CN103477260B - 热力学扩散系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种热力学扩散系统和方法。根据本发明，当光纤的一部分被加热时，张力下的该光纤的一端被振动。光纤一端的推-拉动作迫使在位于热区中的该部分的光纤中增加（或加速）掺杂剂的扩散，热区接收热量。通过控制振动的幅度和频率，一个或多个光纤的扩散分布使可以被更准确指挥。具有较窄热分布的热源能够使指挥扩散分布更准确。例如，这对于在将被连结的光纤中产生扩散锥是特别有用的，其中锥是光纤芯热扩散的结果。扩散可以比典型扩散发生的更快。

Description

热力学扩散系统和方法

相关申请

本申请基于35USC119（e）要求2011年1月14日提交的美国临时专利申请61/432,697、名称为THERMALMECHANICALDIFFUSIONSYSTEMANDMETHOD的优先权。本申请可以被认为与2010年3月1日提交的美国专利申请第12/715,010号（美国公开2010-0226613A1）有关，其是于2010年3月2日授权的美国专利第7,670,065号的继续申请，其要求了2007年2月7日提交的美国临时专利申请60/888,691、2007年8月3日提交的60/953,803、以及2007年10月2日提交的60/976,859的优先权；以及与2010年1月15日提交的美国专利申请第12/688,849号（美国公开2010-0135621A1）有关，其是2010年3月2日授权的美国专利第7,670,065号的继续申请，其要求了2007年2月7日提交的美国临时专利申请60/888,691、2007年8月3日提交的60/953,803、以及2007年10月2日提交的60/976,859的优先权，在此上述每个文件都全部结合于此。

技术领域

本发明的概念涉及用于处理诸如光纤的材料的系统和方法的领域，例如，用于光纤束、线缆等等的切割、连结、拉锥、扩散、其他热处理等等的系统和方法。

背景技术

如本领域人员已知的，理想情况下，被连结在一起的两个纤维（即，光纤）应具有相同的数值孔径（“NA”）。即使纤维芯具有不同尺寸的情况下也是这样的。因此，NA是连结纤维时的关键参数。

通常，在光纤中，NA是无量纲数，表示光纤可以接收或发射光的角度范围，并且由以下公式给出：

$\mathrm{NA}=\sqrt{n_1^1-n_2^2},$

其中n1是光纤芯的折射率，以及n2是包层的光纤折射率。纤维芯和包层倾向于具有些许不同的组成，导致了不同的折射率。例如见图1。

选择性改变光纤的NA通常涉及改变芯的折射率和直径。这可以通过对固定光纤应用宽度大约为5mm-6mm的火焰来实现。纤维在其熔点温度被加热相当长时间，即几分钟或更长，直到包层和芯开始混合，从而通过将掺杂物扩散至其中来改变芯的折射率。纤维的一端也可以被牵拉，从而纤维的直径也选择性减小，也被称作“拉锥”。

加热部分在通常为高斯分布的热分布的中心被切割。因此，假设火焰具有大约5mm的宽度，则切割可以在距离热分布的每端大约2.5mm处发生。见图2。

对于单个纤维，该过程可以相对较好地进行。然而，因为使用这样的火焰花费数分钟或更多的时间来实现必要的扩散，所以这不能很快完成。慢扩散意味着低产出和高花费。

并且，具有固定火焰宽度的固定火焰对于能够被用于扩散的可达到的热分布存在很多限制。并且无论芯的直径，都使用相同的火焰。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种热力学扩散系统和方法。在纤维的一部分被加热时，纤维（或纤维束）的一端在应力下振动。纤维的至少一端的推拉迫使增加掺杂物在加热区中的纤维的该部分中的芯中扩散。因此，通过准确控制振动的幅度和频率，可以准确指示一个或多个纤维的扩散分布。同时，扩散可以比通常更快速地发生。例如，这可以对在将被连结的纤维中产生扩散锥非常有用，其中锥是纤维芯热扩散的结果。

