CN104749692B - 一种平行光筛选器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平行光筛选器及其制备方法，涉及光学元件制造领域，解决了现有的光筛选元件无法筛选出束斑、能量均匀的平行光线的问题。本发明主要技术方案为：将玻璃管拉制成空心玻璃丝；将多根空心玻璃丝捆制成横截面为设定形状的第一复丝棒；将第一复丝棒拉制成第一复合丝；将多根第一复合丝捆制成横截面为设定形状的第二复丝棒；将第二复丝棒拉制成第二复合丝；对第二复合丝进行排板、熔压成型、滚圆、切割及精加工处理，得到具有微孔通道结构的平行光筛选器。本发明主要用于制备一种平行光筛选器，该平行光筛选器能筛选出与微孔通道结构呈不同角度范围的光线，且能筛选出与微孔通道结构呈较小角度范围、束斑均匀化、能量均匀的平行光。

Description

一种平行光筛选器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学元件制造技术领域，尤其涉及一种平行光筛选器及其制备方法。
背景技术
平行光筛选器是一种光学纤维元件，其主要用于筛选出平行光束。所筛选出的平行光束应用于模拟太阳、探照灯、激光光速领域、动画制作领域、光线偏转角度测试领域，还能广泛应用于电子技术和集成光学技术领域。例如，平行光筛选器能将高相干性、呈高斯分布的激光筛选出能量均匀的平行光，为半导体激光技术的发展为小型化光源起到极大的促进作用。
现有的平行光筛选器的制备方法，主要是制备一种光学纤维面板，再采用用酸蚀工艺对光学纤维面板进行酸蚀处理，将学纤维面板上的每根玻璃丝的内芯溶解，得到具有微孔通道结构的光学纤维元件，用于筛选出与微孔通道呈设定角度的平行光，设定角度取决于微孔通道的内径与长度的比值。其中，设定角度越小，其筛选出的光束越准直、能量越均匀。
发明人发现现有技术中的平行光筛选器的制备方法至少存在如下问题：要得到与微孔通道呈较小角度范围的平行光，需要较大长径比的微孔通道，这就需要较长的玻璃丝，而采用酸蚀工艺很难将较长玻璃丝的内芯全部溶解，因此。上述方法无法制备出可筛选出光束准直、能量均匀(与微孔通道呈较小角度范围)平行光的平行光筛选器。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种平行光筛选器及其制备方法，主要目的是能筛选出与微孔通道呈不同角度范围的平行光。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种平行光筛选器的制备方法，该平行光筛选器用于筛选出设定角度的平行光，其特征在于，包括如下步骤：
将玻璃管拉制成设定尺寸的空心玻璃丝；
将多根所述空心玻璃丝捆制成横截面为设定形状的第一复丝棒；
将所述第一复丝棒拉制成第一复合丝；
将多根所述第一复合丝捆制成横截面为设定形状的第二复丝棒；
将所述第二复丝棒拉制成第二复合丝；
对所述第二复合丝进行排板、熔压成型、滚圆、切割及精加工处理，得到具有微孔通道结构的平行光筛选器。
前述的平行光筛选器的制备方法，采用纤维拉丝机将玻璃管拉制成设定尺寸的空心玻璃丝；
在将玻璃管拉制成空心玻璃丝的步骤中，拉丝温度为800-810℃，送料速度为0.006-0.008m/min，拉丝速度为0.8-1.0m/min。
前述的平行光筛选器的制备方法，将多根空心玻璃丝捆制成横截面为正六边形的第一复丝棒。
前述的平行光筛选器的制备方法，在将所述第一复丝棒拉制成第一复合丝中，送料速度为0.006-0.008m/min，拉丝温度为780-800℃，拉丝速度为3.0-3.5m/min。
前述的平行光筛选器的制备方法，将多根所述第一复合丝捆制成横截面为正六边形的第二复丝棒。
前述的平行光筛选器的制备方法，在将所述第二复丝棒拉制成第二复合丝的步骤中，送料速度为0.006-0.008m/min，拉丝温度为760-780℃，拉丝速度为2.8-3.0m/min。
前述的平行光筛选器的制备方法，将多根第二复合丝排板成横截面为正六边形的板段；
将所述板段置在熔压成型模具中；
将所述熔压成型模具放置在加热炉中，对板段进行熔压成型。
