CN111977957B - 一种气体保压调控装置、微结构光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种气体保压调控装置、微结构光纤及其制备方法，属于特种光纤的制造领域。该气体保压调控装置中，通信控制模块和光纤拉丝塔主控台电连接，通信控制模块的信号输出端和PLC控制器的信号接收端连接，PLC控制器上设置有气压阈值显示屏，PLC控制器的信号接收端还和压力控制器的信号输出端连接，PLC控制器还连接控制进出气开闭的电磁阀。通过二次拉制技术和气体保压调控装置制备微结构光纤，二次拉制技术是采用两道拉制过程，气体保压能够防止细预制棒内部气孔塌缩，通过该方法可将光纤外径尺寸和纤芯尺寸同时降低到预期要求尺寸，而且该方法可有效解决微结构光纤内部气孔塌缩和消失问题，能够保持微结构光纤设计的内部结构。

Description

一种气体保压调控装置、微结构光纤及其制备方法
技术领域
本发明属于特种光纤的制造领域，尤其涉及一种气体保压调控装置、微结构光纤及其制备方法。
背景技术
微结构光纤是一种具有特殊气孔结构的光纤，由于其灵活的结构设计，已成为各国专家学者所青睐的研究对象，为了得到新颖的特性，许多不同形状的微结构光纤被设计出来，包括四边形、六边形、八边形、椭圆形、圆形、菱形，螺旋形和混合形等。微结构光纤具有许多传统光纤所不具备的优点，例如：单模传输、高双折射特性、偏振特性、非线性特性、模场面积大、可控色散特性和低限制损耗等。
微结构光纤是一种结构可以周期性变换的特种光纤，通过对结构进行灵活设计可以实现独特的物理性能。微结构光纤属于新兴的研究领域，国内科研人员虽然在理论和制备方面都投入了大量精力进行研究，但相对于理论方面，制备技术仍然很滞后，如何制备微结构光纤的资料报道也很少。其主要原因是研究过程中，建造的拉丝塔高度仅三米多，制备光纤时很难一次性地将预制棒拉制到要求的光纤尺寸，尤其是纤芯尺寸，一般都在10μm以下。另外，光纤微结构中的气孔也保持的不是很好，在拉细过程中许多气孔都发生塌缩，在要求的尺寸范围内得不到一个完好的结构。还有的技术为了保持住气孔，在拉丝前，用氢氧焰先将预制棒的一端封死，但在拉丝过程中，高温炉中预制棒的另一端被熔死后，炉芯位置的预制棒出现鼓包现象，也没有很好的解决微结构光纤内部气孔塌缩问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明从微结构光纤拉制工艺和制备角度进行探索，提出了一种气体保压调控装置、微结构光纤及其制备方法，该方法通过二次拉制技术和气体保压调控技术制备微结构光纤，二次拉制技术是采用两道拉制过程，气体保压能够防止细预制棒内部气孔塌缩，通过该方法可将光纤外径尺寸和纤芯尺寸同时降低到预期要求尺寸，而且该方法可有效解决微结构光纤内部气孔塌缩和消失问题，能够保持微结构光纤设计的内部结构，具有操作简单、光纤纤芯和内部包层气孔尺寸均可调控的优点。通过该方法制备出来的微结构光纤可应用于滤波器、分束器和传感器等多种光学器件中。
本发明采用的技术方案为：
一种气体保压调控装置，包括通信控制模块、PLC控制器、压力控制器、电磁阀和气压阈值显示屏；
通信控制模块和光纤拉丝塔主控台电连接，通信控制模块的信号输出端和PLC控制器的信号接收端连接，PLC控制器上设置有气压阈值显示屏，PLC控制器的信号接收端还和压力控制器的信号输出端连接，PLC控制器还连接控制进出气开闭的电磁阀。
