CN105244251B - 一种大功率等离子体微波谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于PCVD光纤预制棒加工机床的大功率等离子体微波谐振腔，包括有谐振腔壳体和与其相联的波导装置，其特征在于设置有两个左右对称且同轴线的谐振腔壳体，在两个同轴线谐振腔壳体的中间一侧沿垂直中线安设一个波导装置，波导装置的前端通过二分功率计与两个谐振腔壳体相联接，通过二分功率计将微波源功率等分成两，分别馈入两个同轴线的谐振腔壳体。本发明不仅能有效提高谐振腔的馈入功率，而且能有效降低微波的泄露；两个同轴线的谐振腔可在加工衬管中产生纵向移动的两个等离子体，由此可以有效增加沉积速率，提高沉积加工的效率；并可以实现两个同轴线谐振腔沉积玻璃在轴向上的波动相互抵消，增加芯棒的均匀性，改善光纤的加工精度和质量参数；本发明设置合理，结构简单。

Description

一种大功率等离子体微波谐振腔

技术领域

本发明涉及一种用于PCVD光纤预制棒加工机床的大功率等离子体微波谐振腔，是对现有等离子体微波谐振腔的改进。

背景技术

PCVD即等离子化学气相沉积法是光纤预制棒加工的主要工艺之一，等离子体微波谐振腔是PCVD沉积加工机床的核心部分。现有的等离子体微波谐振腔主要由谐振腔壳体和与其相联的波导装置组成，这种单一谐振腔体的结构所存在的主要问题是馈入和输出功率受限，从而使得PCVD沉积速率和加工效率难以大幅提高并出现以下的问题：1、由于沉积速率较低，使得PCVD沉积加工效率低，增加了光纤加工的成本，难以满足大批量生产光纤的需求；2、在沉积加工时，当沉积速率较高时往往出现制备的预制棒沿轴向参数不均匀，主要表现在熔缩以后芯棒内径和折射率沿棒长方向波动。这将影响光纤预制棒的加工质量和精度；3、为了提高PCVD沉积速率，需要增大微波源功率，增加谐振腔馈入功率，对于现有单一谐振腔体结构这将会导致微波泄漏急剧恶化，不利于等离子化学气相沉积车床操作人员的安全。

为了降低预制棒参数沿轴线上的波动，美国专利US2009/0022906公开了将反应炉沿衬管轴向移动。结果显示，该方法对预制棒轴向均匀性有改善，然而当沉积速率增大或馈入功率增加时，会对预制棒有效棒长造成影响，这将增加光纤成本。而且这种方法设备比较复杂。

欧洲专利EP2605267公开了采用两个相互错位的槽馈入微波功率的方式。让两个错位槽造成的影响相互抵消。该专利仍然是对单一的谐振腔馈入所有功率，当微波功率较大时，不能减少泄漏，而且该专利两个错位槽馈入衬管的功率不能保证相等，两小槽影响相互抵消效果不明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种大功率等离子体微波谐振腔，他不仅能增加微波馈入功率，从而提高沉积速率和沉积质量，而且能够有效降低微波泄漏。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有谐振腔壳体和与其相联的波导装置，其特征在于设置有两个左右对称且同轴线的谐振腔壳体，在两个同轴线谐振腔壳体的中间一侧沿垂直中线安设一个波导装置，波导装置的前端通过二分功率计与两个谐振腔壳体相联接，通过二分功率计将微波源功率等分成两，分别馈入两个同轴线的谐振腔壳体。

按上述方案，所述的两个同轴线谐振腔壳体轴向间隔设置，所述的二分功率计呈丫叉形，每个谐振腔壳体的轴向长度稍大于或等于二分功率计连接终端的宽度，大于量等于或小于3mm。

按上述方案，所述的二分功率计的丫叉形角度为0~130°。

按上述方案，所述的谐振腔壳体为圆柱型谐振腔壳体，两圆柱型谐振腔壳体的中心距为约为二分之一波长，如选用2.45GHZ的微波则间距为60mm。

按上述方案，所述的谐振腔壳体为圆环型谐振腔壳体，每个圆环型谐振腔壳体内设置有一个环形馈入小槽，两个圆环型谐振腔壳体内的环形馈入小槽相对称，两槽之间的距离约为四分之一波长，如选用2.45GHZ的微波则为30mm。

按上述方案，所述的波导装置包括微波源和矩形波导，在微波源和二分功率计之间设置一个自动阻抗调节装置，使阻抗调节器、二分功率计以及谐振腔三者串联的阻抗等于波导的本征阻抗，以使分功率计和谐振腔的阻抗相匹配。

按上述方案，所述的二分功率计为矩形波导宽边二分功率计，二分功率计的阻抗与波导装置的矩形波导本征阻抗相匹配。

本发明的有益效果在于：1、设置两个同轴线的谐振腔，将波导装置中的微波功率一分为二馈入两个同轴线的谐振腔，这样不仅能有效提高谐振腔的馈入功率，而且能有效降低微波的泄露；2、两个同轴线的谐振腔可在加工衬管中产生纵向移动的两个等离子体，由此可以有效增加沉积速率，提高沉积加工的效率；3、通过合理设计圆柱型谐振腔的中心距和圆环型谐振腔馈入小槽的距离，可以实现两个同轴线谐振腔沉积玻璃在轴向上的波动相互抵消，增加芯棒的均匀性，改善光纤的加工精度和质量参数；4、采用一个波导连接两个谐振腔的结构，设置合理，结构简单。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的俯剖视图。