根据本发明的一个方面，纤维（或纤维束）的第一和第二部分分别使用第一纤维座和第二纤维座固定。第一纤维座连接至振动机构。热源施加热至两个纤维座之间的纤维区域。振动机构导致第一纤维座的预设振动，纤维经受由第一纤维座导致的推和拉。因此，快速扩散发生在纤维芯中。

第二纤维座可以将纤维的第二部分保持在固定位置。

热源可以产生围绕纤维的基本相同的加热场。

热源可以是具有三个至更多电极的多电极热源。

热源可以是两个电极热源。

热源可以包括火焰。火焰可以直接应用于纤维，或应用于环绕纤维的熔炉。

热源可以是基本围绕纤维的丝状热源。丝状热源可以包括钨丝或石墨丝。

热源可以包括激光。激光可以是CO2激光。CO2激光可以是10μm激光。

快速扩散可以在不超过大约1分钟的时间内发生，例如，快速扩散可以在小于10秒钟内发生。

振动频率可以是1-100Hz。

在一些情况下，振动频率可以大于100Hz。

振动的幅度可以在大约1-100μm之间。例如，振动幅度可以是1-25μm。

在一些情况下，振动的幅度可以大于大约100μm。

根据热源的热分布的加热场宽度大约可以为5-6mm。

根据热源的热分布的加热场宽度大约可以为1mm或更少。例如，加热场宽度可以在大约500μm。

接收热的纤维的区域可以是热区。热区可以比热源的加热场更宽。

振动机构可以是至少一个压电致动器。

纤维可以多于一个纤维。

快速扩散可以被应用于纤维多于一个的区域。快速扩散可以应用于纤维的第一区域，然后应用于纤维的第二区域，以此类推。区域可以覆盖。

振动幅度和/或振动频率可以被编程。温度、扩散分布和将被加热的区域也可以被编程。

根据本发明的另一方面，提供了一种热力学扩散系统，用于实现光纤中的快速扩散。该系统包括第一纤维座，用于将至少一个纤维的第一部分固定；第二纤维座，用于将所述至少一个纤维的第二部分固定；振动机构，连接至第一纤维座，以及用于提供第一纤维座相对于第二纤维座的振动运动；以及热源，用于在振动运动期间，对布置在两个纤维座之间的至少一个纤维的一部分进行加热。

振动机构可以包括至少一个压电致动器。

振动机构可以用于产生第一纤维座的预定振动。

振动机构可以用于产生至少一个纤维上的推-拉动作。

第二纤维座可以用于将纤维的第二部分相对于第一纤维座维持在固定位置。

振动的频率可以在大约1Hz-100Hz的范围内。

振动的幅度可以在大约1μm-100μm的范围内。

振动的幅度可以在大约1-25μm的范围内。

热源可以用于产生围绕纤维的基本相同的加热场。

热源可以具有大约1mm或更小的热分布。

热源可以具有在大约5-6mm范围内的热分布。

热源可以是具有至少两个电极的多电极热源。

热源可以是3电极。

热源可以是丝状热源，基本环绕至少一个纤维的圆周。

热源可以是CO2激光。

接收热的纤维的一部分可以是热区，以及该热区比热源的加热场更宽。

根据本发明的另一方面，提供了一种在光纤中引起快速热扩散的方法。该方法包括将至少一个纤维的第一部分固定在第一纤维座中；将至少一个纤维的第二部分固定在第二纤维座中；以及相对于第二纤维座振动第一纤维座，同时对布置在两个纤维座之间的至少一个纤维的一部分进行加热来实现在至少一个纤维中的掺杂物的扩散。

