CN109633813B - 一种光纤传像元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种光纤传像元件，其包括：至少三根光学纤维紧密平行堆积，所述光学纤维包括纤芯和位于所述纤芯外侧的包层，所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率；所述包层含有金属单质，所述包层与纤芯相接触的内表面不含金属单质。本发明还提出了光纤传像元件的两种制备方法。本发明在光学纤维的包层玻璃材料中引入金属单质，通过控制金属单质在包层中的分布，使包层外表面含有金属单质，但是包层内表面靠近纤芯处不含金属单质，包层的这种结构既可以保证光在纤芯中能进行全反射，又可以对进入包层区域的非有效光进行吸收，防止形成杂散光再次进入纤芯中影响光波导性能，使得到的光纤传像元件具有较高的清晰度。

Description

一种光纤传像元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤技术，特别是涉及一种光纤传像元件及其制备方法。
背景技术
光纤传像元件是由成百上千万根微米级光学纤维规则排列形成的光学元件，包括光纤面板、光纤倒像器、纤维光锥、光纤传像束等。光纤传像元件具有数值孔径大、光学零厚度等特点，在光学传像、光学耦合等领域有着重要应用。
光纤传像元件内的光学纤维是由高折射率的芯与低折射率的皮构成的，满足全反射条件的输入光线可以在光纤内部由一端传输到另一端，而不满足全反射条件的输入光线则穿透皮层成为杂散光。杂散光是引起光纤传像元件成像清晰度差的最重要因素。为了解决上述问题，通常采用在相邻光学纤维的空隙处全部或部分填充光吸收玻璃的方式。由于光吸收玻璃丝与芯皮组合体光学纤维接触面积小，只能保证入射到光吸收玻璃上的杂散光才能被吸收，而超出这一范围的杂散光无法被吸收而形成串扰。因此，目前传统光纤传像元件普遍存在杂散光吸收效率低、成像不清晰的问题，无法满足更高清晰度要求的光纤传像元件的应用需求。
此外，现有技术还存在一个典型缺陷：由于光纤传像元件内的光学纤维由纤芯和包层材料组成，纤芯的占空比通常为50％-80％。这就导致会有相当一部分输入光线没有进入纤芯而是进入了包层区域，进而通过折射和/反射作用，进入纤芯而形成杂散光。显然，现有技术对此部分杂散光没有进行有效屏蔽，进一步导致了光纤成像元件成像清晰度不够高，无法满足更高清晰度要求的光纤传像元件的应用需求。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种光纤传像元件及其制备方法，所要解决的技术问题是降低光纤传像元件的杂散光串扰，提升其成像清晰度，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种光纤传像元件，包括：至少三根光学纤维紧密平行堆积，所述光学纤维包括纤芯和位于所述纤芯外侧的包层，所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率；所述包层含有金属单质，所述包层与纤芯相接触的内表面不含金属单质。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的光纤传像元件，其中从所述包层的内表面向外延伸至少1μm以上的区域内不含金属单质。
优选的，前述的光纤传像元件，其中从所述包层的内表面向外延伸1-10μm的区域内，金属单质的含量小于100ppm。
优选的，前述的光纤传像元件，其中所述金属单质为Pb、Bi和Fe中的一种或多种。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种光纤传像元件的制备方法，包括：
将包层玻璃管套在纤芯玻璃棒外，制成第一光纤预制棒；其中，所述纤芯玻璃的折射率大于所述包层玻璃的折射率，所述包层玻璃中含有质量百分比5％-25％的金属离子；
拉制所述第一光纤预制棒，制成第一光学纤维；
在还原气体气氛下，还原处理所述第一光学纤维，使所述第一光学纤维的包层玻璃中的部分所述金属离子被还原成金属单质，得到第二光学纤维；
将至少三根所述第二光学纤维紧密平行堆积，逐层排列起来、并捆扎成棒，得到第一复丝棒；
