形成缺陷，會降低光纖的紫外傳輸性能。因此發(fā)明一種性能優(yōu)良的紫外傳輸光纖及制造方法一直是亟待解決的技術(shù)難題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的就是針對現(xiàn)有紫外傳輸光纖的不足，提供一種新型紫外傳輸光纖，該光纖可使用在600nm以下窗口，在紫外波長窗口具有較低的衰減，且在使用的過程中能保持穩(wěn)定的傳輸特性。本發(fā)明不同于現(xiàn)有技術(shù)的方法是從光纖的折射率剖面設(shè)計入手，從光纖的設(shè)計、光纖的制造這些源頭上來對光纖的紫外傳輸性能進(jìn)行優(yōu)化，提升光纖本征的性能，這將極大地降低后續(xù)處理的成本和時間，并且對光纖的其他性能如機(jī)械穩(wěn)定性、環(huán)境穩(wěn)定性等都不會由于熱處理和紫外光處理而帶來不良的影響。對紫外傳輸?shù)墓饫w來說，最重要的參數(shù)有如下幾個1、光纖的紫外光透過率紫外光透過率是指從光纖的一端入射紫外光，入射端有一個功率值P。，從光纖的另一端會出射紫外光，出射端有一個功率值則透過率為T二P,/P。(1);2、光纖的紫外傳輸穩(wěn)定性指的是一段光纖傳輸紫外光，當(dāng)入射端紫外光功率一定的情況下，在使用期內(nèi)出射端紫外光的出光功率的變化值，計算公式為S="謹(jǐn)—、(2);顯大憤3、光纖的拉絲吸收峰:630nm對應(yīng)著非橋氧空心缺陷(Si-O，0-Si)和Si-E'心缺陷(SiO的吸收峰，而此類缺陷主要是在光纖拉絲過程中產(chǎn)生的，也是光纖的主要缺陷。通過測量630nm的衰減值的大小可以判斷光纖中缺陷的含量，從而可以判斷光纖的紫外光傳輸性能的優(yōu)劣及使用過程中的穩(wěn)定性。光纖在紫外波段的衰減的來源是一是光纖纖芯中有摻雜，會產(chǎn)生Ge—O缺陷和色心缺陷，這兩種缺陷的吸收峰在紫外區(qū)，二是由于光纖在拉絲過程中，拉絲張力引起的應(yīng)力導(dǎo)致的斷鍵，這些斷鍵會引起光纖在紫外波段的衰減增大，傳輸穩(wěn)定性下降。第一個因素可以通過優(yōu)化光纖芯層的材料設(shè)計來減少，第二個因素通過改變光纖的折射率剖面并優(yōu)化拉絲條件來進(jìn)行控制。兩個因素的共同控制可以使得光纖在紫外波段的傳輸性能得到很好的提升。為了從光纖的折射率剖面的設(shè)計上對光纖在紫外波段的傳輸效率和傳輸穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化，本發(fā)明采用了純硅石英的光纖芯層結(jié)構(gòu)設(shè)計，摻氟石英內(nèi)包層，純硅石英外包層，并且在內(nèi)/外包層和內(nèi)包層/芯層這兩個界面上采用了梯度變化的設(shè)計。純硅石英光纖芯層產(chǎn)生的缺陷較少，能夠減少紫外波段的吸收，同時在界面上的梯度設(shè)計能夠?qū)⒗z的時候產(chǎn)生的應(yīng)力分散在內(nèi)包層之中，減少芯層產(chǎn)生缺陷的數(shù)量，也可以起到增加紫外傳輸性能的效果。采用這種光纖折射率剖面的設(shè)計，在拉絲的過程中對工藝進(jìn)行精確的控制，可以得到紫外波段傳輸性能優(yōu)良的新型光纖。同時本發(fā)明還提供一種衡量光纖的紫外波段傳輸穩(wěn)定性的參考方法由于光纖紫外波段的傳輸穩(wěn)定性取決于光纖中的缺陷含量，而這種缺陷將導(dǎo)致光纖在630nm波長的衰減值增加，從而可以利用測試630nm波長的光纖的衰減值來對光纖的紫外波段傳輸穩(wěn)定性進(jìn)行評估。經(jīng)過以上的分析和研究，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案光纖的剖面結(jié)構(gòu)包括純硅石英的光纖芯層，摻氟石英下陷內(nèi)包層，純硅石英外包層，在下陷內(nèi)包層和純石英芯層、下陷內(nèi)包層和外包層這兩個過渡層界面采用了梯度變化的折射率設(shè)計結(jié)構(gòu)。折射率剖面設(shè)計如圖2所示，光纖的芯層201采用純石英材料，芯層的直徑范圍是25拜一65,;下陷內(nèi)包層203的厚度范圍是5jLim—25)im，光纖下陷內(nèi)包層的折射率相對于光纖芯層折射率的減小值^為-0.6%—-1.5%，芯層和下陷內(nèi)包層所構(gòu)成的數(shù)值孔徑(NA)值為0.15-0.25;第一過渡層202的厚度范圍是2pm—20pm;第二過渡層204的厚度范圍是2nm—20jnm。