CN104355533B - 高分辨率硫系光纤传像束的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，该方法工艺简单、可操作性强、高效可行，能够克服硫系光纤较脆、机械性能差的缺点，可解决传统传像束制备中易出现的断丝、暗丝、行列排列不规则以及制备时消除上胶粘合等操作对光纤束分辨率所产生的不利影响。本发明方法可制备出多种所需端面结构的高像素、高分辨率的红外硫系光纤传像束，制作周期短，成功率高。通过本发明方法制备得到的硫系光纤传像束的分辨率可达到130~200 lp/mm，像元数最高可达到300000，纤芯占空比为60%以上，硫系光纤传像束复丝的直径在250~2000 μm范围内可控。
Description
技术领域
本发明属于光纤制备技术领域，涉及光纤传像束的制备方法，具体为一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法。
背景技术
光纤传像束作为一种使用方便的无源图像传输光器件，在进入20世纪以来得到了越来越广泛的关注和应用，尤其是现代社会对红外光纤传像束的迫切需求促使越来越多的科研人员将精力投入其中，极大地拓展了红外光学领域图像传输技术的应用范围和领域。
目前，国内制备的光纤传像束主要是工作于可见光波段的石英玻璃光纤传像束，例如2006年中科院西安光学精密机械研究所公开的高分辨率光纤传像束的制造方法(CN1800892A)，其最佳的传像束单丝直径达到3μm，分辨率达到166lp/mm，截面面积最大达到10*10mm。2008年又提出了利用高分子聚合物材料制备微结构光纤传像束的方法(CN201060285Y、CN101334501A)，其特点是相干性好、易加工、应用范围广且不易断丝。而在2010年，华东理工大学公开了一种制备大截面光纤传像束的方法(CN101419308A)，其光纤纤芯占空比在50％以上，传像束直径大于2.0mm，像素大于40000，分辨率为40-60lp/mm，提供了一种大截面、高像素的光纤传像束。同年武汉长飞光纤光缆有限公司公开了一种高分辨率光纤传像束的制造方法(CN101702045A)，其制备的传像束性能已非常高，像素至少8000、分辨率达到249lp/mm、单丝直径低至2μm、工艺简单，传像束直径在0.2-2mm之间。2012年，南京春辉科技实业有限公司公开了一种石英光纤传像束的制造方法(CN102520479A)，解决了长度大于5m的图像传输问题，单丝直径在50μm以下。
在可见光频段内，目前石英玻璃光纤及传像束被广泛用于光纤通信和非通信系统中，但是受石英材料红外截止波长限制，石英玻璃光纤及传像束最长工作波长位于2μm左右，而在极重要的相对透明的大气第二传输窗口(3～5μm，这一波长范围包括了许多重要的分子特征谱线)和大气第三传输窗口(8～12μm)区域内石英玻璃光纤及传像束却无法有效地传输这些红外频段内的光线。硫系玻璃具有优良的中、远红外透过性能且折射率和三阶非线性高，利用硫系玻璃制成的光纤可应用于中、远红外生物、化学传感，中、远红外激光能量传输、中红外光纤激光器和非线性光学等技术领域，但是由硫系玻璃光纤制备的红外光纤传像束的像元数和分辨率不够理想。目前对于红外光纤传像束的研究也很少，仅有北京玻璃研究院分别于1999年和2001年报道的硫系材料光纤As2S3和As2Se3，像元数最高为10000像元，分辨率低，且不能实现红外图像的长距离传输；美国AMI公司于2010年报道的As2S3光纤传像束，其纤芯折射率n＝2.8，有效传像面积达到70％，像元数目接近3000(例如：10-M-2系列海军光纤传像束，像元数42×69＝2898个，其有效传像面积达到61.5％)，从而获得了10m长的As2S3光纤传像束，但是其像元数仍然比较低，且其在制备过程中仍然摆脱不了上胶粘合的过程，一定程度上降低了传像束的分辨率。