拉制所述第一复丝棒，制成第一复合光学纤维；
将所述第一复合光学纤维等长切割，并紧密排列起来，捆扎成为第一光纤坯板；
在真空条件下，对所述第一光纤坯板进行加热、加压，制备成第二光纤坯板；
对所述第二光纤坯板进行光学冷加工，得到光纤传像元件。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种光纤传像元件的制备方法，包括：
将包层玻璃管套在纤芯玻璃棒外，在750-950℃和0.1Pa-10Pa的条件下，将所述包层玻璃管和所述纤芯玻璃棒复合成一整体，得到第二光纤预制棒；其中，所述纤芯玻璃的折射率大于所述包层玻璃的折射率，所述包层玻璃中含有质量百分比5％-25％的金属离子；
在还原气体气氛下，还原处理所述第二光纤预制棒，使所述第二光纤预制棒的包层玻璃中的部分所述金属离子被还原成金属单质，得到第三光纤预制棒；
拉制所述第三光纤预制棒，得到第三光学纤维；
将至少三根所述第三光学纤维紧密平行堆积，逐层排列起来、并捆扎成棒，得到第二复丝棒；
拉制所述第二复丝棒，得到第二复合光学纤维；
将所述第二复合光学纤维等长切割，并紧密排列起来，捆扎成为第三光纤坯板；
在真空条件下，对所述第三光纤坯板进行加热、加压，制备成第四光纤坯板；
对所述第四光纤坯板进行光学冷加工，得到光纤传像元件。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的光纤传像元件的制备方法，其中还包括：在还原气体气氛下，还原处理所述光纤传像元件，使所述光纤传像元件的输入端面和输出端面的包层玻璃中的部分所述金属离子被还原成金属单质。
优选的，前述的光纤传像元件的制备方法，其中所述金属离子为Pb2+、Bi3+和Fe2+中的一种或多种；所述金属单质为Pb、Bi和Fe中的一种或多种。
优选的，前述的光纤传像元件的制备方法，其中所述拉制的条件为：温度750-950℃，拉制速度1mm/min-100mm/min，真空度0.1Pa-10Pa。
优选的，前述的光纤传像元件的制备方法，其中所述还原气体为氢气或一氧化碳气体，所述还原处理的条件为：温度450-600℃，还原气体压力0.1MPa-1.0MPa，还原时间30min-300min。
借由上述技术方案，本发明光纤传像元件及其制备方法至少具有下列优点：
1、本发明提出一种光纤传像元件，包括：至少三根光学纤维紧密平行堆积，所述光学纤维包括纤芯和位于所述纤芯外侧的包层，所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率；所述包层含有金属单质，所述包层与纤芯相接触的内表面不含金属单质。本发明在光学纤维的包层玻璃材料中引入金属单质，通过控制金属单质在包层中的分布，使包层外表面含有金属单质，但是包层内表面靠近纤芯处不含金属单质，包层的这种结构既可以保证光在纤芯中能进行全反射，又可以对进入包层区域的非有效光进行吸收，防止形成杂散光再次进入纤芯中影响光波导性能，使得到的光纤传像元件具有较高的清晰度。同时，本发明的光学纤维只需要满足纤芯和包层的材料之间的匹配性，结构简单，对杂散光的吸收效果好，同时还可起到屏蔽外界杂光的作用。
2、本发明还提出光纤传像元件的两种制备方法。第一种方法采用先拉制再还原的方法，该方法得到的光纤传像元件的含金属单质区域厚度为1-5μm；第二种方法采用先还原再拉制的方法，该方法得到的光纤传像元件的含金属单质区域厚度为0.1-1μm；还原法是指在还原气体气氛下，还原处理含有质量百分比5％-25％的金属离子的包层玻璃，包层玻璃中的部分所述金属离子被还原成金属单质。本发明采用棒管拉制法，适合不同结构和不同尺寸规格的光导纤维及的制备工艺，最重要的是仅需要制备两种玻璃材料，较常规工艺减少了一种玻璃材料，使材料之间的匹配容易控制，因而，拉制出的光纤单丝质量好，操作简单、灵活，效率高，成本低。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明一个实施例的光纤传像元件的横截面的结构示意图；
图2为本发明另一个实施例的光纤传像元件的横截面的结构示意图；
图3为本发明一个实施例的光学纤维的横截面的结构示意图；
