CN101428963A - 制作多组分玻璃光纤预制棒的模具装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种制作多组分玻璃光纤预制棒的模具装置及方法，该模具装置由不锈钢柱形圆筒的两端和两块不锈钢端盖通过螺丝连接而成，所述的两块不锈钢端盖具有相同的供穿设纤芯玻璃棒的小孔，所述的不锈钢柱形圆筒的顶端侧壁设有低于顶端的通口，该通口构成所述的不锈钢柱形圆筒的内外相通的向内倾斜的凹槽。本发明解决了现有多组分玻璃光纤预制棒制作的界面损耗大、特殊端面结构玻璃光纤制作难度大、制作工艺复杂等问题。具有可以精确控制光纤端面的结构，工艺简单，可操作性好，生产效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃光纤，特别是一种制作多组分玻璃光纤预制棒的模具装置及方法。适用于具有不同纤芯结构类型的特种玻璃光纤预制棒的制作，尤其适用于各种基质的多组分玻璃光纤预制棒的制作。
背景技术
多组分玻璃光纤在光纤通信、光纤传感、医疗器械、仪表照明、光学工程等行业具有广泛的用途。特别是随着光网络传输容量的日益扩大，以往在常规石英光纤传输中的一些光学非线性效应得到了很大的积累和提高，对光信号传输产生了微扰和破坏，已经成为光通信过程中不能忽视的问题，从而促进了各种具有不同结构类型和色散模式的多组分特种玻璃光纤的发展，以解决光纤传输过程中遇到的各种光学问题。
从目前光纤预制棒的制作现状来看，通过化学气相沉积法制作常规的石英光纤是工业生产中产量最大、工艺最为成熟的方法。但是，对于端面形状较为复杂的特种玻璃光纤来说，化学气相沉积法的实际操作工艺难度大；尤其是对于多组分特种玻璃光纤来说，由于化学气相沉积法所能提供的原料仅为有限的几种，不能满足玻璃基质的组分变化要求，因此基本上不采用化学气相沉积的方法来制作多组分玻璃光纤。
传统的制作多组分玻璃光纤的方法主要有管棒法和吸注法。其中，管棒法是通过分别加工包层玻璃套管和纤芯玻璃棒，然后将纤芯玻璃棒插入包层套管构成的，该方法存在的问题是：包层套管是通过精密机械加工而成，这一方面在加工过程中引入了杂质，引入了光纤芯和包层之间的杂质损耗，另一方面纤芯玻璃棒是直接插入包层套管中间的，二者界面之间不可避免的存在一定的空隙，从而产生损耗，另外，玻璃套管的内部抛光、套管的内径、长度等都受到实际操作的限制，很难制得低损耗的单模玻璃光纤。吸注法是先将包层玻璃液倒入模具，然后迅速在模具上方继续倒入芯料玻璃液，通过模具下面未冷却玻璃液的少量滴漏，通过重力作用吸入模具上端的芯料玻璃液，从而制得光纤预制棒。该方法的特点是避免了机械加工带来的损耗，但是芯料在预制棒中的直径不均匀，可利用的纤芯玻璃棒短；漏料不容易控制，可重复性差；而且为了保证芯料的吸入，浇注时必须保证包层和芯料玻璃液的低粘度，从而在操作过程中容易引入气泡而增加光学损耗。
申请号为200410051091.8的发明专利中采用一种结合管棒法和吸注法的新制作方法，即先制备包层玻璃棒，通过精密加工成包层套管；然后将玻璃套管加热到高于玻璃转变温度Tg、低于玻璃熔化温度Ts下，直接倒入熔制好的玻璃芯料，再退火制得预制棒。这种采用热浇注的方法，避免了芯和包层之间的空隙，但仍然对包层套管采用了机械加工的方法，因此也就不能避免杂质的引入和加工的难度；同时，这种采用芯料玻璃液浇注已经成型的包层套管的方法，尽管在套管玻璃转变温度Tg以上进行，但实际操作中往往容易引起包层套管爆裂，操作难度大。
