CN104536082B - 一种具有自导引功能的天文光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种具有自导引功能的天文光纤及其制备方法。一种具有自导引功能的天文光纤，该光纤包括一个位于光纤包层中心的主芯，圆周对称三芯或者四芯分布的导引芯，主芯用于传输星像光谱，导引芯提供方位反馈信息用于主芯对准的控制与调节，所述主芯与各导引芯之间的芯间距相等。这种具有自导引功能的新型天文光纤解决了原有天文光纤诸如不能单独微调对准，对外界环境温度变化、弯曲和机械振动更加敏感和光纤一致性较差等问题，提高了观测、调试效率，降低了系统误差。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种具有自导引功能的天文光纤及其制备方法。
背景技术
光纤技术应用于大型天文光学望远镜带来了革命性的技术进步。自1979两美国Steward天文台首次将光纤应用在2.3m望远镜的MX光谱仪(Deployment of the MXspectrometer,Proc SPIE,627,303-320,1986)以来，光纤技术在天文望远镜中得到广泛推广(The Astronomical Uses of Optical Fibers,Fiber Optics in Astronomy III.ASPConference Series,152,pp.3,1998)。由于光纤具有长距离传输、一定口径内的集光、灵活的空间排布能力，其多目标光纤光谱仪、二维光纤光谱仪、恒星光干涉等天文应用中有着非常重要的作用。
当前的大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)通过安装在焦面板上的四个CCD对整个焦面板的方向进行导引，从而实现星像对准的导星功能，其单根天文光纤并不具备导引功能，无法获取单光纤是否对准目标源的信息反馈。在多目标光纤光谱仪中，焦面上一般安装有多根光纤以同时获得多个观测目标的光谱，比如LAMOST就使用了4000根光纤，再加上环境温度等因素的影响，很难保证这些光纤各自对准待观测目标，对准误差的排查和调整也变得异常困难。因此有必要发展一种具有自导引功能的新型天文光纤，在天文观测系统技术升级中替换原有天文光纤，提高观测、调试效率和降低系统误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种代替原有天文光纤，解决其不能单独对准的问题的具有自导引功能的天文光纤。本发明的目的还在于提供一种具有自导引功能的天文光纤的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种具有自导引功能的天文光纤，该光纤包括一个位于光纤包层中心的主芯，圆周对称三芯或者四芯分布的导引芯，主芯用于传输星像光谱，导引芯提供方位反馈信息用于主芯对准的控制与调节，所述主芯与各导引芯之间的芯间距相等。
一种具有自导引功能的天文光纤的制备方法，通过线切割石英玻璃冷加工，在普通天文光纤预制棒包层外壁上加工三个或四个与导引芯预制棒相对应的插槽；通过堆积法组棒，将带有插槽的天文光纤预制棒嵌套入一个外套石英管中，插槽中插入大芯径导引芯预制棒，组棒形成组合式光纤预制棒；最后将组合式光纤预制棒一端用氢氧焰实施端部熔融密封烧结，另一端将真空泵与稍长的外套石英管相接并实施密封处理，经光纤拉丝塔采用光纤拉丝，保持组合式光纤预制棒内的真空负压力，经送棒、牵引、涂覆、排丝后获得具有自导引功能的天文光纤。