图4为本发明一个实施例的光学纤维的纵剖面的结构示意图；
图5为本发明实施例3的还原温度与还原样品的透过率关系图；
图6为本发明实施例3还原样品的X射线衍射(XRD)检测图；
图7为本发明实施例3还原样品的原子力显微镜(AFM)检测图。
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,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的光纤传像元件及其制备方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
如图1-2所示，本发明提供了一种光纤传像元件，其包括：至少三根光学纤维100紧密平行堆积，所述光学纤维100包括纤芯101和位于所述纤芯外侧的包层102，所述纤芯101的折射率大于所述包层102的折射率；所述包层102含有金属单质1024，所述包层102与纤芯101相接触的内表面不含金属单质。
包层102包括不含金属单质的区域1021和含有金属单质1024的区域1022，不含金属单质的区域1021与纤芯101相接触，含有金属单质1024的区域1022远离纤芯101。
在包层的法向方向上，含有金属单质的区域的厚度不小于0.1μm。具体的，含有金属单质的区域的厚度小于0.1μm时，对杂散光的吸收不够彻底，但是含有金属单质的区域也不能太厚，要保证不含金属单质的区域的厚度不小于1μm，以保证光导纤维结构的全反射性能，不含金属单质的区域的太薄，容易出现漏光、窜光，影响传像束的传像质量。
作为优选实施方式，如图3-4所示，本发明的光导纤维包括纤芯101和包层102，包层102包括含有质量百分比5％-25％的金属离子1023的区域1021，但区域1021不含有金属单质，包层102还包括含有金属单质1024的区域1022，区域1022中的金属单质1024从外到内逐渐增加，相应的，金属离子1023从外到内逐渐减少。需要说明的是，本优选实施方式并不限制本发明的光导纤维的结构。
本发明实施例中，所述纤芯玻璃包括但不限定于：折射率为1.65-1.85的光学玻璃，在所述纤芯玻璃中，Pb2+、Bi3+、Fe2+等金属离子的含量不超过100ppm。优选的，折射率为1.70-1.80的光学玻璃。更优选的，所述纤芯玻璃为折射率为1.70-1.80的硅酸盐玻璃。
所述包层玻璃包括但不限定于：折射率为1.50-1.65的光学玻璃。优选的，折射率为1.55-1.60的光学玻璃。更优选的，所述包层玻璃为折射率为1.55-1.60的硅酸盐玻璃。
本发明在光学纤维的包层玻璃材料中引入金属单质，通过控制金属单质在包层中的分布，使包层外表面含有金属单质，但是包层内表面靠近纤芯处不含金属单质，包层的这种结构既可以保证光在纤芯中能进行全反射，又可以对进入包层区域的非有效光进行吸收，防止形成杂散光再次进入纤芯中影响光波导性能，使得到的光纤传像元件具有较高的清晰度。同时，本发明的光学纤维只需要满足纤芯和包层的材料之间的匹配性，结构简单，对杂散光的吸收效果好，同时还可起到屏蔽外界杂光的作用。
需要说明的是，本发明光导纤维中，包层有两个作用，一是为光在纤芯中形成全反射提供条件，这就要求包层的折射率小于纤芯的折射率，同时靠近纤芯的包层中不含金属单质，防止吸收纤芯中的全反射光，造成光的损失；二是吸收形成的杂散光，这就要求包层在远离纤芯的区域具有吸光的作用，通过还原包层玻璃中的部分所述金属离子形成金属单质，使包层的外侧含有金属单质，金属单质具有很好的吸光效果。因此，本发明设计的包层既为纤芯中光的全反射提供必要条件，又达到了对吸收杂散光的目的。要达到上述条件，包层需要具备：不含金属单质的区域和含有金属单质的区域，不含金属单质的区域的厚度不小于1μm，含有金属单质的区域的厚度不小于0.1μm。
作为优选实施例，从所述包层的内表面向外延伸至少1μm以上的区域内不含金属单质。
为了保证纤芯内光的全反射，要保证内表面向外延伸至少1μm以上的区域内不含金属单质，使不含金属单质的区域有足够的厚度来保证纤芯内光的全反射。
作为优选实施例，从所述包层的内表面向外延伸1-10μm的区域内，金属单质的含量小于100ppm。