所述的通信控制模块，用于接收光纤拉丝塔主控台的通信信号指令，并将该信号指令传输至PLC控制器；
所述的压力控制器，实时检测压力大小，并将检测的压力值传输至PLC控制器；
所述的PLC控制器，用于将通信模块传输的气压阈值通过气压阈值显示屏显示，并将该气压阈值的压力与压力控制器检测的压力进行对比，从而传输信号控制电磁阀的开闭。
所述的光纤拉丝塔主控台，通过观察光纤端面情况，用于对微结构光纤制备过程中的高温炉温度、送棒速度、牵引速度和气压阈值四种拉丝参数进行调控设置。
一种光纤拉丝塔，包括连接氩气的氩气气管、设置在氩气气管上的气体保压调控装置，设置在光纤拉丝塔上的固定装置、依次设置在固定装置下方的高温炉、光学测径仪、牵引装置、压力涂覆装置、紫外固化装置和收丝装置；并且固定装置、高温炉、光学测径仪、牵引装置、压力涂覆装置、紫外固化装置均设置有拉丝通孔，拉丝通孔位于同一垂直线上，连接氩气的氩气气管输出端通过气体连接头和细预制棒连通。
本发明的一种微结构光纤的制备方法，为采用阶梯型堆积捆绑法制作预制棒，采用二次拉制技术拉制微结构光纤，在第二道拉制过程中，同时通过气压控制调控微结构气孔的大小；并且通过调整高温炉温度、气压阈值、送棒速度和牵引速度四种拉丝参数拉制微结构光纤。
本发明的一种微结构光纤的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备预制棒
根据仿真程序设计微结构光纤，根据设计的微结构光纤尺寸和结构，选择玻璃管和玻璃棒，拉制成毛细管和毛细棒后，采用阶梯型堆积捆绑法制作预制棒；将预制棒内的水蒸气去除；
步骤2：二次拉制
将去除水蒸气的预制棒，进行第一道拉制，得到细预制棒；其中，细预制棒的外径为3-5.5mm；
将细预制棒外周套设限位玻璃外套管后，进行第二道拉制，在第二道拉制过程中，通过光学显微镜实时观测细预制棒端面，当光纤的微结构气孔全部出现后，细预制棒接通连接氩气的氩气气管，并启动气体保压调控装置，通过光学显微镜观测出来的光纤微结构端面情况设置气压阈值，对光纤内部气孔大小进行控制；
步骤3：调整
调整高温炉温度为1743-1950℃、气压阈值为1-10kPa、送棒速度为0.93-5mm/min，牵引速度为0.5-7.7m/min，将细预制棒与限位玻璃外套管之间的缝隙消除，通过光学显微镜实时观测微结构光纤端面，并根据端面情况反复调整拉丝参数，同时通过气体保压调控装置调控气孔内气压大小，从而控制降低微结构光纤的外径尺寸和纤芯尺寸，最终得到完整结构的微结构光纤。
所述的步骤1中，根据微结构光纤中，纤芯的数量和包层层数结构，设置中心纤芯和多层包层，其中，第一层包层和中心纤芯长度相同，第二层包层比第一层包层短1-2cm，依次类推，直至整个纤芯和包层完成，形成六边形结构，将六边形结构外套设玻璃套管，在六边形结构和玻璃套管之间的空间填充实心细毛细棒，得到预制棒；其中，中心纤芯采用毛细棒或毛细管，包层根据设置的微结构光纤的纤芯数量和排布，选用毛细管、或毛细管和毛细棒。
进一步的，相邻两层中，外层要比内层多6根毛细管。
进一步的，所述的毛细管和毛细棒的使用总数m＝3n(n+1)+1，其中m为毛细管和毛细棒的使用总数，n为预制棒中包层设置的层数。
进一步的，所述的步骤1中，毛细棒的直径为0.8-2.2cm，毛细管的直径和毛细棒直径相同，毛细管的内径为0.3-1.8mm。