该方法还可以包括对纤维多于一个的区域执行振动和加热。

该方法还可以包括使用可编程计算机控制振动幅度和振动频率中的至少一个。

该方法还可以包括使用可编程计算机控制热源的热分布。

该方法还可以包括使用可编程计算机控制至少一个纤维的扩散分布。

该方法还可以包括通过执行振动和加热不超过大约1分钟来在至少一个纤维中扩散掺杂物。

该方法还可以包括通过执行振动和加热不超过大约10秒钟来在至少一个纤维中扩散掺杂物。

热源可以产生围绕所述至少一个纤维的基本相同的加热场。

热源可以具有大约1mm或更小的热分布。

热源可以是具有至少两个电极的多电极热源。

振动可以由具有在大约1Hz-100Hz范围内的振动频率的至少一个压电陶瓷。

附图说明

鉴于附图和具体描述，本发明将变得显而易见。在此描述的实施例由示例方式而不是限制的方式提供，其中相同的参考标号表示相同或类似的部件。附图不必然成比例，重点仅用于描述本发明的各个方面。附图中：

图1是根据现有技术的光纤芯和包层的示意图；

图2是根据现有技术的用于扩散的典型火焰的高斯热分布曲线；

图3是根据本发明的多个方面的热动力扩散系统的实施例的示意图；

图4是具有通过热膨胀形成的扩散锥的纤维的示例的截面视图；

图5是根据本发明的多个方面的使用3电极Y结构的热动力扩散系统的实施例的示意图；

图6是根据本发明的多个方面的使用3电极T结构的热动力扩散系统的实施例的示意图；

图7是根据本发明的多个方面的可编程热动力扩散系统的实施例；

图8是根据本发明的多个方面的热动力扩散方法的实施例。

具体实施方式

以下将通过参考附图解释示例性实施例来描述本发明的多个方面。在描述这些实施例时，通常为了简洁，省略对已知事项、功能或结构的具体描述。

应该理解，尽管术语第一、第二等在此可以被用于描述各种元件，这些元件不应被这些术语限制。这些术语被用于在元件之间进行区别，但是不暗示元件要求顺序。例如，在不背离本发明的范围的情况下，第一元件可以被叫做第二元件，以及类似地，第二元件可以被叫做第一元件。如在此所使用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关事项中的任一个和所有组合。

应该理解，当元件被称为“位于另一元件之上”或“连接”或“耦接”至另一元件时，其可以直接位于另一元件之上或连接或耦接至另一元件，或可能存在中间元件。相反，当元件被称为“直接位于另一元件”或“直接连接”或“直接耦接”至另一元件时，没有中间元件存在。用于描述元件之间的关系的其他词应以类似的方式被解释（例如，“在…之间”相对于“直接在…之间”，“相邻”相对于“直接相邻”等等）。

在此使用的术语仅是为了描述特定实施例，不旨在限制本发明。如在此所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中清楚表示相反。还应该理解在此使用术语“包括”、“包含”、“具有”和/或“含有”时，说明存在规定特征、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或附加一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。

空间相对术语，例如“在下方”、“在下面”、“下面”、“在上方”、“上面”和类似术语可以用于描述一个元件和/或特征与其他元件和/或特征的关系。应该理解，空间相对术语旨在包括使用中的装置的不同方向和/或图中描述的方向之外的操作。例如，如果图中的装置被翻转，被描述为“在其他元件或特征下面”和/或“在其他元件或特征下方”的元件将定位为在其他元件或特征的“上方”。装置可以被旋转（例如旋转90度或任意方向），在此使用的空间相对描述将被相应解释。

根据本发明实现的在纤维中的扩散比现有系统更快，以及扩散分布可以比现有系统更准确。因此，纤维的数值孔径（NA）可以被更快速地改变并且具有更大的准确性。因此，拟将被连结在一起的纤维的NA可以以更短时间、使用更少的能量进行更准确地匹配。

根据本公开的一个方面，提供了一种热动力扩散系统和方法。图3、5和6提供了根据本发明的多个方面的热动力扩散系统的示例性实施例，以及图7提供了热动力扩散方法的示例性实施例。与现有系统不同，张力下的纤维的一端被振动，同时纤维的一部分被加热。纤维一端的推和拉迫使在热区中的那部分纤维中扩散增加。因此，通过准确控制振动的幅度和频率，一个或多个纤维的扩散分布可以被准确指挥。同样，扩散可以比通常发生的更快。