前述的平行光筛选器的制备方法，板段熔压成型时，熔压温度为630-650℃，熔压压缩量为2-3mm。
前述的平行光筛选器的制备方法，所述空心玻璃丝的直径为3.15-3.20mm；
所述玻璃管的内径与壁厚的比例为10:0.5-10:1.5。
另一方面，本发明实施例还提供一种平行光筛选器，所述平行光筛选器用于筛选出设定角度的平行光，所述平行光筛选器为由多根空心玻璃纤维丝紧密排列而成的光学纤维元件；
其中，所述平行光筛选器由上述任一项所述的方法制备而成。
与现有技术相比，本发明实施例提出的一种平行光筛选器及其制备方法至少具有如下优点：
(1)本发明实施例提供的平行光筛选器的制备方法，通过将玻璃管拉制成设定尺寸的空心玻璃丝；将多根空心玻璃丝捆制成横截面为设定形状的第一复丝棒；将第一复丝棒拉制成第一复合丝；将多根第一复合丝捆制成横截面为设定形状的第二复丝棒；将第二复丝棒拉制成第二复合丝；对第二复合丝进行排板、熔压成型、滚圆、切割及精加工处理，得到具有微孔通道结构的平行光筛选器。该平行光筛选器可以筛选出与微孔通道呈不同角度的光线，并且由于本发明的制备工艺直接对空心玻璃管进行拉丝，从而能够实现将微孔通道设置成较大的长径比，进而筛选出与微孔通道呈较小角度的平行光，从而使筛选出的平行光束更为准直、能量更为均匀。
(2)在将玻璃管拉制成空心玻璃丝的步骤中，将拉丝温度设置为800-810℃，送料速度设置为0.006-0.008m/min，拉丝速度设置为0.8-1.0m/min。在将多根第一复合棒拉制成第一复合丝的步骤中，送料速度为0.006-0.008m/min，拉丝温度为780-800℃，拉丝速度为3.0-3.5m/min。在将所述第二复丝棒拉制成第二复合丝的步骤中，送料速度为0.006-0.008m/min，拉丝温度为760-780℃，拉丝速度为2.8-3.0m/min。通过将上述的每一步拉丝的工艺参数设置成上述数据，可以确保空心玻璃丝、第一复合丝及第二复合丝孔道的圆整度及均匀性，从而使最终得到的平行光筛选器的微孔通道均匀、圆整，进而使其筛选性能较好。
(3)本发明的实施例将多根空心玻璃丝捆制成横截面为正六边形的第一复丝棒，及将多根第一复合丝捆制成横截面为正六边形的第二复丝棒。通过将第一复丝棒、第二复丝棒的横截面设置成正六边形，实现最终得到的平行光筛选器上单元丝之间的紧密排列，使筛选出的光线更准直、能量更均匀。
综上，本发明实施例提供的平行光筛选器的制备方法，通过将玻璃管直接进行拉丝的设计思路与后续的拉丝工艺所设计的工艺参数结合在一起，确保了平行光筛选器上的微孔通道圆整性、均匀性，且能制备一种长径比较大的平行光筛选器，进而能筛选出与微孔通道结构呈较小角度范围的平行光。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种第一复丝棒的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种第二复丝棒的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的平行光筛选器筛选设定角度的平行光的原理图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种平行光筛选器及其制备方法其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如下。
本发明是基于以下思路提出的：本发明的发明人发现现有的平行光筛选器的制备方法，主要通过将多根实心玻璃件(该玻璃件的内芯采用易溶于酸的材质，内芯之外的其他材质为不溶于酸的材质)拉制成实心玻璃丝，进一步制成光学纤维面板，再利用酸蚀工艺将光学纤维面板的每根玻璃丝的内芯溶解，从而形成具有微孔通道结构的光学元件。其中，平行光筛选平行光的原理详见图3所示，D为微孔通道的内径，L为微孔通道的长度，当光线与微孔孔道的夹角为α，且tgα＝D/L时，平行光筛选器能筛选出光线与微孔孔道的夹角为α以及小于α的平行光，微孔通道的长径比越大，筛选的光线角度越小，所筛选出的平行光束越准直、能量越均匀。所以，所筛选出平行光线与微孔孔道的夹角越小，平行光束的质量越好。要得到与微孔通道呈较小角度范围的平行光，需要较大长径比的微孔通道，这就需要较长的玻璃丝，而采用酸蚀工艺很难将较长玻璃丝的内芯全部溶解，因此无法制备出可筛选出较小角度范围平行光的平行光筛选器。