所述的步骤1中，选用的玻璃管和玻璃棒，使用前，需进行内外壁的清洗，并烘干，并根据微结构光纤需求尺寸，将玻璃管和玻璃棒拉制成毛细管和毛细棒，采用阶梯型堆积捆绑法制作预制棒。
所述的步骤1中，将预制棒的一端熔接一根200-300mm长的玻璃管作为尾柄，置于100～200℃的温控箱内去除预制棒内水蒸气；所述的尾柄的外径和预制棒的玻璃套管的外径相同，尾柄的内径≥预制棒的玻璃套管的内径。
所述的步骤2中，将待拉制的光纤通过固定装置固定在光纤拉丝塔上，并依次穿过高温炉、光学测径仪、牵引装置、压力涂覆装置、紫外固化装置进行拉制。
所述的步骤2中，通过调控高温炉温度1770-1950℃、送棒速度1-5mm/min和牵引速度0.5-7m/min三种拉丝参数进行第一道拉制。
所述的步骤3中，高温炉温度先下降再升温的趋势进行调节，牵引速度从低到高的趋势进行调节，送棒速度从高至低的趋势进行调节，气压阈值从先升高再降低的趋势进行调节。
一种微结构光纤，采用上述制备方法制得，其包层气孔整体呈六边形排布，基底材料为石英，纤芯直径为3-10μm。
所述的微结构光纤，其外径为120～190μm。
所述的微结构光纤中，纤芯内的传输方式为全内反射型传输方式，其可以为单芯、偏双芯、双芯、三芯、七芯微结构光纤中的一种。
与现有的光纤制备技术相比，本发明公开的一种气体保压调控装置、微结构光纤及其制备方法，具有以下优势：
(1)采用阶梯型堆积捆绑法来制备光纤预制棒，阶梯型堆积捆绑法操作更加方便，而且使六边形微结构更加牢固。
(2)采用多根实心的毛细棒排布预制棒，可制备出多芯微结构光纤，采用本发明公开的方法制备出偏双芯、双芯、三芯和七芯等多芯微结构光纤。
(3)采用二次拉制技术，第一道拉制将外径20mm的光纤预制棒拉制成外径3-5.5mm的细预制棒，细预制棒结构更加牢固。通过给细预制棒加限位玻璃外套管后进行第二道拉制，不但能将光纤外径尺寸降到标准尺寸(如125μm)，还能将纤芯尺寸降到10μm以下。
(4)通过带金属弹簧片的连接头连接充气气管和细预制棒，解决了热气流烫化连接头的问题。
(5)通过气体保压调控装置向细预制棒内冲入氩气，结合微结构光纤的二次拉制技术，并进行气压阈值调控，可有效解决微结构光纤内部气孔塌缩和消失问题，同时也消除了细预制棒与限位玻璃外套管之间的缝隙。
(6)本发明利用气体保压调控装置来实现稳态保压，为实现微结构光纤的批量制备提供保障，并且本发明的方法不仅能够保持住微结构光纤的内部结构，而且还可以将光纤的外径尺寸和纤芯尺寸同时降到预期要求尺寸，具有操作简单、光纤纤芯和内部包层气孔尺寸均可调等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中设计的单芯微结构光纤二维端面示意图；
图中，a为实心毛细棒，b为毛细管，c为预制棒的玻璃套管。
图2为本发明实施例采用阶梯型堆积捆绑法制备的光纤预制棒示意图。
图3为本发明中第一道拉制后微结构光纤细预制棒的二维端面图。
图4为本发明中光纤拉丝塔二次拉丝时的示意图；
图中，1为氩气气管；2为气体保压调控装置；3为气体连接头；4为细预制棒；5为固定装置；6为限位玻璃外套管；7为高温炉；8为光学测径仪；9为牵引装置；10为压力涂覆装置；11为紫外固化装置；12为收丝装置。
图5为本发明中气体保压调控装置示意图。
图6为本发明中单芯微结构光纤拉制过程中温度与气压的拟合曲线。
图7为本发明中单芯微结构光纤拉制过程中送棒速度与牵引速度的拟合曲线。