图3示出了根据本发明的多个方面的热动力扩散系统300的实施例的侧视图。在该实施例中，至少一个纤维或纤维束（统称为“纤维F”）的第一和第二部分分别使用第一纤维座FH1和第二纤维座FH2固定。第一纤维座FH1连接至动力振动机构VM。热源对两个纤维座FH1、FH2之间的纤维F的区域施加热。振动机构导致第一纤维座FH1的预定振动，纤维F经历由第一纤维座FH1产生的推和拉。

推和拉或振动导致张力，然后通过多个周期以小增幅释放纤维。该动力振动迫使热区中增加扩散，除此之外，其仅起因于施加热。因此，快速扩散发生在纤维F的芯中。例如，这可以导致芯的受控扩散-产生扩散锥。例如，在使用现有技术方法的扩散花费数十分钟的情况下，本发明尽管使用基本相同的温度，也可以以数十秒或更少时间实现类似结果，即使不是更好结果。但是因为使用本发明持续时间更短，所以可以节省可观的能源。

在图3中，纤维F沿Z轴，以及在本优选实施例中，振动机构优选地也沿Z轴。这通过位于纤维座FH1上方的双箭头表示。在该实施例中，纤维座FH2是固定的，从而固定在其中的纤维的第二部分不移动。再次，在该实施例中，这是优选的。作为示例，振动机构可以是压电致动器或压电机构，对其提供功率来产生必要的振动。在其他实施例中，不同类型的振动机构可以被使用。

振动机构例如，压电陶瓷，可以通过振动响应所施加的功率，这样的振动具有可以是输入功率的函数的幅度和频率。纤维F中的扩散分布将是振动机构的幅度和振动、以及纤维F的直径和结构、以及热源（宽度和峰值温度）的热分布的函数。假设热源的热分布不改变，并且纤维的物理性质是固有的，则调制振动的幅度和频率可以对指挥纤维中的扩散分布有显著影响。这可以被选择地实现，例如，在纤维中产生期望的热扩散锥。并且纤维的多个区域可以受到不同等级的热力学扩散，在每个区域产生不同数量的扩散。这些区域有必要的话可以重叠以产生期望的扩散分布。

振动的频率可以是1-100Hz，但是本发明不限于这个范围。如果需要或有利，振动的频率可以高于100Hz。

振动的幅度可以在大约1-100μm之间。即，振动机构可以具有1-100μm的移动范围。例如，在这样的情况下，可能期望振动幅度为1-25μm。但是没有固有的限制，如果需要或期望，振动的幅度可以多于100μm。

根本上，振动幅度和频率的选择可以大部分取决于纤维F、期望的扩散分布、和/或热源的热分布。

使用典型的热源，热分布是高斯分布，其中热源根据其高斯分布传递加热场。例如，火焰热源可以产生宽度大约5-6mm的加热场。三电极可以产生宽度大约1mm或更小的加热场，例如大约500μm。

使用所述的振动机构，热区（即，纤维的加热部分）可以宽于热源的加热场的宽度。三电极热源提供具有相对窄的宽度的加热场。因此，与使用产生宽度大约5-6mm的加热场的火焰相比可以更准确。

图4示出了具有使用根据本发明的热动力扩散系统和方法的芯的扩散锥的纤维的示例的截面侧视图。该锥通过由扩散产生的芯的扩散产生。如图所示，扩散分布在其中心具有最大直径，这是纤维通过被切割的地方。在该实施例中，热区大约是扩散分布的宽度。

热动力扩散可以在热区内的纤维F的不同区域处执行以产生期望的扩散分布。不同振动频率和/或幅度可以用在不同区域中，并且如果必要，这些区域可以重叠。例如，快速扩散可以应用于纤维的第一区域，然后应用于纤维的相邻第二区域，以此类推。