基于此，本发明的发明人提出了一种平行光筛选器及其制备方法，所制备的平行光筛选器能够筛选出不同角度的平行光，尤其是能实现筛选出较小角度范围平行光。
本发明的发明人提出一种平行光筛选器的制备方法，具体包括如下步骤：
一种平行光筛选器的制备方法，该平行光筛选器用于筛选出与微孔通道结构呈设定角度的平行光，包括如下步骤：
1、将玻璃管拉制成设定尺寸的空心玻璃丝。
该步骤中，玻璃管的材质为硅酸盐玻璃体系，可以根据所筛选的平行光波长的不同，进行玻璃成分的调整，使该玻璃材料对所筛选平行光波长具有一定的吸收作用。
较佳地，选择内径和壁厚比例合适的玻璃管，玻璃管的内径和壁厚的比例优选为10:0.5-10:1.5。将选取的玻璃管清洗、烘干后装卡在高精度纤维拉丝机上，玻璃管在拉丝炉中加热软化后下垂成丝，通过拉丝轮的牵引拉制成设定尺寸的空心玻璃纤维。在拉丝过程中，拉丝温度为800-810℃，送料速度为0.006-0.008m/min，拉丝速度为0.8-1.0m/min。
通过将拉丝温度控制在800-810℃、送料速度控制在0.006-0.008m/min、拉丝速度控制在0.8-1.0m/min，这样能够保证玻璃管在拉制成空心玻璃丝的过程中，玻璃管及玻璃丝的孔道不会变形，确保玻璃丝孔道均匀，进而确保后续制出的平行光筛选器的筛选功能。
较佳地，所拉制成的空心玻璃丝的直径为3.15-3.20mm。
2、将多根空心玻璃丝捆制成横截面为设定形状的第一复丝棒。
该步骤具体为：将空心玻璃丝紧密排列在模具内，排列根数由单纤维直径和模具尺寸决定，排列完成后，用铜丝或铁丝将空心玻璃丝的两端紧密捆扎，中间部用生料带或棉线进行一定间距的捆扎，得到横截面为设定形状的第一复丝棒。
第一复丝棒的横截面设定形状由模具的形状而定。较佳地，采用正六边形模具(横截面为正六边形的模具)，如图1所示，排列后的第一复丝棒的横截面的形状为正六边形，第一复丝棒中的空心玻璃丝1紧密排列。
3、将第一复丝棒拉制成第一复合丝。
该步骤具体为：将第一复丝棒装卡后悬挂在拉丝机上进行一次复丝拉制，其中，拉制过程中的送料速度为0.006-0.008m/min，拉丝温度为780-800℃，拉丝速度为3.0-3.5m/min。通过设置该工艺参数，可以保证第一复合丝的几何形状及第一复合丝中的每根单元丝的圆整度。
4、将多根第一复合丝捆制成横截面为设定形状的第二复丝棒。
较佳地，该步骤具体为：将多根第一复合丝紧密排列在截面为正六边形模具里，所排列的第一复合丝的根数由第一复合丝的直径和模具尺寸而定。排列完成后，用铜丝或铁丝将所排列的第一复合丝的两端紧密捆扎，中间部分用生料带或棉线进行一定间距的捆扎，得带第二复丝棒，第二复丝棒的截面结构如图2所示，且第二复丝棒中的第二复合丝紧密排列。
5、将第二复丝棒拉制成第二复合丝。
将二次复丝棒装卡后悬挂在拉丝机上进行二次复丝拉制，拉制方法与单丝相同。在二次复丝拉制过程中，通过将送料速度设置为0.006-0.008m/min，将拉丝温度设置为760-780℃，将拉丝速度设置为2.8-3.0m/min，以确保第二复合丝的几何形状，第二复合丝中每根单元丝的空心状态和、内孔的均匀性。
6、对第二复合丝进行排板、熔压成型、滚圆、切割及精加工处理，得到平行光筛选器。
该步骤具体包括如下步骤：
61)排板：根据熔压模具的高度，对第二复合丝进行定长切割，然后根据最终所需成品的尺寸、并考虑热熔压压缩量及后续工序的加工余量，对多根第二复合丝进行排列，排列过程中要仔细检查第二复合丝与第二复合丝之间的契合状态是否正确。
62)熔压成型：第二复合丝排板好后，将其放入热熔压模具中，再将热熔压模具置于加热炉中进行熔压成型。
在熔压成型过程中，为了确保通道的空心及圆整度，采取低温小压缩量压板工艺，压板温度为630-650℃，压缩量为2-3mm。