一种具有自导引功能的天文光纤的制备方法，通过光纤拉丝塔，将包层材料石英棒拉制成与大芯径导引芯预制棒相同直径的石英填充料；通过堆积法组棒，利用一对共轴定位端子将普通天文光纤预制棒、石英填充料、导引芯预制棒和外套石英管嵌套在一起，堆积组棒形成组合式光纤预制棒；最后将组合式光纤光纤预制棒一端用氢氧焰实施端部熔融密封烧结，另一端将真空泵与稍长的外套石英管相接并实施密封处理；经光纤拉丝塔采用光纤拉丝，保持组合式光纤预制棒内的真空负压力，经送棒、牵引、涂覆、排丝后获得具有自导引功能的天文光纤。
一种具有自导引功能的天文光纤的制备方法：通过超声打孔技术在天文光纤预制棒包层环形区打三个或四个与导引芯预制棒相对应的穿透圆孔；通过堆积法组棒，直接将二到四根大芯径导引芯预制棒插入孔中并嵌套人一个的外套石英管中形成组合式光纤预制棒；最后将组合式光纤光纤预制棒一端用氢氧焰实施端部熔融密封烧结，另一端将真空泵与稍长的外套石英管相接并实施密封处理；经光纤拉丝塔采用光纤拉丝，保持组合式光纤预制棒内的真空负压力，经送棒、牵引、涂覆、排丝后获得具有自导引功能的天文光纤。
本发明的有益效果在于：
本发明的制备方法主要采用堆积法组棒形成预制棒，经光纤拉丝塔抽气拉丝制得，该方法具有制备工艺简单、成本低等优点。
这种新型天文光纤的主要优点在于将导引芯与星像传输主芯集成在一根光纤里实现自导引功能，降低主芯位置对准盲区产生的同时，有效减小光纤体积，增加了大型天文望远镜中光纤的集成密度。这种新型的天文光纤不仅具有普通天文光纤的特点，而且其周围的三个或四个导引芯能够对接收星像的主芯是否对准提供二维位置反馈信息，在微动机构的作用下调节对准。其制备技术主要采用堆积法组棒形成预制棒，利用光纤拉丝塔抽气拉丝制得，具有光纤制备工艺简单、成本低等优点。这种具有自导引功能的新型天文光纤解决了原有天文光纤诸如不能单独微调对准，对外界环境温度变化、弯曲和机械振动更加敏感和光纤一致性较差等问题，提高了观测、调试效率，降低了系统误差。
附图说明
图1为一种具有自导引功能的新型天文光纤截面图，四芯(a)、五芯(b)；
图2(a)为一种新型的带插槽五芯天文光纤组合式光纤预制棒端面示意图；
图2(b)为带插槽普通天文光纤预制棒端面示意图；
图3(a)为一种新型的带填充料五芯天文光纤组合式光纤预制棒端面示意图；
图3(b)为共轴定位端子前视图和右视图；
图4为一种新型的带孔五芯天文光纤组合式光纤预制棒端面示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
本发明提供的是一种具有自导引功能的新型天文光纤及其制备方法。包括一个位于光纤包层中心较粗的主芯，圆周对称三芯或者四芯分布的导引芯，主芯用于传输星像光谱，导引芯提供方位反馈信息用于主芯对准的控制与调节。本发明的制备方法主要采用堆积法组棒形成预制棒，经光纤拉丝塔抽气拉丝制得该种光纤，该方法具有光纤制备工艺简单、成本低等优点。这种新型天文光纤的主要优点在于将导引芯与星像传输主芯集成在一根光纤里实现自导引功能，降低主芯位置对准盲区产生的同时，有效减小光纤体积，增加了大型天文望远镜中光纤的集成密度。
本发明具有自导引功能的新型天文光纤的构成包括一个位于光纤包层中心较粗的主芯，圆周对称三芯或者四芯分布的导引芯，主芯用于传输星像光谱，导引芯提供方位反馈信息用于主芯对准的控制与调节。
本发明具有自导引功能的新型天文光纤的制备方法为：