申请号为200510049336.8的专利采用了先制备相对称的半圆形预制棒，然后合在一起进行加热熔接的方式来制备出预制棒。该种方法不需要精密的机械加工，而且可以制作不同端面结构的玻璃光纤。但是，在通过两块对称的玻璃块体进行熔合之前，必须要对需熔合的端面进行清洗、抛光，以去除玻璃母体制备时模具引入的杂质；同时，两块母体玻璃在结合的时候不可避免地会存在一定的偏差，而这个偏差对于制备类似单模等芯径较细的预制棒来说，将会大大影响到纤芯的圆度和同心度。
申请号为200710150748.6的发明专利中采用了一种特制的玻璃棒浇注炉，通过模具在该炉内先制备出纤芯玻璃棒材料，熔拉变细后放置于模具中预热，然后再浇注入包层玻璃液，退火后制备出预制棒。该种方法的优点是制作工艺比较简单，而且不需要采用精密机械加工，芯与包层界面结合紧密而无杂质混入。缺点是：一方面该专利并未给出具体的纤芯玻璃棒放置方法，不能保证纤芯玻璃棒与包层套管的同心度；另一方面该专利公布的模具内径只有10mm左右，需要采用二次熔拉法才能制得单模光纤，增加了制备工艺的复杂性和难度；同时该专利采用了玻璃模具，不能制备与该模具热膨胀系数或软化温度相近的多组分玻璃基质，因而限制了其使用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种制作多组分玻璃光纤预制棒的模具装置及方法。本发明解决了现有多组分玻璃光纤预制棒制作过程中界面损耗大、特殊端面结构玻璃光纤制作难度大、制作工艺复杂等问题。可以精确控制光纤端面的结构，工艺简单，可操作性好，生产效率高等优点。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种制作多组分玻璃光纤预制棒的模具装置，其特垫在于：该装置包括不锈钢柱形圆筒，该不锈钢柱形圆筒的两端和两块不锈钢端盖通过螺丝连接，所述的两块不锈钢端盖具有相同的供穿设纤芯玻璃棒的小孔，所述的不锈钢柱形圆筒的顶端侧壁设有低于顶端的通口，该通口构成所述的不锈钢柱形圆筒的内外相通的向内倾斜的凹槽。
所述的小孔是位于所述的不锈钢端盖的圆心、偏心的一个小孔，或位于偏心的与圆心相对称的多个小孔。
所述的小孔为圆孔、方孔或其它多边形孔。
利用上述的模具装置制作玻璃光纤预制棒的方法，其特征在于包括如下步骤：
①熔制纤芯玻璃，制成圆棒后，按所需要的纤芯的形状和尺寸光纤拉丝机拉制成所述的纤芯玻璃棒；
②根据所需要制作多组分玻璃光纤的结构和尺寸，选择或加工所需要的模具装置，包括不锈钢柱形圆筒的长度和内径，不锈钢端盖的小孔的数目、形状、位置和尺寸，模具装置安装好后，将所述的纤芯玻璃棒插入所述的不锈钢端盖的小孔中，保障所述的纤芯玻璃棒与所述的不锈钢柱形圆筒的轴线平行后，固定在所述的模具装置中；
③打开炉口朝上的马弗炉，将装有纤芯玻璃棒的模具装置垂直地放置于炉内，在温度高于所述的纤芯玻璃棒的玻璃转变温度(Tg)而低于玻璃软化温度(Ts)条件下预热1～2小时；
④采用普通熔融法熔制包层玻璃液；
⑤取出装有包层玻璃液的坩埚(11)，迅速打开所述的马弗炉炉门，用夹钳将竖直放置的所述的模具装置沿着侧面凹槽(5)方向倾斜10～30°角，将倒筒(10)的尖端插入所述的凹槽(5)并深入所述的不锈钢柱形圆筒(1)内，将坩埚(11)内的包层玻璃液通过倒筒(10)沿着所述的模具装置顶端侧面凹槽(5)缓缓倒入所述的不锈钢柱形圆筒(1)内，将模具装置复位，关闭炉门；