为了保证纤芯内光的全反射，要保证内表面向外延伸1-10μm的区域内，金属单质的含量小于100ppm，使不含金属单质的区域有足够的厚度来保证纤芯内光的全反射。从所述包层的外表面到内表面的方向上，所述金属单质的质量浓度逐渐降低。
作为优选实施例，所述金属单质为Pb、Bi和Fe中的一种或多种。
金属单质能够稳定存在，并具有良好的吸光性能。
本发明并不限制光导纤维的横截面形状，光导纤维的横截面形状可以根据需要来选择。优选的，光导纤维的横截面形状为圆形、方形、三角形或六角形，更优选的，光导纤维的横截面形状为圆形。
光导纤维中光的传送是利用光的全反射原理，满足全反射条件的输入光线，在纤芯中以锯齿状路径屈折前进，不会传出包层，避免了光在传播时的折射损耗。不满足全反射条件的输入光线会穿透包层成为杂散光，经还原处理形成于包层表面的金属单质会吸收杂散光，避免杂散光对全反射光形成串扰。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层，杂散光的吸收能力则取决于包层表面的金属单质。
本发明的一个实施例提供了一种光纤传像元件的制备方法，采用先拉制再还原处理的方法，其主要包括以下步骤：
(1)将包层玻璃管套在纤芯玻璃棒外，制成第一光纤预制棒；其中，所述纤芯玻璃的折射率大于所述包层玻璃的折射率，所述包层玻璃中含有质量百分比5％-25％的金属离子；
(2)拉制所述第一光纤预制棒，制成第一光学纤维；
(3)在还原气体气氛下，还原处理所述第一光学纤维，使所述第一光学纤维的包层玻璃中的部分所述金属离子被还原成金属单质，得到第二光学纤维；
(4)将至少三根所述第二光学纤维紧密平行堆积，逐层排列起来、并捆扎成棒，得到第一复丝棒；
(5)拉制所述第一复丝棒，制成第一复合光学纤维；
(6)将所述第一复合光学纤维等长切割，并紧密排列起来，捆扎成为第一光纤坯板；
(7)在真空条件下，对所述第一光纤坯板进行加热、加压，制备成第二光纤坯板；
(8)对所述第二光纤坯板进行光学冷加工，得到光纤传像元件。
在上述步骤(1)中，选择高折射率的玻璃作为纤芯玻璃的原料，进行高温熔制，制成纤芯玻璃棒；在低折射率的玻璃配合料中引入一定量的金属氧化物作为包层玻璃的原料，进行高温熔制，制成包层玻璃管；本步骤中，纤芯玻璃和包层玻璃的选择原则是：保证所述纤芯玻璃的折射率大于所述包层玻璃的折射率，所述包层玻璃中含有质量百分比5％-25％的金属离子。包层玻璃管的内径应比纤芯玻璃棒直径大0.2-0.5mm，长度与芯玻璃棒相同。将所述包层玻璃管套在所述纤芯玻璃棒外，用铜丝、铁丝或棉线等捆扎结实，得到光纤预制棒。
在上述步骤(2)中，将第一光纤预制棒在光纤拉丝塔上拉制成玻璃纤维丝，拉制的玻璃纤维丝直径为0.5mm-2mm，长度为500mm-1500mm。
拉制的条件为：温度750-950℃，拉制速度1mm/min-100mm/min，真空度0.1Pa-10Pa。
较优的拉制工艺条件为：温度800-850℃，真空条件10mm/min-30mm/min，真空度0.1Pa-1Pa。
在上述步骤(3)中，所述金属离子以金属氧化物的形式存在于包层玻璃中，金属氧化物的选择原则为：其含有的金属离子在高温下可与氢气或者一氧化碳发生氧化还原反应，生成金属单质。在包层玻璃表面反应生成的金属单质能够吸收400-700nm的可见光。
还原的条件为：先抽真空至10-3-10-4Pa，加热至450-600℃，通入氢气或一氧化碳，至压力达到0.1MPa-1.0MPa，在此条件下还原处理60min-300min；
较优的还原工艺为：先抽真空至10-3-10-4Pa，加热至480-520℃，通入氢气，至压力达到0.5MPa-1.0MPa，在此条件下还原处理60min-180min；
在上述步骤第(4)中，第二光学纤维紧密平行堆积，逐层排列起来，本发明不限制第二光学纤维的堆积方式，可以根据需要来选择。
在上述步骤第(5)中，需要判断第一复合光学纤维内的单光学纤维尺寸是否满足要求，如果满足要求，则直接进行后续步骤。
拉制的条件为：温度750-950℃，拉制速度1mm/min-100mm/min，真空度0.1Pa-10Pa。
较优的拉制工艺条件为：温度800-850℃，拉制速度10mm/min-30mm/min，真空度0.1Pa-1Pa。