通过线切割石英玻璃冷加工技术，在普通天文光纤预制棒包层外壁上加工三个或四个与导引芯预制棒相对应的插槽。然后通过堆积法组棒工艺，将带有插槽的普通天文光纤预制棒嵌套入一个外套石英管中，插槽中插入大芯径导引芯预制棒，组棒形成组合式光纤预制棒。最后将组合式光纤预制棒一端用氢氧焰实施端部熔融密封烧结，另一端将真空泵与稍长的外套石英管相接并实施密封处理，经光纤拉丝塔采用光纤拉丝工艺，保持组合式光纤预制棒内的真空负压力，经送棒、牵引、涂覆、排丝后获得具有自导引功能的新型天文光纤。
本发明具有自导引功能的新型天文光纤的第二种制备方法为：
通过光纤拉丝塔，将包层材料石英棒拉制成与大芯径导引芯预制棒相同直径的石英填充料。然后通过堆积法组棒工艺，利用一对共轴定位端子将普通天文光纤预制棒、石英填充料、导引芯预制棒和外套石英管嵌套在一起，堆积组棒形成组合式光纤预制棒。最后将组合式光纤光纤预制棒一端用氢氧焰实施端部熔融密封烧结，另一端将真空泵与稍长的外套石英管相接并实施密封处理；经光纤拉丝塔采用光纤拉丝工艺，保持组合式光纤预制棒内的真空负压力，经送棒、牵引、涂覆、排丝后获得具有自导引功能的新型天文光纤。
本发明具有自导引功能的新型天文光纤的第三种制备方法为：
通过超声打孔技术在天文光纤预制棒包层环形区打三个或四个与导引芯预制棒相对应的穿透圆孔。然后通过堆积法组棒工艺，直接将二到四根大芯径导引芯预制棒插入孔中并嵌套人一个的外套石英管中形成组合式光纤预制棒。最后将组合式光纤光纤预制棒一端用氢氧焰实施端部熔融密封烧结，另一端将真空泵与稍长的外套石英管相接并实施密封处理；经光纤拉丝塔采用光纤拉丝工艺，保持组合式光纤预制棒内的真空负压力，经送棒、牵引、涂覆、排丝后获得具有自导引功能的新型天文光纤。
本发明还可以包括：
1、所述的主芯直径较大，属于天文星像传能光纤，其光能量最后导入到光谱分析仪中，要求从紫外到近红外的光谱波段内较小的能量传输损耗，通常采用高品质宽带STU石英光纤材料。所述的主芯数值孔径要与天文望远镜和光谱仪的焦比相匹配。
所述主芯折射率分布一种选择是采取通常的阶跃折射率剖面结构，另一种选择是采用梯度折射率剖面结构。梯度折射率结构容易得到更高的数值孔径，多模传输时像差和色散更小，并且传输的稳定性也更好。所述主芯尺寸一种选择是与入射星像光斑和台址视宁度相匹配的较大尺寸，另一种选择是减小主芯尺寸以大大减少光传导模式，从而提高光纤传输的稳定性，降低外界环境温度变化、弯曲和机械振动带来的不利影响。
2、所述的导引芯是三个或四个较细的纤芯，在包层中可以是圆周对称三芯或者四芯分布，采用通用STU材料。其作用是当待观测星像偏离主芯时，接收光能量至各自对应的位置导引光电探测器中，从而对光纤对准位置提供指示信息。
所述的导引芯作用是提供二维位置反馈信息，其对传输能量损耗要求不高，折射率分布采用阶跃折射率剖面结构即可，芯径可以设计较大。
3、所述的主芯与各导引芯之间的芯间距相等且大于普通天文光纤与普通单模光纤的裸纤芯间距。由于主芯和导引芯功能不同，导引芯之间各自的位置信息也不同，因此需要将主芯和三个或四个导引芯之间光通道相互分离，因此需要芯间距至少大于裸纤间距。
4、所述的共轴定位端子是用来辅助组合预制棒的金属或其他材料端子，中心有一个大的圆孔用于定位嵌套普通天文光纤预制棒，大圆孔周围分布一圈紧密排列的小圆孔，用于定位嵌套石英填充料或导引芯预制棒。
5、所述的组合式光纤预制棒进行密封烧结的一端先要进行端面处理，要求预制棒各部分端面平整、位于一个平面且垂直于预制棒轴线；组合式光纤预制棒另一端外套石英管较长，方便接入真空泵并进行密封处理，保证光纤拉丝时预制棒内保持真空负压力。
