CN104730618B - 一种平行光管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平行光管及其制备方法，涉及微光学元件制造领域。本发明的主要技术方案为：平行光管的制备方法包括：将第一玻璃件拉制成第一玻璃丝；第一玻璃件包括第一玻璃管和第一玻璃棒，第一玻璃管套装在第一玻璃棒上；将多根第一玻璃丝捆制成第一复合棒；对第一复合棒进行拉制成型、得到第二玻璃件；或将第一复合棒拉制成第一复合丝；将多根第一复合丝捆制成第二复合棒；对第二复合棒进行拉制成型、切割得到第二玻璃件；对第二玻璃件进行酸蚀处理，得到具有均匀微孔通道结构的第三玻璃件；在第三玻璃件的微孔通道内壁生成光吸收层，得到平行光管。本发明主要制造小型、束斑均化的平行光管，其能准直光线、输出平行光或特定发散角度的光线。

Description

一种平行光管及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学元件制造技术领域，尤其涉及一种用于准直光线、并将光斑能量均化，以输出平行光或特定发散角光线的平行光管及其制备方法。
背景技术
随着微机电子技术和集成光学技术的发展，对光源的小型化和束斑的高均匀化提出了更高要求。半导体激光技术的发展为光源小型化起到极大的促进作用。但是，激光的高相干性和束斑能量的高斯分布，成为一些微光机电一体化设备小型化和精度提升的瓶颈。因此必须研制一种高准直、高均匀的微型平行光光源。
现有技术存在一种平行光管，用于将光线准直，以输出平行光线。但是，现有技术的平行光管长度在300mm以上，直径在30mm以上，主要用在光学仪器、分化板的校准和测试中。由于现有技术的平行光管的体积庞大，无法作为微光学元件而应用在微机电子***和集成光学***中。
另外，本发明的发明人发现采用现有的平行光管制备工艺无法制造出小型化、束斑均化的平行光管。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种平行光管及其制备方法，主要目的是制造出一种小型化、束斑均化的平行光管，使其能应用在微光机电一体化***和集成光学***中，以准直光线、并将光斑能量均化，输出平行光。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种平行光管的制备方法，所述平行光管用于准直光线、并将光斑能量均化，以输出平行光或特定发散角的光线，该方法包括如下步骤：
将第一玻璃件拉制成设定尺寸的第一玻璃丝；其中，所述第一玻璃件包括尺寸适配的第一玻璃管和第一玻璃棒，所述第一玻璃管套装在所述第一玻璃棒上；第一玻璃管采用耐酸性的玻璃材质，第一玻璃棒采用能溶于酸的玻璃材质；
将所述多根第一玻璃丝捆制成棒状结构，得到第一复合棒；
对所述第一复合棒进行拉制成型、切割处理，得到第二玻璃件；或将所述第一复合棒拉制成第一复合丝，将多根第一复合丝捆制成棒状结构，得到第二复合棒；对第二复合棒进行拉制成型、切割处理，得到第二玻璃件；
对第二玻璃件进行酸蚀处理，得到具有均匀微孔通道结构的第三玻璃件；
在所述第三玻璃件的微孔通道内壁生成光吸收层，得到平行光管。
前述的平行光管的制备方法，将所述多根第一玻璃丝捆制成棒状结构时，在第一玻璃丝之间的缝隙中***第二玻璃丝，得到第一复合棒。
前述的平行光管的制备方法，将多根第一复合丝均匀规则排列并捆扎成棒状结构，得到第二复合棒；
前述的平行光管的制备方法，所述第一玻璃管、第二玻璃丝选用主成分为B2O3-SiO2-Al2O3-RO-R2O的玻璃材质，其中，RO为二价氧化物，R2O为一价氧化物；
所述第一玻璃棒选用主成分为B2O3-La2O3-BaO的玻璃材质。
前述的平行光管的制备方法，对第二玻璃件进行酸蚀处理的步骤，具体为：
将所述第二玻璃件放置在耐酸容器中，采用浓度为0.3-0.6N的硝酸或盐酸对所述第二玻璃件进行酸蚀处理1-6小时；
采用电阻大于16兆欧的水对酸蚀处理后的第二玻璃件清洗处理后，得到具有微孔通道结构的第三玻璃件。
