CN110228942B - 一种多芯型石英传像光纤的制备方法 - Google Patents

一种多芯型石英传像光纤的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多芯型石英传像光纤的制备方法,其特征在于先制备单芯棒,芯层的折射率为阶跃型或渐变型;将单芯棒拉制成单芯玻璃丝,单芯玻璃丝的直径为1~5mm;将等长的单芯玻璃丝清洗干燥后堆积填充至石英玻璃管内,再对充满单芯玻璃丝的石英玻璃管加热使其熔缩成实心的多芯棒;然后将所述的多芯棒拉制成多芯玻璃丝,将等长的多芯玻璃丝清洗干燥后堆积填充至石英玻璃管内,直至充满石英玻璃管内孔,再将充满多芯玻璃丝的石英玻璃管加热使其熔缩成实心的复合多芯棒;最后将复合多芯棒放在拉丝塔上拉制成纤,即制成多芯型石英传像光纤,传像光纤的外径为100~1200μm。本发明不仅工艺稳定,产出率高,产品质量好,而且所制备的传像光纤耐高温,像元数和分辨率高。

Description

一种多芯型石英传像光纤的制备方法
技术领域
本发明涉及一种多芯型石英传像光纤的制备方法,属于传像光纤制备技术领域。
背景技术
传像光纤(或光纤传像束)是一种可以弯曲的传输图像的无源器件,主要用于内窥镜内的图像传输,是各种内窥镜不可缺少的核心重要光学元器件。传像光纤具有体积小、重量轻、使用自由度大、易实现复杂空间结构的图像传输、无源实时传像、耐高温、抗电磁辐射、抗核辐射等优点,广泛应用于医疗、工业、科研、航天和军事等领域。
同以CCD或CMOS为传像元件的电子内窥镜相比,以传像光纤为传像元件的光纤内窥镜具有探头直径小、价格便宜、无源、装置小型化、使用方便、不受电磁杂波的影响等优势,可以用于高温、电磁辐射、核辐射等恶劣环境,而CCD或CMOS电子内窥镜的成像过程涉及光电转换和电光转换,因而不能在以上恶劣环境下使用。这也使得传像光纤在军事上可用于主战坦克的机关枪瞄准、舰船用全方位环观测仿真***、光纤瞄准轻武器、光纤潜望镜侦查、军用飞机光纤观测瞄准***、核爆轰实验图像即时采集等。
传统的传像光纤是一种多组分玻璃制作的束型的光纤传像束,是把几万根10-20μm的多组分玻璃光纤两端进行相关排列,胶合定位,中间呈散乱状态,它的缺点是存在胶合边界,制作难度大、工艺复杂、成本高、吸收损耗大等。多芯型石英传像光纤是把成千上万根石英光纤整齐地排列在石英套管内,融为一体,形成单根多芯型石英传像光纤,它具有分辨率高、可制造长度长和成本低等优点。石英传像光纤与多组分玻璃光纤传像束相比具有以下优点:1)可实现超细直径,更适于医疗内窥镜的应用;2)光学传输性能卓越,图像质量更高;3)分辨率更高;4)可实现长距离的光学传输;5)化学稳定性高,机械耐久性高;6)在医学、工业和军工等领域具有更广泛的应用前景。
在中国专利CN102520479A中,将石英预制棒拉制成单丝直径为20-50μm的石英光纤细丝,然后用溜丝排片法将石英光纤细丝集合成束,制作成石英光纤传像束,这种光纤传像束单丝直径大、像元数和分辨率较低。在专利CN101702045B中,将预制棒拉制成单丝,将合适数量的单丝按六边形密堆积排列后拉制成复丝,然后将复丝再次按密堆积的方式进行排列成为复丝束,将复丝束拉制成光纤传像束,这种方法在六边形堆积时,六边形边缘与圆形的玻璃管内壁之间存在间隙,在拉制复丝时单丝之间以及单丝与外套管之间没有固定,容易滑动和断丝,工艺可操作性不强。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足,提供一种多芯型石英传像光纤的制备方法,该方法不仅工艺稳定,产出率高,产品质量好,而且所制备的传像光纤耐高温,像元数和分辨率高。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为:
先制备单芯棒,芯层的折射率为阶跃型或渐变型,单芯棒直径为10~50mm;
将单芯棒拉制成单芯玻璃丝,单芯玻璃丝的直径为1~5mm;
将等长的单芯玻璃丝清洗干燥后堆积填充至石英玻璃管内,直至充满石英玻璃管内孔,再对充满单芯玻璃丝的石英玻璃管加热使其熔缩成实心的多芯棒;
然后将所述的多芯棒拉制成多芯玻璃丝,多芯玻璃丝的直径为1~5mm;
将等长的多芯玻璃丝清洗干燥后堆积填充至石英玻璃管内,直至充满石英玻璃管内孔,再对充满多芯玻璃丝的石英玻璃管加热使其熔缩成实心的复合多芯棒;
最后将复合多芯棒放在拉丝塔上拉制成纤,即制成多芯型石英传像光纤,所述传像光纤的外径为100~1200μm。
按上述方案,所述的单芯棒外包层/芯层直径比为1.1~2.0。
按上述方案,所述的单芯玻璃丝或多芯玻璃丝的长度为200~1000mm。
按上述方案,在石英玻璃管内填充单芯玻璃丝或多芯玻璃丝时玻璃管水平放置,单芯玻璃丝或多芯玻璃丝在重力作用下自然形成紧密堆积;所述的芯玻璃丝或多芯玻璃丝直径相同。
按上述方案,石英玻璃管内填充的单芯玻璃丝或多芯玻璃丝的数量根据以下公式计算:
