CN117023972A - 一种石英型低串扰传像光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤技术领域，公开了一种石英型低串扰传像光纤及其制备方法。本发明首先腐蚀第一高NA芯棒的纯二氧化硅层，将腐蚀后的芯棒置于掺氟玻璃套管内熔缩得到第二高NA芯棒，该芯棒的数值孔径为0.40～0.45；然后对第二高NA芯棒进行拉制得到单芯毛细棒；将若干单芯毛细棒堆叠在第一纯二氧化硅外套管内得到复丝预制棒，对复丝预制棒进行拉制得到复丝毛细棒；对复丝毛细棒的纯二氧化硅包层进行部分腐蚀，得到腐蚀后的复丝毛细棒；最后将若干腐蚀后的复丝毛细棒堆叠在第二纯二氧化硅外套管内得到传像光纤预制棒，对传像光纤预制棒进行拉制得到石英型低串扰传像光纤。本发明能够提高芯棒、传像光纤的NA值，降低纤芯之间的串扰。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种石英型低串扰传像光纤及其制备方法。
背景技术
传像光纤，也称成像光纤、多芯传像束或光纤传像束，是一种无源光纤传像器件。无源光纤传像器件主要由两种类型，一种是刚性的光纤面板；一种是具有柔性的光纤传像束，也包括具有半柔性的纯二氧化硅多芯型传像光纤。纯二氧化硅型传像光纤具有体积小、质量轻、抗高温、抗电磁干扰、具有一定的柔性以及图像传输过程较为灵活的优点，因此被广泛应用于内窥镜等领域。表征传像光纤性能的指标尤为重要的有三项，分别是数值孔径、透过率及分辨率。传像光纤的数值孔径与光纤单丝数值孔径一致，其大小表明传像光纤集光能力的强弱；透过率是表征传像光纤透光性能高低的重要标志，透过率高则透光性好；分辨率是表征传像光纤传输图像质量的参数，指传像光纤能分辨空间两点像之间的最小距离，通常用每毫米内所能分辨的线距对数(lp/mm)来表示，分辨率越高传输质量越好，清晰度越高。另外，光纤的串扰率也是影响传像光纤图像传输质量的影响因素之一，如何优化光纤芯间串扰一直备受众多研究者关注。
传统的传像光纤是由多组分玻璃材料制成的束型的光纤传像束，是将数千乃至数万根长度一定、直径为若干微米的多组分玻璃单丝两端进行胶合定位，使做相关排列的光纤像元相对定位，而中间大部分长度的光纤束呈自由松散状态，以具有柔性，这样制备的传像光纤是存在一定缺点的，存在胶合边界、工艺复杂、制作难度大、成本高、吸收损耗大等。石英型传像光纤是将成千上万根石英光纤整齐地排列在纯二氧化硅套管内，加热熔融为一体，形成单根石英型传像光纤，这样制备的传像光纤具有高分辨率、较长的拉制长度和成本低等优点。与多组分玻璃传像光纤束相比，石英型传像光纤具有以下优点：1)可制备超细直径的传像光纤，更适于医疗内窥镜的应用，尤其是胰胆管和支气管等部位；2)光学传输性能卓越，图像质量更高；3)更高的分辨率；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)在医疗、工业和国防军工等领域具有更广阔的应用前景。
然而，传统的纯二氧化硅掺杂体系制备高数值孔径(NA)芯棒的方式有其上限，难以达到或超过0.4，如何进一步突破此上限以达到更高的数值孔径成为主要技术难题。
发明内容
本发明通过提供一种石英型低串扰传像光纤及其制备方法，解决现有技术中传像光纤的NA值上限难以突破，芯间串扰有待进一步降低的问题。
第一方面，本发明提供一种石英型低串扰传像光纤的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、腐蚀第一高NA芯棒的纯二氧化硅层，将腐蚀后的芯棒置于掺氟玻璃套管内熔缩，得到第二高NA芯棒；
其中，所述第一高NA芯棒为采用PCVD工艺制备得到的芯棒，所述第一高NA芯棒从内至外依次包括纯二氧化硅掺锗的芯层、纯二氧化硅掺氟的下陷层和作为包层的所述纯二氧化硅层，所述第一高NA芯棒的数值孔径的取值范围为0.20～0.35；所述第二高NA芯棒从内至外依次包括纯二氧化硅掺锗的芯层、纯二氧化硅掺氟的下陷层和作为包层的所述掺氟玻璃套管，所述第二高NA芯棒的数值孔径的取值范围为0.40～0.45；
