CN109704562A - 一种基于电弧放电的石英毛细管微泡制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电弧放电的石英毛细管微泡制作方法，该方法的主要步骤是：将一段末端裸纤石英毛细管水平放置在一对电极中央，用一对相向电极的电弧放电对毛细管和裸纤部分两侧使其加热熔融，同时毛细管另端连接一定气压气体，使毛细管局部软化部分（裸纤部分）在气压作用下旋转受热缓慢膨胀，最终在加热区形成适合大小的毛细管微泡和两个把柄的结构；本产品利用电弧放电方法制作石英毛细管微泡操作简单快速，设备成本低。

Description

一种基于电弧放电的石英毛细管微泡制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于电弧放电的石英毛细管微泡制作方法。

背景技术

熔接机电弧放电熔融技术已经成功地应用在许多基于光纤加工和应用。例如用于光通信中的光纤熔接。石英毛细管虽然内部是空芯但无论从外观和尺寸上还是材质上与光纤很相似，熔接机电弧放电加工技术同样适用于石英毛细管的微加工领域。近年来空心石英毛细管可广泛用于各种光微流光学器件制备上，例如使其加工成回音壁模式环形光学微腔和微气泡微腔，与其它光纤器件再进行全光器件组合而构成各种更高灵敏度光电传感器等。

因受到工艺限制目前制备石英毛细管微泡方法多使用以CO2激光为热源，通过精密调节的两路CO2光对准打到内有气压的石英毛细管两侧壁上加热膨胀而制成微泡，但该方法中CO2激光器光路调节复杂繁琐，成本也很高。S. Berneschi等人2011年9月在《OpticsLetters》第17期第36卷上发表了篇名为High Q silica microbubble resonatorsfabricated by arc discharge的文章，提出利用一种特制熔接机电弧放电装置并且制作出了外径为390微米的毛细管微泡。该装置使用电极在外部的熔接机，使用一个U形夹可以使两个电机旋转360°，毛细管处于电极中间加热，毛细管被放置在XY轴的平台上，并保持在一个垂直位置。通过控制电弧放电的持续时间和功率、气体压力、旋转速度、毛细管和电极之间的距离，可以实现可控一致可重复的毛细管微泡制备。但实际操作过程中需要一种定制熔接机造成成本非常昂贵。本发明提出一种利用普通商用熔接机电弧放电作为热源的制作石英毛细管微泡方法，克服上述缺点，这对石英毛细管微泡广泛应用领域有重要实用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于电弧放电的石英毛细管微泡制作方法。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于电弧放电的石英毛细管微泡制作方法，。

该方法的主要步骤是：将一段末端裸纤石英毛细管水平放置在一对电极中央，用一对相向电极的电弧放电对毛细管和裸纤部分两侧使其加热熔融，同时毛细管另端连接一定气压气体，使毛细管局部软化部分（裸纤部分）在气压作用下旋转受热缓慢膨胀，最终在加热区形成适合大小的毛细管微泡和两个把柄的结构。

具体包括以下步骤：

1）毛细管准备过程和固定过程：取石英材质的毛细管，从某一端穿入两段粗管，并通过夹具把一个粗管和毛细管固定在熔接机固定台的V型槽内，并结合熔接机显示界面观察把末端调整至熔接机电弧放电聚焦加热处位置；通过电极一次手动电弧放电使毛细管末端加热熔融成小球以封闭阻塞毛细管一端后，把粗管与毛细管一起从固定台卸掉重新移至另一固定台上固定，再把剩下另一粗管与毛细管一起固定在固定台上，最后适当移动毛细管使其预加热膨胀部分（如有保护涂层去除该部分涂层）移至加热区处；

2）毛细管微泡制备过程：从毛细管的另一开口端通入气体，打开熔接机适当设置两个电极的放电强度和手动放电时间，确保毛细管在手动电弧放电加热和其内部持续气压作用下其熔融区部分缓慢熔融而膨胀，当按下熔接机手动电弧放电按钮开始加热时通过熔接机显示界面实时观察毛细管熔融区部分的形貌变化情况，若发现因受热不均而发生形变变化不对称时应即时手动旋转毛细管调整其受热位置，尽量使膨胀均匀，最后经5~8次手动电弧放电，得到所需规格尺寸的圆对称形状微泡，并停止电极的手动放电而结束微泡制备过程；