63)滚圆、切割：将熔压成型的板段去除两头后，置于滚圆机上进行滚圆，滚圆大小根据成品的大小，并考虑后续加工余量进行操作。根据所要筛选的平行光角度范围及每根单元丝的孔径大小、通过精确计算后进行定厚切割，具体计算原理详见图3及公式tgα＝D/L；D为微孔通道的内径(单元丝孔道的内径)，L为微孔通道的长度，α为筛选角度，凡是与微孔通道(单元丝孔轴线)的夹角小于等于α的光线均可被筛选出，与微孔通道(单元丝孔轴线)的夹角大于α的光线在微孔通道内经多次反射后完全吸收。较佳地，该平行光筛选器的微孔通道内径为几个微米～十几个微米。
64)精加工：对滚圆、切割后的半成品进行精细抛磨，并进行性能检测，得到平行光筛选器。
另一方面，本发明实施例提供一种平行光筛选器，该平行光筛选器为由多根空心玻璃丝紧密排列而成的具有微孔通道结构的光学纤维元件；该平行光筛选器用于筛选出与所述微孔通道呈设定角度的平行光；该设定角度取决于所述微孔通道的内径与长度的比值。例如，tgα＝D/L，设定角度为0-α的任意角度。
其中，所述平行光筛选器由上述任一项所述的方法制备而成。
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
1、将内径与壁厚的比例为10:1的玻璃管拉制成丝径为3.15-3.20mm的空心玻璃丝；
其中，玻璃管的材质为78wt％SiO2-4wt％Al2O3-2wt％FeO-10wt％Na2O-6wt％CaO；拉制工艺参数为：拉丝温度为810℃，送料速度为0.006m/min、拉丝速度为0.9m/min。
2、将多根空心玻璃丝捆制成横截面呈正六边形的第一复丝棒。
其中，第一复丝棒的任意两个相对边的边距(即，棒边距)为25.0-25.5mm；第一复合棒的边缘处一共有24根空心玻璃丝，每一边的边缘处有5根空心玻璃丝。
3、将第一复丝棒拉制成丝径为1.10-1.12mm的第一复合丝。
其中，该步骤中的送料速度为0.007m/min，拉丝温度为780℃，拉丝速度为3.2m/min。该步骤中的丝径指的是正六边形的相对边的距离，以下同理。
4、将多根第一复合丝捆制成横截面为正六边形的第二复丝棒。
其中，第二复丝棒的任意两个相对边的边距(即，棒边距)为25.0-25.5mm；二复合棒的边缘处一共有72根空心玻璃丝，每一边的边缘处有13根空心玻璃丝。
5、将第二复丝棒拉制成丝径为1.31-1.33mm的第二复合丝。
其中，该步骤中的送料速度为0.007m/min，拉丝温度为770℃，拉丝速度为2.9m/min。
6、将多根第二复合丝排板成截面为正六边形的板段。
其中，该板段的边缘处，每条边有30根第二复合丝，板段的对边距为65mm。
7、对排板后的板段进行熔压成型、滚圆、切割及精加工处理，得到平行光筛选器。其中，熔压温度为650℃，熔压压缩量为3.0mm。
本实施例所制备的平行光筛选器的性能指标如表1所示。
表1为实施例1制备的平行光筛选器性能指标
口径 圆形≥Φ60mm
单元丝孔径 6μm
切割长度 68.75mm
筛选波长谱段 190～400nm
筛选平行光角度 0.005°
实施例2
1、将内径与壁厚的比例为10:1的玻璃管拉制成丝径为3.15-3.20mm的空心玻璃丝；
其中，玻璃管的材质为78wt％SiO2-4wt％Al2O3-2wt％FeO-10wt％Na2O-6wt％CaO；拉制工艺参数为：拉丝温度为810℃，送料速度为0.006m/min、拉丝速度为0.9m/min。
2、将多根空心玻璃丝捆制成横截面呈正六边形的第一复丝棒。
其中，第一复丝棒的任意两个相对边的边距(即，棒边距)为25.0-25.5mm；第一复合棒的边缘处一共有24根空心玻璃丝，每一边的边缘处有5根空心玻璃丝。
3、将第一复丝棒拉制成丝径为1.20-1.24mm的第一复合丝。
其中，该步骤中的送料速度为0.008m/min，拉丝温度为790℃，拉丝速度为3.1m/min。该步骤中的丝径指的是正六边形的相对边的距离，以下同理。
4、将多根第一复合丝捆制成横截面为正六边形的第二复丝棒。
其中，第二复丝棒的任意两个相对边的边距(即，棒边距)为24.5-25.0mm；二复合棒的边缘处一共有66根空心玻璃丝，每一边的边缘处有12根空心玻璃丝。
5、将第二复丝棒拉制成丝径为2.04-2.08mm的第二复合丝。
