CN106019472A - 一种玻璃光纤导光棒的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，包括如下步骤：(1)原材料选择：选择高折射率的芯料玻璃和低折射率的皮层玻璃；(2)双坩埚法拉丝：将选用的芯料玻璃和皮层玻璃进行净化处理后，投入铂金双坩埚熔化，一次拉制成单丝；(3)切丝净化：将用双坩埚拉制的单丝，割切成一定长度，净化处理后封装在容器中；(4)装管排丝：将洁净的定长光纤丝有序排列后，装入外护玻璃管中；(5)复式拉丝成棒：装好玻璃单丝的玻璃管通过送棒机构送入管式炉中加热，拉制成导光棒；(6)后加工：将拉制的导光棒，切割成所需长度，两端面进行研磨抛光，就得到了成品导光棒，传光束透过率要高，其产品广泛地应用于医疗器械和光电仪器行业。

Description

一种玻璃光纤导光棒的制备工艺
技术领域
本发明涉及玻璃导光板制备技术领域，具体涉及一种玻璃光纤导光棒的制备工艺。
背景技术
玻璃光纤导光棒是多组分玻璃光纤制成的光学元件的一种，微电子学、光电子学和光子学是现代光通信和光传感产业的支柱。随着器件设计理论和制备工艺技术的发展，以及对器件性能、集成度和能量消耗等要求的提高，微电子和光电子器件的特征线宽己经达到了亚波长或纳米尺寸。在网络通信的信息传递材料中，光纤被公认为是现今通信带宽最大的传输介质，吸引了越来越多研究者的关注。近年来，纳米锥、纳米线、亚波长直径光纤等微纳光纤被相继报道，极大的推进了微纳光电子器件，如光纤传感器、光纤耦合器及光纤分束器等的发展。
玻璃光纤作为亚波长光波导工作时，在光耦合器、谐振腔、传感器、超连续光谱产生等方面具有独特的优势，但是这方面的研究才刚刚开始，对于这种新型结构光纤目前人们了解的还很少，很多工作需要***的研究和探索。第一，光纤结构方面，目前研究的微纳光纤基本上为单一结构的纳米线，没有包层或者采用空气、水做包层。要实现具有特定功能的微纳光子器件必然需要微纳光纤具有复合波导结构；第二，光纤材料方面，目前人们的研究对象主要集中在半导体和聚合物材料上，而对具有芯/包层结构的玻璃微纳光纤研究甚少。玻璃基质(如磷酸盐、硅酸盐和碲酸盐等)具有优良的光学性能、物理和化学性能、光热稳定性以及易于成纤等性能、并对许多稀土离子都有很好的溶解性，有利于有源微纳光纤的研究。第三，光纤的制备方法，目前普遍采用的两步尖端拉伸、化学合成和锥形光纤拉制等方法制备的微纳光纤长度有限，生产的玻璃光纤其传光束透过率并不是很好。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，先利用双坩埚法拉制成直径380μm左右具有芯、皮结构的单丝，然后将丝切成一定长度，进行有序排列装入外护玻璃管中，再经过管式炉二次加热这种单丝拉制成的一种高透率的光纤棒，玻璃光纤导光棒由于没有填充剂，它比同规格的玻璃光纤传光束透过率要高出20％，其产品广泛地应用于医疗器械和光电仪器行业，可以有效解决背景技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，包括如下步骤：
(1)原材料选择：选择高折射率的芯料玻璃和低折射率的皮层玻璃；
(2)双坩埚法拉丝：将选用的芯料玻璃和皮层玻璃进行净化处理后，投入铂金双坩埚通过电加热在1000-1100摄氏度下，将芯料玻璃和皮层玻璃熔化，熔融的芯料玻璃和皮层玻璃因自重从漏嘴流出，在铂金双坩埚收丝轮的牵引作用下，一次拉制成单丝；
(3)切丝净化：将用双坩埚拉制的单丝，割切成一定长度，净化处理后封装在洁净的容器中；
(4)装管排丝：将洁净的定长光纤丝有序排列后，装入外护玻璃管中；
(5)复式拉丝成棒：装好玻璃单丝的玻璃管通过送棒机构送入管式炉中加热，在700-900℃温度下，通过对辊牵引，拉制成导光棒；
(6)后加工：将拉制的导光棒，切割成所需长度，两端面进行研磨抛光，就得到了成品导光棒，并将棒弯曲一定角度，通常60°至64°。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤(1)中芯料玻璃和皮层玻璃应高透明度。