图8为本发明中单芯微结构光纤的端面图，其中图8(a)为整体端面，图8(b)为局部放大后的端面。
图9为本发明中基于二次拉制和气压控制技术制备微结构光纤的工艺流程。
图10为本发明中实施例三中偏双芯微结构光纤二维端面示意图。
图11为本发明实施例三中偏双芯微结构光纤的端面图。
图12为本发明中所设计的双芯微结构光纤端面示意图。
图13为本发明中第一道拉制后双芯微结构光纤细预制棒的二维端面图。
图14为本发明中双芯微结构光纤的端面图，其中图14(a)为整体端面，图14(b)为局部放大后的端面。
图15为本发明中所设计的七芯微结构光纤端面示意图。
图16为本发明中第一道拉制后七芯微结构光纤细预制棒的二维端面图。
图17为本发明中七芯微结构光纤的端面图，其中图17(a)为整体端面，图17(b)为局部放大后的端面。
图18为对比例1制备的单芯微结构光纤的端面图。
图19为对比例2制备的单芯微结构光纤的端面图。
图20为三芯微结构光纤的端面示意图。
图21为三芯微结构光纤的端面图。
具体实施方式
为了使上述方法和优点更加易懂，下面通过实施例详细描述本发明公开的一种气体保压调控装置、微结构光纤及其制备方法。申请人按照此种制作方法已经制备出多种微结构光纤，本方法在形式和细节上可以有多种变形，因此本发明绝不仅限于以下所述的实施例。
以下实施例中，采用的设备均为市购。
以下实施例中，选用的玻璃管和玻璃棒，使用前，使用高纯酒精将玻璃棒的外壁和玻璃管的内外壁擦洗干净，并烘干备用。
实施例一：
一种单芯微结构光纤的制备方法，包括以下步骤：
1)根据仿真程序设计单芯微结构光纤，其二维端面的示意图见图1。根据单芯微结构光纤的尺寸和结构，选用外径20mm、内径14mm的石英玻璃管作为制备预制棒的玻璃套管，将外径20mm、内径14mm的玻璃管拉制成外径2mm的毛细管，同时将直径20mm的玻璃棒拉制成直径2mm的实心毛细棒，作为光纤的纤芯。
采用阶梯型堆积捆绑法按照图1所示的光纤结构进行包层具有三层气孔的单芯微结构光纤预制棒的排布，图2为阶梯型堆积捆绑后得到的单芯三层气孔预制棒示意图，六边形结构外边缘和玻璃套管之间的缝隙用实心的玻璃毛细棒塞满。为了提高预制棒的利用率，采用氢氧焰将该预制棒尾端熔接一根长度为250mm、内径为14mm、外径为20mm的玻璃管作为尾柄，熔接完尾柄后通过温控箱去除预制棒内的水蒸气。
2)将预制棒内的水蒸气去除，通过固定装置固定在光纤拉丝塔上，并依次穿过高温炉、光学测径仪、牵引装置、压力涂覆装置、紫外固化装置，进行第一道拉制，得到细预制棒；其中，由于第二道拉制时采用外径12mm、内径3.2mm的玻璃管作为限位玻璃外套管，所以第一道拉制时调控高温炉温度1770-1950℃、送棒速度1-5mm/min和牵引速度0.5-7m/min三种拉丝参数将外径20mm的光纤预制棒拉制成外径3.1mm的细预制棒。图3为经过第一道拉制后细预制棒的二维端面图，从该图可以看出，经过第一道拉制后细预制棒的结构清晰完整，包层气孔没有任何塌缩现象，而且大小均匀一致。