其中，该步骤中的送料速度为0.008m/min，拉丝温度为775℃，拉丝速度为2.8m/min。
6、将多根第二复合丝排板成截面为正六边形的板段。
其中，该板段的边缘处，每边有11根第二复合丝，板段的对边距为38.05mm。
7、对排板后的板段进行熔压成型、滚圆、切割及精加工处理，得到平行光筛选器。其中，熔压温度为650℃，熔压压缩量为3.0mm。
本实施例所制备的平行光筛选器的性能指标如表2所示。
表2为实施例2制备的平行光筛选器的性能指标
口径 圆形≥Φ30mm
单元丝孔径 10μm
切割长度 28.65mm
筛选波长谱段 190～400nm
筛选平行光角度 0.02°
从表1和表2可以看出：本发明实施例制备的平行光筛选器能筛选出与微孔通道结构呈较小角度范围的平行光，如，所筛选出的平行光角度范围为0-0.02°，甚至0-0.005°，从而使所筛选出的平行光束准直、能量均匀。另外，根据实际需要，本发明实施例制备的平行光筛选器还能筛选出较大角度范围的平行光线。
综上，本发明实施例提供的平行光筛选器的制备方法，通过将玻璃管直接进行拉丝的设计思路与后续的拉丝工艺所设计的工艺参数结合在一起，确保了平行光筛选器上的微孔通道圆整性、均匀性，且能制备一种长径比较大的平行光筛选器，进而能筛选出与微孔通道结构呈较小角度范围的平行光。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种平行光筛选器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将玻璃管拉制成设定尺寸的空心玻璃丝；
将多根所述空心玻璃丝捆制成横截面为设定形状的第一复丝棒；
将所述第一复丝棒拉制成第一复合丝；
将多根所述第一复合丝捆制成横截面为设定形状的第二复丝棒；
将所述第二复丝棒拉制成第二复合丝；
对所述第二复合丝进行排板、熔压成型、滚圆、切割及精加工处理，得到具有微孔通道结构的平行光筛选器。
2.根据权利要求1所述的平行光筛选器的制备方法，其特征在于，采用纤维拉丝机将玻璃管拉制成设定尺寸的空心玻璃丝；
在将玻璃管拉制成空心玻璃丝的步骤中，拉丝温度为800-810℃，送料速度为0.006-0.008m/min，拉丝速度为0.8-1.0m/min。
3.根据权利要求1所述的平行光筛选器的制备方法，其特征在于，将多根空心玻璃丝捆制成横截面为正六边形的第一复丝棒。
4.根据权利要求1所述的平行光筛选器的制备方法，其特征在于，在将所述第一复丝棒拉制成第一复合丝中，送料速度为0.006-0.008m/min，拉丝温度为780-800℃，拉丝速度为3.0-3.5m/min。
5.根据权利要求1所述的平行光筛选器的制备方法，其特征在于，将多根所述第一复合丝捆制成横截面为正六边形的第二复丝棒。
6.根据权利要求1所述的平行光筛选器的制备方法，其特征在于，在将所述第二复丝棒拉制成第二复合丝的步骤中，送料速度为0.006-0.008m/min，拉丝温度为760-780℃，拉丝速度为2.8-3.0m/min。
7.根据权利要求1所述的平行光筛选器的制备方法，其特征在于，将多根第二复合丝排板成横截面为正六边形的板段；
将所述板段置在熔压成型模具中；
将所述熔压成型模具放置在加热炉中，对板段进行熔压成型。
8.根据权利要求7所述的平行光筛选器的制备方法，其特征在于，对板段熔压成型时，熔压温度为630-650℃，熔压压缩量为2-3mm。
9.根据权利要求1所述的平行光筛选器的制备方法，其特征在于，所述空心玻璃丝的直径为3.15-3.20mm；
所述玻璃管的内径与壁厚的比例为10:0.5-10:1.5。
10.一种平行光筛选器，其特征在于，所述平行光筛选器为由多根空心玻璃丝紧密排列而成的具有微孔通道结构的光学纤维元件；
所述平行光筛选器用于筛选出与所述微孔通道呈设定角度的平行光；
所述设定角度取决于所述微孔通道的内径与长度的比值；
其中，所述平行光筛选器由权利要求1-9任一项所述的方法制备而成。
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