如果不满足要求，则需要对第一复合光学纤维进行紧密堆积排列，再经拉制，重复上述步骤，直至形成符合要求的复合光学纤维，再进行后续步骤。
通过拉丝工艺条件，保证复合光学纤维内的单光纤尺寸满足设计要求。
在上述步骤(7)中，在0.1-10Pa真空条件下，将第一光纤坯板加热至600-800℃，施加50-100N的压力，压制成第二光纤坯板。
在上述步骤(8)中，光学冷加工包括滚圆、切割、抛光等常规光学加工。
本发明提出的光纤传像元件的制备方法，还可根据实际需要对制得的光导纤维进行后处理。
作为优选实施例，如图2所示，本发明提出的光纤传像元件的制备方法，还包括：将光吸收玻璃拉制成0.1-0.2mm的光吸收丝200，插入到排列好的第一复丝棒内的空隙中。
当光纤间缝隙处需要有光吸收丝时，只需将光吸收玻璃拉制成0.1-0.2mm的光吸收丝，插入到排列好的第一复丝棒内的空隙中即可。该光吸收丝的尺寸与阵列中的空隙尺寸相匹配。
本发明的另一个实施例提供了一种光纤传像元件的另一种制备方法，采用先还原处理再拉制的方法，其主要包括以下步骤：
(1)将包层玻璃管套在纤芯玻璃棒外，在750-950℃和0.1Pa-10Pa的条件下，将所述包层玻璃管和所述纤芯玻璃棒复合成一整体，得到第二光纤预制棒；其中，所述纤芯玻璃的折射率大于所述包层玻璃的折射率，所述包层玻璃中含有质量百分比5％-25％的金属离子；
(2)在还原气体气氛下，还原处理所述第二光纤预制棒，使所述第二光纤预制棒的包层玻璃中的部分所述金属离子被还原成金属单质，得到第三光纤预制棒；
(3)拉制所述第三光纤预制棒，得到第三光学纤维；
(4)将至少三根所述第三光学纤维紧密平行堆积，逐层排列起来、并捆扎成棒，得到第二复丝棒；
(5)拉制所述第二复丝棒，得到第二复合光学纤维；
(6)将所述第二复合光学纤维等长切割，并紧密排列起来，捆扎成为第三光纤坯板；
(7)在真空条件下，对所述第三光纤坯板进行加热、加压，制备成第四光纤坯板；
(8)对所述第四光纤坯板进行光学冷加工，得到光纤传像元件。
在上述步骤(1)中，选择高折射率的玻璃作为纤芯玻璃的原料，进行高温熔制，制成纤芯玻璃棒；在低折射率的玻璃配合料中引入一定量的金属氧化物作为包层玻璃的原料，进行高温熔制，制成包层玻璃管；本步骤中，纤芯玻璃和包层玻璃的选择原则是：保证所述纤芯玻璃的折射率大于所述包层玻璃的折射率，所述包层玻璃中含有质量百分比5％-25％的金属离子。包层玻璃管的内径应比纤芯玻璃棒直径大0.2-0.5mm，长度与芯玻璃棒相同。而且，在还原前，防止还原气体进入到纤芯和包层的界面处，还原纤芯玻璃和包层玻璃的内表面，需要先将纤芯玻璃和包层玻璃进行预熔，使其复合成一个整体。
在上述步骤(2)中，所述金属离子以金属氧化物的形式存在于包层玻璃中，金属氧化物的选择原则为：其含有的金属离子在高温下可与氢气或者一氧化碳发生氧化还原反应，生成金属单质。在包层玻璃表面反应生成的金属单质能够吸收400-700nm的可见光。
还原工艺条件为：先抽真空至10-3-10-4Pa，加热至450-600℃，通入氢气或一氧化碳，至压力达到0.1MPa-1.0MPa，在此条件下还原处理60min-300min；
较优的还原工艺为：先抽真空至10-3-10-4Pa，加热至480-520℃，通入氢气，至压力达到0.5MPa-1.0MPa，在此条件下还原处理60min-180min；
在上述步骤(3)中，将第二光纤预制棒在光纤拉丝塔上拉制成玻璃纤维丝，拉制的玻璃纤维丝直径为0.5mm-2mm，长度为500mm-1500mm。
拉制的条件为：温度750-950℃，拉制速度1mm/min-100mm/min，真空度0.1Pa-10Pa。
较优的拉制工艺条件为：温度800-850℃，拉制速度10mm/min-30mm/min，真空度0.1Pa-1Pa。在上述步骤第(4)中，第三光学纤维紧密平行堆积，逐层排列起来，本发明不限制第三光学纤维的堆积方式，可以根据需要来选择。
在上述步骤第(5)中，需要判断第二复合光学纤维内的单光学纤维尺寸是否满足要求，如果满足要求，则直接进行后续步骤。
拉制的条件为：温度750-950℃，拉制速度1mm/min-100mm/min，真空度0.1Pa-10Pa。
较优的拉制工艺条件为：温度800-850℃，拉制速度10mm/min-30mm/min，真空度0.1Pa-1Pa。
