浅析涂敷层对双包层掺稀土有源光纤的影响

韩志辉

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

浅析涂敷层对双包层掺稀土有源光纤的影响

韩志辉

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

近年来，国内光纤激光器飞速发展，在军事和工业领域都有着广泛应用，但是主要元器件均为进口，尤其是光纤激光器的核心原材料——双包层掺稀土有源光纤的发展速度严重落后于光纤激光器。除了预制棒本身存在的若干问题，涂覆层的诸多问题也严重制约着双包层掺稀土有源光纤的发展。为提高涂覆层质量，研究了光纤冷却过程与涂料的剪切力对有源光纤涂覆层均匀性的影响，给出了控制裸光纤进入涂杯温度的有效方法，并提出了减小涂料剪切力的工艺改进措施。通过分析涂覆层对有源光纤的影响，提出解决涂覆层缺陷的理论依据，为后续工作提供一些参考。

有源光纤 涂料剪切力 涂覆层均匀性

近年来，国内光纤激光器飞速发展，在军事和工业领域都有着广泛应用，但主要元器件均为进口，尤其是光纤激光器的核心原材料——双包层掺稀土有源光纤，其发展速度严重落后于光纤激光器。除了预制棒本身存在的若干问题，涂覆层的诸多问题也严重制约着双包层掺稀土有源光纤的发展。本文就涂覆层质量对有源光纤的影响以及如何解决涂覆过程均匀性的问题进行了探讨。

1 涂覆层质量对有源光纤的影响分析

掺稀土有源光纤的内涂覆层的折射率较低，固化后的折射率为 1.385左右，掺稀土有源光纤的纯石英包层部分折射率为 1.457，在两部分的界面构成了全反射的充分条件，形成光纤波导结构，所以内涂覆层与光纤包层石英部分的界面对有源光纤的性能起着关键作用；如果界面存在缺陷，会严重影响有源光纤的性能，如内层涂覆质量差、不均匀，造成界面差，从而影响反射效率，造成传输功率下降或光纤的最终失效。

双包层掺稀土有源光纤的转化效率、机械强度的保持以及对环境温度的适应性，都与光纤表面附着的高聚物涂层有着密切的联系。涂覆层对掺稀土有源光纤性能的影响是决定性的，所以在拉丝过程中，提高涂覆层质量对有源光纤的光学性能及环境适应性十分重要。

2 解决涂覆过程中涂覆均匀性问题

2.1 光纤冷却问题对涂覆层均匀性的影响

为了保持光纤的机械强度，要求光纤出加热炉后立刻施加聚合物涂覆。聚合物与玻璃材料是否浸润(即以较完美的状态结合)取决于涂覆材料与玻璃的接触角(接触角越小润湿性越好)。接触角是液体材料在气、固、液三相平衡状态下形成的，主要由玻纤表面的温度决定。一般来说，涂覆聚合物要求光纤温度在 30～50,℃之间(取决于涂料本身的特性)。由于光纤从高温加热炉导出，且本身较粗、自身热容量增大，热量不容易释放，使得光纤的玻纤温度过高，涂覆质量会比较差。根据U. C. Peak和Schroe-der的研究，拉丝时，导出光纤的冷却速度关系式为：

式中：h——传热系数，cP——比热，ρ——密度，κ——热扩散系数，d——纤径，T0——室，Vf——拉速。

由边界条件及简化条件可导出最终的表达式：

式中：Z——涂杯距炉底的距离，Ts——光纤出炉温度，TC——涂敷温度，T0——室温；h＝7.2×10-3。

由此可得简单的关系式：

由于光线主要材质为纯石英(特性见表 1)，通过对上述公式中各变量的控制，经过计算，需要将裸光纤的温度在进入涂杯前降到室温，使同样高度的光纤具有温度重复性，确保在拉丝速度出现波动时不影响裸光纤进入涂杯时的温度，从而影响涂料的粘度与涂覆层的质量。

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

2.2 剪切力对涂覆稳定性的影响

双包层掺稀土有源光纤在拉丝过程中，涂料会产生切应力τ，即液体在流动时，由于液体分子间的固着力(包括吸引力和分子链纠缠在一起后使其脱开所需的力)有将速度不同的相邻质点结为一体的趋势，当质点间显示相对运动时，固着力就会充当使快部分减速和慢部分加速的快慢界面上的切应力。液体间的切应力主要来自分子间的固着力，即涂覆过程中的切应力也主要来自分子间的固着力，而分子间的固着力取决于涂覆材料的粘度，涂覆材料的温度又决定着涂覆材料的粘度。

液体薄层即涂覆层由于粘性作用导致其速度有差别，速度梯度又称为剪切率γ?。切应力τ与剪切率γ?之间的关系称为本构方程：

式中：η——液体的粘度系数。

拉制双包层掺稀土有源光纤时，由于拉丝模具的直线定径段很短，光纤在模具的相对通过速度较快，由此切应力和剪切率都很大。切应力可分解为垂直于光纤轴向的分量，对光纤有很大的剪力，严重时可将光纤剪断。大的剪切率可使涂料的粘度发生很大的改变(实际情况为涂料在受到剪切后粘度变低)，使涂层变得不稳定。临界的涂覆速度即由此原则给出。理论上，为使涂覆层稳定可控，拉丝时都要采用升高涂料温度使其粘度减小的方法。

拉丝模具的流体学设计也是很关键的一环。美国西电公司的 M．C．Peak推导出，光纤在通过拉丝模具时的拉拔力如下：

式中：a——纤半径，μ——粘度，L——模具长度，Vf——拉速，R1——模具入口直径，R2——模具出口直径。

试验表明：速度在3,m/s内，张力线性增加，大于3,m/s后张力逐渐减小。这是由于摩擦产生热量从而导致涂料粘度发生变化(粘度取决于温度)。此时，涂杯内的温度分布并不均匀，由入口至出口逐渐升高。■

［1］ 张海涛. 光纤的涂覆异常控制[C]. 光缆电缆学术年会论文集，2011.

［2］ 钱新伟，刘德明，王瑞春. 涂覆模具设计对光纤涂层同心度的影响[J]. 激光与光电子学进展，2010(1)：56-59.

［3］ 杨鹏. 提高光纤强度的方法[J]. 光纤与电缆及其应用技术，2006(4)：33-35.

［4］ 潘丰. 光纤涂覆技术和质量控制分析[C]. 光缆电缆学术年会论文集，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