淺析涂敷層對雙包層摻稀土有源光纖的影響

韓志輝

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

淺析涂敷層對雙包層摻稀土有源光纖的影響

韓志輝

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

近年來，國內(nèi)光纖激光器飛速發(fā)展，在軍事和工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛應用，但是主要元器件均為進口，尤其是光纖激光器的核心原材料——雙包層摻稀土有源光纖的發(fā)展速度嚴重落后于光纖激光器。除了預制棒本身存在的若干問題，涂覆層的諸多問題也嚴重制約著雙包層摻稀土有源光纖的發(fā)展。為提高涂覆層質(zhì)量，研究了光纖冷卻過程與涂料的剪切力對有源光纖涂覆層均勻性的影響，給出了控制裸光纖進入涂杯溫度的有效方法，并提出了減小涂料剪切力的工藝改進措施。通過分析涂覆層對有源光纖的影響，提出解決涂覆層缺陷的理論依據(jù)，為后續(xù)工作提供一些參考。

有源光纖 涂料剪切力 涂覆層均勻性

近年來，國內(nèi)光纖激光器飛速發(fā)展，在軍事和工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛應用，但主要元器件均為進口，尤其是光纖激光器的核心原材料——雙包層摻稀土有源光纖，其發(fā)展速度嚴重落后于光纖激光器。除了預制棒本身存在的若干問題，涂覆層的諸多問題也嚴重制約著雙包層摻稀土有源光纖的發(fā)展。本文就涂覆層質(zhì)量對有源光纖的影響以及如何解決涂覆過程均勻性的問題進行了探討。

1 涂覆層質(zhì)量對有源光纖的影響分析

摻稀土有源光纖的內(nèi)涂覆層的折射率較低，固化后的折射率為 1.385左右，摻稀土有源光纖的純石英包層部分折射率為 1.457，在兩部分的界面構(gòu)成了全反射的充分條件，形成光纖波導結(jié)構(gòu)，所以內(nèi)涂覆層與光纖包層石英部分的界面對有源光纖的性能起著關(guān)鍵作用；如果界面存在缺陷，會嚴重影響有源光纖的性能，如內(nèi)層涂覆質(zhì)量差、不均勻，造成界面差，從而影響反射效率，造成傳輸功率下降或光纖的最終失效。

雙包層摻稀土有源光纖的轉(zhuǎn)化效率、機械強度的保持以及對環(huán)境溫度的適應性，都與光纖表面附著的高聚物涂層有著密切的聯(lián)系。涂覆層對摻稀土有源光纖性能的影響是決定性的，所以在拉絲過程中，提高涂覆層質(zhì)量對有源光纖的光學性能及環(huán)境適應性十分重要。

2 解決涂覆過程中涂覆均勻性問題

2.1 光纖冷卻問題對涂覆層均勻性的影響

為了保持光纖的機械強度，要求光纖出加熱爐后立刻施加聚合物涂覆。聚合物與玻璃材料是否浸潤(即以較完美的狀態(tài)結(jié)合)取決于涂覆材料與玻璃的接觸角(接觸角越小潤濕性越好)。接觸角是液體材料在氣、固、液三相平衡狀態(tài)下形成的，主要由玻纖表面的溫度決定。一般來說，涂覆聚合物要求光纖溫度在 30～50,℃之間(取決于涂料本身的特性)。由于光纖從高溫加熱爐導出，且本身較粗、自身熱容量增大，熱量不容易釋放，使得光纖的玻纖溫度過高，涂覆質(zhì)量會比較差。根據(jù)U. C. Peak和Schroe-der的研究，拉絲時，導出光纖的冷卻速度關(guān)系式為：

式中：h——傳熱系數(shù)，cP——比熱，ρ——密度，κ——熱擴散系數(shù)，d——纖徑，T0——室，Vf——拉速。

由邊界條件及簡化條件可導出最終的表達式：

式中：Z——涂杯距爐底的距離，Ts——光纖出爐溫度，TC——涂敷溫度，T0——室溫；h＝7.2×10-3。

由此可得簡單的關(guān)系式：

由于光線主要材質(zhì)為純石英(特性見表 1)，通過對上述公式中各變量的控制，經(jīng)過計算，需要將裸光纖的溫度在進入涂杯前降到室溫，使同樣高度的光纖具有溫度重復性，確保在拉絲速度出現(xiàn)波動時不影響裸光纖進入涂杯時的溫度，從而影響涂料的粘度與涂覆層的質(zhì)量。