如果不满足要求，则需要对第二复合光学纤维进行紧密堆积排列，再经拉制，重复上述步骤，直至形成符合要求的复合光学纤维，再进行后续步骤。
通过拉丝工艺条件，保证复合光学纤维内的单光纤尺寸满足设计要求。
在上述步骤(7)中，在0.1-10Pa真空条件下，将第一光纤坯板加热至600-800℃，施加50-100N的压力，压制成第二光纤坯板。
在上述步骤(8)中，光学冷加工包括滚圆、切割、抛光等常规光学加工。
本发明提出的光纤传像元件的两种制备方法。第一种方法采用先拉制再还原处理的方法，该方法得到的光纤传像元件的含金属单质区域厚度为1-5μm；第二种方法采用先还原处理再拉制的方法，该方法得到的光纤传像元件的含金属单质区域厚度为0.1-1μm；还原法是指在还原气体气氛下，还原处理含有质量百分比5％-25％的金属离子的包层玻璃，包层玻璃中的部分所述金属离子被还原成金属单质。
本发明的两种制备方法都采用棒管拉制法，适合不同结构和不同尺寸规格的光导纤维及的制备工艺，最重要的是仅需要制备两种玻璃材料，较常规工艺减少了一种玻璃材料，使材料之间的匹配容易控制，因而，拉制出的光纤单丝质量好，操作简单、灵活，效率高，成本低。
制备出的光纤传像元件其对杂散光吸收效率达到99.9％以上，刀口响应性能为：距刀口37μm处光透过率小于1％，距刀口50μm处光透过率小于0.2％。
本发明的光纤传像元件可应用于微光像增强器、光电倍增管、阴极射线管、雷达显示管、光纤耦合器、图像传感器等光电器件中。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例给出了一种光纤传像元件的制备方法，其具体包括以下步骤：
(1)将折射率为1.65-1.85的光学玻璃加工成直径为30-60mm、长度在500mm-1000mm的纤芯玻璃棒；
(2)在光学玻璃中添加入5％-25％的氧化铅、氧化铋、氧化铁中的一种或多种，在1400-1500℃下熔制成玻璃，其折射率为1.50-1.65，并加工成玻璃管，玻璃管的内径应较纤芯玻璃棒直径小0.2-0.5mm，壁厚为1-5mm，长度与芯玻璃棒相同；
(3)将包层玻璃管套在纤芯玻璃棒外，用铜丝、铁丝或棉线等捆扎结实，即为光纤预制棒；
(4)将光纤预制棒挂在光纤拉丝塔上，抽真空至0.1Pa-10Pa，并缓慢送入拉丝炉中，拉丝炉温度750-950℃，在1mm/min-100mm/min的拉制速度下拉制成第一光导纤维，拉制的第一光导纤维直径为0.5mm-2mm，长度为500m-1500mm；
(5)将第一光学纤维置于气氛还原炉中，抽真空至10-3-10-4Pa，加热至450-600℃，通入氢气或一氧化碳，至压力达到0.1MPa-1.0MPa，在此条件下还原处理60min-300min，即可在包层表面制备出0.01mm-0.1mm的光吸收层，即为第二光学纤维；
(6)将第二光学纤维紧密平行堆积，逐层排列起来、并捆扎成棒，成为第一复丝棒，一般为六边形结构，对边尺寸20-30mm；
(7)将第一复丝棒在750-950℃温度下，抽真空0.1Pa-10Pa,拉制成第一复合光学纤维，对边尺寸为0.5mm-1mm；
此时，需检测第一复合光学纤维内的单光学纤维直径是否符合设计要求。如满足要求，则执行下一步骤。否则，将第一复合光学纤维排列成对边20-30mm的第二复丝棒，进而拉制成对边尺寸为0.5mm-1mm第二复合光学纤维。
这样经过1次或2次复合光纤的拉制后，原来0.01mm-0.1mm厚的光吸收层会变成1-5μm。
(8)将复合光学纤维切割称100-150mm长度的复合光学纤维，并紧密排列起来，捆扎成为第一光纤坯板，对边尺寸25-40mm；
(9)将第一光纤坯板置于真空炉内，抽真空至0.1Pa-10Pa，加热至600-800℃，施加50-100N的压力，压制成第二光纤坯板；
(10)将第二光纤坯板滚圆、切割、抛光等常规光学加工成第一光纤传像元件；
(11)将第一光纤传像元件在高温下(450℃-600℃)、还原气体气氛(氢气或一氧化碳，压力0.1MPa-1MPa)中处理一定时间(30min-300min)，得到输入、输出端面包层区域发黑的第二光纤传像元件，此即本发明所要制备的高清晰光纤传像元件。
实施例2