⑥进行精密退火，冷却后卸开所述的模具装置，即获得所需要的光纤预制棒。
所述的纤芯玻璃棒和包层玻璃的材料为硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、碲酸盐、锗酸盐、铋酸盐或硫系多组分玻璃。
本发明的优点在于：
(1)不需要对包层玻璃或芯层玻璃棒进行精密机械加工，从而避免了杂质的混入和较高的加工难度，大大降低了纤芯玻璃棒和包层界面之间的杂质和气泡损耗；
(2)无论是纤芯玻璃棒还是包层，都是通过简单的浇注退火制作而成，工艺及其简单、可重复性好、效率高；
(3)只需通过纤芯玻璃棒的数目、分布和直径的变化来调整特种玻璃光纤的结构类型，制作光纤种类多样、操作简单易行；
(4)采用先固定纤芯玻璃棒，再浇注包层玻璃液的方法，使浇注包层玻璃液后纤芯玻璃棒的温度升高到软化点以上，从而避免了浇注过程中引起玻璃棒炸裂的危险；
(5)本发明适合于硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐、碲酸盐、锗酸盐、铋酸盐、硫系等多组分纤芯玻璃棒的制作。
附图说明
图1为制作多组分玻璃光纤预制棒的模具装置示意图。
图2为利用图1的模具装置浇注包层玻璃液时的示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不局限于下面的实施例。
先请参阅图1，图1为用于制作多组分玻璃光纤预制棒的模具装置示意图，由图可见，本发明制作多组分玻璃光纤预制棒的模具装置，包括不锈钢柱形圆筒1，该不锈钢柱形圆筒1的两端和两块不锈钢端盖2通过螺丝3连接，所述的两块不锈钢端盖2具有相同的供穿设纤芯玻璃棒9的小孔4，所述的不锈钢柱形圆筒1的顶端侧壁设有低于顶端的通口，该通口构成所述的不锈钢柱形圆筒1的内外相通的向内倾斜的凹槽5。
所述的小孔4是位于所述的不锈钢端盖2的圆心6、偏心7的一个小孔，或位于偏心的与圆心相对称的多个小孔8。
所述的小孔4为圆孔、方孔或其它多边形孔。
所述的纤芯玻璃棒和包层玻璃的材料为硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、碲酸盐、锗酸盐、铋酸盐或硫系多组分玻璃。
实施例1
一种单模光纤预制棒的制备方法，包括如下步骤：包括如下步骤：
①熔制纤芯玻璃，制成圆棒后，按所需要的纤芯的形状和尺寸光纤拉丝机拉制成直径为1.2mm的纤芯玻璃棒9；
②根据所需要制作多组分玻璃光纤的结构和尺寸，选择或加工所需要的模具装置，包括不锈钢柱形圆筒1的长度和内径，不锈钢端盖2的小孔4的数目、形状、位置和尺寸，模具装置安装好后，将所述的纤芯玻璃棒9插入所述的不锈钢端盖2的小孔4中，保障所述的纤芯玻璃棒9与所述的不锈钢柱形圆筒1的轴线平行后，固定在所述的模具装置中；
③打开炉口朝上的马弗炉，将装有纤芯玻璃棒9的模具装置垂直地放置于炉内，在温度高于所述的纤芯玻璃棒的玻璃转变温度(Tg)且低于玻璃软化温度(Ts)条件下预热1～2小时；
④采用普通熔融法熔制包层玻璃液；
⑤取出装有包层玻璃液的坩埚11，迅速打开所述的马弗炉炉门，用夹钳将竖直放置的所述的模具装置沿着侧面凹槽5方向倾斜10～30°角，将倒筒10的尖端插入所述的凹槽5并深入所述的不锈钢柱形圆筒1内，将坩埚11内的包层玻璃液通过倒筒10沿着所述的模具装置顶端侧面凹槽5缓缓倒入所述的不锈钢柱形圆筒1内，将模具装置复位，关闭炉门；