步骤2、对所述第二高NA芯棒进行拉制，得到单芯毛细棒；
步骤3、将若干所述单芯毛细棒堆叠在第一纯二氧化硅外套管内，得到复丝预制棒；对所述复丝预制棒进行拉制，得到复丝毛细棒；
步骤4、对所述复丝毛细棒的纯二氧化硅包层进行部分腐蚀，得到腐蚀后的复丝毛细棒；
步骤5、将若干所述腐蚀后的复丝毛细棒堆叠在第二纯二氧化硅外套管内，得到传像光纤预制棒；对所述传像光纤预制棒进行拉制，得到石英型低串扰传像光纤。
优选的，所述步骤1中，所述第二高NA芯棒中的所述纯二氧化硅掺锗的芯层具有正的相对折射率，正相对折射率差的范围为+0.5％～+3.5％；所述第二高NA芯棒中的所述掺氟玻璃套管具有负的相对折射率，负相对折射率差的范围为-2.0％～-0.2％。
优选的，所述步骤2中，得到的所述单芯毛细棒的直径的取值范围为1.2mm～2.6mm，长度的取值范围为800mm～1200mm；所述步骤3中，得到的所述复丝毛细棒的直径的取值范围为1.5mm～3.5mm，长度的取值范围为700mm～1000mm；所述步骤4中，得到的所述腐蚀后的复丝毛细棒的纯二氧化硅包层的厚度的取值范围为20um～200um。
优选的，所述步骤3中，所述第一纯二氧化硅外套管的内外径比的取值范围为0.30～0.85；所述步骤5中，所述第二纯二氧化硅外套管的内外径比取值范围为0.30～0.85。
优选的，所述步骤5中，得到的所述石英型低串扰传像光纤中单个纤芯的直径与芯间距之比的取值范围为0.45～0.85。
优选的，所述步骤5中，得到的所述石英型低串扰传像光纤的传像面直径与包层直径之比的取值范围为0.50～0.95。
优选的，所述步骤5中，得到的所述石英型低串扰传像光纤的分辨率范围为100lp/mm～250lp/mm。
优选的，所述步骤5中，得到的所述石英型低串扰传像光纤的透过率大于50％/m。
优选的，所述石英型低串扰传像光纤还包括涂覆层，所述涂覆层的厚度为20um～200um。
第二方面，本方面提供一种石英型低串扰传像光纤，采用上述的石英型低串扰传像光纤的制备方法制备得到。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明中芯棒预制棒(即第二高NA芯棒)为芯层-下陷层-包层结构，芯层为纯二氧化硅掺锗实现高折射率，下陷层为纯二氧化硅掺氟，包层采用掺氟玻璃套管以实现更低折射率的包层，通过上述设计使芯棒具有更高的NA，能够突破传统纯二氧化硅掺杂体系制备芯棒的NA值上限，较高的NA值能够有效地抑制纤芯之间的相互耦合，因此本发明能够降低纤芯之间的串扰，获得更清晰的传输图像。此外，本发明的芯棒预制棒结合PCVD(等离子体化学气相沉积)技术与管内芯棒熔缩技术制备而成，先通过PCVD制备常规高NA芯棒，其芯层掺锗含量高，下陷层掺氟以防止芯层光外泄从而降低芯间串扰，然后将此预制棒通过腐蚀的方式去掉纯二氧化硅层后再结合掺氟玻璃套管组装后通过管内芯棒熔缩熔实成芯棒预制棒。相较于采用FCVD(火焰气相沉积法)进行掺杂存在的掺杂量较大时会导致掺杂元素无法掺入而达不到预先设计状态的情况，而本发明利用PCVD技术能够确保掺杂元素有效掺入并达到预设的要求。本发明通过腐蚀的方式可以避免一些现有制备方法中采用机械加工的方式制备预制棒时因机械外力导致的芯棒炸裂的情况发生，能够有效提高成品率，且本发明将先将芯层与包层分开制备，更易得到折射率更大的芯层与折射率更低的包层，组合后得到折射率差更大的芯棒预制棒，即数值孔径更大。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种石英型低串扰传像光纤的制备流程图；
图2为第二高NA芯棒的折射率剖面示意图；
图3为复丝预制棒的端面示意图；
