CN108191224A - 一种基于玻璃管的多芯光纤制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于玻璃管的多芯光纤制备方法，在玻璃套管的管壁中进行打孔。同时，在玻璃套管内壁表面，可以通过火焰烧制，把多根芯棒固定在预制棒玻璃套管内壁。在光纤拉制完成后，实现一个有多个光纤纤芯，分别分布在玻璃套管的内壁和管壁中。在应用中，玻璃套管内孔可以通过气体或者液体，所以在内孔的纤芯感知气体或者液体，输出光学信息，再与外壁中的纤芯传输的信息作为比较，通过算法，可以推算出气体或者液体的温度、浓度等指标，实现光纤气体传感器功能。

Description

一种基于玻璃管的多芯光纤制备方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于玻璃管的多芯光纤制备方法。

背景技术

多芯光纤用于传感已经被研究多年，国内相关研究院所已经有了非常多的研究及应用，有些成功案例也在展示其强大的潜力。哈尔滨工程大学采用双芯光纤作为应力敏感单元，构建光纤加速器传感应力模型，给出荷载条件下纤芯方程表达式，并将集成式加速计用于微振动加速测量领域；北京工业大学则采用双芯光子晶体光，基于不同的机理提出了双芯光子晶体光纤Mach-Zehnder干涉仪及模式耦合干涉仪，并研究了液体填充后的光子晶体光纤与普通光纤的熔接问题，制作了用于温度传感的液体填充高双折射光子晶体光纤Sagnac干涉仪，给出了其传感的机理，并从实验上对其传感特性进行了研究。此外还包括多芯光纤用于飞机蒙皮应力形变的检测，多芯光纤用于气体传感器等。

多芯光纤可以是实芯光纤或者微结构光纤，微结构多芯光纤的熔接较为复杂。多芯光纤主要有空间耦合和光纤熔接两种方式，但空间耦合结构会降低系统的稳定性和实用性，更为严重的是光纤的输入端面很容易被聚焦后的高能激光损伤，从而限制了输出功率的进一步提升。因此国内科研工作者提出许多改进措施，如哈工程提出了一种波导耦合技术，使光纤加热区在温度场的作用下逐渐形成双锥结构，单芯单模光纤输出的光通过光纤双锥区逐渐会聚到波导型微结构光纤高介电常数的纤芯中，当在特定拉锥长度时，耦合光功率达到最大，即熔接最佳点。如何方便有效地进行光纤熔接是目前急待解决的关键问题。另外，微结构易于产生毛细现象，封装缺陷会造成水汽进入，影响光纤的使用寿命。实芯多芯光纤有较高的可靠性，于此同时其熔接难度也较小，从应用的角度考虑，实芯多芯光纤更为广泛应用。

目前，石英玻璃钻孔的方法有四种，即研磨打孔法、电火花打孔法、超声波打孔法和激光打孔法。由于激光打孔只适用于孔径小、速度快、精度高的石英玻璃加工，电火花打孔法安全系数较低，因此多芯光纤制备时常见的光纤预制棒打孔技术有机械打孔和超声打孔两类。超声打孔的玻璃表面光洁度较好，但是打孔效率较低，设备技术较为复杂，并不利于批量化生产的企业使用。而机械加工方法尽管会在玻璃表面产生微裂纹，但是经过优化光纤制备工艺，微裂纹可以实现愈合，并不会在光纤使用过程中造成较大的影响，所以很多企业使用机械加工的办法打孔，例如熊猫型保偏光纤的纤芯两侧对称设计两个应力区，其制备工艺是采用的预制棒打孔技术，工艺成熟。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于玻璃管的多芯光纤制备方法，多芯光纤涉及到的纤芯分别设计在玻璃套管的厚壁内和玻璃套管的管壁内侧，中空结构的设计可实现流动气体、液体的通过，使得多芯光纤传输信息的过程中可以感知气体、液体的信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于玻璃管的多芯光纤制备方法，该方法包括以下步骤，步骤一，在预制棒的中空玻璃套管的管壁中间沿径向打若干孔；步骤二，制备芯棒，对芯棒进行打磨处理，打磨后的芯棒通过Rod-In-Tube工艺(芯棒套管工艺)插入玻璃套管管壁的孔中；步骤三，将打磨后的若干个芯棒通过烧制工艺固定在中空玻璃套管的内壁上；步骤四，在负压环境下拉丝，通过光纤拉制工艺，将组合后的预制棒在高温条件抽真空环境下拉制成多芯光纤。