当前无论国内还是国外，对于硫系光纤传像束的研究和生产均存在着较多的问题和瓶颈难以克服，例如硫系光纤的脆性、生产工艺复杂、柔韧性不够或者断丝、暗丝率高等问题，均制约了硫系光纤传像束和红外传像技术的发展。然而自2014年开始，新的科技需求正在产生，尤其是可工作在复杂电磁环境中的8～12μm的高性能热像传输光纤正被提上日程，例如美国海军近期的目标是研制512×512热像光纤传像束，这些需求正在不断激励着科学家进行高性能长波红外传输光纤的研制工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，经本方法制备得到的硫系光纤传像束具有高像素和高分辨率，制备周期短，成品率高。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，包括如下步骤：
1)准备外表面上设置有包层的硫系玻璃光纤预制棒，通过光纤拉丝机在惰性气体气氛保护环境下高温拉制成直径为250～330μm的硫系玻璃光纤单丝；
2)利用绕丝排片法将上述硫系玻璃光纤单丝在模具上均匀密集绕丝排布，在模具表面形成一层硫系玻璃光纤单丝层，再在该硫系玻璃光纤单丝层的外表面先后用生料带和耐高温胶带包裹缠绕，防止硫系玻璃光纤单丝的热应力变形，之后在真空高温环境下进行15～20h的高温缩合处理，得到结构均匀且光纤单丝密集排布的硫系玻璃光纤纸，将硫系玻璃光纤纸裁剪成若干所需尺寸大小的纸片；
3)根据目标硫系光纤传像束的形状，结合叠片法将裁剪得到的硫系玻璃光纤纸片进行密堆积，再先后用生料带和耐高温胶带包裹缠绕，防止硫系玻璃光纤纸的热应力变形，然后在真空高温环境下进行15～20h的高温缩合处理，得到具有较低分辨率的硫系光纤传像束预制棒，再在硫系光纤传像束预制棒的外表面包裹缠绕热塑性高分子聚合物，形成热塑性高分子聚合物层，并在热塑性高分子聚合物层与硫系光纤传像束预制棒之间的间隙内填充热塑性高分子聚合物，再先后用生料带和耐高温胶带包裹缠绕，防止硫系光纤传像束的热应力变形，然后在真空高温环境下进行15～20h的高温缩合处理；
4)将上述高温缩合处理后的硫系光纤传像束预制棒通过光纤拉丝机在惰性气体气氛保护环境下高温拉制，得到直径为250～2000μm的硫系光纤传像束复丝，封装后即得到高分辨率硫系光纤传像束。
制备过程中，硫系玻璃光纤单丝首先制备成结构均匀且光纤单丝密集排布的硫系玻璃光纤纸，再进行后续的制备加工。将硫系玻璃光纤单丝制备成硫系玻璃光纤纸的工艺步骤简便，可大大降低后续制备得到的传像束的断丝、暗丝几率，从而确保传像束的像素和分辨率，并且便于多种端面形状的硫系光纤传像束的制备。
经过步骤2)和步骤3)中真空高温环境下的高温缩合处理，无需再进行上胶固化处理，可解决传统叠片胶粘方法得到的传像束的纤芯占空比低和断丝、暗丝率高等诸多问题，同时可大幅提高硫系光纤传像束的有效传像面积和分辨率。优选地，步骤2)和步骤3)中所述的真空高温环境的温度为200～400℃，真空度为0.01～133Pa。
步骤3)中所述的热塑性高分子聚合物为聚醚砜树脂或聚醚酰亚胺。
步骤1)中所述的包层为热塑性高分子聚合物层。包层为热塑性高分子聚合物层时，最终制备得到硬质硫系光纤传像束，可用于特定环境下的红外光学图像传输。
所述的包层为聚醚砜树脂层或聚醚酰亚胺层。
步骤1)中所述的包层包括热塑性高分子聚合物层和设置在所述的热塑性高分子聚合物层外表面上的易溶层，所述的易溶层易溶解于酸溶液或有机溶剂。包层包括热塑性高分子聚合物层和易溶层时，经过后续的酸溶处理等操作后，最终制备得到软质硫系光纤传像束，即柔韧的高分辨率硫系光纤传像束，软质光纤传像束应用范围较广，其机械性能高、柔软、易弯曲，可方便进入狭缝、微小孔洞或者强电、强磁等危险环境中进行环境质量监测，避免恶劣环境对人体造成伤害，同时也能够有效解决红外图像的长距离传输等问题。