本实施例给出了一种光纤传像元件的制备方法，其具体包括以下步骤：
(1)将折射率为1.65-1.85的光学玻璃加工成直径为30-60mm、长度在500mm-1000mm的纤芯玻璃棒；
(2)在光学玻璃中添加入5％-25％的氧化铅、氧化铋、氧化铁中的一种或多种，在1400-1500℃下熔制成玻璃，其折射率为1.50-1.65，并加工成玻璃管，玻璃管的内径应较纤芯玻璃棒直径小0.2-0.5mm，壁厚为1-5mm，长度与芯玻璃棒相同；
(3)将包层玻璃管套在纤芯玻璃棒外，用铜丝或棉线捆棒结实后，挂在光纤拉丝塔上，抽真空至0.1-10Pa，加热至750-950℃，将包层玻璃管预纤芯玻璃棒复合成第一光纤预制棒；
(4)将第一光纤预制棒置于气氛还原炉中，抽真空至10-3-10-4Pa，加热至450-600℃，通入氢气或一氧化碳，至压力达到0.1MPa-1.0MPa，在此条件下还原处理60min-300min，即可在包层表面制备出0.01mm-0.1mm的光吸收层，即为第二光纤预制棒；
(5)将第二光纤预制棒挂在光纤拉丝塔上，抽真空至0.1Pa-10Pa，并缓慢送入拉丝炉中，拉丝炉温度750-950℃，在1mm/min-100mm/min的拉制速度下拉制成第三光学纤维，拉制的第三光学纤维直径为0.5mm-2mm，长度为500m-1500mm；
(6)将第三光学纤维紧密平行堆积，逐层排列起来、并捆扎成棒，成为第一复丝棒，一般为六边形结构，对边尺寸20-30mm；
(7)将第一复丝棒在750-950℃温度下，抽真空0.1Pa-10Pa,拉制成第三复合光学纤维，对边尺寸为0.5mm-1mm；
这样经过第三光学纤维、第三复合光学纤维的拉制，原来0.01mm-0.1mm厚的光吸收层会变成0.1-1μm。
(8)将第三复合光学纤维切割称100-150mm长度的复合光学纤维，并紧密排列起来，捆扎成为第三光纤坯板，对边尺寸25-40mm；
(9)将第三光纤坯板置于真空炉内，抽真空至0.1Pa-10Pa，加热至600-800℃，施加50-100N的压力，压制成第四光纤坯板；
(10)将第二光纤坯板滚圆、切割、抛光等常规光学加工，得到光纤传像元件。
实施例3
以下面的样品为例，对还原后的产物进行表征，其包括以下步骤：
将PbO、Bi2O3、SiO2、Na2CO3、K2CO3、CaCO3、Ba(NO3)2等化合物按照设计成分要求称重后，混合均匀，制备成玻璃配合料；将玻璃配合料在1400℃的氧化铝坩埚中熔化均匀，在1200℃下取出，直接倾倒入铸铁模具中，冷却、退火后得到玻璃坯；将玻璃坯滚圆、切割、研磨、抛光后得到0.5mm厚的玻璃片，该玻璃片为含有Pb2+质量浓度为15％、Bi3+质量浓度3％的硅酸盐玻璃；将玻璃片置于0.01MPa氢气气氛下，加热至一定还原温度(如图5和图6所示)，还原处理10000min后取出，得到样品，使用分光光度计、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)等手段对样品进行表征。
如图5-7所示，表征结果如下：
1、还原温度与含有金属单质的区域的透过率关系
如图5所示，为还原温度与含有金属单质的区域的透过率关系图，从图中可以看出，随着还原温度的升高，透过率逐渐降低，而且还原温度的选择范围为450-600℃。
2、X射线衍射(XRD)检测
如图6所示，为还原样品的X射线衍射(XRD)检测图，从图中可以看出，400℃以上还原样品表面已经形成了Pb金属单质的特征峰，检测图中出现了Pb7Bi3的合金，说明测试用玻璃中也含有Bi元素，因此，Bi离子也被同时还原为Bi的单质(以与Pb的合金形式存在)。
3、晶粒尺寸
以X射线衍射(XRD)检测的数据为基础，根据Scherrer公式，计算还原生成的金属单质的晶粒尺寸，见表1，由表1中可知，还原后生成的金属单质的晶粒尺寸为纳米尺寸。
表1金属单质的晶粒尺寸
还原温度T/℃ 半峰宽FW/° 晶粒尺寸D/nm
400 0.917 89
500 0.692 118
600 0.673 126
如图7所示，为还原样品的原子力显微镜(AFM)检测图，通过原子力显微镜(AFM)检测，得到的金属的晶粒尺寸分别为66nm、117nm、162nm，其变化规律与X射线衍射(XRD)测试结果相吻合，结果显示，随着还原温度的升高，得到的金属的晶粒尺寸逐渐变大。