本發(fā)明的制備方法是根據(jù)上述折射率剖面設(shè)計來進(jìn)行光纖的制造工藝的設(shè)定，光纖的下陷內(nèi)包層相對于光纖芯層的折射率差值A(chǔ)為-0.6%—-1.5%;首先沉積外包層、內(nèi)包層，然后沉積芯層，在沉積下陷內(nèi)包層的過程中摻入氟；將沉積后的襯管進(jìn)行融縮；得到預(yù)制棒，預(yù)制棒拉絲得到光纖。本發(fā)明采用純硅石英芯設(shè)計，可以降低芯層慘雜所引起的缺陷，從而降低光纖在紫外波段的衰減。在每層分界的界面上采用了梯度折射率設(shè)計，可以降低光纖在拉絲過程中產(chǎn)生缺陷的數(shù)量，同樣減少光纖芯層的缺陷，降低光纖在紫外波段的衰減。光纖各層的材料組成如表1所示<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本發(fā)明的紫外傳輸光纖，光纖的芯層采用的是純石英材料，不含任何摻雜物質(zhì)，而環(huán)繞著芯層的是一層摻氟元素的較低折射率的下陷包層，在純石英芯層和摻氟下陷包層之間的轉(zhuǎn)變界面為梯度變化的結(jié)構(gòu)設(shè)計；下陷摻雜包層的外面又是一層純石英外包層，為光纖提供保護(hù)，同樣的在下陷摻雜包層和純石英外包層之間的轉(zhuǎn)變界面為梯度變化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。摻氟下陷內(nèi)包層和純石英芯層的折射率相對差值為-0.6%—-1.5%，摻氟下陷內(nèi)包層的厚度控制范圍是5|im—25|nm。由于本發(fā)明采取的純石英芯層的設(shè)計，并且在內(nèi)包層和外包層這兩個過渡界面上都采用了梯度折射率變化的設(shè)計，在拉絲的過程中對光纖的拉絲參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，將會使得光纖在紫外波段的傳輸特性和傳輸穩(wěn)定性得到很大的提高，為光纖在紫外波段的廣泛應(yīng)用提供了很好的保證。按照上述技術(shù)方案，本發(fā)明的光纖具有如下優(yōu)點1、采用純石英芯層的光纖設(shè)計，使得光纖在紫外波段的傳輸性能得到很大的提高，光纖的紫外光透過率可以達(dá)到95%以上；2、在純石英芯層外設(shè)計了下陷折射率的內(nèi)包層，其中摻入了大量的氟元素，保證了此下陷內(nèi)包層相對純石英芯層的折射率差值很大，為光纖提供了較高的數(shù)值孔徑，并且控制下陷內(nèi)包層的厚度，為光纖的傳輸性能提供了保證；3、在下陷內(nèi)包層和純石英芯層、內(nèi)包層和外包層這兩個過渡層界面采用了梯度變化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少了芯層所受到的拉絲過程中的張力引起的應(yīng)力的影響，減少了芯層產(chǎn)生缺陷的可能性，優(yōu)化了光纖的紫外傳輸性能和傳輸穩(wěn)定性，使得光纖的長期傳輸穩(wěn)定性在90%以上；4、通過折射率剖面的優(yōu)化，并且控制芯棒的沉積和熔縮工藝，控制光纖的拉絲工藝來達(dá)到減少光纖缺陷的作用，將光纖在630nm的衰減值降到了20dB/km以下。本發(fā)明的一個顯著特點在于其具有很高的紫外傳輸性能和紫外傳輸穩(wěn)定性，使得這種光纖能夠成為紫外波段應(yīng)用的穩(wěn)定的傳輸界質(zhì)。圖l:普通階躍光纖剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計圖圖2:本發(fā)明所采用的光纖剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計圖圖3:拉絲得到的光纖剖面測試圖具體實施例方式以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述實施例l:(下陷內(nèi)包層^=-1.0%，厚度為12um)在本實施例中，采用圖2所示的純石英芯層、摻雜下陷內(nèi)包層的折射率剖面來進(jìn)行光纖的PCVD工藝的設(shè)定，光纖的下陷內(nèi)包層的折射率差值為_1.0%。