二氧化碳激光熔融加热石英光纤工艺实验研究

李晓霞

（中国石油大学< 华东> 化学化工学院 山东 青岛 266580）

0 引言

熔锥型光纤器件由于具有低损耗、良好方向性、高稳定性、低成本、易于控制等优点，因此被经常使用[1]。现在全球可以大规模生产熔锥型光纤器件的企业超过数千家，几乎所有的企业都采用光纤熔融拉锥工艺来大规模制作熔锥型光纤器件。

光纤熔融拉锥技术是把剥去涂层并清洁后的光纤放入熔融加热区域，产生高温时将熔融状态的光纤进行拉伸，从而形成锥形的波导结构。在具体光纤熔融加热拉锥过程中，要对裸光纤的通光功率进行实时监控，通过控制拉锥过程中的各种参数来实现特定的分光比率，例如热源温度、位置、拉伸速度等因素等。加热时热源通常使用氢气或氢加氧[1]的气体热源，也有使用电加热[2]方法的应用实例。由于该方法得到的光纤通常为锥形，故称为熔融拉锥技术[3-4]。

国内的光纤熔融拉锥装置和系统现多采用气体火焰和电阻型加热器作为热源对光纤进行熔融拉锥。由于气体火焰和电阻型加热器极易受到周围环境的干扰，特别是气焰型熔融拉锥系统，由于气体火焰具有移动性会影响到熔锥型光纤器件形状的精确度。对于某些参数要求特别精细的熔锥型光纤器件，例如锐、缓锥度光纤，用现有的光纤熔融拉锥设备对熔锥区形状参数的精确控制比较困难[5]。

由于石英光纤材料对二氧化碳激光具有很强的吸收作用，利用二氧化碳激光器对光纤进行熔融加热处理是一种很好的方法。同时使用二氧化碳激光熔融拉锥系统对光纤进行处理时，细小的激光光斑使得加热区域微小，从而可以精确地控制熔融热量，经过加工后的熔锥型光纤器件光学性能佳、质量优。而且经过二氧化碳激光熔融拉锥处理后的熔锥型光纤器件强度不变，不容易被折断[6]。

使用二氧化碳激光熔融拉锥系统进行熔融拉锥避免了传统气体热源熔融加热的诸多缺点，二氧化碳激光束并不是直接接触光纤，所以并不会干扰光纤熔融拉伸过程中产生的锥体形变，对加工环境要求降低。同时也避免了可燃性气体与杂质极易发生反应的缺点，使得制成的熔锥型光纤器件各项光学性能指标十分优越。最重要的是光纤在二氧化碳激光熔融拉锥系统下进行熔融拉锥处理时存在自约束效应，光纤在同一激光功率下被拉到一定细度后便不发生变化，这是其他熔融拉锥方法所不具备的特性，因此十分适合于高精度控制熔锥型光纤的加工尺寸。本文围绕二氧化碳激光熔融加热光纤工艺实验展开相关研究。

1 二氧化碳激光产生原理

二氧化碳激光器的工作物质是CO2、N2和He 3 种气体，CO2分子的电子基态的两个振动能级之间发生跃迁，进而产生激光，见图1。其中，He 气体的作用是帮助抽空二氧化碳激光中的能级之间的能量，而N2气体则是提高二氧化碳激光中能级的激励效率。根据能级跃迁情况可知，分子的能量分为：分子的转动能量、原子的振动能量、核外电子绕核运动的动能、整个分子的平动动能，其中前3 种能量都是量子态的，三者能级之间能量差的比例大约为1 ∶100 ∶10000。

在二氧化碳激光器中，CO2分子被激发跃迁到0001 能级主要包括下列3 种方式。

（1）电子碰撞：基态CO2分子与电子直接发生碰撞导致发生跃迁。

（2）受激跃迁：基态CO2分子与电子直接发生碰撞导致发生跃迁到000n 级，也包括不同能级的CO2分子之间发生碰撞导致跃迁。

（3）共振转移：电子与处于基态的N2分子发生碰撞后导致N2分子跃迁到ν=1 的振动能级，在此能级上能积累大量的N2分子，因为该能级处于亚稳态。其中，亚稳态的N2分子与CO2分子发生碰撞导致CO2分子跃迁到更高能级。而且，N2（ν=1）能级与CO2的0001 能级之间所需泵浦能量很小，所以在该两能级之间的跃迁运动十分迅速。另外，N2（ν=2、3、4）能级分别与CO2的0002、0003、0004 能级之间泵浦能量也很小，相互之间也能迅速发生共振转移导致跃迁，同样也能将CO2分子激励到0001 级。这种跃迁机制在CO2分子跃迁中最为明显和重要。

在激光器放电管中应充入一定比例的He 气体从而延长能级的寿命，同时也降低了放电管的温度。

二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。其结构并不复杂，放电管通常是由玻璃或石英材料制成，放电管电极一般是镍制空心圆筒，里面再充以CO2气体和其他辅助气体，有氦气和氮气以及少量的氢或氙气。基本上谐振腔的一端是镀的高反射镜，另一端则是安装的部分反射镜。直流低频电通过变压器变为交流高压电后加在电极两端，放电管放电，二氧化碳激光从谐振腔安装部分反射镜的一端输出，输出波长约为10.6 μm 的红外光。放电管质量良好的情况下，1 m 长度左右的放电管可产生连续输出功率40 ～60 W 的二氧化碳激光。