6、所述普通天文光纤预制棒上加工的插槽或孔的轴线与预制棒轴线平行，其大小和分布与自导引型天文光纤的导引芯等比例一致，呈圆周对称正三角形或正方形。
图1为一种具有自导引功能的新型天文光纤截面图，包括一个位于光纤包层110中心较粗的主芯120，圆周对称正三角形和正方形分布的导引芯131、132，主芯120用于传输星像光谱，导引芯131、132提供方位反馈信息用于主芯120对准的控制与调节。主芯120与各导引芯131、132之间的芯间距相等且大于普通天文光纤与普通单模光纤的裸纤芯间距，方便新型天文光纤与普通天文光纤以及普通单模光纤之间的对准连接、通道分离。
主芯120采用高品质宽带STU石英光纤材料，在紫外到近红外的光谱波段内较小的能量传输损耗，其光能量最后导入到光谱分析仪中。主芯120数值孔径与天文望远镜和光谱仪的焦比相匹配，其折射率分布可以是通常的阶跃折射率剖面结构，或者像差和色散更小，传输更稳定的梯度折射率剖面结构。主芯120尺寸可以选择与入射星像光斑和台址视宁度相匹配的较大尺寸，或者减小芯径以大大减少光传导模式，从而提高光纤传输的稳定性，降低外界环境温度变化、弯曲和机械振动带来的不利影响。
导引芯131、132作用是当待观测星像偏离主芯120时，接收光能量至各自对应的位置导引光电探测器中，提供二维位置反馈信息，其对传输能量损耗要求不高，采用通用STU材料即可。导引芯131、132折射率分布采用常用的阶跃折射率剖面结构，芯径设计比较灵活，为降低与单模光纤对准连接、通道分离的难度，可以设计为较大尺寸。但太大尺寸会带来传输稳定性降低、抗外界干扰能力差、连接损耗增加等问题。
主芯120和导引芯131、132折射率分布、芯间距、芯径大小等参数设计不仅要考虑与现有系统的兼容性(焦比匹配)，星像传输质量，位置导引准确性和低连接损耗通道分离的难度等问题，还要考虑制备工艺的可行性和复杂程度，在这诸多因素间找到一个平衡。
实施例1：
图2给出了本发明的第一种具体实施方式。这种新型的带插槽五芯天文光纤组合式光纤预制棒由普通天文光纤预制棒210、导引芯预制棒250和外套石英管260嵌套组合构成。
通过线切割石英玻璃冷加工技术，在普通天文光纤预制棒210包层外壁230上加工三个或四个与导引芯预制棒250相对应的插槽240。然后通过堆积法组棒工艺，将带有插槽240的普通天文光纤预制棒210嵌套入一个外套石英管260中，插槽240中插入大芯径导引芯预制棒250，组棒形成组合式光纤预制棒。最后将组合式光纤预制棒一端用氢氧焰实施端部熔融密封烧结，另一端将真空泵与稍长的外套石英管260相接并实施密封处理，经光纤拉丝塔采用光纤拉丝工艺，保持组合式光纤预制棒内的真空负压力，经送棒、牵引、涂覆、排丝后获得具有自导引功能的新型天文光纤。
实施例2：
图3给出了本发明的第二种具体实施方式。这种新型的带石英填充料五芯天文光纤组合式光纤预制棒由普通天文光纤预制棒310、石英填充料330、导引芯预制棒340和外套石英管350嵌套组合构成。
与实施例1不同的是，利用光纤拉丝塔将包层材料预制棒拉制成与导引芯预制棒340相同尺寸的石英填充料330，借助共轴定位端子360让石英填充料330和导引芯预制棒340稳定排布在普通天文光纤预制棒310周围一圈然后嵌套入外套石英管350中构成组合式光纤预制棒。共轴定位端子360中心大孔定位普通天文光纤预制310，大孔周围一圈小孔370定位石英填充料330和导引芯预制棒340。导引芯预制棒340排布成正三角形或正方形，分别对应四芯和五芯天文光纤预制棒。