Y=3*Q*(Q-1)+k (1)
Q=R/d=D/(2*d) (2)
式中,Y为石英玻璃管内填充的单芯玻璃丝或多芯玻璃丝的数量;Q为绕玻璃管截面圆心堆积的圈数;k为修正系数,取1~10;R为石英玻璃管内圆半径;D为石英玻璃管内圆直径;d为所填充的单芯玻璃丝或多芯玻璃丝的直径。
按上述方案,所述的充满单芯玻璃丝或多芯玻璃丝的石英玻璃管加热熔缩是在熔缩塔高温加热炉里加热熔缩成实心的多芯棒或复合多芯棒,熔缩过程用真空泵连接抽气管对石英玻璃管内进行抽真空。
按上述方案,所述的熔缩塔高温加热炉包括石英玻璃管炉体,在炉体的外周安设可轴向往复移动的加热炉套,在炉体的两端分别安设玻璃堵头和密封盖,在炉体的一端安设有抽气管,抽气管与真空泵相连通。
本发明的有益效果在于:1、通过两次熔缩工艺制备实心多芯预制棒,然后将实心多芯预制棒拉制成多芯型石英传像光纤,该方法工艺稳定,可操作性强,拉丝时不易滑动和断丝,产出率高;2、所制备的传像光纤不仅耐高温,像元数和分辨率高,而且质量好。
附图说明
图1为本发明一个实施例的工艺流程框图。
图2、图3、图4分别为本发明的单芯棒折射率剖面图。
图5为本发明熔缩塔高温加热炉结构及熔缩工艺示意图。
图6为本发明一次熔缩多芯预制棒或二次熔缩复合多芯预制棒时玻璃管内玻璃丝堆积填充图。
图7为本发明一次熔缩多芯预制棒工艺所得的实心多芯预制棒的端面图。
图8为二次熔缩复合多芯预制棒工艺所得的实心复合多芯预制棒的显微图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的工艺流程见图1,本发明的具体实现方式为:
(1)高NA芯棒制备:采用PCVD或者VAD平台制备出高NA(数值孔径)的单芯棒,单芯棒包含芯层、内包层和外包层三层同轴的结构,通过芯层和内包层的折射率差来实现光波导,折射率剖面见图2~4。其中图2和图3所示的折射率剖面,芯层a通过掺锗实现高折射率,内包层b通过掺氟实现低折射率,外包层c为纯二氧化硅。图4所示的折射率剖面,芯层a为纯二氧化硅层(或者掺杂了少量的锗或氟),内包层b为掺氟层,通过掺氟实现低于芯层的折射率,外包层c为纯二氧化硅。芯层a和内包层b之间的折射率差实现光波导,保证多芯传像光纤的每个芯子(像元)可以传输光,外包层c起到保护芯层和内包层的作用。基于此,被观测物体发出的光被传像光纤的成千上万个像元传输到光纤的另一端,包含被观测物体图像信息的光在另一端即通过这成千上万个像元显示出物体的图像,从而实现图像传输。芯层和内包层之间折射率差越大,则数值孔径越大,传像光纤观测角度范围也就越大。
(2)单芯玻璃丝拉制:将上述单芯棒在拉丝塔上拉制成直径为2mm、长度为800mm的单芯玻璃丝。
(3)一次熔缩多芯预制棒:如图5所示,将上述拉丝的270根直径为2mm的单芯玻璃丝腐蚀、清洗、干燥后堆积填充在内径为40mm、壁厚为2mm的石英玻璃管内,直至填满玻璃管,填充时玻璃管水平放置,玻璃丝在重力作用下会自然形成紧密堆积,适当转动和抖动玻璃管可以促进玻璃丝的紧密堆积。根据前述的式(1)和式(2)计算得到填充的单芯玻璃丝的数量为275左右,通过实验发现,实际填充的玻璃丝数量和理论计算值非常接近。因此,可利用以上单芯玻璃丝填充数量的计算公式来计算和设计多芯预制棒的芯数以及传像光纤的像元数。充填完单芯玻璃丝后,将充满单芯玻璃丝的石英玻璃管放入熔缩塔高温加热炉里加热使其熔缩成实心的多芯棒;所述的熔缩塔高温加热炉包括石英玻璃管炉体1,在炉体的外周安设可轴向往复移动的加热炉套6,在炉体的两端分别安设玻璃堵头2和密封盖3,在炉体的一端安设有抽气管4,抽气管与真空泵相连通。将填充满单芯玻璃丝的玻璃管5放在熔缩塔高温加热炉内加热使其熔缩成实心的多芯棒,熔缩过程用真空泵连接抽气管4对玻璃管进行抽真空,防止气体残留形成气泡或气线,最终得到如图7所示的实心多芯棒。
(4)多芯玻璃丝拉制:将上述得到的多芯棒放在拉丝塔上拉制成直径为2mm、长度为600mm的多芯玻璃丝。
(5)二次熔缩复合多芯预制棒:将上述220根含270芯的多芯玻璃丝清洗干燥后堆积填充在内径为36mm、壁厚为2mm的石英玻璃管内,直至填满玻璃管,填充时玻璃管水平放置,玻璃丝在重力作用下会自然形成紧密堆积。将填充满多芯玻璃丝的玻璃管放在熔缩塔高温炉里面加热使其熔缩成实心的复合多芯棒。通过两次熔缩得到的复合多芯棒的芯数为270*220=5.9万芯。通过二次熔缩多芯预制棒工艺可以根据需要灵活设计芯数,具有容易制备大芯数预制棒和高像元数传像光纤的优点。过程同步骤(3)类似,玻璃丝堆积填充方法同图6,最终得到的实心多芯预制棒端面显微图如图8所示,芯数为5.9万芯。由于熔缩挤压变形,每单根玻璃丝熔缩后端面(截面)变为六边形。此复合多芯棒为实心预制棒,便于拉丝时的夹持和拉锥掉头,不会出现玻璃丝滑动和断丝的现象。
(6)多芯传像光纤拉丝:将上述制得的复合多芯棒放在拉丝塔上拉制成多芯型石英传像光纤,像元数为5.9万芯,根据需要外径为100μm-1200μm。