图2为本发明另一个实施例的俯剖视图。

图3为图2的主剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明第一个实施例如图1所示，包括有两个左右对称且同轴线A的谐振腔壳体1、2，所述的谐振腔壳体为圆柱型谐振腔壳体，两个同轴线谐振腔壳体轴向间隔设置，端头间隔距离D1为3mm~20mm之间，两圆柱型谐振腔壳体的中心距D为60mm~120mm，通常选择微波波长的四分之三，在两个同轴线谐振腔壳体的中间一侧沿垂直中线安设一个波导装置4，波导装置包括微波源和矩形波导，在矩形波导的前端通过二分功率计3与两个谐振腔壳体分别相联接，通过二分功率计将微波源功率等分成两，分别馈入两个同轴线的谐振腔壳体；所述的二分功率计呈丫叉形，丫叉形角度为120°，二分功率计包括有输入端口和两个输出端口，每个谐振腔壳体的轴向长度稍大于二分功率计的输出端口（连接终端）宽度，大于量等于2mm；所述的二分功率计为矩形波导宽边二分功率计，二分功率计的阻抗与波导装置的矩形波导本证阻抗相匹配。在匹配微波源（微波发生器）和二分功率计之间设置一个自动阻抗调节装置，阻抗自动调节器能自动调节自己的阻抗，使阻抗调节器、二分功率计以及谐振腔三者串联的阻抗等于波导的本征阻抗，微波源和阻抗调节器还有一个环行器，环行器能使微波源和环行器的串联阻抗等于波导的本征阻抗，这样以后如果把微波源和环行器做一个整体看，它的阻抗等于波导的本征阻抗，这样保证这个整体与波导连接处没有阻抗匹配，没有反射功率，同样的如果把阻抗自动调节器，二分功率计和谐振腔做一个整体看，它们的阻抗也等于波导的本征阻抗，在它们和波导的连接处也就没有反射功率，那么整个系统阻抗就匹配了。微波源产生的微波经矩形波导传输到分功率计，微波经二分功率计3等分成两份，每份的功率约为微波源发射功率的一半，然后再分别馈入2个谐振腔中，这样馈入每个谐振腔的功率为微波发射源功率的一半，可以有效降低微波泄漏。

本发明第二个实施例入图2、3所示，它与第一个实施例的不同之处在于所述的谐振腔壳体为圆环型谐振腔壳体，圆环型谐振腔壳体包括有同轴线的内外圆柱筒，在内圆柱筒上开设有环形馈入小槽，两个圆环型谐振腔壳体内的环形馈入小槽相对称，两槽之间的距离为30mm~50mm，可选择微波波长的四分之一，环形馈入小槽的宽度可为波长的十分之一。通常使用2.45GHz的微波源。其它结构与上一个实施例相同。

图3显示了沉积过程，其中P1为左谐振腔产生的等离子体，P2为右谐振腔产生的等离子体。等离子体P1 在衬管5内壁沉积的玻璃体如图中衬管内壁黑色部分，等离子体P2在衬管5内壁沉积的玻璃如图中衬管内壁白色部分，合理设计馈入小槽之间的间距D，可以使两团等离子体沉积玻璃量互补，实现沉积预制棒在棒长方向参数均匀。

Claims (7)

1.一种大功率等离子体微波谐振腔，包括有谐振腔壳体和与其相联的波导装置，其特征在于设置有两个左右对称且同轴线的谐振腔壳体，在两个同轴线谐振腔壳体的中间一侧沿垂直中线安设一个波导装置，波导装置的前端通过二分功率计与两个谐振腔壳体相联接，通过二分功率计将微波源功率等分成两，分别馈入两个同轴线的谐振腔壳体；所述的谐振腔壳体为圆柱型或圆环型。

2.按权利要求1所述的大功率等离子体微波谐振腔，其特征在于所述的两个同轴线谐振腔壳体轴向间隔设置，所述的二分功率计呈丫叉形，每个谐振腔壳体的轴向长度稍大于或等于二分功率计连接终端的宽度，大于量等于或小于3mm。

3.按权利要求2所述的大功率等离子体微波谐振腔，其特征在于所述的二分功率计的丫叉形角度为0~130°。

4.按权利要求1或2所述的大功率等离子体微波谐振腔，其特征在于所述的谐振腔壳体为圆柱型谐振腔壳体，两圆柱型谐振腔壳体的中心距为微波的二分之一波长。

5.按权利要求1或2所述的大功率等离子体微波谐振腔，其特征在于所述的谐振腔壳体为圆环型谐振腔壳体，每个圆环型谐振腔壳体内设置有一个环形馈入小槽，两个圆环型谐振腔壳体内的环形馈入小槽相对称，两槽之间的距离为微波的四分之一波长。

6.按权利要求1或2所述的大功率等离子体微波谐振腔，其特征在于所述的波导装置包括微波源和矩形波导，在微波源和二分功率计之间设置一个自动阻抗调节装置，使阻抗调节器、二分功率计以及谐振腔三者串联的阻抗等于波导的本征阻抗，以使分功率计和谐振腔的阻抗相匹配。

7.按权利要求1或2所述的大功率等离子体微波谐振腔，其特征在于所述的二分功率计为矩形波导宽边二分功率计，二分功率计的阻抗与波导装置的矩形波导本征阻抗相匹配。