CN103833214B - 一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置及其控制方法。包括石英腔体、激光发射器、激光接收器、激光功率控制器、信号放大器一、信号放大器二、运动控制器、工控机、PC机、提升部马达、喷灯、喷灯移动马达和电源；提升部马达安装在石英腔体上部，提升部马达与卡盘相连，卡盘将光纤预制棒芯棒夹持，光纤预制棒芯棒安装在石英腔体内；激光发射器、激光接收器分别安装在石英腔体下部，激光接收器与激光功率控制器相连，激光功率控制器通过信号放大器一与工控机相连，工控机通过信号放大器一、信号放大器二与运动控制器相连，运动控制器通过控制线与提升部马达相连。石英腔体下部安装有喷灯移动马达，喷灯移动马达上装有喷灯。

Description

一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置及其控制方法
技术领域
本发明一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置及其控制方法涉及的是一种光纤预制棒芯棒轴向均匀生长的制造，具体的说是一种采用激光功率控制芯棒轴向直径均匀生长的装置及其方法。
技术背景
随着光纤预制棒技术的发展，目前较成熟的预制棒芯棒的制备方法主要有轴向气相沉积法（VAD）、改进的化学气相沉积法（MCVD）、等离子体化学气相沉积法（MCVD）。本专利使用装置背景为轴向气相沉积（VAD）。
粉末芯棒的尺寸直接影响光纤的主要参数，如折射率剖面和模场直径等，因此精确控制沉积过程中芯棒直径尺寸均匀对保证光纤的质量有决定性的意义。在影响芯棒生长的因素中，提棒速度与喷灯位置直接影响芯棒直径的均匀性。由于芯棒棒头生长环境并非一成不变（主要影响有反应环境压力波动，喷灯火焰波动，原料供气压力波动等），故在波动的反应环境中，为维持芯棒棒头轴向尺寸均匀，需要不断改变沉积效率维持均匀的芯棒轴向尺寸。
中国发明专利200610160491.1里介绍了将预制棒生长端部温度变化维持在-10℃~10℃/cm生长预制棒芯棒的方法来维持芯棒轴向直径的均匀生长，但未提激光控制的方法。
中国发明专利03141875.9里介绍了减少外径波动的光纤预制件的制造方法，喷枪相对靶棒作匀速往复移动，该方法对靶棒旋转速度R、喷枪移动速度V、喷枪火焰宽度H与螺距P比值等参数进行系统优化从而控制直径波动，但未提及激光控制的方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置及其控制方法，克服光纤预制棒芯棒轴向生长的直径不均匀，提供了一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置及其方法，这是一种控制提棒速度和控制喷灯运动位置，以使光纤预制棒芯棒轴向直径均匀生长的装置及方法。
需要控制提棒速度和控制喷灯运动位置，以使光纤预制棒芯棒轴向直径均匀生长。设定激光功率控制器的目标控制功率，当芯棒棒头脱离激光即接收激光值等于发射激光值时，运动控制器切换为提棒速度控制，提棒速度将降低，给予芯棒更多的生长时间；当接收激光值小于发射激光值时，运动控制器切换为喷灯位置运动控制，当激光功率大于目标控制功率时，喷灯向沉积效率高的方向移动，当激光功率小于目标控制功率时，喷灯向沉积效率低的位置移动。
一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置及其控制方法是采取以下方法实现：
本发明一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置包括石英腔体、激光发射器、激光接收器、激光功率控制器、信号放大器一、信号放大器二、运动控制器、工控机、PC机、提升部马达、喷灯、喷灯移动马达和电源。
在轴向气相沉积（VAD）方法下沉积光纤预制棒芯棒（下简称芯棒），提升部马达安装在石英腔体上部，提升部马达与卡盘相连，卡盘将光纤预制棒芯棒夹持，光纤预制棒芯棒安装在石英腔体内，沉积过程中光纤预制棒芯棒保持旋转，转速在15～25r/min，并以Vp（一般在40～80mm/h）的速度上提。