前述的平行光管的制备方法，在所述第三玻璃件的微孔通道内壁自基底生成光吸收层，得到平行光管的步骤，包括：
在所述第三玻璃件的端面涂覆保护层，避免在理化处理工艺中端面生成光吸收层；
将端面涂覆保护层的第三玻璃件在氢气还原炉内进行理化处理，使所述第三玻璃件的微孔通道内壁生成光吸收层；其中，所述还原炉内氢气压力为0.01-0.3MPa，温度为400-480℃，理化处理时间为1-5小时；
将理化处理后的第三玻璃件端面处的保护层祛除，得到平行光管。
前述的平行光管的制备方法，所述保护层的材质为铝；所述保护层的厚度为300-1000nm。
前述的平行光管的制备方法，采用酸浸泡理化处理后的第三玻璃件，以将所述保护层祛除。
另一方面，本发明实施例还提供一种平行光管，所述平行光管用于所述平行光管用于准直光线、并将光斑能量均化，以输出平行光或特定发散角的光线，所述平行光管为由多个均匀排列的空心玻璃丝构成的微型平板光学元件，且每个所述空心玻璃丝上的通孔构成平行光管的一个微孔通道；
所述平行光管由上述任一项所述的方法制备而成。
前述的平行光管，所述平行光管的空心玻璃丝之间的缝隙中还填充有间隙玻璃丝。
与现有技术相比，本发明实施例提出的一种平行光管及其制备方法至少具有如下优点：
本发明实施例提供的平行光管的制备方法，通过将第一玻璃件(第一玻璃件包括尺寸匹配的第一玻璃管和第一玻璃棒，第一玻璃管套装在第一玻璃棒上)拉制成第一玻璃丝，再将第一玻璃丝捆制成第一复合棒，将第一复合棒拉制成型、切割处理得到第二玻璃件，对第二玻璃件进行酸蚀处理得到具有微孔通道结构的第三玻璃件，最后在第三玻璃件的微孔通道内壁铺设光吸收层便可得到平行光管。该制备方法通过在第一玻璃管内套装第一玻璃棒，这样在对第一玻璃件拉制、第一复合棒拉制过程中，保持第一玻璃管拉成丝的均匀性，进而保证在酸蚀处理后得到微孔通道结构的均匀性，使平行光管在实际应用中能实现很好的准直光线、将光斑能量均匀化的目的。
进一步地，本发明实施例在将第一玻璃丝捆制成第一复合棒时，在第一玻璃丝之间的缝隙中***第二玻璃丝，通过这样设计，可以进一步保证平行光管的微孔通道结构的均匀性，不会因为工艺因素而发生非预期变形。
进一步地，本发明实施例通过在微孔通道的内壁生成光吸收层，对波长200-1200nm范围内光线吸收率大于95％，从而确保消除进入微孔通道的干扰杂光。
进一步地，在对第三玻璃件进行理化处理前，在第三玻璃件的端面处(即，微孔通道的端面处)镀设保护层，这样防止理化处理时在微孔通道的端面处生成光吸收层，造成20-30％的入射光损失。
附图说明
图1为本发明实施例制备的平行光管的示意图；
图2为图1的侧视图；
图3A、图3B为本发明实施例提供的平行光管准直光线的原理图；
图4为本发明的一实施例提供的平行光管的制造流程示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种平行光管及其制备方法其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如下。
本发明的发明人发现随着微机电子***、集成光学***的发展，对光源的小型化和束斑的高均匀化提出的要求越来越高。而半导体激光技术能够满足机微电子***、集成光学***对光源小型化的要求。但是，激光在应用微电子***、集成光学***中还存在如下问题：激光具有高相干性、束斑能量的高斯分布。由于激光存在的上述问题成为一些微光机电一体化设备小型化、精度提升的瓶颈。
基于上述问题，本发明的发明人提出一种平行光管，该平行光管属于微型光学元件，能够应用在微机电子***、集成光学***中，将光源(如，激光)发出的光线进行筛选、准直，以输出高准直、高均匀的呈矩形分布的平行光或特定发散角度的光线。该平行光管是由数百个到上千个微孔通道组成，这些微孔通道均匀、规则排列；微孔通道的长度可以根据要求设计。
具体地，本发明实施例提出一种平行光管的制备方法，包括如下步骤：
1、将第一玻璃件拉制成设定尺寸的第一玻璃丝。