热塑性高分子聚合物可大幅增强最终制备得到的硫系光纤传像束的机械性能，同时可保证硫系光纤传像束的纤芯占空比达到60％以上，可确保传像束的传光有效面积达到60％以上。
所述的包层和所述的易溶层均为聚醚砜树脂层或聚醚酰亚胺层。
硫系玻璃光纤预制棒外表面上设置的包层和易溶层均采用热塑性高分子聚合物聚醚砜树脂(PES)或聚醚酰亚胺(PEI)，可增强硫系玻璃光纤单丝和硫系光纤传像束复丝的抗弯性和柔韧性，降低光纤传像束的断丝、暗丝率。
在步骤4)中将得到的硫系光纤传像束复丝截取成所需长度，该传像束的两端用保护材料包覆保护，使其中间段裸露，所述的保护材料为化学性质稳定的不溶于酸溶液或有机溶剂的固体材料，然后将该传像束放入酸溶液或有机溶剂中处理，将中间段表面的易溶层完全溶解，最后将传像束取出，去除两端的保护材料，封装后即得到柔韧的高分辨率硫系光纤传像束。所述的保护材料可以为石蜡。
所述的酸溶液为浓度为60～90％的硫酸溶液，所述的有机溶剂为二甲基乙酰胺。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明方法工艺简单、可操作性强、高效可行，能够克服硫系光纤较脆、机械性能差的缺点，可解决传统传像束制备中易出现的断丝、暗丝、行列排列不规则以及制备时消除上胶粘合等操作对光纤束分辨率所产生的不利影响。本发明方法可制备出多种所需端面结构的高像素、高分辨率的红外硫系光纤传像束，制作周期短，成功率高。通过本发明方法制备得到的硫系光纤传像束的分辨率可达到130～200lp/mm，像元数最高可达到300000，纤芯占空比为60％以上，硫系光纤传像束复丝的直径在250～2000μm范围内可控。本发明方法在红外光学图像传输领域中的危险环境、狭窄空间物体的热像传输以及军事航天领域的红外制导、红外传感等领域均可有重要应用。本发明方法也适用于可见光波段的石英光纤传像束以及聚合物塑料光纤传像束的制备。
附图说明
图1为硫系玻璃光纤单丝的端面结构示意图；
图2为硫系玻璃光纤纸的端面结构示意图；
图3～图5分别为截面面阵为正方形、圆形、正六边形的硫系光纤传像束的端面结构示意图；
图6为硬质硫系光纤传像束的外观图；
图7为软质硫系光纤传像束的外观图。
具体实施方式
以下实施例结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1的高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，包括如下步骤：
1)准备外表面上设置有PES薄膜的直径为Ф26mm、纤芯占空比为65％的Ge15Sb10Se75硫系玻璃光纤预制棒，通过光纤拉丝机在惰性气体气氛保护环境下370℃稳定匀速拉制，拉制成数百米长的直径在250～330μm范围内的硫系玻璃光纤单丝，其端面结构示意图见图1；
2)在精密排丝设备上利用绕丝排片法将上述硫系玻璃光纤单丝在模具上均匀密集绕丝排布，在模具表面形成一层硫系玻璃光纤单丝层，再在该硫系玻璃光纤单丝层的外表面先后用生料带和耐高温胶带包裹缠绕，以保证光纤纸在热应力环境下的形状不会发生变化，之后在放在真空干燥箱中进行20h的高温缩合处理，利用PES的软化黏性将各根硫系玻璃光纤单丝粘合在一起，待真空干燥箱中的温度缓慢降至室温，将模具从真空干燥箱取出，即得到数十张结构均匀且光纤单丝密集排布的硫系玻璃光纤纸，其端面结构示意图见图2，将硫系玻璃光纤纸裁剪成若干所需尺寸大小的纸片；