3）毛细管微泡卸载过程：因膨胀之后毛细管微泡壁变得很薄容易被触破裂，所以装卸时特别加小心，首先轻轻打开固定夹具从熔接机固定台装卸两段粗管，然后与毛细管一起从熔接机上取下来，用剪刀剪去粗管之间一定长度带微泡的毛细管，保留待测即可。

步骤2中的气体为空气或普通氮气。

步骤1）中所述的毛细管长度大于15cm，内壁厚度大于10微米，毛细管外径为50-200微米。

电弧放电持续时间和功率、通入气体压力、旋转速度、毛细管和电极之间的距离、初始毛细管（样品）粗细共同决定最后毛细管微泡形状和尺寸。电弧放电持续时间越长即加热功率越大、气体压力越大，微泡成型的速度越快，但成型的速度过快会使得微泡容易破裂或不易控制过程。一般样品毛细管越粗，微泡膨胀的尺寸越大。因旋转受热，会使毛细管微泡的形状较为均匀，用一个较粗管套可有效旋转毛细管。

由于采用普通商用光纤熔接机电弧放电作为热源可有效降低制作成本，操作简便。

当完成一次微泡制备之后再少许移动毛细管（6）的位置，继续在熔融区（10）制备出下一个微泡，如此重复在同一根石英毛细管上可同时制备出多个微泡，可备用于其他特殊用途。

本发明的有益效果是：

1．利用电弧放电方法制作石英毛细管微泡操作简单快速，设备成本低。

2．利用粗毛细管套管旋转受热方法制作出的毛细管微泡均匀性和重复性更好。3.利用电弧放电旋转受热方法在同一毛细管上也可同时制备出多个微泡。

4. 利用电弧放电旋转受热方法可制备出较大尺寸范围内（如80-300微米）微泡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明在实施状态下的主视图；

图2为本发明在实施状态下的左视图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

参见图1和图 2，基于电弧放电的石英毛细管微泡制作方法，操作步骤如下 ：1)毛细管准备过程和固定过程， 2）毛细管微泡制备过程，3）毛细管微泡卸载过程；其特征在于所述微泡制备过程中，采用熔接机两个电极1和2电弧放电作为热源对水平固定毛细管6进行加热，同时在毛细管末端9先进行熔融阻塞封闭状态处理，另一端持续通入一定气压的气体3，气体种类一般是空气或普通氮气。采用的电极1和2电弧放电功率必须达到能够把石英毛细管熔融要求；采用的石英毛细管6长度和内壁厚度分别大于15cm和10微米都可。长度太小不易操作，内壁厚度太小导致制作的微泡膨胀容易破裂。而石英毛细管6外径最好选择在50-200微米范围内，超出该范围则容易造成毛细管受热不均匀。采用的熔接机一般是普通国产或进口熔接机，确保具有有手动放电功能。两段相同粗毛细管4和5为内经略大于（>6微米），粗管为毛细管6的一种管套，其材质为石英或其它硬质材料，可实现毛细管6的灵活旋转受热。最后得到毛细管微泡外径尺寸在80-300微米左右。气体3压强需要实时调节保证石英毛细管6在电弧放电加热熔融状态下均匀缓慢膨胀。最后得到毛细管微泡外径尺寸范围可达80-300微米左右。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

1. 毛细管准备过程和固定过程：取一段长为15cm内外径分别为60微米和80微米毛细管6，从一端穿入两段粗管4和5，用酒精灯烧掉末端和靠近末端部分涂层得到末端裸纤和一段长为3cm的裸纤部分（若全裸纤毛细管该步骤可省略），用酒精棉花反复擦洗干净裸纤部分而准备用于熔融加热。毛细管另一端与通过转换接头与一定气压气瓶连接，然后把套管5与毛细管6一起固定在国产吉隆KL-300T熔接机固定台7上，并设置熔接机手动放电时间为6000毫秒，同时调整毛细管末端9裸纤部分显示在熔接机显示界面中央，开始按下手动放电按钮，待末端9熔融成球状封堵毛细管6一端后停止手动放电并通过粗管4和5在熔接机固定台7和8上重新固定毛细管6，使长度为3cm裸纤部分调整至熔接机显示界面中央准备下一步制备微泡过程。

