CN111635124A - 一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其制备多种直径的纯石英玻璃毛细棒，制备多种外径和内外径比的纯石英玻璃毛细管；将数个尺寸随机的纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管随机插入到纯石英玻璃管中，并使纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管相互平行且紧贴堆叠，同时使纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管填满纯石英玻璃管的内孔，形成光纤预制棒；对光纤预制棒进行光纤拉丝，控制光纤预制棒中各处的气体压力，以调制纤芯的尺寸、空气占空比，得到随机分布的多芯成像光纤；优点是制备得到的多芯成像光纤在单位面积内可以实现的等效纤芯数较多，且相邻的等效纤芯之间的光能量耦合损耗较低，从而能够实现较长距离的图像传输能力。

Description

一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺
技术领域
本发明涉及一种光纤制备技术，尤其是涉及一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺。
背景技术
随着光纤技术几十年的发展，光纤的应用领域不断拓宽，从通信、照明发展到传感、传能等新领域。目前，利用多芯光纤传像和成像是一种新兴的应用，光纤传像技术可以广泛应用于医疗、工业、军事等各行各业。具体地，细经多芯成像光纤代替光纤束后，光纤成像系统广泛应用于微创手术、血管内窥、眼部手术等需要精细操作的手术；工业方面，随着精密电子的快速发展，光纤内窥系统也应用于复杂系统的检修中；军事方面，潜望式观察和瞄准的应用场景也非常适于光纤随意弯曲的特性。
现阶段在光纤成像领域，主要应用在实际工程中的是光纤束，光纤束存在体积大，不易弯曲，弯曲半径过大时光纤束中的光纤会相互分离，所以在医用等对体积和弯曲要求较高的应用场景，光纤束已被体积较小的多芯成像光纤替代。目前，传像/成像应用的多芯成像光纤由日本藤仓、住友等海外企业供应，然而，这类多芯成像光纤在单位面积内可以实现的等效纤芯数有限，且相邻的等效纤芯之间的光能量耦合损耗高，纤芯间距必须满足一定的距离，极大地限制了成像的分辨率。此外，同样的问题限制了这类多芯成像光纤并不能在宽谱范围内应用。更重要的是，这类多芯成像光纤被日本藤仓、住友等海外企业垄断，多芯成像光纤自主可控国产化进程步履维艰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其制备得到的多芯成像光纤在单位面积内可以实现的等效纤芯数较多，且相邻的等效纤芯之间的光能量耦合损耗较低，从而能够实现较长距离的图像传输能力。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：制备多种不同直径的纯石英玻璃毛细棒；并制备多种不同外径和不同内外径比的纯石英玻璃毛细管；
步骤2：将数个尺寸随机的纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管以随机分布的方式插入到纯石英玻璃管的内孔中，并使纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管相互平行且紧贴堆叠，同时使纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管填满纯石英玻璃管的内孔，形成光纤预制棒；
步骤3：对光纤预制棒进行光纤拉丝，在光纤拉丝的过程中主动精密控制光纤预制棒中各处的气体压力，以实现有效调制纤芯的尺寸、空气占空比，得到随机分布的多芯成像光纤，该多芯成像光纤包括由大量随机分布的纯石英玻璃毛细棒和大量随机分布的纯石英玻璃毛细管随机堆叠在一起后经过光纤拉丝过程熔融形成的用于传输图像光信号的光波导区、由纯石英玻璃管经过光纤拉丝过程熔融后形成的用于维持结构和强度的外套包层，光波导区由随机分布的石英区域即纤芯区域和随机分布的空气孔区域组成。制备得到的多芯成像光纤的导光机理完全与现有的多芯成像光纤不同，其并不是简单地由低折射率包层通过全反射原理束缚高折射率纤芯的光波导结构，而是基于一种安德森局限机理，该机理通过无序的缺陷(或杂质)分布，实现电子并扩展至光子的束缚。这样一来，在一个超大模场均匀介质的光纤截面中，引入密集的无序缺陷，将引起安德森局限的效应，首先能将传输的光束缚在光纤中，其次可以将均匀介质的光纤截面无限切分，形成无数个等效纤芯。因此这种基于安德森局限机理的随机分布的多芯成像光纤可以作为一种有效的传像光纤。
所述的步骤1中，纯石英玻璃毛细棒的直径的取值范围为200微米～3毫米。