按上述技术方案，所述步骤一中，中空玻璃套管的外径为50mm，内径为20mm，打孔孔径为10mm。

按上述技术方案，所述步骤二中，制备芯棒具体为，采用化学气相沉积法制备若干根相对折射率差为0.3～0.4％，芯径为3～3.5mm，外径为20mm的芯棒；打磨后的芯棒外径分别为10mm和6mm，两种芯棒的数量相等。

按上述技术方案，外径为10mm的芯棒插入玻璃套管管壁的孔中，外径为6mm的芯棒通过烧制工艺固定在中空玻璃套管的内壁上。

按上述技术方案，所述步骤四中，拉丝过程中条件为，在2100℃温度以及预制棒内部压力为-50mbar的条件下拉制光纤。

按上述技术方案，所述步骤四中，在拉制成的多芯光纤表面涂覆特种光纤涂料。

按上述技术方案，光纤空气孔可设置在光纤端面的任意位置处。

本发明产生的有益效果是：本发明在玻璃套管的管壁中进行打孔，在玻璃套管内壁表面，可以通过火焰烧制，把多根芯棒固定在预制棒玻璃套管内壁。在光纤拉制完成后，实现一个有多个光纤纤芯，分别分布在玻璃套管的内壁和管壁中。在应用中，玻璃套管内孔可以通过气体或者液体，所以在内孔的纤芯感知气体或者液体，输出光学信息，再与外壁中的纤芯传输的信息作为比较，通过算法，可以推算出气体或者液体的温度、浓度等指标，实现光纤气体传感器功能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例三芯光纤结构示意图；

图2是本发明实施例双芯悬挂光纤结构示意图；

图3是本发明实施例双芯单孔光纤结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种基于玻璃管的多芯光纤制备方法，该方法包括以下步骤，步骤一，在预制棒的中空玻璃套管的管壁中间沿径向打若干孔；步骤二，制备芯棒，对芯棒进行打磨处理，打磨后的芯棒通过Rod-In-Tube工艺插入玻璃套管管壁的孔中；步骤三，将打磨后的若干个芯棒通过烧制工艺固定在中空玻璃套管的内壁上；步骤四，在负压环境下拉丝，通过光纤拉制工艺，将组合后的预制棒在高温条件抽真空环境下拉制成多芯光纤。

进一步地，所述步骤一中，中空玻璃套管的外径为50mm，内径为20mm，打孔孔径为10mm。

进一步地，所述步骤二中，制备芯棒具体为，采用化学气相沉积法制备若干根相对折射率差为0.3～0.4％，芯径为3～3.5mm，外径为20mm的芯棒；打磨后的芯棒外径分别为10mm和6mm，两种芯棒的数量相等。根据芯径和数值孔径控制光纤的模场直径和截止波长。

进一步地，外径为10mm的芯棒插入玻璃套管管壁的孔中，外径为6mm的芯棒通过烧制工艺固定在中空玻璃套管的内壁上。根据芯径和数值孔径控制光纤的模场直径和截止波长。

进一步地，所述步骤四中，拉丝过程中条件为，在2100℃温度以及预制棒内部压力为-50mbar的条件下拉制光纤。

进一步地，所述步骤四中，在拉制成的多芯光纤表面涂覆特种光纤涂料。

进一步地，光纤空气孔可设置在光纤端面的任意位置处。并不仅仅局限于光纤中间。光纤内气孔与光纤包层之间存在一定同心度。

本发明中还提供以下较佳实施例。

实施例一，如图1所示：

结构设计，根据传感应用需求，设计合适的光纤结构，主要包括光纤使用波段(1310nm)、纤芯直径为8μm、纤芯位于玻璃套管壁内，纤芯位置呈中心对称分布；

1.制备芯棒，采用MCVD制备相对折射率差(delta)为0.3～0.4％、芯径为3～3.5mm、外径为20mm的芯棒，并根据测试数据对芯棒制备工艺进行优化；优选地，采用MCVD制备相对折射率差(delta)为0.36％，芯径为3～3.5mm、外径为20mm的芯棒；

2.芯棒打磨，由于光纤芯径/包层直径分别为8/125μm，而预制棒外径为50mm，芯棒外径为20mm，打孔孔径为10mm，因此对芯棒进行打磨处理，严格控制打磨后的芯棒外径为10±0.05mm；