其中，该步骤中的第一玻璃件包括尺寸适配的第一玻璃管和第一玻璃棒，且第一玻璃管套装在所述第一玻璃棒上。
该步骤中的第一玻璃管选用耐酸性的玻璃材质制成，第一玻璃棒采用能溶于酸的玻璃材质制成。较佳地，该步骤中的第一玻璃管的材质选用主成分为B2O3-SiO2-Al2O3-RO-R2O的玻璃，其中，RO为二价氧化物，R2O为一价氧化物。第一玻璃棒的材质选用主成分为B2O3-La2O3-BaO的玻璃。
另外，第一玻璃件的尺寸和第一玻璃丝的尺寸匹配，其具体尺寸需要根据平行光管在具体应用中的参数指标要求确定。
较佳地，采用高精度纤维成型机对玻璃件进行加热和拉制，丝径控制精度达到0.5％，且拉制成型时的送料速度为4.5mm/分钟。
2、将多根第一玻璃丝捆制成棒状结构，得到第一复合棒。
较佳地，为了保证最终制成的平行光管上微孔通道结构的均匀性，不会因工艺因素发生非预期变形，在将多根第一玻璃丝捆制成棒状结构时，在第一玻璃丝之间的缝隙中***第二玻璃丝(在每三个第一玻璃丝排列的缝隙中***第二玻璃丝)，得到第一复合棒。第一玻璃丝由耐酸性好的皮层玻璃拉制而成。其中，第二玻璃丝的***是保证本实施例提供的平行光管的微孔阵列结构的关键环节。
较佳地，第一复合棒呈正六边形，在进行多根第一玻璃丝捆制成棒状结构，得到第一复合棒的步骤时，将多根第一玻璃丝紧密排列在正六边形的模具里，排列完成后，捆扎，得到呈六边形的第一复合棒。
3、将第一复合棒制备成第二玻璃件。
该步骤可以是：直接对第一复合棒进行拉制成型、切割以及端面抛光处理，得到第二玻璃件。
较佳地，该步骤也可以是：将第一复合棒拉制成第一复合丝，将多根第一复合丝捆制成棒状结构，得到第二复合棒；对第二复合棒进行拉制成型、切割及端面抛光处理，得到第二玻璃件。较佳地，当多根第一复合丝规则均匀排列并捆扎成棒状结构，得到第二复合棒。较佳地，第二复合棒呈正六边形。
该步骤中，定长切割是根据平行光管在实际应用时，由设计的微孔通道的长径比确定。
另外，在制造大尺寸(直径大于20mm，微孔通道直径小于6微米)的平行光管时，在拉制成型的步骤之后，切割处理步骤之前，还要进行排板的步骤(即将复合棒拉制成型的复合丝排列到真空熔合模具中成型)。
4、对第二玻璃件进行酸蚀处理，得到具有微孔通道结构的第三玻璃件。
该步骤具体为：将第二玻璃件放在耐酸容器中进行微孔通道成型；根据微孔通道的长径比设计值确定所使用酸液的浓度，(优选使用0.3-0.6N的盐酸或硝酸)，且酸的纯度在分析纯以上，用酸对第二玻璃件进行酸蚀处理，以将第二玻璃件中的由第一玻璃棒拉制而成的丝溶解后，从而形成均匀微孔通道结构。
在酸蚀过程中，保持酸液处于流动的状态，酸蚀温度为40-60℃。酸蚀处理后用纯水将玻璃件清洗干净即可。
5、在第三玻璃件的微孔通道内壁通过自基底生成工艺制备光吸收层，得到平行光管。
该步骤的“自基地生成”指的是：将第三玻璃件的微孔通道内壁表面自身改性生成光吸收层的一种工艺方法。
具体地，该步骤包括如下步骤：
51)微孔通道端面保护层制备步骤：
采用电子束蒸镀工艺，在第三玻璃件端面(即，微孔通道端面)镀制保护涂层(优选为金属涂层，如铝涂层)，涂层材料在400-500℃下保持稳定，不能发生聚集或涂层破裂。在镀制涂层时，保持微孔通道的端面与蒸发源的角度小于10度，保护涂层厚度控制在300-1000nm，以避免保护涂层材料蒸镀到微孔通道的内壁上。
52)微孔通道内壁生成光吸收层步骤：
将端部镀设保护层后的第三玻璃件放到氢气还原炉内进行理化处理，以在微孔通道内壁自基底生成光吸收层。理化处理时的氢气压力为0.01-0.3MPa，温度为400-480℃，理化处理的时间为1-5小时。
较佳地，光吸收层的厚度为0.01-0.5微米，该光吸收层对波长200-1200nm范围内光线吸收率大于95％，从而确保消除进入微孔通道的干扰杂光。
53)祛除端面保护层的步骤：采用酸浸泡理化处理后的第三玻璃件，待所述保护层祛除后，将其烘干后得到平行光管。