实施例3：
图4给出了本发明的第三种具体实施方式。这种新型的带孔五芯天文光纤组合式光纤预制棒由带孔的天文光纤预制棒410和大芯径导引芯预制棒450直接组合而成。
与实施例1、2不同的是，采用超声打孔的方法直接在普通天文光纤预制棒410包层环形区域430打三个或四个与导引芯预制棒450相对应的穿透圆孔440，插入导引芯预制棒450后嵌套入一个外套石英管460中构成组合式光纤预制棒。
实施例1-3中导引芯预制棒都是大芯径带包层的光纤预制棒，为图片清晰起见只在图4给出了芯层451与包层452的区分。因为材料折射率的差异，直接用芯层材料棒组合嵌套的预制棒在光纤拉制过程中极易在芯层材料棒周围产生气泡。
上述实施例以五芯天文光纤为例，给出了该种光纤的制备方法。显然，四芯天文光纤也是容易实现的。组合式光纤预制棒中普通天文光纤芯层220、320、420与导引芯预制棒250、340、450的位置、尺寸比例关系和天文光中主芯与导引芯位置、尺寸比例关系是一致的。可以看出本发明通过堆积法组棒工艺，利用光纤拉丝塔抽气拉丝容易制得这种具有自导引功能的新型天文光纤。该方法具有光纤制备工艺简单、成本低等优点，可用于替代现有的天文光纤，提高大型天文望远镜的观测、调试效率，降低系统误差。
Claims (4)
1.一种具有自导引功能的天文光纤，其特征是：该光纤包括一个位于光纤包层中心的主芯，圆周对称三芯或者四芯分布的导引芯，主芯用于传输星像光谱，导引芯提供方位反馈信息用于主芯对准的控制与调节，所述主芯与各导引芯之间的芯间距相等。
2.一种具有自导引功能的天文光纤的制备方法，其特征是：通过线切割石英玻璃冷加工，在普通天文光纤预制棒包层外壁上加工三个或四个与导引芯预制棒相对应的插槽；通过堆积法组棒，将带有插槽的天文光纤预制棒嵌套入一个外套石英管中，插槽中插入大芯径导引芯预制棒，组棒形成组合式光纤预制棒；最后将组合式光纤预制棒一端用氢氧焰实施端部熔融密封烧结，另一端将真空泵与稍长的外套石英管相接并实施密封处理，经光纤拉丝塔采用光纤拉丝，保持组合式光纤预制棒内的真空负压力，经送棒、牵引、涂覆、排丝后获得具有自导引功能的天文光纤。
3.一种具有自导引功能的天文光纤的制备方法，其特征是：
通过光纤拉丝塔，将包层材料石英棒拉制成与大芯径导引芯预制棒相同直径的石英填充料；通过堆积法组棒，利用一对共轴定位端子将普通天文光纤预制棒、石英填充料、导引芯预制棒和外套石英管嵌套在一起，堆积组棒形成组合式光纤预制棒；最后将组合式光纤预制棒一端用氢氧焰实施端部熔融密封烧结，另一端将真空泵与稍长的外套石英管相接并实施密封处理；经光纤拉丝塔采用光纤拉丝，保持组合式光纤预制棒内的真空负压力，经送棒、牵引、涂覆、排丝后获得具有自导引功能的天文光纤。
4.一种具有自导引功能的天文光纤的制备方法，其特征是：
通过超声打孔技术在天文光纤预制棒包层环形区打三个或四个与导引芯预制棒相对应的穿透圆孔；通过堆积法组棒，直接将三到四根大芯径导引芯预制棒插入孔中并嵌套入一个的外套石英管中形成组合式光纤预制棒；最后将组合式光纤预制棒一端用氢氧焰实施端部熔融密封烧结，另一端将真空泵与稍长的外套石英管相接并实施密封处理；经光纤拉丝塔采用光纤拉丝，保持组合式光纤预制棒内的真空负压力，经送棒、牵引、涂覆、排丝后获得具有自导引功能的天文光纤。
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