石英光纖的增材制造技術(shù)

石英光纖作為當(dāng)今世界最重要的器件之一，被廣泛的應(yīng)用于通信和傳感領(lǐng)域，隨著 5G 和物聯(lián)網(wǎng)的到來(lái)，光纖的作用正在從無(wú)源的電信傳輸介質(zhì)擴(kuò)展到光纖傳感，光纖設(shè)備和激光器等各個(gè)方面。隨之而來(lái)的是日益復(fù)雜的光纖的需求。然而，傳統(tǒng)的石英光纖制造業(yè)受限于光纖的材料和結(jié)構(gòu)靈活性，不易實(shí)現(xiàn)光纖的多樣化和定制的功能。

近年來(lái)，利用增材制造或 3D 打印技術(shù)制造石英玻璃得到了廣泛的關(guān)注。解決了石英玻璃由于高溫和高粘度而產(chǎn)生的難以塑形的問(wèn)題。但是，利用該技術(shù)制造的的石英材料較小，通常是十幾毫米量級(jí)的片狀玻璃或塊狀玻璃，這極大的限制了 3D 打印技術(shù)在石英光纖制造領(lǐng)域的應(yīng)用。

鑒于此，來(lái)自哈爾濱工程大學(xué)的 楚玉石 博士和 張建中 教授，與澳大利亞新南威爾士大學(xué) Gang-Ding Peng 教授合作，在光纖制造領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，利用數(shù)字光處理（縮寫為：DLP）3D打印技術(shù)成功制造了厘米級(jí)別的光纖預(yù)制棒，并通過(guò)拉纖時(shí)參數(shù)的控制獲得單模以及多摸光纖。在此基礎(chǔ)上，該課題組進(jìn)一步延伸了此項(xiàng)工作，將鉍離子和鉺離子摻雜入單芯光纖和七芯光纖中，實(shí)現(xiàn)了多組分光纖及結(jié)構(gòu)性光纖的制造。

該研究成果以“Additive Manufacturing Fiber Preforms for Structured Silica Fibers with Bismuth and Erbium Dopants（鉍鉺共摻雜具有結(jié)構(gòu)性的石英光纖的增材制造）”為題在線發(fā)表在 Light： Advanced Manufacturing。

研究者利用商用的 DLP 3D 打印機(jī)固化了含有納米二氧化硅顆粒的紫外光敏樹脂，并在孔中按照需求加入功能性的纖芯材料。隨后利用馬弗爐對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行脫脂去除有機(jī)物，最后拉制成為光纖，如圖1所示。電子探針的結(jié)果顯示利用 3D 打印技術(shù)制造的光纖的纖芯和包層具有理想的元素分布。

圖1：3D打印鉍鉺共摻雜光纖的設(shè)計(jì)、制造以及結(jié)果圖

圖 2 展示了單芯和七芯鉍鉺共摻雜光纖的折射率分布，表明光纖具有良好的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)折射率和光纖尺寸計(jì)算出單芯鉍鉺共摻雜光纖的截止波長(zhǎng)位于 760 nm 附近。

圖2：3D打印單芯和七芯鉍鉺共摻雜光纖的折射率分布

利用截?cái)喾▽?duì)光纖的損耗進(jìn)行了分析，損耗譜中存在著明顯的鉍與鉺的特征吸收峰，如圖 3（a）所示。與團(tuán)隊(duì)之前的成果相比，光纖的損耗有了進(jìn)一步的下降。在830 nm或980 nm激光器激發(fā)下可以獲得鉍與鉺的特征發(fā)射，并且僅以 LP01 的模式在光纖中傳輸，如圖 3（b）和（c）所示。

圖3：3D打印鉍鉺共摻雜光纖的吸收光譜、發(fā)射光譜以及模式分布

該工作將 3D 打印技術(shù)引入到石英光纖的制造中，并成功的制造了鉍鉺共摻雜的單芯光纖和七芯光纖。

雖然制造光纖的損耗較高且七芯光纖的纖芯形狀不夠完善，但是該技術(shù)有效的打破了傳統(tǒng)石英光纖制造領(lǐng)域的桎梏，例如 MCVD 制造多芯光纖時(shí)纖芯的精確定位與制造微結(jié)構(gòu)光纖時(shí)繁瑣的堆積，有望為石英光纖的制造業(yè)帶來(lái)革命性變革。

審核編輯 ：李倩