所述的步骤1中，纯石英玻璃毛细管的外径的取值范围为200微米～3毫米，纯石英玻璃毛细管的内外径比的取值范围为0.1～0.9。
所述的步骤2中，纯石英玻璃管的内外径比的取值范围为0.6～0.9。
所述的步骤3中，采用光纤拉丝塔系统对光纤预制棒进行光纤拉丝，所述的光纤拉丝塔系统由预制棒进给装置、高温炉、数量为1～5个的涂敷固化装置、光纤转向引导轮、具有能够调整拉丝速度和调节裸光纤直径的主光纤牵引轮的主牵引系统、舞蹈轮、具有收线盘的成品光纤收线装置组成，所述的预制棒进给装置提供光纤预制棒给所述的高温炉，所述的高温炉使光纤预制棒熔融成丝形成裸光纤，所述的涂敷固化装置使裸光纤的表面涂敷高分子材料并固化后形成具有涂敷层的光纤，具有涂敷层的光纤通过所述的光纤转向引导轮后进入所述的主牵引系统中，所述的主牵引系统中的主光纤牵引轮改变具有涂敷层的光纤的直径后得到随机分布的多芯成像光纤，随机分布的多芯成像光纤经过所述的舞蹈轮后由所述的成品光纤收线装置中的收线盘收集。
所述的步骤3中，采用光纤拉丝塔系统对光纤预制棒进行光纤拉丝的过程中，增设能够在光纤拉丝的过程中主动精密控制光纤预制棒中各处的气体压力以实现有效调制纤芯的尺寸、空气占空比的多通道主动式气控单元。多通道主动式气控单元的气体压力的可调范围为-1bar～+1bar。
所述的纤芯的尺寸即直径的调制范围为1～30微米、所述的空气占空比的调制范围为30～95％，例如调制为40％。
所述的涂敷固化装置包括用于在裸光纤的表面涂敷高分子材料的涂敷器及用于对裸光纤的表面涂敷的高分子材料进行固化处理的固化炉。
所述的高分子材料为紫外固化的高聚物或热固化的高聚物。
所述的紫外固化的高聚物为丙烯酸酯，所述的热固化的高聚物为可耐高温(300℃)的聚酰亚胺。针对不同的应用场景，裸光纤的表面可涂覆紫外固化的高聚物如丙烯酸酯，也可以涂覆医用友好，使用高温环境的热固化高聚物如聚酰亚胺。选用聚酰亚胺作为涂覆的高分子材料，可确保制备得到的多芯微结构成像光纤束能够在温度为300℃以下的环境中长时间正常工作，在温度为400℃的环境中短时间使用。高分子材料为丙烯酸酯时具有涂敷层的光纤的涂敷层的厚度为50～150微米，高分子材料为聚酰亚胺时具有涂敷层的光纤的涂敷层的厚度为10～20微米。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
利用本发明的制备工艺制备得到的随机分布的多芯成像光纤即为空气孔缺陷产生的大量等效单模/少模纤芯，其在传像应用上具有相较于传统的多芯成像光纤的一些优势，具体为：(1)光纤预制棒的制备过程中，所用到的纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管的最大数量不限(例如，共有1 000 000个)，仅取决于纯石英玻璃管的内径，所以单位面积内有可能实现的等效纤芯数可以大于传统的多芯成像光纤；(2)所有石英区域和空气孔区域的几何尺寸均为随机产生，使得所有等效纤芯的传输模式和传输常数也均为随机产生，相邻的等效纤芯之间传输模式差距巨大，对应光学模式的有效折射率也迥异，因此相邻的等效纤芯之间的模式耦合极低，能有效提高成像光纤的应用长度；(3)纤芯无需掺锗，空气孔作为包层无需掺杂氟，采用纯石英作为光纤唯一材料；(4)本发明的制备工艺简单，原材料无需掺杂，成本低，大幅降低了制备成本，且推动了自主可控国产化进程；(5)由于纤芯的尺寸、分布位置的极大差异，以及利用空气孔分隔对各个纤芯数值孔径的提高，使得光学模式的纤芯间耦合能得到最大程度的抑制；(6)由于各个纤芯差异较大，纤芯波导的截止波长不同，因此这种多芯成像光纤还能在扩展的频谱范围(可见至中红外区间)使用；(7)可进一步扩展至非石英玻璃为光纤原材料，例如氟化物玻璃、硫系玻璃等，将成像应用范围扩展至深紫外(200～400nm)或中红外(3～10μm)区间。
附图说明
图1为本发明的制备工艺中得到的光纤预制棒的径向截面结构示意图；
图2为利用本发明的制备工艺制备得到的随机分布的多芯成像光纤的截面显微图像；
图3为本发明的制备工艺制备所采用的光纤拉丝塔系统的组成结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其包括以下步骤：
步骤1：制备多种不同直径的纯石英玻璃毛细棒；并制备多种不同外径和不同内外径比的纯石英玻璃毛细管。
在此，制备纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管均采用现有技术。
在此具体实施例中，纯石英玻璃毛细棒的直径的取值范围为200微米～3毫米，纯石英玻璃毛细管的外径的取值范围为200微米～3毫米，纯石英玻璃毛细管的内外径比的取值范围为0.1～0.9。由于本发明的制备工艺中需要多种不同直径的纯石英玻璃毛细棒和多种不同外径且不同内外径比的纯石英玻璃毛细管，因此在上述给出的取值范围内可随机确定尺寸进行制备。
