一种单晶光纤生长方法和系统与流程

本发明涉及光纤生长，特别涉及一种单晶光纤生长方法和系统。

背景技术：

1、单晶光纤是由单晶材料制成的一种性能优异的光学纤维，它不仅具有单晶材料的化学特性和物理特性，而且具有光纤的特点，如抗电磁干扰、传光性好、体积小、重量轻等。近年来，随着光纤传感技术和光纤激光技术的快速发展以及单晶光纤的制备技术的不断改进，不同基质的单晶光纤在其生长和应用两个方面都得到了业内研究者越来越多的关注。

2、激光加热基座法（lhpg）是制备单晶光纤的常用方法， lhpg法使用激光作为热源，通过环形聚焦co2激光束照射在原料棒（料棒）的顶端，产生一个熔区，籽晶与熔区接触后，通过控制提拉速度和激光功率，使熔区沿着籽晶的晶轴方向生长出单晶光纤。通过lhpg法可制备百微米级（φ100um-φ1um）甚至更小直径的光纤晶体。在生长单晶光纤时，料棒一般选择比生长光纤直径大2倍左右的圆形料棒，若所需生长的光纤直径无对应的料棒，需利用大直径料棒逐级生长出所需料棒，再进行单晶光纤的生长。因此在生长小直径（微米级）的单晶光纤时，需要先使用现有大直径料棒生长出1级料棒，再使用1级料棒生长出2级料棒，反复此步骤，直至所生长的料棒满足小直径单晶光纤的生长条件，最后进行小直径单晶光纤的生长。这个过程较为漫长和复杂，每一级生长前都需要进行光路调节、籽晶和料棒调中等操作，尤其针对直径小于100um的单晶光纤制备变得困难，制约了相关技术的发展。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种单晶光纤生长方法，解决现有方法制备小尺寸单晶光纤制备过程复杂，操作时间长的问题。

2、进一步提供了实现上述单晶光纤生长方法的单晶光纤生长系统。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：

4、一种单晶光纤生长方法，采用上下设置的多级加热系统逐级加热生长，生长时，初始料棒上端在最下一级加热系统熔料区时经高温熔化，同时从上往下通过籽晶杆将籽晶投入熔区并与料棒上端熔化部分接触，通过籽晶提拉实现引晶生长得到直径变细的料棒，将直径变细的料棒往上提拉并进入相邻的上一级加热系统；

5、直径变细的料棒往上进入所述相邻的上一级加热系统熔料区时经高温熔化，通过提拉再次由所述籽晶引晶生长得到直径进一步变细的料棒，将生长出的直径进一步变细的料棒往上提拉并进入相邻的再上一级加热系统；通过加热系统和籽晶逐级引晶提拉生长，使料棒逐级变细，直至生长到需要的尺寸；

6、上一级加热系统加热生长时，下一级加热系统停止加热；生长时，通过馈送装置将每级生长的料棒往上馈送，以维持生长所需的料源；

7、每级料棒生长的长度根据最终需要得到的单晶光纤长度逐级反推得到。

8、进一步，部分级加热系统高度可调，通过调节对应级加热系统的高度，以改变该级加热系统与与之相邻的加热系统的竖向间隔距离，实现两级之间光纤生长长度的控制。

9、一种单晶光纤生长系统，包括籽晶提拉机构、馈送装置和竖直设置的多级加热系统，每级加热系统具有进料孔和出料孔，进料孔用于待生长的原料棒进入所在级加热系统；出料孔用于提拉操作并使生长出直径变细的料棒提拉出所在级加热系统；所有的进料孔和出料孔位于同一竖直线上；上一级加热系统用于对下一级加热系统生长出的直径变细的料棒进行再次引晶生长，从而接力生长得到直径更细的料棒；籽晶提拉机构位于最上一级加热系统上方，并可通过出料孔和进料孔进入每级加热系统的熔料区，以为每级加热系统提供提拉生长所需的籽晶和提拉操作；所述馈送装置位于最下一级加热系统的下方，并可穿过进料孔和出料孔向上伸展，将每级料棒往上馈送，以维持生长所需的料源。

10、进一步，每级加热系统均为激光加热系统；激光加热系统包括激光器、折轴镜和聚焦镜，激光器发出的激光光源水平照射到折轴镜上，经折轴镜反射后竖直向上照射到聚焦镜上，通过聚焦镜将光源聚焦到焦点处，该焦点即构成所在加热系统的熔料区；所有焦点位于所述同一竖直线上。

