第４３卷第２期 ２０１６年２月 基础研究 天 津 科 技 Ｖ．０１．４３ ＮＯ．２ ＴＩＡＮＪＩＮ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ Ｆｅｂ．２０１６ 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） 摘要：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。 涂覆层均匀性 文章编号：１００６．８９４５（２０１６）０２ ００３７．０２ 文献标志码：Ａ 关键词：有源光纤涂料剪切力中图分类号：ＴＮ２５３ 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） Ａｂｓｔｒａｃｔ：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 ｏｆｔｈｅ ｉｆｂｅｒ’Ｓ ｃｏｏｌ－ ｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｃｏａｔｉｎｇ ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏ￣ｉｎｇ ｕｎｉｆｏｒｍｉｙ ｏｆ ｔａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｈｅ ｆｔｉｂｅｒ ｗｈｉｌｅ ｅｎｔｅｒｉｎｇ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｃｕｐ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ ｒｅｄｕｃ— ｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｔｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｅ ｉｔｎｆｌｕｅｎｃｅｓ，ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｏｆｆｅｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｏｒ ｆｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ；ｃｏａｔｉｎｇ ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ；ｃｏａｔｉｎｇ ｕｎｉｆｏｒｍｉｙ ｔ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 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 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。 保持以及对环境温度的适应性，都与光纤表面附着的 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 收稿日期：２０１６－０１－１２ 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。 天 津 科 技 第４３卷第２期 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 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 立刻施加聚合物涂覆。聚合物与玻璃材料是否浸润 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。 （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 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 。切应力ｆ与剪切率 之间的关系称为本构方程： ＝，７７＿＝ ＝ｒｒ／Ｄ＂ｆ Ｖ （５） 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 Ｃ．Ｐｅａｋ和Ｓｃｈｒｏｅ．ｄｅ 的研 究，拉丝时，导出光纤的冷却速度关系式为： ：Ｊｒ ，——＝Ｊｒ— ｄＺ‘一 一 式中：卵——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 ４ｈ（ＴＴｏ） －ｐｃｐｄ —— （】） （１） ‘ 式中：ｈ——传热系数，Ｃ ——比热，Ｐ——密度， ——热扩散系数，ｄ——纤径，Ｔｏ——室， —— 由边界条件及简化条件可导出最终的表达式： ＝拉速。 （４ｈ／ｐｃ，ｄＯ）Ｚ （２） 畦 由此可得简单的关系式： ＝式中：ｚ——涂杯距炉底的距离， ——光纤出炉温 度， ——涂敷温度，Ｔｏ——室温；ｈ＝７．２ｘ１０一。 ＡｘＺ，Ａ＝（４ｈ／ ｃ ） （４） 国西电公司的 Ｃ．Ｐｅａｋ推导出，光纤在通过拉丝 ㈥ 模具时的拉拔力如下： Ｆ：—２ｘａｇ￣ＬＶｒ —（ ｌ—Ｒ２） Ｉｎ （ ２一口） （６） ‘式中：ａ——纤半径， ——粘度， ——模具长度， ——由于光线主要材质为纯石英（特性见表１），通过 拉速，蜀——模具人口直径， ——模具出口 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 热导率 ／（ｃａｌ／ｓｅｃｘｃｍｘ￣Ｃ） ０．００６４ 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，由人口至出口逐渐升高。■ 参考文献 ［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． 密度／（ｇ／ｃｍ ） 比热／（ｃａｌ／ｇ℃） ２．２ ０．２５ 弹性模￣＇／（Ｋｇ／ｃｍ２） 线涨系数／（℃ ） ８．２５ｘ１０ 升温 ５．５×１０ ［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． 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 ［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． 生切应力 ，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， ［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．