步骤2：将数个尺寸随机的纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管以随机分布的方式插入到纯石英玻璃管的内孔中，并使纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管相互平行且紧贴堆叠，同时使纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管填满纯石英玻璃管的内孔，形成光纤预制棒。
在此具体实施例中，纯石英玻璃管的内外径比的取值范围为0.6～0.9，在纯石英玻璃管的外径相同的情况下内外径比的值越大，纯石英玻璃管的内孔越大，则可容纳的随机分布的纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管的个数就越多。
在此，光纤预制棒中的纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管各自的数量不定，总数量范围为500到1000000个。
图1给出了光纤预制棒的径向截面结构示意图，在图1中，数个纯石英玻璃毛细棒的直径存在差异，数个纯石英玻璃毛细管的外径和内外径比存在差异。在图1中，4为纯石英玻璃毛细棒，5为纯石英玻璃毛细管，6为纯石英玻璃管。
步骤3：对光纤预制棒进行光纤拉丝，在光纤拉丝的过程中主动精密控制光纤预制棒中各处的气体压力，以实现有效调制纤芯的尺寸、空气占空比，纤芯的尺寸即直径的调制范围为1～30微米、空气占空比的调制范围为30～95％，例如调制为40％，得到随机分布的多芯成像光纤，该多芯成像光纤包括由大量随机分布的纯石英玻璃毛细棒和大量随机分布的纯石英玻璃毛细管随机堆叠在一起后经过光纤拉丝过程熔融形成的用于传输图像光信号的光波导区、由纯石英玻璃管经过光纤拉丝过程熔融后形成的用于维持结构和强度的外套包层，光波导区由随机分布的石英区域即纤芯区域(通过纯石英玻璃毛细棒得到)和随机分布的空气孔区域(通过纯石英玻璃毛细管得到)组成，该多芯成像光纤基于石英区域和空气孔区域的随机分布，光波导自发性地在石英区域中传输，能形成大量不同传输模式、传输常数的等效纤芯。
图2给出了制备得到的随机分布的多芯成像光纤的截面显微图像，图2所示的多芯成像光纤的直径为300微米，其随机分布成像多芯区域的直径为200微米，该多芯成像光纤的占空比约为30～40％。
制备得到的多芯成像光纤的导光机理完全与现有的多芯成像光纤不同，其并不是简单地由低折射率包层通过全反射原理束缚高折射率纤芯的光波导结构，而是基于一种安德森局限机理，该机理通过无序的缺陷(或杂质)分布，实现电子并扩展至光子的束缚。这样一来，在一个超大模场均匀介质的光纤截面中，引入密集的无序缺陷，将引起安德森局限的效应，首先能将传输的光束缚在光纤中，其次可以将均匀介质的光纤截面无限切分，形成无数个等效纤芯。因此这种基于安德森局限机理的随机分布的多芯成像光纤可以作为一种有效的传像光纤。
在此具体实施例中，步骤3中，采用光纤拉丝塔系统对光纤预制棒进行光纤拉丝，如图3所示，光纤拉丝塔系统2由预制棒进给装置21、高温炉22、数量为2个的涂敷固化装置23、光纤转向引导轮24、具有能够调整拉丝速度和调节裸光纤直径的主光纤牵引轮251的主牵引系统25、舞蹈轮26、具有收线盘271的成品光纤收线装置27组成，预制棒进给装置21提供光纤预制棒31给高温炉22，高温炉22使光纤预制棒31熔融成丝形成裸光纤32，涂敷固化装置23使裸光纤32的表面涂敷高分子材料并固化后形成具有涂敷层的光纤33，具有涂敷层的光纤33通过光纤转向引导轮24后进入主牵引系统25中，主牵引系统25中的主光纤牵引轮251改变具有涂敷层的光纤33的直径后得到随机分布的多芯成像光纤34，随机分布的多芯成像光纤34经过舞蹈轮26后由成品光纤收线装置27中的收线盘271收集。
在此具体实施例中，步骤3中，采用光纤拉丝塔系统2对光纤预制棒31进行光纤拉丝的过程中，增设能够在光纤拉丝的过程中主动精密控制光纤预制棒31中各处的气体压力以实现有效调制纤芯的尺寸、空气占空比的多通道主动式气控单元1。多通道主动式气控单元1的气体压力的可调范围为-1bar～+1bar。
在此具体实施例中，涂敷固化装置23包括用于在裸光纤32的表面涂敷高分子材料的涂敷器231及用于对裸光纤32的表面涂敷的高分子材料进行固化处理的固化炉232。高分子材料为紫外固化的高聚物或热固化的高聚物，紫外固化的高聚物为丙烯酸酯，热固化的高聚物为可耐高温(300℃)的聚酰亚胺，针对不同的应用场景，裸光纤32的表面可涂覆紫外固化的高聚物如丙烯酸酯，也可以涂覆医用友好且使用高温环境的热固化高聚物如聚酰亚胺。选用聚酰亚胺作为涂覆的高分子材料，可确保制备得到的多芯微结构成像光纤束能够在温度为300℃以下的环境中长时间正常工作，在温度为400℃的环境中短时间使用。高分子材料为丙烯酸酯时具有涂敷层的光纤33的涂敷层的厚度为50～150微米，高分子材料为聚酰亚胺时具有涂敷层的光纤33的涂敷层的厚度为10～20微米。