作为本发明一种优选的技术方案，所述芯料玻璃和皮层玻璃的折射率的大小，应满足设计的数值孔径。
作为本发明一种优选的技术方案，所述芯料玻璃和皮层玻璃应有相同或相近的热膨胀系数，或芯料的热膨胀系数稍高。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤(2)中一次拉制成单丝的直径在380-390μm，包层在6μm-8μm。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤(4)中通过在玻璃管加入不同氧化物着色制成黑、紫、棕的不同颜色的玻璃管。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤(5)中，在拉棒过程中，通过对温度和牵引速率的调整，得到不同直径的导光棒。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤(6)中，需用酒精灯加热其需弯曲部分，使其软化弯成所需角度。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤(6)中，对于直径较细导光原棒，用灯工拉制成大小头的锥形光导元件。
本发明的有益效果：
本发明先利用双坩埚法拉制成直径380μm左右具有芯、皮结构的单丝，然后将丝切成一定长度，进行有序排列装入外护玻璃管中，再经过管式炉二次加热这种单丝拉制成的一种高透率的光纤棒，玻璃光纤导光棒由于没有填充剂，它比同规格的玻璃光纤传光束透过率要高出20％，其产品广泛地应用于医疗器械和光电仪器行业。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，包括如下步骤：
(1)原材料选择：选择高折射率的芯料玻璃和低折射率的皮层玻璃；
(2)双坩埚法拉丝：将选用的芯料玻璃和皮层玻璃进行净化处理后，投入铂金双坩埚通过电加热在1000摄氏度下，将芯料玻璃和皮层玻璃熔化，熔融的芯料玻璃和皮层玻璃因自重从漏嘴流出，在铂金双坩埚收丝轮的牵引作用下，一次拉制成单丝；
(3)切丝净化：将用双坩埚拉制的单丝，割切成一定长度，净化处理后封装在洁净的容器中；
(4)装管排丝：将洁净的定长光纤丝有序排列后，装入外护玻璃管中；
(5)复式拉丝成棒：装好玻璃单丝的玻璃管通过送棒机构送入管式炉中加热，在700℃温度下，通过对辊牵引，拉制成导光棒；
(6)后加工：将拉制的导光棒，切割成所需长度，两端面进行研磨抛光，就得到了成品导光棒，并将棒弯曲一定角度，通常60°。
其中步骤(1)中芯料玻璃和皮层玻璃应高透明度；所述芯料玻璃和皮层玻璃的折射率的大小，应满足设计的数值孔径；所述芯料玻璃和皮层玻璃应有相同或相近的热膨胀系数，或芯料的热膨胀系数稍高。
其中步骤(2)中一次拉制成单丝的直径在380μm，包层在6μm m。
其中步骤(4)中通过在玻璃管加入不同氧化物着色制成黑、紫、棕的不同颜色的玻璃管。
其中步骤(5)中，在拉棒过程中，通过对温度和牵引速率的调整，得到不同直径的导光棒。
其中步骤(6)中，需用酒精灯加热其需弯曲部分，使其软化弯成所需角度。
其中步骤(6)中，对于直径较细导光原棒，用灯工拉制成大小头的锥形光导元件。
实施例2
一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，包括如下步骤：
(1)原材料选择：选择高折射率的芯料玻璃和低折射率的皮层玻璃；
(2)双坩埚法拉丝：将选用的芯料玻璃和皮层玻璃进行净化处理后，投入铂金双坩埚通过电加热在1050摄氏度下，将芯料玻璃和皮层玻璃熔化，熔融的芯料玻璃和皮层玻璃因自重从漏嘴流出，在铂金双坩埚收丝轮的牵引作用下，一次拉制成单丝；
(3)切丝净化：将用双坩埚拉制的单丝，割切成一定长度，净化处理后封装在洁净的容器中；
(4)装管排丝：将洁净的定长光纤丝有序排列后，装入外护玻璃管中；
(5)复式拉丝成棒：装好玻璃单丝的玻璃管通过送棒机构送入管式炉中加热，在800℃温度下，通过对辊牵引，拉制成导光棒；
(6)后加工：将拉制的导光棒，切割成所需长度，两端面进行研磨抛光，就得到了成品导光棒，并将棒弯曲一定角度，通常62°。