3.清洗干燥，将拉伸得到的芯棒进行清洗及干燥处理，主要是在酸碱条件下将芯棒的表面杂质清洗干净，并在洁净环境下进行不小于8小时的干燥过程；

4.确定打孔规格及数量，选择外径为50mm的玻璃套管并对其几何尺寸进行测量，本实施例玻璃套管壁厚选择为15mm，并确定打孔位置；

5.打孔，下一步则是在套管壁打孔，本专利采用机械打孔的方式，得比拉伸芯棒外径稍大的小孔；

6.组合预制棒，之后将打孔套管充分清洗并干燥，然后将芯棒才RIT进套管内组合成多芯光纤预制棒，并在预制棒尾管安装金属密封部件，确保拉丝过程中预制棒内部压力控制；

7.预制棒拉丝，本实施例在套管壁内按照中心对称的方式打孔3个，其直径均为10mm，之后将光纤预制棒运送至拉丝塔，在高温(2100℃左右)以及预制棒内部压力(-50mbar)的条件下拉制光纤，并涂覆特种光纤涂料即可得到用于特定传感领域的多芯光纤。

可以添加任意数量的芯棒在中空玻璃套管内壁的任意位置，具体操作为将拉伸后的芯棒通过加热的形式粘贴在玻璃套管的内壁，在拉丝过程中依旧可以保持芯棒位置不发生偏移，确保光纤结构稳定。

实施例二，如图2所示：

本实施例中芯棒制备方式、拉丝工艺与实施例一基本一致，其中不一致处在于，将芯棒附着在套管内部，而非打孔，其具体操作为：选择外径/内径为50mm/40mm的套管，下一步则是确定光纤纤芯位置，并将打磨后的芯棒通过热加工处理附着在套管内壁相对应的位置。该方案可以根据光纤设计和需要，灵活调整纤芯数量和位置，本实施例选择2根对称分布的纤芯，芯棒外径从20mm打磨至6mm，两根芯棒在套管内对称分布，拉丝过程中通过调节预制棒内部压力(-50mbar)控制光纤占空比。

实施例三，如图3所示：

本实施例中芯棒制备、拉丝工艺与实施例一基本一致，其中不一致处在于，预制棒制备最主要的不同在于部分芯棒位于套管壁内，部分芯棒位于套管内壁，其具体操作为：选择外径内径为50mm/20mm的套管并在套管壁内打孔，后续则是将打磨后的芯棒通过热加工处理附着在套管内壁。根据光纤设计和需要，调节纤芯数量，本实施例选择2根芯棒，芯棒外径从20mm分别打磨至10mm和6mm，之后将10mm的芯棒置于得到的套管壁孔(直径10mm)中，并将6mm芯棒通过热加工处理内嵌置于套管内壁，两根芯棒连线通过套管中心，拉丝过程中通过调节预制棒内部压力(-50mbar)控制光纤占空比。

Claims (7)

1.一种基于玻璃管的多芯光纤制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，在预制棒的中空玻璃套管的管壁中间沿径向打若干孔；步骤二，制备芯棒，对芯棒进行打磨处理，打磨后的芯棒通过Rod-In-Tube工艺插入玻璃套管管壁的孔中；步骤三，将打磨后的若干个芯棒通过烧制工艺固定在中空玻璃套管的内壁上；步骤四，在负压环境下拉丝，通过光纤拉制工艺，将组合后的预制棒在高温条件抽真空环境下拉制成多芯光纤。

2.根据权利要求1所述的基于玻璃管的多芯光纤制备方法，其特征在于，所述步骤一中，中空玻璃套管的外径为50mm，内径为20mm，打孔孔径为10mm。

3.根据权利要求2所述的基于玻璃管的多芯光纤制备方法，其特征在于，所述步骤二中，制备芯棒具体为，采用化学气相沉积法制备若干根相对折射率差为0.3～0.4％，芯径为3～3.5mm，外径为20mm的芯棒；打磨后的芯棒外径分别为10mm和6mm，两种芯棒的数量相等。

4.根据权利要求3所述的基于玻璃管的多芯光纤制备方法，其特征在于，外径为10mm的芯棒插入玻璃套管管壁的孔中，外径为6mm的芯棒通过烧制工艺固定在中空玻璃套管的内壁上。

5.根据权利要求2或3所述的基于玻璃管的多芯光纤制备方法，其特征在于，所述步骤四中，拉丝过程中条件为，在2100℃温度以及预制棒内部压力为-50mbar的条件下拉制光纤。

6.根据权利要求4所述的基于玻璃管的多芯光纤制备方法，其特征在于，所述步骤四中，在拉制成的多芯光纤表面涂覆特种光纤涂料。

7.根据权利要求1或2所述的基于玻璃管的多芯光纤制备方法，其特征在于，光纤空气孔可设置在光纤端面的任意位置处。