通过上述分析可知，金属离子经还原处理后，得到了金属单质，随着金属单质的生成，产生了少量的合金，金属单质的晶粒尺寸为纳米级，随着还原温度的升高，得到的金属的晶粒尺寸逐渐变大。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种光纤传像元件，其特征在于，包括：
至少三根光学纤维紧密平行堆积，所述光学纤维包括纤芯和位于所述纤芯外侧的包层，所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率；所述包层含有金属单质，所述包层与纤芯相接触的内表面不含金属单质；
从所述包层的外表面到内表面的方向上，所述金属单质的质量浓度逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的光纤传像元件，其特征在于，
从所述包层的内表面向外延伸至少1μm以上的区域内不含金属单质。
3.根据权利要求1所述的光纤传像元件，其特征在于，
从所述包层的内表面向外延伸1-10μm的区域内，金属单质的含量小于100ppm。
4.根据权利要求1所述的光纤传像元件，其特征在于，
所述金属单质为Pb、Bi和Fe中的一种或多种。
5.一种光纤传像元件的制备方法，其特征在于，包括：
将包层玻璃管套在纤芯玻璃棒外，制成第一光纤预制棒；其中，所述纤芯玻璃的折射率大于所述包层玻璃的折射率，所述包层玻璃中含有质量百分比5％-25％的金属离子；
拉制所述第一光纤预制棒，制成第一光学纤维；
在还原气体气氛下，还原处理所述第一光学纤维，使所述第一光学纤维的包层玻璃中的部分所述金属离子被还原成金属单质，得到第二光学纤维；
将至少三根所述第二光学纤维紧密平行堆积，逐层排列起来、并捆扎成棒，得到第一复丝棒；
拉制所述第一复丝棒，制成第一复合光学纤维；
将所述第一复合光学纤维等长切割，并紧密排列起来，捆扎成为第一光纤坯板；
在真空条件下，对所述第一光纤坯板进行加热、加压，制备成第二光纤坯板；
对所述第二光纤坯板进行光学冷加工，得到光纤传像元件；
所述还原气体为氢气或一氧化碳气体，所述还原处理的条件为：温度450-600℃，还原气体压力0.1MPa-1.0MPa，还原时间60min-300min。
6.一种光纤传像元件的制备方法，其特征在于，包括：
将包层玻璃管套在纤芯玻璃棒外，在750-950℃和0.1Pa-10Pa的条件下，将所述包层玻璃管和所述纤芯玻璃棒复合成一整体，得到第二光纤预制棒；其中，所述纤芯玻璃的折射率大于所述包层玻璃的折射率，所述包层玻璃中含有质量百分比5％-25％的金属离子；
在还原气体气氛下，还原处理所述第二光纤预制棒，使所述第二光纤预制棒的包层玻璃中的部分所述金属离子被还原成金属单质，得到第三光纤预制棒；
拉制所述第三光纤预制棒，得到第三光学纤维；
将至少三根所述第三光学纤维紧密平行堆积，逐层排列起来、并捆扎成棒，得到第二复丝棒；
拉制所述第二复丝棒，得到第二复合光学纤维；
将所述第二复合光学纤维等长切割，并紧密排列起来，捆扎成为第三光纤坯板；
在真空条件下，对所述第三光纤坯板进行加热、加压，制备成第四光纤坯板；
对所述第四光纤坯板进行光学冷加工，得到光纤传像元件；
所述还原气体为氢气或一氧化碳气体，所述还原处理的条件为：温度450-600℃，还原气体压力0.1MPa-1.0MPa，还原时间60min-300min。
7.根据权利要求5或6所述的光纤传像元件的制备方法，其特征在于，还包括：在还原气体气氛下，还原处理所述光纤传像元件，使所述光纤传像元件的输入端面和输出端面的包层玻璃中的部分所述金属离子被还原成金属单质。
8.根据权利要求5或6所述的光纤传像元件的制备方法，其特征在于，
所述金属离子为Pb2+、Bi3+和Fe2+中的一种或多种；
所述金属单质为Pb、Bi和Fe中的一种或多种。
9.根据权利要求5或6所述的光纤传像元件的制备方法，其特征在于，
所述拉制的条件为：温度750-950℃，拉制速度1mm/min-100mm/min，真空度0.1Pa-10Pa。
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