其中步骤(1)中芯料玻璃和皮层玻璃应高透明度；所述芯料玻璃和皮层玻璃的折射率的大小，应满足设计的数值孔径；所述芯料玻璃和皮层玻璃应有相同或相近的热膨胀系数，或芯料的热膨胀系数稍高。
其中步骤(2)中一次拉制成单丝的直径在385μm，包层在7μm。
其中步骤(4)中通过在玻璃管加入不同氧化物着色制成黑、紫、棕的不同颜色的玻璃管。
其中步骤(5)中，在拉棒过程中，通过对温度和牵引速率的调整，得到不同直径的导光棒。
其中步骤(6)中，需用酒精灯加热其需弯曲部分，使其软化弯成所需角度。
其中步骤(6)中，对于直径较细导光原棒，用灯工拉制成大小头的锥形光导元件。
实施例3
一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，包括如下步骤：
(1)原材料选择：选择高折射率的芯料玻璃和低折射率的皮层玻璃；
(2)双坩埚法拉丝：将选用的芯料玻璃和皮层玻璃进行净化处理后，投入铂金双坩埚通过电加热在1100摄氏度下，将芯料玻璃和皮层玻璃熔化，熔融的芯料玻璃和皮层玻璃因自重从漏嘴流出，在铂金双坩埚收丝轮的牵引作用下，一次拉制成单丝；
(3)切丝净化：将用双坩埚拉制的单丝，割切成一定长度，净化处理后封装在洁净的容器中；
(4)装管排丝：将洁净的定长光纤丝有序排列后，装入外护玻璃管中；
(5)复式拉丝成棒：装好玻璃单丝的玻璃管通过送棒机构送入管式炉中加热，在900℃温度下，通过对辊牵引，拉制成导光棒；
(6)后加工：将拉制的导光棒，切割成所需长度，两端面进行研磨抛光，就得到了成品导光棒，并将棒弯曲一定角度，通常64°。
其中步骤(1)中芯料玻璃和皮层玻璃应高透明度；所述芯料玻璃和皮层玻璃的折射率的大小，应满足设计的数值孔径；所述芯料玻璃和皮层玻璃应有相同或相近的热膨胀系数，或芯料的热膨胀系数稍高。
其中步骤(2)中一次拉制成单丝的直径在390μm，包层在8μm。
其中步骤(4)中通过在玻璃管加入不同氧化物着色制成黑、紫、棕的不同颜色的玻璃管。
其中步骤(5)中，在拉棒过程中，通过对温度和牵引速率的调整，得到不同直径的导光棒。
其中步骤(6)中，需用酒精灯加热其需弯曲部分，使其软化弯成所需角度。
其中步骤(6)中，对于直径较细导光原棒，用灯工拉制成大小头的锥形光导元件。
具体的，该制备工艺制备的导光棒的性能如下：
1、光学性能
(a)透过率
导光棒内几百根至几千根单丝相互熔结成一起，不需要环氧树脂粘合，纤维之间间隙很小，因此其透过率比用柔性光纤所制成的光导管透过率高，导光棒的传输损耗在于皮层玻璃不透光，两端面反射损失，以及一些非理想状态等原因。
用积分球法实际测得长度85mm、直径8mm导光棒，其白光透过率>75％，大部分可达到80％。
为提高导光棒的透过率，应该控制单丝的皮层不可过厚，通常控制在6～8μm左右，在切丝，排丝的过程中要避免污染，控制好复丝工艺，以减少暗丝。
在导光棒的两端面镀上一层增透膜，可提高导光棒约8％的透过率。
(b)分辨率
导光棒内的光纤丝有序排列，可以传输清晰的图象，其分辨率一般在2.5～8线对/mm。
2、机械性能
导光棒外壳为玻璃管，中间由单纤维相互熔结而成，不再是柔性，因而易碰损，使用过程中应该轻拿轻放。为提高导光棒的抗破损强度，可以将导光棒两头用不锈钢保护，中间弯曲部分可用硅橡胶管热收缩进行保护。
3、耐温性
导光棒不需要环氧树脂封装固化，其耐温指标取决于玻璃的性能，通常耐温指标在400℃以上。
4、耐酸碱性
导光棒耐酸、耐碱，具有较高的化学稳定性，适用于各种环境，当其受到污染时，可用于酒精、水等溶剂进行拭擦、清洗。
对实施例1至实施例3的测试如下表：
测试项目 分辨率(线对/mm) 破损强度(Mpa) 耐温性(℃)
实施例1 7.5 154 512
实施例2 7.2 164 503
实施例3 7.3 158 521
本发明的应用：