图4为腐蚀后的复丝毛细棒的端面示意图；
图5为传像光纤预制棒的端面示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供一种石英型低串扰传像光纤的制备方法，参见图1，包括以下步骤：
步骤1、管内芯棒熔缩。
腐蚀第一高NA芯棒的纯二氧化硅层，将腐蚀后的芯棒置于掺氟玻璃套管内熔缩，得到第二高NA芯棒。
具体的，所述第一高NA芯棒为采用PCVD工艺制备得到的芯棒，所述第一高NA芯棒从内至外依次包括纯二氧化硅掺锗的芯层、纯二氧化硅掺氟的下陷层和作为包层的所述纯二氧化硅层，所述第一高NA芯棒的数值孔径的取值范围为0.20～0.35。参见图2，所述第二高NA芯棒从内至外依次包括纯二氧化硅掺锗的芯层(图2中的a为芯层半径)、纯二氧化硅掺氟的下陷层(图2中的b为下陷层半径)和作为包层的所述掺氟玻璃套管(图2中的c为包层半径)，即芯棒结构为芯层—下陷层—包层三层同轴；所述第二高NA芯棒的数值孔径的取值范围为0.40～0.45。
其中，所述第二高NA芯棒中的所述纯二氧化硅掺锗的芯层具有正的相对折射率，正相对折射率差的范围为+0.5％～+3.5％；所述第二高NA芯棒中的所述掺氟玻璃套管具有负的相对折射率，负相对折射率差的范围为-2.0％～-0.2％。芯层与包层较大的折射率差使得所述第二高NA芯棒的数值孔径能够达到0.40以上。
例如，芯层通过掺锗形成正相对折射率差为+2.52％，下陷层通过掺氟降低折射率，包层为掺氟玻璃套管形成负相对折射率差为-1.27％，芯层与包层较大的折射率差使NA值达到0.407。
所述下陷层的相对折射率范围为-2.2％～-0.4％，所述下陷层用于防止芯层光泄露、降低芯间串扰。所述芯层与所述包层的比值即芯包比(a/c)的范围为0.45～0.85，所述下陷层与所述芯层的比值范围为0.05～0.50。
即本发明的步骤1中，将PCVD技术制备的常规高数值孔径芯棒腐蚀掉外部纯二氧化硅层，精确控制腐蚀程度，然后将腐蚀后的芯棒置于掺氟玻璃套管内，通过管内芯棒熔缩技术制备高NA(0.40≤NA≤0.45)的芯棒预制棒。
步骤2、制备单芯毛细棒。
对所述第二高NA芯棒进行拉制，得到单芯毛细棒。
具体的，将上述芯棒预制棒制备成直径相同的等长的单芯毛细棒，数值孔径大于等于0.40；所述单芯毛细棒的直径的取值范围为1.2mm～2.6mm，长度的取值范围为800mm～1200mm。
例如，将所述第二高NA芯在拉丝塔上拉制成直径为2.5mm、长度为1200mm的单芯毛细棒，并清洗干燥。
步骤3、制备复丝预制棒及复丝毛细棒。
参见图3，将若干所述单芯毛细棒1堆叠在第一纯二氧化硅外套管2内，得到复丝预制棒；对所述复丝预制棒进行拉制，得到复丝毛细棒。
具体的，将上述单芯毛细棒按一定数量随机排布在内径一定的纯二氧化硅外套管内，并固定在套管内部制备成复丝预制棒，纯二氧化硅外套管内外径比取值范围为0.30～0.85；堆叠过程水平放置纯二氧化硅外套管，单芯毛细棒在重力作用下自然形成紧密堆积。
将上述复丝预制棒制备成直径相同、长度相等的复丝毛细棒，所述复丝毛细棒的直径的取值范围为1.5mm～3.5mm，长度的取值范围为700mm～1000mm。
例如，将上述清洗干燥后的单芯毛细棒堆叠在内径为29mm、壁厚8mm的纯二氧化硅外套管内，直至填满外套管的整个内径，此时填充的单芯毛细棒数量约为100～110根。填充时外套管水平放置，单芯毛细棒在重力作用下自然紧密堆积，将单芯毛细棒固定在外套管内并不产生相对滑动，最终得到固定好的复丝预制棒。然后将上述复丝预制棒在拉丝塔上拉制成直径为2.9mm、长度为1000mm的复丝毛细棒。
步骤4、腐蚀复丝毛细棒。
对所述复丝毛细棒的纯二氧化硅包层进行部分腐蚀，得到腐蚀后的复丝毛细棒3，参见图4。
具体的，通过腐蚀法腐蚀掉所述复丝毛细棒的纯二氧化硅包层，精确控制腐蚀程度至合适的厚度，厚度的取值范围为20um～200um。