11、进一步，每级加热系统的进料孔设在对应的折轴镜上，出料孔设在对应的聚焦镜上。

12、进一步，所有折轴镜和聚焦镜均安装在各自的xyz位移平台上。

13、进一步，相邻两级加热系统之间以及最上一级加热系统上方设有送料扶持装置，以对生长出来的料棒进行导向扶持防止弯曲和变形，所有送料扶持装置位于所述同一竖直线上。

14、进一步，所述送料扶持装置包括两位于同一高度间隔设置的滚轮，生长出的光纤伸入两滚轮间隙中，并被两滚轮带动向上传动。

15、进一步，所有折轴镜、聚焦镜和送料扶持装置设置在一个共同的密封腔体内，便于对各器件进行防尘密封。

16、进一步，所述馈送装置和籽晶提拉机构外侧均套设有真空波纹管。

17、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

18、本发明单晶光纤生长方法，采用竖直设置的多级激光加热系统，可以一步实现单晶光纤多次缩径的越级生长，在制备小尺寸单晶光纤时，无需在每一级光纤生长前都进行光路调节、籽晶和光纤调中等操作，在制备之前仅需进行一次调节，即可制备出所需单晶光纤，生长结束后无需退火，制备过程简单，操作时间短，解决了单晶光纤难以越级生长的技术难点，实现了使用大直径光纤进行小直径单晶光纤的一次性生长，大大提高了直径小于100 um的单晶光纤制备效率，且保证了单晶光纤的生长质量，具有良好的经济效益。

技术特征：

1.一种单晶光纤生长方法，其特征在于，采用上下设置的多级加热系统逐级加热生长，生长时，初始料棒上端在最下一级加热系统熔料区时经高温熔化，同时从上往下通过籽晶杆将籽晶投入熔区并与料棒上端熔化部分接触，通过籽晶提拉实现引晶生长得到直径变细的料棒，将直径变细的料棒往上提拉并进入相邻的上一级加热系统；

2.根据权利要求1所述的一种单晶光纤生长方法，其特征在于，部分级加热系统高度可调，通过调节对应级加热系统的高度，以改变该级加热系统与与之相邻的加热系统的竖向间隔距离，实现两级之间光纤生长长度的控制。

3.一种单晶光纤生长系统，其特征在于，包括籽晶提拉机构、馈送装置和竖直设置的多级加热系统，每级加热系统具有进料孔和出料孔，进料孔用于待生长的原料棒进入所在级加热系统；出料孔用于提拉操作并使生长出直径变细的料棒提拉出所在级加热系统；所有的进料孔和出料孔位于同一竖直线上；上一级加热系统用于对下一级加热系统生长出的直径变细的料棒进行再次引晶生长，从而接力生长得到直径更细的料棒；籽晶提拉机构位于最上一级加热系统上方，并可通过出料孔和进料孔进入每级加热系统的熔料区，以为每级加热系统提供提拉生长所需的籽晶和提拉操作；所述馈送装置位于最下一级加热系统的下方，并可穿过进料孔和出料孔向上伸展，将每级料棒往上馈送，以维持生长所需的料源。

4.根据权利要求3所述的一种单晶光纤生长系统，其特征在于，每级加热系统均为激光加热系统；激光加热系统包括激光器、折轴镜和聚焦镜，激光器发出的激光光源水平照射到折轴镜上，经折轴镜反射后竖直向上照射到聚焦镜上，通过聚焦镜将光源聚焦到焦点处，该焦点即构成所在加热系统的熔料区；所有焦点位于所述同一竖直线上。

5.根据权利要求4所述的一种单晶光纤生长系统，其特征在于，每级加热系统的进料孔设在对应的折轴镜上，出料孔设在对应的聚焦镜上。

6.根据权利要求4所述的一种单晶光纤生长系统，其特征在于，所有折轴镜和聚焦镜均安装在各自的xyz位移平台上。

7.根据权利要求3所述的一种单晶光纤生长系统，其特征在于，相邻两级加热系统之间以及最上一级加热系统上方设有送料扶持装置，以对生长出来的料棒进行导向扶持防止弯曲和变形，所有送料扶持装置位于所述同一竖直线上。

8.根据权利要求7所述的一种单晶光纤生长系统，其特征在于，所述送料扶持装置包括两位于同一高度间隔设置的滚轮，生长出的光纤伸入两滚轮间隙中，并被两滚轮带动向上传动。

9.根据权利要求7所述的一种单晶光纤生长系统，其特征在于，所有折轴镜、聚焦镜和送料扶持装置设置在一个共同的密封腔体内，便于对各器件进行防尘密封。

10.根据权利要求3所述的一种单晶光纤生长系统，其特征在于，所述馈送装置和籽晶提拉机构外侧均套设有真空波纹管。

技术总结
本发明公开了一种单晶光纤生长方法和系统，所述单晶光纤生长方法采用竖直设置的多级激光加热系统，一步实现了单晶光纤多次缩径的越级生长。采用本发明光纤生长方法，在制备小尺寸单晶光纤时，无需在每一级光纤生长前都进行光路调节、籽晶和光纤调中等操作，在制备之前仅需进行一次调节，即可制备出所需单晶光纤，生长结束后无需退火，制备过程简单，操作时间短，解决了单晶光纤难以越级生长的技术难点，实现了使用大直径光纤进行小直径单晶光纤的一次性生长，大大提高了直径小于100 um的单晶光纤制备效率，且保证了单晶光纤的生长质量，具有良好的经济效益。

技术研发人员：刘荣荣,李金,吴昊,彭敏,李海林,陈艺,武欢
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十六研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23