2. 制备微泡过程：打开气压阀门通入气体3至毛细管内部，并设置熔接机放电1强度为0bit，放电1时间为关闭状态，放电2强度20bit，放电2持续时间为关闭状态，放电2接通时间为5毫秒，放电2关闭时间为0毫秒，手动放电时间为100毫秒。回复熔接机显示界面实时观察毛细管状态，并旋转毛细管6同时通过多次（5-8次）手动电弧放电，观察熔接机显示界面的毛细管微泡形状，等到膨胀到所需要的规格，最后停止手动放电结束微泡膨胀过程。

3. 卸载过程：首先从熔接机固定台7和8上卸载粗管4和5，并从电极1和2间轻轻取出毛细管6，用剪刀剪去带微泡3cm长度裸纤部分，保留待用即可。本例虽然采用国产吉隆KL-300T熔接机为电弧放电热源，但其它商用熔接机同样适用，只不过相关参数设置稍许调整。

本制作石英毛细管微泡方法的实例，不仅工艺简单，制作成本低，而且得到了均匀性好的不同尺寸规格的毛细管微泡，该方法不受环境因素影响，具有很高的重复性，适合于批量生产。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种基于电弧放电的石英毛细管微泡制作方法，其特征在于：

包括以下步骤：

毛细管准备过程和固定过程：取石英材质的毛细管（6），从某一端穿入两段粗管（4）和（5），并通过夹具（11）把一个粗管（5）和毛细管（6）固定在熔接机固定台（7）的V型槽（12）内，并结合熔接机显示界面观察把末端（9）调整至熔接机电弧放电聚焦加热处位置（10）；通过电极（1）和（2）一次手动电弧放电使毛细管末端（9）加热熔融成小球以封闭阻塞毛细管（6）一端后，把粗管（5）与毛细管（6）一起从固定台（7）卸掉重新移至另一固定台（8）上固定，再把剩下另一粗管（4）与毛细管（6）一起固定在固定台（7）上，最后适当移动毛细管（6）使其预加热膨胀部分（如有保护涂层去除该部分涂层）移至加热区（10）处；

毛细管微泡制备过程：从毛细管（6）另一开口端通入气体（3），打开熔接机适当设置两个电极（1）和（2）的放电强度和手动放电时间，确保毛细管（6）在手动电弧放电加热和其内部持续气压作用下其熔融区（10）部分缓慢熔融而膨胀，当按下熔接机手动电弧放电按钮开始加热时通过熔接机显示界面实时观察毛细管（6）熔融区部分（10）的形貌变化情况，若发现因受热不均而发生形变变化不对称时应即时手动旋转毛细管（6）调整其受热位置，尽量使膨胀均匀，最后经5~8次手动电弧放电，得到所需规格尺寸的圆对称形状微泡，并停止电极（1）和（2）的手动放电而结束微泡制备过程；

毛细管微泡卸载过程：因膨胀之后毛细管微泡壁变得很薄容易被触破裂，所以装卸时特别加小心，首先轻轻打开固定夹具（11）从熔接机固定台（7）（8）装卸两段粗管（4）（5），然后与毛细管（6）一起从熔接机上取下来，用剪刀剪去粗管（4）（5）间一定长度带微泡的毛细管（6），保留待测即可。

2.根据权利要求1所述的基于电弧放电的石英毛细管微泡制作方法，其特征在于：步骤2中的气体为空气或普通氮气。

3.根据权利要求1所述的基于电弧放电的石英毛细管微泡制作方法，其特征在于：步骤1）中所述的毛细管（6）长度大于15cm，内壁厚度大于10微米，毛细管（6）外径为50-200微米。