热源的热功率、振动幅度、和/或振动频率可以被编程（见图7）。例如，图4中所示的扩散分布可以通过对热区中的2个或更多区域应用热动力扩散来实现。

参考图3，热源优选地提供围绕纤维的基本相同的加热场，其中纤维被布置为其一部分是在加热场中。热源可以采用任意已知的或后续开发出的热源的形式。例如，热源可以是双极热源。热源可以包括火焰。火焰可以直接应用于纤维，或应用于环绕纤维的熔炉。热源可以是丝状热源，基本上沿圆周环绕一些或所有纤维。丝状热源可以例如包括钨丝或石墨丝，或其他类型的已知丝。激光可以是10μmCO2激光。在其他实施例中，热源可以是多电极热源，具有三个或更多的电极，如图5和6所示。

图5是根据本发明的多个方面的热动力扩散系统500的实施例的侧视图。热动力扩散系统500包括产生加热场的多电极热源。田纳西州富兰克林的3SAE科技公司的RingofFire^TM（火圈）多电极技术是可以使用的多电极热源的示例。图5示出了“Y”结构电极。例如，参考OpticalSocietyofAmerica（2007）的RobertWiley和BrettClark的LargeAreaIsothermicPlasmaforLargeDiameterandSpecialtyFiberSplicing，其可以通过引用结合于此，作为与3SAE科技公司的RingofFire^TM多电极技术相关的信息。

在图5中，存在示出的三个热电极（A、B和C），其被布置为形成加热场。在其他实施例中，可以提供不同的多个电极（例如，两个电极、4电极等等）。单个电极在本领域通常都是已知的，所以在此不详细讨论。在图5的示范布置中，电极可以产生加热场，具有在大约100C-大约3000C范围内的温度。所使用的温度通常取决于纤维F的组成，尤其是纤维的熔化温度。在图5的示范布置中，电极可以产生加热场，在高功率时具有大约1mm的宽度，以及在低功率时具有大约500μm的宽度。在一些实施例中，加热场可以是加热等离子场。

在图3中，至少一个纤维F被两个纤维座（FH1和FH2）把持或固定。纤维F被布置为穿过加热场，如图所示。在优选实施例中，电极基本垂直于纤维F。在该实施例中，纤维F可以被认为在Z轴上，如图5所示，以及多电极热源可以在X-Y平面中。尽管当前为优选的实施例，但是不是在所有实施例中都必须这样布置。例如，存在这样的实施例，其中加热场相对于Z轴和纤维F成角度。

在该实施例中，纤维F被牢固地把持在纤维座FH1和FH2中。纤维座FH2保持固定。然而，纤维座FH1被导致振动。为了示出的目的，纤维座FH1耦接至作为振动机构的压电陶瓷。当功率被施加至压电陶瓷时，其振动，使得纤维座FH1振动。该振动导致纤维F上的沿其轴（Z轴）的推和拉（推-拉）动作。压电陶瓷以可以被选择性选入或编程至控制器的幅度和频率振动。该推和拉运动导致热区内的纤维区域中的快速扩散。

图6是类似于图5的热动力扩散系统500的热动力扩散系统600的实施例的示意图。然而，在该实施例中，多电极热源布置了成“T”结构的3电极。该实施例其他都类似于图5的实施例。

图7是根据本发明的多个方面的可编程热动力扩散系统700的实施例。该可编程系统可以包括上述的热动力扩散系统300、500、600，其耦接至可编程接口710。除了其他在此讨论的可选的可编程特征或参数之外，热动力扩散系统300、500、600可以具有可编程的振动幅度和频率。编程可以被包括来应用热动力扩散至纤维的多于一个的区域，例如，在纤维内产生单一扩散分布。同样，热源的温度可以被编程。在一些实施例中，热动力扩散系统300、500、600包含或布置在至少部分真空中。

在一些实施例中，纤维组成、NA以及芯直径可以是计算机输入，以及一个或多个振动幅度、振动频率、热区区域、热源温度以及扩散分布可以由计算机确定。为了编程的目的，处理器、存储器和控制器可以被配置为设置并控制这样的参数。