激光发射器、激光接收器分别安装在石英腔体下部，对准光纤预制棒芯棒棒头的底部，激光发射器连接有电源，激光接收器与激光功率控制器相连，激光功率控制器通过信号放大器一与工控机相连，工控机通过信号放大器一、信号放大器二与运动控制器相连，运动控制器通过控制线与提升部马达相连。石英腔体下部安装有喷灯移动马达，喷灯移动马达上装有喷灯，工控机通过控制线与喷灯移动马达、PC机相连，PC机连接有显示屏。
电源接110V交流电，给激光发射器供电，激光发射器发射出一束激光，并在对面安装激光接收器进行接收，调整激光发射与接收器位置使激光与光纤预制棒芯棒棒头的底部中心重合。将激光接收器信号通过接线给激光功率控制器，再从此接两路信号传输线给两个信号放大器。从信号放大器一接线至工控机，再从工控机接线至喷灯移动马达和PC；从信号放大器二接线至运动控制器，再从运动控制器接线至提升部马达。
一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置控制方法如下：
首先，设定激光发射器发射的激光功率为10mw，激光光斑直径为2mm，设定激光功率控制器的目标控制功率为3～5mw，一般选定4mw，激光功率控制器将比较接收功率与目标功率大小，并将信号发送给信号放大器。所述信号放大器一将反馈信号给工控机，工控机经过运算，控制喷灯移动马达的移动，并传送给PC机，显示在显示屏上，实时监控运动变化；所述信号放大器二将反馈信号传送给运动控制器，运动控制器根据反馈信号控制提升部马达的提棒（提升光纤预制棒芯棒）速度。
当光纤预制棒芯棒棒头脱离激光即接收激光值等于发射激光值10mw时，运动控制器控制提升部马达，切换为提棒速度控制模式，提棒速度将降低。
当接收激光值小于发射激光值10mw时，运动控制器控制喷灯移动马达，切换为喷灯位置运动控制模式，当激光功率大于目标控制功率4mw时，喷灯向沉积效率高的方向移动，当激光功率小于目标控制功率4mw时，喷灯向沉积效率低的位置移动。
本发明一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置及其控制方法用于制造光纤预制棒芯棒，具有如下特点：
1.根据反应环境的变化，实时调整喷灯沉积效率，以使光纤预制棒芯棒轴向生长均匀，设定两种模式可以应对不同环境下的反应，当光纤预制棒芯棒脱离激光即反应环境波动较大时，改变提棒速度能大幅度改变喷灯沉积效率，当反应环境波动较小时，改变喷灯位置能小幅度改变喷灯沉积效率，从而稳定光纤预制棒芯棒轴向均匀生长。
2.通过实时监控激光功率的变化，应对反应环境的变化，从而切换选择不同的模式控制。
3.较目前的VAD光纤预制棒芯棒直径波动控制方法，该发明量化了波动区间，即激光功率波动大的区间用提棒速度控制，激光功率波动小的区间，用喷灯移动控制，可以稳定芯棒的生长，并保证轴向尺寸的均匀，提高光纤预制棒芯棒的参数一致性，提高光纤质量。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明激光控制装置的示意图。
图2是确定图3中ΔY的曲线图。
图3是俯视视角上，喷灯与芯棒中心的相对位置。
图4（a）~(c)分别是本发明中喷灯位置运动模式时，不同沉积效率下，芯棒棒头与激光光斑的相对位置。
图5是本发明得出的使用激光控制芯棒生长与不使用激光控制芯棒生长的芯棒直径波动曲线图。
图1中各部示意：1.喷灯；2.激光发射器；3.光纤预制棒芯棒；4.提升部马达；5.激光接收器；6.激光功率控制器；7.信号放大器一；8.信号放大器二；9.运动控制器；10.喷灯移动马达；11.工控机；12.PC机；13.卡盘；14、电源，15、石英腔体。
具体实施方式
参照附图1～4，一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置包括石英腔体15、激光发射器2、激光接收器5、激光功率控制器6、信号放大器一7、信号放大器二8、运动控制器9、工控机11、PC机12、提升部马达4、喷灯1、喷灯移动马达10和电源14。
在轴向气相沉积（VAD）方法下沉积光纤预制棒芯棒（下简称芯棒），提升部马达4安装在石英腔体15上部，提升部马达4与卡盘13相连，卡盘13将光纤预制棒芯棒3夹持，光纤预制棒芯棒3安装在石英腔体15内，沉积过程中光纤预制棒芯棒3保持旋转，转速在15～25r/min，并以Vp（一般在40～80mm/h）的速度上提。