⑥进行精密退火，冷却后卸开所述的模具装置，即获得所需要的光纤预制棒。
所述的不锈钢端盖2的小孔4是通过端盖2的圆心的小孔6，且直径略大于所述的纤芯玻璃棒9的直径，以便所述的纤芯玻璃棒9的插入；不锈钢柱形圆筒1的顶端侧壁开有低于顶端5～15mm，宽度为15～25mm的凹槽5，所述的倒筒10的尖端插入所述的凹槽5并深入所述的不锈钢柱形圆筒1内长度为10～20mm，与外壁的倾斜角为15～30°。
实施例2
一种偏心光纤预制棒的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用普通熔融法熔制纤芯玻璃，加工成圆棒后通过光纤拉丝机拉制成直径为1.5mm的纤芯玻璃棒9；
(2)选用偏心小孔7的直径为2mm、孔心距离圆心为3mm、形状相同的两块不锈钢端盖2，保持两块不锈钢端盖2的偏心小孔7的连线与不锈钢柱形圆筒1的轴线平行，通过螺丝3将所述的不锈钢端盖2固定在内径为25mm不锈钢柱形圆筒1的两端，将纤芯玻璃棒9插入所述的不锈钢端盖2的偏心小孔7内，放入炉口朝上的马弗炉内，在温度高于纤芯玻璃棒的玻璃转变温度(Tg)，低于玻璃软化温度(Ts)量的条件下预热1～2小时；
(3)采用普通熔融法熔制包层玻璃；
(4)取出装有包层玻璃液的坩埚11，迅速打开预热预制棒模具的马弗炉炉门，用夹钳将竖直放置的模具装置沿着侧面凹槽5方向略为倾斜10～30°角；
(5)将坩埚11内的包层玻璃液通过倒筒10沿着模具装置顶端侧面凹槽5缓缓倒入所述的不锈钢柱形圆筒1内，参见图2，将模具装置复位，关闭炉门，进行精密退火，冷却后即可制得偏心光纤预制棒。
实施例3
一种熊猫型偏振光纤预制棒的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用普通熔融法熔制纤芯玻璃，加工成圆棒后，通过光纤拉丝机拉制成直径为1mm的纤芯玻璃棒；
(2)选用每个不锈钢端盖上都有两个偏心小孔8，且孔径都为1.5mm、孔心距离圆心为2mm并以圆心相对称的两块不锈钢端盖2，保持不锈钢端盖2相对应的小孔8的连线与所述的不锈钢柱形圆筒1圆柱体的轴线平行，通过螺丝3固定在内径为25mm不锈钢柱形圆筒1的两端，将纤芯玻璃棒9插入不锈钢端盖2的两个小孔8内，放入炉口朝上的马弗炉内，在温度高于纤芯玻璃棒的玻璃转变温度(Tg)，低于玻璃软化温度(Ts)的条件下预热1～2小时；
(3)采用普通熔融法熔制包层玻璃；
(4)取出装有包层玻璃液的坩埚11，迅速打开预热纤芯玻璃棒9的马弗炉炉门，用夹钳将竖直放置的模具装置沿着侧面凹槽5方向略为倾斜10～30°角；
(5)将坩埚11内的包层玻璃液通过倒筒10沿着模具装置顶端侧面凹槽5缓缓倒入所述的不锈钢柱形圆筒1内，参见图2，将模具装置复位，关闭炉门，进行精密退火，冷却后即可制得偏心光纤预制棒。
实施例4
一种矩形光纤预制棒的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用普通熔融法熔制芯层玻璃，加工成20×20×200mm3的长方体玻璃棒后通过光纤拉丝机拉制成端面为1.2×1.2mm2的方形纤芯玻璃棒；
(2)将带有1.5×1.5mm2方形小孔4的不锈钢端盖2通过螺丝3固定在内径为25mm不锈钢柱形圆筒1的两端，将所述的纤芯玻璃棒9插入不锈钢端盖2的方形小孔4内，放入炉口朝上的马弗炉内，在温度高于纤芯玻璃棒的玻璃转变温度(Tg)，低于玻璃软化温度(Ts)的条件下预热1～2小时；