(1)牙科光固化机用导光棒是将光源发出的特定波光的光照射到光敏树脂上，使之迅速固化，用来修补牙齿，以前的厂家多采用环氧树脂封装光纤于不锈钢管内的光导管，光导管透过率不太高，因此光照强度低，复合树脂固化速度慢，且粘接不牢，使用效果不太理想。近几年采用光纤导光棒，因其透过率远大于光导管，这样不但可以缩短照射时间，而且光照深度深，树脂牢固性好，很受市场欢迎。现国内的光固化机厂家均采用我们生产的导光棒，产品规格直径从6～13mm，长度为74～100mm。半导体激光用导光棒是近年来使用的新品种，它通过导光棒将波长790～830μm的激光照射到病变部分，用来治疗牙本质过敏，易发生口疮，三叉神经痛，以及固化树脂充填后牙髓敏感和根管充填后的组织反应引起的牙痛，据上海、广州等地客户反映，使用效果非常好。
(2)在光电仪器方面，导光棒由光纤有序排列拉制而成，能传送图象，分辨率为2.5～8线对/毫米，制成的光锥可以使光信号增大或减弱，与前后级仪器相配可用于监测，和信号传输等方面。
本发明先利用双坩埚法拉制成直径380μm左右具有芯、皮结构的单丝，然后将丝切成一定长度，进行有序排列装入外护玻璃管中，再经过管式炉二次加热这种单丝拉制成的一种高透率的光纤棒，玻璃光纤导光棒由于没有填充剂，它比同规格的玻璃光纤传光束透过率要高出20％，其产品广泛地应用于医疗器械和光电仪器行业。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)原材料选择：选择高折射率的芯料玻璃和低折射率的皮层玻璃；
(2)双坩埚法拉丝：将选用的芯料玻璃和皮层玻璃进行净化处理后，投入铂金双坩埚通过电加热在1000-1100摄氏度下，将芯料玻璃和皮层玻璃熔化，熔融的芯料玻璃和皮层玻璃因自重从漏嘴流出，在铂金双坩埚收丝轮的牵引作用下，一次拉制成单丝；
(3)切丝净化：将用双坩埚拉制的单丝，割切成一定长度，净化处理后封装在洁净的容器中；
(4)装管排丝：将洁净的定长光纤丝有序排列后，装入外护玻璃管中；
(5)复式拉丝成棒：装好玻璃单丝的玻璃管通过送棒机构送入管式炉中加热，在700-900℃温度下，通过对辊牵引，拉制成导光棒；
(6)后加工：将拉制的导光棒，切割成所需长度，两端面进行研磨抛光，就得到了成品导光棒，并将棒弯曲一定角度，通常60°至64°。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，其特征在于，所述步骤(1)中芯料玻璃和皮层玻璃应高透明度。
3.根据权利要求1所述的一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，其特征在于，所述芯料玻璃和皮层玻璃的折射率的大小，应满足设计的数值孔径。
4.根据权利要求1所述的一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，其特征在于，所述芯料玻璃和皮层玻璃应有相同或相近的热膨胀系数，或芯料的热膨胀系数稍高。
5.根据权利要求1所述的一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，其特征在于，所述步骤(2)中一次拉制成单丝的直径在380-390μm，包层在6μm-8μm。
6.根据权利要求1所述的一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，其特征在于，所述步骤(4)中通过在玻璃管加入不同氧化物着色制成黑、紫、棕的不同颜色的玻璃管。
7.根据权利要求1所述的一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，其特征在于，所述步骤(5)中，在拉棒过程中，通过对温度和牵引速率的调整，得到不同直径的导光棒。
8.根据权利要求1所述的一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，其特征在于，所述步骤(6)中，需用酒精灯加热其需弯曲部分，使其软化弯成所需角度。
9.根据权利要求1所述的一种玻璃光纤导光棒的制备工艺，其特征在于，所述步骤(6)中，对于直径较细导光原棒，用灯工拉制成大小头的锥形光导元件。
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