图8是根据本发明的多个方面的热动力扩散方法800的实施例。如上所述，步骤802，纤维（或纤维束）的第一和第二部分分别使用第一纤维座和第二纤维座固定。第一纤维座连接至振动机构。第二纤维座可以保持固定。步骤804，热源施加热至纤维在两个纤维座之间的区域。步骤806，振动机构导致第一纤维座振动，纤维经受由第一纤维座引起的推和拉。结果是，快速扩散发生在纤维芯中。步骤808，当在该区域中完成扩散时，步骤810，确定是否热动力扩散应在另一限定区域中执行，另一限定区域可能或可能不与先前区域重叠。例如，这对于在将被切割的纤维内产生扩散锥尤其有用，例如，在锥是纤维芯的热扩散的结果的情况下。

尽管上面描述了被认为是最佳模式和/或其他优选的实施例，但是应该理解，可以对其进行各种修改，并且本发明或多个发明可以以各种模式和实施例实施，并且可以被应用在多个应用中，仅部分这些应用在此已经被描述。所附权利要求旨在要求其字面描述及其所有等同物，包括落在每个权利要求的范围内的修改和变形。

Claims (26)

1.一种用于实现光纤中快速扩散的热动力扩散系统，所述系统包括：

第一纤维座，用于固定至少一个纤维的第一部分；

第二纤维座，用于固定所述至少一个纤维的第二部分；

振动机构，连接至所述第一纤维座，以及用于提供所述第一纤维座相对于所述第二纤维座的振动运动；以及

热源，用于在所述振动运动期间，施加热至布置在两个纤维座之间的所述至少一个纤维的一部分。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动机构包括至少一个压电致动器。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动机构导致所述第一纤维座的预定振动。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动机构导致所述至少一个纤维上的推-拉动作。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二纤维座保持所述纤维的所述第二部分相对于所述第一纤维座在固定位置。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动的频率在1Hz-100Hz的范围内。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动的幅度在1μm-100μm的范围内。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动的幅度在1-25μm的范围内。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述热源产生围绕所述纤维的基本相同的加热场。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述热源具有1mm或更小的热分布。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述热源是具有至少两个电极的多电极热源。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述热源包括3电极。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述热源是基本环绕所述至少一个纤维的圆周的丝状热源。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述热源是CO₂激光。

15.根据权利要求1所述的系统，其中接收热的所述纤维的一部分是热区，以及所述热区宽于所述热源的所述加热场。

16.一种导致光纤中快速热扩散的方法，所述方法包括：

将至少一个纤维的第一部分固定在第一纤维座中；

将所述至少一个纤维的第二部分固定在第二纤维座中；以及

相对于所述第二纤维座振动所述第一纤维座，同时通过热源向布置在所述两个纤维座之间的所述至少一个纤维的一部分施加热，以实现在所述至少一个纤维中的掺杂物的扩散。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括对所述纤维的多于一个区域执行振动和加热。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括使用可编程计算机控制振动幅度和振动频率中的至少一个。

19.根据权利要求16所述的方法，还包括使用可编程计算机控制所述热源的热分布。

20.根据权利要求16所述的方法，还包括使用可编程计算机控制所述至少一个纤维的扩散分布。

21.根据权利要求16所述的方法，还包括通过执行所述振动和加热不超过1分钟来在所述至少一个纤维中扩散掺杂物。

22.根据权利要求16所述的方法，还包括通过执行所述振动和加热不超过10秒钟来在所述至少一个纤维中扩散掺杂物。

23.根据权利要求16所述的方法，其中所述热源产生所述热来使基本相同的加热场围绕所述至少一个纤维。

24.根据权利要求16所述的方法，其中所述热源具有1mm或更小的热分布。

25.根据权利要求16所述的方法，其中所述热源是具有至少两个电极的多电极热源。

26.根据权利要求16所述的方法，其中所述振动由具有在1Hz-100Hz范围内的振动频率的至少一个压电陶瓷引起。