首先沉積外包層、內(nèi)包層，然后沉積芯層，在沉積下陷內(nèi)包層的過程中摻入氟；將沉積后的襯管進(jìn)行融縮，得到預(yù)制棒，將預(yù)制棒拉絲得到光纖。其中內(nèi)包層的折射率變化值為_1.0%，光纖芯層相對于下陷內(nèi)包層的NA值為0.22，下陷內(nèi)包層的厚度為12um。制得光纖，光纖的芯層直徑為40um，圖3是光纖拉絲后折射率剖面測試的結(jié)果，實現(xiàn)了光纖預(yù)制棒設(shè)計所預(yù)期的結(jié)構(gòu)。對這種光纖進(jìn)行了405nm波長激光傳輸性能的測試，對光纖的傳輸效率、傳輸穩(wěn)定性都進(jìn)行了測試。使用光纖衰減測試設(shè)備進(jìn)行光纖衰減譜的測試，測試波長范圍是600nm-1600nm。其中630nm的衰減值見表3。根據(jù)圖2所示的描述波導(dǎo)的折射率分布曲線，按照表1的材料組成實現(xiàn)如下表2所示的實施例2-8，各實施例所制得的光纖數(shù)據(jù)如表3所示<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權(quán)利要求1、一種新型紫外光傳輸光纖，它的光纖剖面結(jié)構(gòu)包括純硅石英的光纖芯層，摻氟石英下陷內(nèi)包層，純硅石英外包層，在下陷內(nèi)包層和純石英芯層、下陷內(nèi)包層和外包層這兩個過渡層界面采用了梯度變化的折射率設(shè)計結(jié)構(gòu)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型紫外光傳輸光纖，其中光纖芯層的直徑范圍是25|um—65pm。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型紫外光傳輸光纖，其中光纖下陷內(nèi)包層的折射率相對于光纖芯層折射率的減小值A(chǔ)為-0.6^—-1.5%，芯層和下陷內(nèi)包層所構(gòu)成的數(shù)值孔徑(NA)值為0.15-0.25，下陷內(nèi)包層的厚度范圍是5pm—25)nm。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型紫外光傳輸光纖，其中下陷內(nèi)包層和純石英芯層之間的過渡層的厚度范圍是2pm—20pm。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型紫外光傳輸光纖，其中下陷內(nèi)包層和外包層之間的過渡層的厚度范圍是2jam—20nm。6、一種新型紫外光傳輸光纖的制備方法，其光纖剖面結(jié)構(gòu)包括純硅石英的光纖芯層，摻氟石英下陷內(nèi)包層，純硅石英外包層，在下陷內(nèi)包層和純石英芯層、下陷內(nèi)包層和外包層這兩個過渡層界面采用了梯度變化的折射率設(shè)計結(jié)構(gòu)，根據(jù)上述折射率剖面來進(jìn)行光纖的制造工藝的設(shè)定，光纖的下陷內(nèi)包層的折射率差值為-0.6%—-1.5%;首先沉積外包層、內(nèi)包層，然后沉積芯層；將沉積后的襯管進(jìn)行融縮，得到預(yù)制棒，預(yù)制棒拉絲得到光纖。全文摘要本發(fā)明涉及一種新型紫外光傳輸光纖及其制備方法。它的光纖剖面結(jié)構(gòu)包括純硅石英的光纖芯層，摻氟石英下陷內(nèi)包層，純硅石英外包層，在下陷內(nèi)包層和純石英芯層、下陷內(nèi)包層和外包層這兩個過渡層界面采用了梯度變化的折射率設(shè)計結(jié)構(gòu)。該光纖可使用在600nm以下窗口，在紫外波長窗口具有較低的衰減，在使用的過程中能夠保持其穩(wěn)定的傳輸特性。它在工業(yè)應(yīng)用、光纖傳感、光纖醫(yī)療領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。文檔編號C03B37/018GK101414028SQ20081019709公開日2009年4月22日申請日期2008年9月27日優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日發(fā)明者晨楊,峰涂,濤鄧申請人:長飛光纖光纜有限公司