(3)采用普通熔融法熔制包层玻璃；
(4)取出装有包层玻璃液的坩埚11，迅速打开预热预制棒模具的马弗炉炉门，用夹钳将竖直放置的模具沿着侧面凹槽5方向略为倾斜10～30°角；
(5)将坩埚11内的包层玻璃液通过倒筒10沿着模具装置顶端侧面凹槽5缓缓倒入所述的不锈钢柱形圆筒1内，参见图2，将模具装置复位，关闭炉门，进行精密退火，冷却后即可制得偏心光纤预制棒。
以上四个实施例实践表明：制备出的光纤预制棒未发生析晶或炸裂，包层—纤芯界面结合紧密并无气泡杂质，纤芯形状位置无变化，工艺过程简单易行，获得了比较理想的光纤预制棒。本发明解决了现有多组分玻璃光纤预制棒制作过程中界面损耗大、特殊端面结构玻璃光纤制作难度大、制作工艺复杂等问题。可以精确控制光纤端面的结构，工艺简单，可操作性好，生产效率高等优点。
Claims (5)
1、一种制作多组分玻璃光纤预制棒的模具装置，其特征在于：该模具装置包括不锈钢柱形圆筒(1)，该不锈钢柱形圆筒(1)的两端和两块不锈钢端盖(2)通过螺丝(3)连接，所述的两块不锈钢端盖(2)具有相同的供穿设纤芯玻璃棒(9)的小孔(4)，所述的不锈钢柱形圆筒(1)的顶端侧壁设有低于顶端的通口，该通口构成所述的不锈钢柱形圆筒(1)的内外相通的向内倾斜的凹槽(5)。
2、根据权利要求1所述的模具装置，其特征在于所述的小孔(4)是位于所述的不锈钢端盖(2)的圆心(6)、偏心(7)的一个小孔，或位于偏心的与圆心相对称的多个小孔(8)。
3、根据权利要求2所述的模具装置，其特征在于所述的小孔(4)为圆孔、方孔或其它多边形孔。
4、利用权利要求1所述的模具装置制作玻璃光纤预制棒的方法，其特征在于包括如下步骤：
①熔制纤芯玻璃，制成圆棒后，按所需要的纤芯的形状和尺寸通过光纤拉丝机拉制成所需要的纤芯玻璃棒(9)；
②根据所需要制作多组分玻璃光纤的结构和尺寸，选择或加工所需要的模具装置，包括不锈钢柱形圆筒(1)的长度和内径，不锈钢端盖(2)的小孔(4)的数目、形状、位置和尺寸，模具装置安装好后，将所述的纤芯玻璃棒(9)插入所述的不锈钢端盖(2)的小孔(4)中，保障所述的纤芯玻璃棒(9)与所述的不锈钢柱形圆筒(1)的轴线平行后，固定在所述的模具装置中；
③打开炉口朝上的马弗炉，将装有纤芯玻璃棒(9)的模具装置垂直地放置于炉内，在温度高于所述的纤芯玻璃棒的玻璃转变温度(Tg)且低于玻璃软化温度(Ts)条件下预热1～2小时；
④采用普通熔融法熔制包层玻璃液；
⑤取出装有包层玻璃液的坩埚(11)，迅速打开所述的马弗炉炉门，用夹钳将竖直放置的所述的模具装置沿着侧面凹槽(5)方向倾斜10～30°角，将倒筒(10)的尖端插入所述的凹槽(5)并深入所述的不锈钢柱形圆筒(1)内，将坩埚(11)内的包层玻璃液通过倒筒(10)沿着所述的模具装置顶端侧面凹槽(5)缓缓倒入所述的不锈钢柱形圆筒(1)内，将模具装置复位，关闭炉门；
⑥进行精密退火，冷却后卸开所述的模具装置，即获得所需要的光纤预制棒。
5、根据权利要求4所述的制作玻璃光纤预制棒的方法，其特征在于所述的纤芯玻璃棒和包层玻璃的材料为硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、碲酸盐、锗酸盐、铋酸盐或硫系多组分玻璃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090513 |