3)将第一道拉制后外径为3.1mm的细预制棒插入内径为3.2mm、外径为12mm的限位玻璃外套管6中，将加限位玻璃外套管后的细预制棒3再次加载到光纤拉丝塔上进行第二道拉制，本实施例采用的微结构光纤制备的光纤拉丝塔，其示意图如图4所示，光纤拉丝塔包括连接氩气的氩气气管1、设置在氩气气管1上的气体保压调控装置2，设置在光纤拉丝塔上的固定装置5，本实施例为三角抓，还有依次设置在固定装置5下方的高温炉7、光学测径仪8、牵引装置9、压力涂覆装置10、紫外固化装置11和收丝装置12；并且固定装置5、高温炉7、光学测径仪8、牵引装置9、压力涂覆装置10、紫外固化装置11均设置有拉丝通孔，拉丝通孔位于同一垂直线上，连接氩气的氩气气管1输出端通过气体连接头3和细预制棒4连通。
从图4可以看出，光纤拉丝塔上的三角抓夹在细预制棒3的限位玻璃外套管6上。第二道拉制时，高温炉的初始温度设置为1950℃，料头掉下后，将炉温设置为1800℃。待温度降至1800℃并稳定后，用尖嘴铁钳将料头减掉，并将送棒速度设置为4mm/min，牵引速度设置为0.5m/min。起初拉制出来的纤丝都是实心的，为了尽快出现包层气孔，逐步下调高温炉温度，并适当提高牵引速度。若光纤变脆，则需停止降温，否则光纤可能被拉断。当温度下降到1775℃，牵引速度设置为1.4m/min时，光纤直径为666μm，光纤内部气孔基本都出现，但内层气孔较小，此时通过内部带有金属弹簧片的二通气体连接头将细预制棒与氩气气管连接在一起，如光纤拉丝塔拉丝示意图图4所示。
4)为了防止微结构气孔塌缩，将氩气充入细预制棒内，氩气的大小由气体保压调控装置2进行调控，气体保压调控装置示意图如图5所示，该装置主要包括通信控制模块、PLC控制器、压力控制器、电磁阀、气压阈值显示屏。通信控制模块和光纤拉丝塔主控台电连接，通信控制模块的信号输出端和PLC控制器的信号接收端连接，PLC控制器上设置有气压阈值显示屏，PLC控制器的信号接收端还和压力控制器的信号输出端连接，PLC控制器还连接控制进出气开闭的电磁阀。通信控制模块用于实现气体保压调控装置与光纤拉丝塔主控台之间的连接通信，利用光纤拉丝塔主控台对气体保压调控装置进行气压阈值设定，PCL控制器将该气压阈值通过显示屏显示出来。压力控制器实时检测压力大小，将该压力值传输至PLC控制器，PLC控制器去判断压力值是否高于或低于气压阈值，从而传输信号控制电磁阀开闭。若该气压阈值比氩气出气管内的气压值大，则PLC控制器打开电磁阀并自动进行充气；若该气压阈值比氩气出气管内的气压值小，则PLC控制器打开所述电磁阀并自动进行抽气；若该阈值与氩气出气管内的气压值相等，则PLC控制器关闭电磁阀，不进行充气或抽气，以此来确保细预制棒内气压恒定。
5)起初将气压阈值设置为1kPa，并根据光纤端面情况逐步降低送棒速度、提高气压阈值。当送棒速度降到2.5mm/min、气压阈值提高至4kPa时，光纤包层气孔的大小基本一致。为了将光纤与限位玻璃外套管之间的月牙缝隙消除，继续逐步增大气压阈值；同时为了降低光纤直径尺寸并防止光纤因变脆而被拉断，继续降低送棒速度，并逐步增大牵引速度和高温炉温度。当气压阈值为8.5kPa、高温炉温度为1784℃、送棒速度为1.8mm/min、牵引速度为2.8m/min时，月牙型缝隙完全消失，包层气孔整体变大而且均匀，此时直径为329μm。由于包层气孔已均衡变大，而且气孔中的气压已经能够支撑住气孔不塌缩，所以接下来在降低光纤尺寸过程中，保持气压阈值恒定不变。继续降低送棒速度至1mm/min、增加牵引速度到4.6m/min，同时逐步增加炉温至1797℃后，光纤的外径为190μm，纤芯直径尺寸已被降到10μm以下。为了进一步降低纤芯尺寸，继续增大牵引速度至6.4m/min，光纤直径被降到了160μm，但光纤包层气孔相互挤压着越变越大，失去了原有的均匀度，所以随着丝径变细，气压阈值也需相应的调低，但不能过低，若过低，包层气孔中的气压撑不住光纤微结构，微结构与限位玻璃外套管之间的月牙会再次出现。