例如，将上述复丝毛细棒腐蚀掉部分纯二氧化硅包层，腐蚀后的复丝毛细棒的直径为1.90～1.95mm，然后对腐蚀后的复丝毛细棒进行清洗干燥。
步骤5、制备传像光纤预制棒及传像光纤。
参见图5，将若干所述腐蚀后的复丝毛细棒3堆叠在第二纯二氧化硅外套管4内，得到传像光纤预制棒；对所述传像光纤预制棒进行拉制，得到石英型低串扰传像光纤。
具体的，将腐蚀后的复丝毛细棒按一定数量随机排布在内径一定的纯二氧化硅外套管内，并固定在套管内部制备成传像光纤预制棒，纯二氧化硅外套管内外径比取值范围为0.30～0.85。
将上述传像光纤预制棒拉制得到传像光纤，得到的所述石英型低串扰传像光纤中单个纤芯的直径与芯间距之比的取值范围为0.45～0.85，传像面直径与包层直径之比的取值范围为0.50～0.95，分辨率范围为100lp/mm～250lp/mm，透过率大于50％/m。
光纤中的传像面由一个个独立的纤芯组成，纤芯数量从一万到数十万不等，所述石英型传像光纤的纤芯数量可以通过每次堆叠的毛细棒数量进行调控。
此外，所述石英型低串扰传像光纤还包括涂覆层，所述涂覆层的厚度为20um～200um。
例如，将上述清洗干燥后的腐蚀后的复丝毛细棒堆叠在内径为21.5mm、壁厚为4.75mm的纯二氧化硅外套管内，直至填满整个外套管，此时填充的单芯毛细棒数量约为100～110根。填充时外套管水平放置，腐蚀后的复丝毛细棒在重力作用下自然紧密堆积，将腐蚀后的复丝毛细棒固定在外套管内并不产生相对滑动，最终得到固定好的传像光纤预制棒。将上述传像光纤预制棒在拉丝塔上拉制成石英型低串扰传像光纤，纤芯数量约为1万芯，外径约为650um。
综上，本发明采用高数值孔径芯棒制备传像光纤的单个纤芯，传像光纤的包层为纯二氧化硅。纤芯预制棒由掺锗芯层—掺氟下陷层—掺氟玻璃套管组成，单芯毛细棒随机排布堆叠在纯二氧化硅外套管内，制备成复丝毛细棒；腐蚀后的复丝毛细棒再次进行随机排布堆叠在纯二氧化硅外套管，拉制成传像光纤。本发明能够提高芯棒、传像光纤的NA值，降低纤芯之间的串扰，能够较好地提高光纤端面的传像分辨率，提高传像质量，对生物医疗内窥镜等领域的发展具有重要意义。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种石英型低串扰传像光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、腐蚀第一高NA芯棒的纯二氧化硅层，将腐蚀后的芯棒置于掺氟玻璃套管内熔缩，得到第二高NA芯棒；
其中，所述第一高NA芯棒为采用PCVD工艺制备得到的芯棒，所述第一高NA芯棒从内至外依次包括纯二氧化硅掺锗的芯层、纯二氧化硅掺氟的下陷层和作为包层的所述纯二氧化硅层，所述第一高NA芯棒的数值孔径的取值范围为0.20～0.35；所述第二高NA芯棒从内至外依次包括纯二氧化硅掺锗的芯层、纯二氧化硅掺氟的下陷层和作为包层的所述掺氟玻璃套管，所述第二高NA芯棒的数值孔径的取值范围为0.40～0.45；
步骤2、对所述第二高NA芯棒进行拉制，得到单芯毛细棒；
步骤3、将若干所述单芯毛细棒堆叠在第一纯二氧化硅外套管内，得到复丝预制棒；对所述复丝预制棒进行拉制，得到复丝毛细棒；
步骤4、对所述复丝毛细棒的纯二氧化硅包层进行部分腐蚀，得到腐蚀后的复丝毛细棒；
步骤5、将若干所述腐蚀后的复丝毛细棒堆叠在第二纯二氧化硅外套管内，得到传像光纤预制棒；对所述传像光纤预制棒进行拉制，得到石英型低串扰传像光纤。
2.根据权利要求1所述的石英型低串扰传像光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述第二高NA芯棒中的所述纯二氧化硅掺锗的芯层具有正的相对折射率，正相对折射率差的范围为+0.5％～+3.5％；所述第二高NA芯棒中的所述掺氟玻璃套管具有负的相对折射率，负相对折射率差的范围为-2.0％～-0.2％。