如图1和图2所示，由上述步骤制造的平行光管的主视图和侧视图，平行光管为由多个(数百个到上千个)的空心玻璃丝均匀地、规则地排列而成的微型平板光学元件；每个空心玻璃丝构成平行光管的一个微孔通道1，且空心玻璃丝之间的缝隙中还设置有透明间隙丝(间隙玻璃丝)2。且微孔通道的壁3上还涂覆有光吸收层4。
较佳地，平行光管中，每个微孔通道的微孔通道的壁厚为微孔通道直径的1/2。
如图3A和图3B所示，本发明实施例制备的平行光管在实际应用中，每个微孔通道在大的长径比的作用下，只能有特定角度的光线通过微孔射出，这一角度由下式确定：Tgα＝d/L；其中，α为入射光与微孔管道轴线夹角，d为微孔管道上微孔直径，L为微孔管道长度。
由上式可以看出，随着微孔通道长径比的增大，只有平行于微孔通道轴线的光线才能通过，并在微孔通道另一端输出，形成平行光束。为了避免非平行光通过在微孔通道内壁上多次反射后在另一端输出而降低光束质量，通过理化处理在微孔通道内壁上生成一层厚度为0.01-0.5微米的高效吸光层，对波长200-1200nm范围内光线吸收率大。
另外，从上式还可以看出，在微孔通道长径比较小的情况下，本发明实施例还能输出特定发散角度的光线，具体光线的发散角度由微孔通道的长径比而定。
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例制备一种平行光管的制备方法，制造步骤参见图4所示，具体如下：
1、根据具体应用的参数指标要求，采用第一玻璃管的规格为内径22±0.2mm，外径31±0.3mm，采用的第一玻璃棒的规格为21.8±0.2mm。
将第一玻璃管与第一玻璃棒匹配后，拉制成第一玻璃丝(拉制速度为4.5mm/分钟)；其中，第一玻璃丝的直径为2.5mm；将第二玻璃棒拉制成第二玻璃丝，第二玻璃丝的直径为0.36-0.37mm。
2、将多根第一玻璃丝与第二玻璃丝捆制成棒状结构，得到呈正六边形的第一复合棒；其中，第二玻璃丝位于第一玻璃丝之间的缝隙中。将第一复合棒拉制成第一复合丝，将多根第一复合丝捆制成棒状结构，得到第二复合棒，其中，第二复合棒的直径为1.2mm。
3、将第二复合棒拉制成型后，根据所设计的长径比，对其定长切割(切割厚度为0.7mm)，然后在双面抛光机上完成两端面的精抛光(要求平面度2个光圈，厚度公差控制在±0.01mm)，得到第二玻璃件。
该步骤中，在制造大尺寸(直径大于20mm，微孔通道直径小于6微米)的平行光管时，在拉制成型的步骤之后，切割处理步骤之前，还要进行排板的步骤(即将复合棒拉制成型的复合丝排列到真空熔合模具中成型)。
4、将第二玻璃件放在耐酸容器进行微孔成型，采用浓度为0.5N的硝酸对第二玻璃件进行酸蚀处理，酸蚀温度为55℃，且酸蚀过程中保存酸液处于流动状态，直到所有的由第一玻璃棒拉制成的丝溶解掉为止。酸蚀时间为3.5小时，在酸蚀过程中，可用显微镜(400×)进行观察检测。酸蚀结束后用电阻大于16兆欧的纯水对酸蚀处理后的第二玻璃件进行超声清洗后，得到第三玻璃件。
5、利用电子束蒸镀工艺，在第三玻璃件的端面制备保护涂层，涂层材料为金属铝，膜层厚度控制在600nn，为确保均匀，镀制过程采用氩气进行气氛保护，避免金属铝被氧化，确保膜层连续均匀，镀制式，第三玻璃件端面与蒸发源的角度小于10度，以避免保护涂层材料蒸镀到微孔内壁上。
6、将蒸镀后的第三玻璃件放到氢气还原炉内进行理化处理，氢气压力为0.15Mpa，温度为435℃，处理3.5小时，退火后取出。
7、用流动的酸液浸泡理化处理后的第三玻璃件，直到第三玻璃件端面处的保护涂层祛除干净，然后将其烘干即得到平行光管。本实施例制备的平行光管中微孔通道的长径比为100:1。
实施例2
本实施例制备一种平行光管的制备方法，与实施例1相比，本实施例的制备方法除了将第一玻璃丝制成第二玻璃件的步骤与实施例1不同之外，其他步骤操作方式完全相同。
其中，本实施例在将第一玻璃丝制成第二玻璃件的步骤为：将多根第一玻璃丝捆制成棒状结构，得到第一复合棒；将第一复合棒进行拉制成型、切割处理，得到第二玻璃件。
实施例3