激光发射器2、激光接收器5分别安装在石英腔体15下部，对准光纤预制棒芯棒棒头的底部，激光发射器2连接有电源14，激光接收器5与激光功率控制器6相连，激光功率控制器6通过信号放大器一7与工控机11相连，工控机11通过信号放大器一7、信号放大器二8与运动控制器9相连，运动控制器9通过控制线与提升部马达4相连。工控机11通过控制线与喷灯移动马达10、PC机12相连，PC机12连接有显示屏。
电源14接110V交流电，给激光发射器2供电，激光发射器2发射出一束激光，并在对面安装激光接收器5进行接收，调整激光发射器2与激光接收器5位置使激光与光纤预制棒芯棒棒头的底部中心重合。将激光接收器5信号通过接线给激光功率控制器6，再从此接两路信号传输线给两个信号放大器。从信号放大器一7接线至工控机11，再从工控机11接线至喷灯移动马达10和PC机12；从信号放大器二8接线至运动控制器9，再从运动控制器9接线至提升部马达4。
一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置控制方法如下：
首先，设定激光发射器2发射的激光功率为10mw，激光光斑直径为2mm，设定激光功率控制器6的目标控制功率为3～5mw，一般选定4mw，激光功率控制器6将比较接收功率与目标功率大小，并将信号发送给信号放大器。所述信号放大器一7将反馈信号给工控机11，工控机11经过运算，控制喷灯移动马达10的移动，并传送给PC机12，显示在显示屏上，实时监控运动变化；所述信号放大器二8将反馈信号传送给运动控制器9，运动控制器9根据反馈信号控制提升部马达4的提棒（提升光纤预制棒芯棒）速度。
当光纤预制棒芯棒棒头脱离激光即接收激光值等于发射激光值10mw时，运动控制器9控制提升部马达4，切换为提棒速度控制模式，提棒速度将降低。
当接收激光值小于发射激光值10mw时，运动控制器9控制喷灯移动马达10，切换为喷灯1位置运动控制模式，当激光功率大于目标控制功率4mw时，喷灯1向沉积效率高的方向移动，当激光功率小于目标控制功率4mw时，喷灯1向沉积效率低的位置移动。
本发明一种制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置包括激光发射器2、激光接收器5、激光功率控制器6、信号放大器7与8、运动控制器9、工控机11等。
激光发射器2发射一束激光被激光接收器5接收，通过激光控制器6比较其与发射激光功率及目标控制功率大小，从而控制运动控制器9。我们设定激光发射器发射2的激光功率为10mw，激光光斑直径为2mm。激光功率控制器6的目标控制功率设定为4mw，并比较接收功率与目标功率及发射功率大小，并将信号发送给信号放大器。信号放大器7将反馈信号给工控机11，工控机11经过运算，控制喷灯移动马达10的移动，并传送给PC机12，显示在显示屏上，实时监控运动变化；所述信号放大器8将反馈信号传送给运动控制器9，运动控制器根据反馈信号控制提升部马达4的提棒速度。
当芯棒棒头脱离激光即接收激光值等于发射激光值（10mw）时，运动控制器9（其运动控制器为提升部马达）切换为提棒速度模式控制，提棒速度将降低。
当接收激光值小于发射激光值（10mw）时，运动控制器9（其运动控制器为喷灯移动马达）切换为喷灯位置运动模式控制，当激光功率大于目标控制功率（4mw）时，喷灯向沉积效率高的方向移动，当激光功率小于目标控制功率（4mw）时，喷灯向沉积效率低的位置移动。
图2描述了ΔY值确立的曲线关系，存在一个ΔY位置，当Core喷灯位置向前或向后移动微小距离，提棒速度变化最大，我们一般选定该位置作为喷灯的初始位置。
图3描述了俯视视角下，喷灯与芯棒中心相对位置，即喷灯以图2确立的ΔY位置为初始位置，向前运动增加沉积效率，向后运动降低沉积效率。
因此，在喷灯位置运动模式下，以图4为例：
a情况下，激光接收功率为8mw>目标控制功率4mw，激光控制器6反馈信号至信号放大器8，运动控制器接收到信号即控制喷灯向前（沉积效率高）运动。
b情况下，激光接收功率为4mw，喷灯位置不运动。