2 二氧化碳激光熔融加热实验

二氧化碳激光熔融加热实验系统的主要仪器和器件包括CWQ800 二氧化碳激光器1 台、石英光纤材料、连续变焦的体视显微镜1 台、FUJIKURA 公司光纤切割器1 台、全自动电动抽水泵1 套、酒精、脱脂棉等材料。利用以上实验系统，对石英光纤材料进行了激光熔融加热工艺实验。

2.1 单脉冲模式二氧化碳激光熔融加热

二氧化碳激光器可以调节出光时间和输出功率两个参数，其工作功率为30 W。本文首先探究在单脉冲模式下确定功率探究时间对熔融加热效果的影响。

在单脉冲工作模式下，将二氧化碳激光器的输出功率确定为30%（9 W）来改变出光时间，从而探究时间对熔融效果的影响。将单模光纤用光纤剥线钳除去涂覆层，再用擦镜纸蘸取无水乙醇将裸光纤擦拭干净进行实验，时间设定为0.1 s 和0.2 s，熔融加热效果见图2，可利用显微镜观察。可以看出单脉冲下功率30%时出光时间为0.1 s 时，光纤表面有明显切口而并未发现熔融；而0.2 s 情况下，光纤熔融量明显增加形成粗椎体，且纤芯已经熔断。从以上实验可以得出，在一定输出功率范围内，功率不变，随着出光时间的增加而熔融量增多，熔融形变更加明显。

在单脉冲工作模式下，将二氧化碳激光器的出光时间设定为0.38 s 来改变输出功率从而探究功率对熔融效果的影响，并找出最佳熔融作用参数。

上述实验过程功率从小到大排列如下：24%、25%、26%、27%、28%。经过一系列实验后发现：（1）在出光时间为0.38 s 时，24%的输出功率作用下光纤表面光滑，无明显熔融痕迹；（2）出光时间0.38 s 时功率为25%时，光纤表面已不光滑，但还保持光纤的基本形态；（3）单脉冲下出光时间0.38 s 时功率为26%时，光纤纤芯还保持连接，出现熔融现象熔融量较小；（4）单脉冲下出光时间0.38 s 时功率为27%时，见图3，熔融加热后光纤纤芯还保持连接但光纤熔融量增加到比较明显的值，而且正、侧面熔融量大小和程度很接近；（5）单脉冲下出光时间0.38s 时功率为28%时，见图4，熔融加热效果显示光纤纤芯依旧保持连接且光纤熔融量与27%时差别不大，但正、侧面熔融量开始出现差异。另外，从侧面可以看到熔融中心的螺旋状凹陷变得明显。

从以上一系列实验中可以得出以下结论：（1）在一定的时间内，出光时间不变，随着输出功率的增加，熔融加热效果显著，光纤熔融量增多，出现明显的光纤热形变作业；（2）通过以上实验观察不同功率下熔融情况，在确定最佳熔融作用参数时考虑到了两方面，分别是光纤熔融量大小和正面、侧面熔融量对比情况。其中，光纤熔融量大小反映出光纤熔融长度，不应太小，否则将会影响之后拉锥过程的锥体长度；正、侧面测量对比反映出重力对熔融部分的影响，也可反映出光纤熔融量的温度变化，不应过大，否则产生过熔会影响之后拉锥过程的锥体形态。

综上所述，通过以上一系列实验结果可以看出在出光时间为0.38 s 时27%输出功率下，熔融效果最为理想。

2.2 多脉冲模式二氧化碳激光熔融加热实验

CWQ800 二氧化碳激光器除了单脉冲模式外，还可以输出多脉冲模式的激光。为了探究多脉冲二氧化碳激光的热熔效果并与单脉冲的效果作对比，输出功率不变，通过调整出光时间与间隔时间来控制多脉冲的脉冲间隔来改变对光纤熔融加热效果。

依据单脉冲模式下的二氧化碳激光对光纤熔融加热最佳参数为0.38 s出光时间、27%输出功率，在多脉冲模式中，设定27%输出功率不变情况下改变出光时间与间隔时间探究对光纤的熔融加热作用。根据时间参数（出光时间+间隔时间）从0.18 + 0.01 s到光纤无明显变化的0.14 + 0.05 s共5 组实验结果见图5。

由图5 可以看出，多脉冲模式功率27%下，随着脉冲间隔时间的增加，光纤熔融量随之减小。特别注意的是在0.15 + 0.04 s 组中出现了前文单脉冲模式下确定时间改变功率的实验中没有出现的表面细微形变，即更精细的表面粗糙度变化，这是更为精细的熔融加热工艺控制现象。而本轮实验时间变化量是0.01 s，从侧面说明该型号二氧化碳激光器改变时间比改变功率能得到更精细的熔融加热形变效果。

3 结语

利用二氧化碳激光对石英光纤进行熔融加热，进行了熔融加热工艺实验，在单脉冲和多脉冲两种不同工作模式下进行了相关研究。对功率和加热时间控制的相关参数进行了石英光纤熔融加热，并对效果进行了多组不同参数条件下的对比实验，根据显微镜观察的熔融加热效果，得到了优化的单脉冲熔融加热参数，加热时间0.38 s、输出功率27%时光纤熔融加热效果最为理想。多脉冲激光熔融加热实验表明，27%输出功率不变情况下，通过控制出光时间和间隔时间两个时间参数，能够更为精细地控制石英光纤熔融加热工艺效果，相比之下多脉冲加热比单脉冲加热模式能够更精细地控制熔融加热效果。相关研究成果对研究激光熔融加热石英光纤工艺具有指导意义。