本实施例制备一种平行光管的制备方法，与实施例1相比，本实施例的制备方法除了将第一玻璃丝制成第二玻璃件的步骤与实施例1不同之外，其他步骤操作方式完全相同。
其中，本实施例在将第一玻璃丝制成第二玻璃件的步骤为：将多根第一玻璃丝与第二玻璃丝捆制成棒状结构，得到第一复合棒；其中，第二玻璃丝位于第一玻璃丝之间的缝隙中。将第一复合棒进行拉制成型切割处理，得到第二玻璃件。
实施例4
将激光分别通过实施例1、实施例2、实施例3制造的平行光管后输出的光线与激光的光线进行比较，比较结果如表1所示。
表1
综上，本发明提供的平行光管的制备方法能制造出微型化的、微孔通道规则一致排列的平行光管，该平行光管能够将光线准直，以输出束斑均化、无杂光、能量呈矩形分布的平行光线。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种平行光管的制备方法，所述平行光管用于准直光线、并将光斑能量均化，以输出平行光或特定发散角度的光线，其特征在于，包括如下步骤：
将第一玻璃件拉制成设定尺寸的第一玻璃丝；其中，所述第一玻璃件包括尺寸适配的第一玻璃管和第一玻璃棒，所述第一玻璃管套装在所述第一玻璃棒上；第一玻璃管采用耐酸性的玻璃材质，第一玻璃棒采用能溶于酸的玻璃材质；
将所述多根第一玻璃丝捆制成棒状结构，得到第一复合棒；
对所述第一复合棒进行拉制成型、切割处理，得到第二玻璃件；或将所述第一复合棒拉制成第一复合丝；将多根第一复合丝捆制成棒状结构，得到第二复合棒；对第二复合棒进行拉制成型、切割处理，得到第二玻璃件；
对第二玻璃件进行酸蚀处理，得到具有均匀二维微孔通道阵列结构的第三玻璃件；
在所述第三玻璃件的微孔通道内壁铺设光吸收层，得到平行光管；其中，
在所述第三玻璃件的微孔通道内壁铺设光吸收层，得到平行光管的步骤，包括：
在所述第三玻璃件的端面涂覆保护层；
将端面涂覆保护层的第三玻璃件在氢气还原炉内进行理化处理，使所述第三玻璃件的微孔通道内壁自基地生成光吸收层；其中，所述还原炉内氢气压力为0.01-0.3MPa，温度为400-480℃，理化处理时间为1-5小时；
将理化处理后的第三玻璃件端面处的保护层祛除，得到平行光管。
2.根据权利要求1所述的平行光管的制备方法，其特征在于，将所述多根第一玻璃丝捆制成棒状结构时，在第一玻璃丝之间的缝隙中***第二玻璃丝，得到第一复合棒。
3.根据权利要求2所述的平行光管的制备方法，其特征在于，将多根第一复合丝均匀规则排列捆制成棒状结构，得到第二复合棒。
4.根据权利要求3所述的平行光管的制备方法，其特征在于，
所述第一玻璃管、第二玻璃丝选用主成分为B2O3-SiO2-Al2O3-RO-R2O的玻璃材质，其中，RO为二价氧化物，R2O为一价氧化物；
所述第一玻璃棒选用主成分为B2O3-La2O3-BaO的玻璃材质。
5.根据权利要求1所述的平行光管的制备方法，其特征在于，对第二玻璃件进行酸蚀处理的步骤，具体为：
将所述第二玻璃件放置在耐酸容器中，采用浓度为0.3-0.6N的硝酸或盐酸对所述第二玻璃件进行酸蚀处理1-6小时；
采用电阻大于16兆欧的水对酸蚀处理后的第二玻璃件清洗处理后，得到具有微孔通道结构的第三玻璃件。
6.根据权利要求1所述的平行光管的制备方法，其特征在于，所述保护层的材质为铝；所述保护层的厚度为300-1000nm。
7.根据权利要求1所述的平行光管的制备方法，其特征在于，采用酸浸泡理化处理后的第三玻璃件，以将所述保护层祛除。
8.一种平行光管，所述平行光管用于准直光线、并将光斑能量均化，以输出平行光或特定发散角度的光束，其特征在于，所述平行光管为由多个均匀排列的空心玻璃丝构成的微型平板光学元件，且每个所述空心玻璃丝上的通孔构成平行光管的一个微孔通道；
所述平行光管由权利要求1-7任一项所述的方法制备而成。
9.根据权利要求8所述的平行光管，所述平行光管的空心玻璃丝之间的缝隙中还填充有间隙玻璃丝。
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