3.根据权利要求1所述的石英型低串扰传像光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，得到的所述单芯毛细棒的直径的取值范围为1.2mm～2.6mm，长度的取值范围为800mm～1200mm；所述步骤3中，得到的所述复丝毛细棒的直径的取值范围为1.5mm～3.5mm，长度的取值范围为700mm～1000mm；所述步骤4中，得到的所述腐蚀后的复丝毛细棒的纯二氧化硅包层的厚度的取值范围为20um～200um。
4.根据权利要求1所述的石英型低串扰传像光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述第一纯二氧化硅外套管的内外径比的取值范围为0.30～0.85；所述步骤5中，所述第二纯二氧化硅外套管的内外径比取值范围为0.30～0.85。
5.根据权利要求1所述的石英型低串扰传像光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，得到的所述石英型低串扰传像光纤中单个纤芯的直径与芯间距之比的取值范围为0.45～0.85。
6.根据权利要求1所述的石英型低串扰传像光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，得到的所述石英型低串扰传像光纤的传像面直径与包层直径之比的取值范围为0.50～0.95。
7.根据权利要求1所述的石英型低串扰传像光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，得到的所述石英型低串扰传像光纤的分辨率范围为100lp/mm～250lp/mm。
8.根据权利要求1所述的石英型低串扰传像光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，得到的所述石英型低串扰传像光纤的透过率大于50％/m。
9.根据权利要求1所述的石英型低串扰传像光纤的制备方法，其特征在于，所述石英型低串扰传像光纤还包括涂覆层，所述涂覆层的厚度为20um～200um。
10.一种石英型低串扰传像光纤，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的石英型低串扰传像光纤的制备方法制备得到。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310847876.9A CN117023972A (zh) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | 一种石英型低串扰传像光纤及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310847876.9A CN117023972A (zh) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | 一种石英型低串扰传像光纤及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN117023972A true CN117023972A (zh) | 2023-11-10 |
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ID=88623434
Family Applications (1)
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- 2023-07-11 CN CN202310847876.9A patent/CN117023972A/zh active Pending
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