c情况下，激光接收功率为2mw<目标控制功率4mw，激光控制器6反馈信号至信号放大器8，运动控制器接收到信号即控制喷灯向后（沉积效率低）运动。
实施例一：图5中位于上部的图表为只有提棒速度控制模式与本发明下的直径波动对比。可以看出使用本发明激光控制装置其芯棒直径波动为0.2mm内，只使用提棒速度控制模式其芯棒直径波动在2mm。
实施例二：图5中位于下部的图表为只有喷灯位置移动控制模式与本发明下的直径波动对比。可以看出使用本发明激光控制装置其芯棒直径波动为0.2mm内，只使用喷灯位置移动控制模式其芯棒直径波动在4mm。
实例中，选定各部的型号如下：
所述的激光发射器采用市售ThorlabsH050NL型激光发射器。
所述的激光接收器采用市售ThorlabsS120C型激光接收器。
所述的激光功率控制器采用市售ThorlabsPM320型激光功率控制器。
所述的运动控制器采用市售CONTECCCB-SMC1型运动控制器。
所述的提升部马达采用市售YASKAWASGMLV-A5ADA6H761型马达（电动机）。
所述的喷灯移动马达采用市售ORIENTALMOTORC7214-9015-1型马达（电动机）。
所述的信号放大器采用市售M-SystemFVS-00-R型信号放大器。
所述的工控机采用市售HITACHEH150型工控机。
所述的PC机采用市售DELL型PC机。

Claims (3)

1.一种控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置的控制方法，其特征在于：
所述控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置，包括石英腔体、激光发射器、激光接收器、激光功率控制器、信号放大器一、信号放大器二、运动控制器、工控机、PC机、提升部马达、喷灯、喷灯移动马达和电源；
提升部马达安装在石英腔体上部，提升部马达与卡盘相连，卡盘将光纤预制棒芯棒夹持，光纤预制棒芯棒安装在石英腔体内；
激光发射器、激光接收器分别安装在石英腔体下部，对准光纤预制棒芯棒棒头的底部，激光发射器连接有电源，激光接收器与激光功率控制器相连，激光功率控制器通过信号放大器一与工控机相连，工控机通过信号放大器一、信号放大器二与运动控制器相连，运动控制器通过控制线与提升部马达相连；石英腔体下部安装有喷灯移动马达，喷灯移动马达上装有喷灯，工控机通过控制线与喷灯移动马达、PC机相连，PC机连接有显示屏；
所述控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置的控制方法为：
首先，设定激光发射器发射的激光功率为10mw，激光光斑直径为2mm，设定激光功率控制器的目标控制功率为3～5mw，激光功率控制器将比较接收功率与目标功率大小，并将信号发送给信号放大器；所述信号放大器一将反馈信号给工控机，工控机经过运算，控制喷灯移动马达的移动，并传送给PC机，显示在显示屏上，实时监控运动变化；所述信号放大器二将反馈信号传送给运动控制器，运动控制器根据反馈信号控制提升部马达的提棒速度；
当光纤预制棒芯棒棒头脱离激光即接收激光值等于发射激光值（10mw）时，运动控制器控制提升部马达，切换为提棒速度控制模式，提棒速度将降低；
当接收激光值小于发射激光值（10mw）时，运动控制器控制喷灯移动马达，切换为喷灯位置运动控制模式，当接收激光功率大于目标控制功率时，喷灯向沉积效率高的方向移动，当接收激光功率小于目标控制功率时，喷灯向沉积效率低的位置移动。
2.根据权利要求1所述的控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置的控制方法，其特征在于：电源接110V交流电，给激光发射器供电，激光发射器发射出一束激光，并在对面安装激光接收器进行接收，调整激光发射与接收器位置使激光与光纤预制棒芯棒棒头的底部中心重合。
3.根据权利要求1所述的控制光纤预制棒芯棒生长的激光控制装置的控制方法，其特征在于：沉积过程中光纤预制棒芯棒保持旋转，转速在15～25r/min，并以在40～80mm/h的速度上提。
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