对第二道拉制过程中的工艺参数进行分析：
图6为拉制单芯微结构光纤时，高温炉温度和气压阈值的参数拟合曲线，起初拉丝温度设定为1800℃，为了尽快出现包层气孔，逐渐降低炉温。待炉温降低到1775℃时，包层气孔基本都出现，此时停止降温。随着光纤直径变细，光纤开始变脆。为了防止光纤因太脆而被拉断，开始逐步升高炉温。所以高温炉的炉温参数的设定过程呈现先下降后上升的走势。大体呈现下凸形状。
气压阈值设定过程跟高温炉的炉温正好相反，当纤丝包层气孔都出现时加上气体保压调控装置。起初纤丝直径比较粗，加气压的目的是防止在降低丝径过程中光纤包层气孔塌缩。当纤丝直径降到一定程度后，气压阈值不但不能再增加，反而需要减小，主要原因是纤丝直径变细过程中，若在保持原有气压阈值，光纤包层气孔会被吹得很大，甚至会严重变形，所以气压阈值的设定过程呈现先增大后变小的走势，大体呈现上凸的形状。
图7为送棒速度和牵引速度的参数拟合曲线，从该图可以看出，随着送棒速度减小，光纤直径也在逐渐变小。牵引速度跟送棒速度的设定过程正好相反，随着牵引速度增大，光纤直径反而逐渐减小。
6)经过长时间拉制并反复调整拉丝参数，最终温度升高到1809℃、送棒速度下降到0.95mm/min、牵引速度提升到7.7m/min，气压阈值设置为6.1kPa时，光纤外径和纤芯尺寸分别被降到125μm和4μm，月牙型缝隙消失，并且结构完好。通过光学显微镜对该单芯微结构光纤端面进行检测，检测到端面如图8所示，其中图8(a)为整体端面，图8(b)为局部放大后的端面。
对比例1
采用光纤拉丝塔进行单芯微结构光纤的制备，其和实施例一不同之处在于：在光纤拉丝塔上并未设置气体保压调控装置，进行第一道拉制，第一道拉制过程中，也进行了调整高温炉温度1770-1950℃、送棒速度1-5mm/min和牵引速度0.5-7m/min三种拉丝参数；其得到的微结构光纤的检测端面示意图见图18。
对比例2
采用光纤拉丝塔进行单芯微结构光纤的制备，其和实施例一不同之处在于：在光纤拉丝塔上并未设置气体保压调控装置，采用两道工序进行拉制，第一道拉制是为了保持预制棒内部气孔结构均匀完整，使其成型。第二道拉制时细预制棒未加玻璃套管，第二道拉制的目的是为了降低光纤尺寸。两道拉制过程中对高温炉温度1770-1950℃、送棒速度1-5mm/min和牵引速度0.5-7m/min三种参数也都进行了调整，其得到的微结构光纤的检测端面示意图见图19。
将图8中检测的端面和图18和图19检测的光纤端面进行对比，说明本方法有效解决微结构光纤内部气孔塌缩和消失问题，同时也消除了细预制棒与限位玻璃外套管之间的缝隙。
实施例二：
一种偏双芯微结构光纤的制备方法，其制备工艺流程见图9，具体步骤如下：
1)设计包层具有三层气孔的偏双芯六边形微结构光纤，如图10所示。拉制直径为2mm的实心毛细棒和外径为2mm、内径为1.4mm的空心毛细管；其中，光纤芯为空心毛细管，在光纤芯外周设置有三层包层，在第二层包层中，设置两个实心毛细管，两个实心毛细管之间间隔一个空心毛细管。
2)采用阶梯型堆积捆绑法将拉制的毛细管和毛细棒堆积捆绑成具有三层气孔的六边形结构，加上玻璃套管，六边形结构与玻璃套管之间的缝隙用实心的毛细棒塞满。