3)根据目标硫系光纤传像束的形状，结合叠片法将裁剪得到的硫系玻璃光纤纸片按所需截面面阵形状进行密堆积，再先后用生料带和耐高温胶带包裹缠绕，以防止其在高温状态下发生热应力变形，然后在温度在200℃以上、真空度在0.01～133Pa的环境下进行20h的高温缩合处理，在该高温真空环境下，硫系光纤间在叠放过程中形成的不规则的狭缝会在热缩合过程中会因为被PES填充而消失，从而形成具有较低分辨率的硫系光纤传像束预制棒，再在该硫系光纤传像束预制棒的外表面用PES薄膜一层一层依次缠绕包裹，形成较薄的包层，并在PES层与硫系光纤传像束预制棒之间的间隙内填充PES，增强传像束的机械性能，并包覆生料带和高温胶固定再一次放入真空干燥箱进行200℃以上、真空度0.01～133Pa环境下的真空热缩合处理20小时左右，待真空干燥箱中的温度缓慢降至室温，将硫系光纤传像束预制棒从真空干燥箱取出；
4)将上述高温缩合处理后的硫系光纤传像束预制棒通过光纤拉丝机在惰性气体气氛保护环境下进行硫系光纤传像束匀速复丝拉制，得到数百米长的直径和结构均匀一致的光纤束复丝，直径可控，大约在250～2000μm不等，将光纤束复丝封装后即得到所需截面面阵的硬质高分辨率硫系光纤传像束，如图6所示。
实施例2的高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，包括如下步骤：
1)准备外表面上设置有PEI薄膜的直径为Ф26mm、纤芯占空比为65％的Ge15Sb10Se75硫系玻璃光纤预制棒，通过光纤拉丝机在惰性气体气氛保护环境下420℃稳定匀速拉制，拉制成数百米长的直径在250～330μm范围内的硫系玻璃光纤单丝，其端面结构示意图见图1；
2)在精密排丝设备上利用绕丝排片法将上述硫系玻璃光纤单丝在模具上均匀密集绕丝排布，在模具表面形成一层硫系玻璃光纤单丝层，再在该硫系玻璃光纤单丝层的外表面先后用生料带和耐高温胶带包裹缠绕，以保证光纤纸在热应力环境下的形状不会发生变化，之后在放在真空干燥箱中进行20h的高温缩合处理，利用PEI的软化黏性将各根硫系玻璃光纤单丝粘合在一起，待真空干燥箱中的温度缓慢降至室温，将模具从真空干燥箱取出，即得到数十张结构均匀且光纤单丝密集排布的硫系玻璃光纤纸，其端面结构示意图见图2，将硫系玻璃光纤纸裁剪成若干所需尺寸大小的纸片；
3)根据目标硫系光纤传像束的形状，结合叠片法将裁剪得到的硫系玻璃光纤纸片按所需截面面阵形状进行密堆积，再先后用生料带和耐高温胶带包裹缠绕，以防止其在高温状态下发生热应力变形，然后在温度在200℃以上、真空度在0.01～133Pa的环境下进行20h的高温缩合处理，在该高温真空环境下，硫系光纤间在叠放过程中形成的不规则的狭缝会在热缩合过程中会因为被PEI填充而消失，从而形成具有较低分辨率的硫系光纤传像束预制棒，再在该硫系光纤传像束预制棒的外表面用PEI薄膜一层一层依次缠绕包裹，形成较薄的包层，并在PEI层与硫系光纤传像束预制棒之间的间隙内填充PEI，增强传像束的机械性能，并包覆生料带和高温胶固定再一次放入真空干燥箱进行200℃以上、真空度0.01～133Pa环境下的真空热缩合处理20小时左右，待真空干燥箱中的温度缓慢降至室温，将硫系光纤传像束预制棒从真空干燥箱取出；
4)将上述高温缩合处理后的硫系光纤传像束预制棒通过光纤拉丝机在惰性气体气氛保护环境下进行硫系光纤传像束匀速复丝拉制，得到数百米长的直径和结构均匀一致的光纤束复丝，直径可控，大约在250～2000μm不等；
5)将得到的硫系光纤传像束复丝截取成所需长度，传像束两端用石蜡包覆保护，使其中间段裸露，然后将该传像束放入75％的硫酸溶液中酸溶处理2～3个小时，将中间段表面的易溶层完全溶解，最后将传像束从酸溶液中取出，去除两端的石蜡，封装后即得到柔韧性良好的的高分辨率硫系光纤传像束，如图7所示。
经检测，上述实施例1和2制备得到的硫系光纤传像束的分辨率可达到130-200lp/mm，像元数最高可达到300000，纤芯占空比超过60％。
根据需要可制备多种截面面阵的硫系光纤传像束，例如正方形(见图3)、圆形(见图4)、正六边形(见图5)或者其他形状。
Claims (10)