在此，多通道主动式气控单元1采有现有技术；预制棒进给装置21、高温炉22、涂敷器231、固化炉232、光纤转向引导轮24、主牵引系统25、舞蹈轮26、成品光纤收线装置27均采用现有技术。

Claims (10)

1.一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：制备多种不同直径的纯石英玻璃毛细棒；并制备多种不同外径和不同内外径比的纯石英玻璃毛细管；
步骤2：将数个尺寸随机的纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管以随机分布的方式插入到纯石英玻璃管的内孔中，并使纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管相互平行且紧贴堆叠，同时使纯石英玻璃毛细棒和纯石英玻璃毛细管填满纯石英玻璃管的内孔，形成光纤预制棒；
步骤3：对光纤预制棒进行光纤拉丝，在光纤拉丝的过程中主动精密控制光纤预制棒中各处的气体压力，以实现有效调制纤芯的尺寸、空气占空比，得到随机分布的多芯成像光纤，该多芯成像光纤包括由大量随机分布的纯石英玻璃毛细棒和大量随机分布的纯石英玻璃毛细管随机堆叠在一起后经过光纤拉丝过程熔融形成的用于传输图像光信号的光波导区、由纯石英玻璃管经过光纤拉丝过程熔融后形成的用于维持结构和强度的外套包层，光波导区由随机分布的石英区域即纤芯区域和随机分布的空气孔区域组成。
2.根据权利要求1所述的一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其特征在于所述的步骤1中，纯石英玻璃毛细棒的直径的取值范围为200微米～3毫米。
3.根据权利要求2所述的一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其特征在于所述的步骤1中，纯石英玻璃毛细管的外径的取值范围为200微米～3毫米，纯石英玻璃毛细管的内外径比的取值范围为0.1～0.9。
4.根据权利要求1所述的一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其特征在于所述的步骤2中，纯石英玻璃管的内外径比的取值范围为0.6～0.9。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其特征在于所述的步骤3中，采用光纤拉丝塔系统对光纤预制棒进行光纤拉丝，所述的光纤拉丝塔系统由预制棒进给装置、高温炉、数量为1～5个的涂敷固化装置、光纤转向引导轮、具有能够调整拉丝速度和调节裸光纤直径的主光纤牵引轮的主牵引系统、舞蹈轮、具有收线盘的成品光纤收线装置组成，所述的预制棒进给装置提供光纤预制棒给所述的高温炉，所述的高温炉使光纤预制棒熔融成丝形成裸光纤，所述的涂敷固化装置使裸光纤的表面涂敷高分子材料并固化后形成具有涂敷层的光纤，具有涂敷层的光纤通过所述的光纤转向引导轮后进入所述的主牵引系统中，所述的主牵引系统中的主光纤牵引轮改变具有涂敷层的光纤的直径后得到随机分布的多芯成像光纤，随机分布的多芯成像光纤经过所述的舞蹈轮后由所述的成品光纤收线装置中的收线盘收集。
6.根据权利要求5所述的一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其特征在于所述的步骤3中，采用光纤拉丝塔系统对光纤预制棒进行光纤拉丝的过程中，增设能够在光纤拉丝的过程中主动精密控制光纤预制棒中各处的气体压力以实现有效调制纤芯的尺寸、空气占空比的多通道主动式气控单元。
7.根据权利要求6所述的一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其特征在于所述的纤芯的尺寸即直径的调制范围为1～30微米、所述的空气占空比的调制范围为30～95％。
8.根据权利要求5所述的一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其特征在于所述的涂敷固化装置包括用于在裸光纤的表面涂敷高分子材料的涂敷器及用于对裸光纤的表面涂敷的高分子材料进行固化处理的固化炉。
9.根据权利要求8所述的一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其特征在于所述的高分子材料为紫外固化的高聚物或热固化的高聚物。
10.根据权利要求9所述的一种随机分布的多芯成像光纤的制备工艺，其特征在于所述的紫外固化的高聚物为丙烯酸酯，所述的热固化的高聚物为聚酰亚胺。
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