Claims (4)

1.一种多芯型石英传像光纤的制备方法,其特征在于
先制备单芯棒,芯层的折射率为阶跃型或渐变型,单芯棒直径为10~50mm;
将单芯棒拉制成单芯玻璃丝,单芯玻璃丝的直径为1~5mm;
将等长的单芯玻璃丝清洗干燥后堆积填充至石英玻璃管内,直至充满石英玻璃管内孔,再对充满单芯玻璃丝的石英玻璃管加热使其熔缩成实心的多芯棒;
然后将所述的多芯棒拉制成多芯玻璃丝,多芯玻璃丝的直径为1~5mm;
将等长的多芯玻璃丝清洗干燥后堆积填充至石英玻璃管内,直至充满石英玻璃管内孔,再将充满多芯玻璃丝的石英玻璃管加热使其熔缩成实心的复合多芯棒;
最后将复合多芯棒放在拉丝塔上拉制成纤,即制成多芯型石英传像光纤,所述传像光纤的外径为100~1200μm;
石英玻璃管内填充的单芯玻璃丝或多芯玻璃丝的数量根据以下公式计算:
Y=3*Q*(Q-1)+k (1)
Q=R/d=D/(2*d) (2)
式中,Y为石英玻璃管内填充的单芯玻璃丝或多芯玻璃丝的数量;Q为绕玻璃管截面圆心堆积的圈数;k为修正系数,取1~10;R为石英玻璃管内圆半径;D为石英玻璃管内圆直径;d为所填充的单芯玻璃丝或多芯玻璃丝的直径;
所述的充满单芯玻璃丝或多芯玻璃丝的石英玻璃管加热熔缩是在熔缩塔高温加热炉里加热熔缩成实心的多芯棒或复合多芯棒,熔缩过程用真空泵连接抽气管对石英玻璃管内进行抽真空;所述的熔缩塔高温加热炉包括石英玻璃管炉体,在炉体的外周安设可轴向往复移动的加热炉套,在炉体的两端分别安设玻璃堵头和密封盖,在炉体的一端安设有抽气管,抽气管与真空泵相连通。
2.按权利要求1所述的多芯型石英传像光纤的制备方法,其特征在于所述单芯棒的外包层/芯层直径比为1.1~2.0。
3.按权利要求1或2所述的多芯型石英传像光纤的制备方法,其特征在于所述的单芯玻璃丝或多芯玻璃丝的长度为200~1000mm。
4.按权利要求1或2所述的多芯型石英传像光纤的制备方法,其特征在于在石英玻璃管内填充单芯玻璃丝或多芯玻璃丝时玻璃管水平放置,单芯玻璃丝或多芯玻璃丝在重力作用下自然形成紧密堆积;所述的单芯玻璃丝或多芯玻璃丝直径相同。
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