1.一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)准备外表面上设置有包层的硫系玻璃光纤预制棒，通过光纤拉丝机在惰性气体气氛保护环境下高温拉制成直径为250～330μm的硫系玻璃光纤单丝；
2)利用绕丝排片法将上述硫系玻璃光纤单丝在模具上均匀密集绕丝排布，在模具表面形成一层硫系玻璃光纤单丝层，再在该硫系玻璃光纤单丝层的外表面先后用生料带和耐高温胶带包裹缠绕，之后在真空高温环境下进行15～20h的高温缩合处理，得到结构均匀且光纤单丝密集排布的硫系玻璃光纤纸，将硫系玻璃光纤纸裁剪成若干所需尺寸大小的纸片；
3)根据目标硫系光纤传像束的形状，结合叠片法将裁剪得到的硫系玻璃光纤纸片进行密堆积，再先后用生料带和耐高温胶带包裹缠绕，然后在真空高温环境下进行15～20h的高温缩合处理，得到具有较低分辨率的硫系光纤传像束预制棒，再在硫系光纤传像束预制棒的外表面包裹缠绕热塑性高分子聚合物，形成热塑性高分子聚合物层，并在热塑性高分子聚合物层与硫系光纤传像束预制棒之间的间隙内填充热塑性高分子聚合物，再先后用生料带和耐高温胶带包裹缠绕，然后在真空高温环境下进行15～20h的高温缩合处理；
4)将上述高温缩合处理后的硫系光纤传像束预制棒通过光纤拉丝机在惰性气体气氛保护环境下高温拉制，得到直径为250～2000μm的硫系光纤传像束复丝，封装后即得到高分辨率硫系光纤传像束。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，其特征在于步骤2)和步骤3)中所述的真空高温环境的温度为200～400℃，真空度为0.01～133Pa。
3.根据权利要求1或2所述的一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，其特征在于步骤3)中所述的热塑性高分子聚合物为聚醚砜树脂或聚醚酰亚胺。
4.根据权利要求1或2所述的一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，其特征在于步骤1)中所述的包层为热塑性高分子聚合物层。
5.根据权利要求4所述的一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，其特征在于所述的包层为聚醚砜树脂层或聚醚酰亚胺层。
6.根据权利要求1或2所述的一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，其特征在于步骤1)中所述的包层包括热塑性高分子聚合物层和设置在所述的热塑性高分子聚合物层外表面上的易溶层，所述的易溶层易溶解于酸溶液或有机溶剂。
7.根据权利要求6所述的一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，其特征在于所述的包层和所述的易溶层均为聚醚砜树脂层或聚醚酰亚胺层。
8.根据权利要求6所述的一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，其特征在于在步骤4)中将得到的硫系光纤传像束复丝截取成所需长度，该传像束的两端用保护材料包覆保护，使其中间段裸露，所述的保护材料为化学性质稳定的不溶于酸溶液或有机溶剂的固体材料，然后将该传像束放入酸溶液或有机溶剂中处理，将中间段表面的易溶层完全溶解，最后将传像束取出，去除两端的保护材料，封装后即得到柔韧的高分辨率硫系光纤传像束。
9.根据权利要求8所述的一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，其特征在于所述的保护材料为石蜡。
10.根据权利要求6所述的一种高分辨率硫系光纤传像束的制备方法，其特征在于所述的酸溶液为浓度为60～90％的硫酸溶液，所述的有机溶剂为二甲基乙酰胺。
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