表1 石英材料特性Tab.1 Quartz material properties

2.2 剪切力對涂覆穩(wěn)定性的影響

雙包層摻稀土有源光纖在拉絲過程中，涂料會產(chǎn)生切應力τ，即液體在流動時，由于液體分子間的固著力(包括吸引力和分子鏈糾纏在一起后使其脫開所需的力)有將速度不同的相鄰質(zhì)點結(jié)為一體的趨勢，當質(zhì)點間顯示相對運動時，固著力就會充當使快部分減速和慢部分加速的快慢界面上的切應力。液體間的切應力主要來自分子間的固著力，即涂覆過程中的切應力也主要來自分子間的固著力，而分子間的固著力取決于涂覆材料的粘度，涂覆材料的溫度又決定著涂覆材料的粘度。

液體薄層即涂覆層由于粘性作用導致其速度有差別，速度梯度又稱為剪切率γ?。切應力τ與剪切率γ?之間的關(guān)系稱為本構(gòu)方程：

式中：η——液體的粘度系數(shù)。

拉制雙包層摻稀土有源光纖時，由于拉絲模具的直線定徑段很短，光纖在模具的相對通過速度較快，由此切應力和剪切率都很大。切應力可分解為垂直于光纖軸向的分量，對光纖有很大的剪力，嚴重時可將光纖剪斷。大的剪切率可使涂料的粘度發(fā)生很大的改變(實際情況為涂料在受到剪切后粘度變低)，使涂層變得不穩(wěn)定。臨界的涂覆速度即由此原則給出。理論上，為使涂覆層穩(wěn)定可控，拉絲時都要采用升高涂料溫度使其粘度減小的方法。

拉絲模具的流體學設計也是很關(guān)鍵的一環(huán)。美國西電公司的 M．C．Peak推導出，光纖在通過拉絲模具時的拉拔力如下：

式中：a——纖半徑，μ——粘度，L——模具長度，Vf——拉速，R1——模具入口直徑，R2——模具出口直徑。

試驗表明：速度在3,m/s內(nèi)，張力線性增加，大于3,m/s后張力逐漸減小。這是由于摩擦產(chǎn)生熱量從而導致涂料粘度發(fā)生變化(粘度取決于溫度)。此時，涂杯內(nèi)的溫度分布并不均勻，由入口至出口逐漸升高?！?/p>

［1］ 張海濤. 光纖的涂覆異?？刂芠C]. 光纜電纜學術(shù)年會論文集，2011.

［2］ 錢新偉，劉德明，王瑞春. 涂覆模具設計對光纖涂層同心度的影響[J]. 激光與光電子學進展，2010(1)：56-59.

［3］ 楊鵬. 提高光纖強度的方法[J]. 光纖與電纜及其應用技術(shù)，2006(4)：33-35.

［4］ 潘豐. 光纖涂覆技術(shù)和質(zhì)量控制分析[C]. 光纜電纜學術(shù)年會論文集，2011.

Influence of Coating Layer on Double Cladding Rare Earth Doped Active Optical Fibers

HAN Zhihui
(The 46th Research Institute of China Electronic Technology Group Company，Tianjin 300220，China)

Coating layer problems are seriously restricting double cladding rare earth doped active optical fibers in their transmission power and thermal damage(aging)．To improve the quality of coating layer，the influences of the fiber’s cooling process and coating shear force on the coating uniformity of active optical fiber were studied．An effective method of controlling the temperature of the fiber while entering into the coating cup and improvement measures of shear force reduction for the coating were presented．Through an analysis of the influences，a theoretical foundation of resolving the coating defect was obtained，which will offer reference for following processes.

active optical fiber；coating shear force；coating uniformity

TN253

A

1006-8945(2016)02-0037-02

2016-01-12