3)为了提高预制棒的利用率，采用氢氧焰将该预制棒熔接一尾柄。将该预制棒放入温控箱中，去除该预制棒内的水蒸气。
4)采用二次拉制技术进行拉制，第一道拉制时调整高温炉温度1770-1950℃、送棒速度1-5mm/min和牵引速度0.5-7m/min将外径20mm的粗预制棒拉制成外径3.1mm的细光纤预制棒。
5)将外径为3.1mm的细预制棒插入内径为3.2mm、外径为12mm的限位玻璃外套管中，进行第二道拉制。第二道拉制时高温炉的初始温度设置为1950℃，料头掉下后，将炉温设置为1800℃。送棒速度、牵引速度的初始值分别设置为4mm/min和0.5m/min。
6)光纤内部气孔都出现后，通过内部带有金属弹簧片的二通气体连接头将细预制棒与氩气气管连接在一起，调整气压阈值大小以防止光纤内部气孔塌缩，起初气压阈值设置为1kPa，并逐渐将其提高至3.5kPa。
7)通过反复调整拉丝参数，当高温炉温度为1759℃、送棒速度下降到1mm/min、牵引速度提升到7.4m/min，气压阈值设置为6.8kPa时，光纤外径达到125μm，纤芯尺寸被降到4μm。
8)将达到要求尺寸的光纤进行涂覆并收丝。
对制备的偏双芯微结构光纤的端面进行观察，其端面图见图11。
实施例三：
一种双芯微结构光纤的制备方法，包括以下步骤：
1)将外径20mm、内径14mm的石英玻璃管拉制成外径2mm的毛细管，采用阶梯型堆积捆绑法将毛细管排列成三层，用两根直径2mm的实心毛细棒替换第一层包层中的两根毛细管构成双芯结构，中间纤芯替换为外径2mm的毛细管，设计的双芯结构端面图如图12所示。通过第一道拉制时调控高温炉温度1770-1950℃、送棒速度1-5mm/min和牵引速度0.5-7m/min三种拉丝参数将直径20mm的预制棒拉制成直径3.1mm的细预制棒，图13为该细预制棒的二维端面图。
2)第二道拉制时，将第一道拉制的细预制棒塞进内径为3.2mm的限位玻璃外套管中，初始炉温设置为1950℃，待料头降下后，将高温炉温度调整到1800℃。在拉制过程中起初拉制出来的光纤都是实心的，通过降低炉温使包层气孔逐渐出现。当炉温降到1743℃、送棒速度为5mm/min、牵引速度为0.5m/min时，微结构光纤的包层气孔整体出现，拉制出来的纤丝外径为1240μm。此时将气体保压调控装置出气管连接到第一道拉制后细预制棒的尾端，并逐步升高气压阈值。当炉温从1743℃升高到1772℃，送棒速度从5mm/min下降到1mm/min，牵引速度从0.5m/min增加到1.5m/min，气压阈值设为10kPa后，光纤微结构与限位玻璃外套管之间的缝隙完全消失，光纤外径为311μm，包层气孔基本均衡变大。由于月牙型缝隙已消失而且包层气孔集体变大，所以在接下来降低光纤尺寸过程中气压阈值不但不能继续增大反而需要略微降低。继续升高炉温至1797℃、降低送棒速度至0.95mm/min、增大牵引速度为4.1m/min、并降低气压阈值为8.5kPa后，光纤外径被降为188μm。
3)经过反复调整参数和长时间拉制，最终当高温炉温度为1802℃、送棒速度为0.95mm/min，牵引速度增大到7.4m/min，气压阈值下调到8.4kPa后，可将双芯微结构光纤的纤芯尺寸降到4μm以下。通过光学显微镜对该双芯微结构光纤端面进行检测，检测到端面如图14所示，其中图14(a)为整体端面，图14(b)为局部放大后的端面。
实施例四：
一种七芯微结构光纤的制备方法，包括以下步骤：
1)七芯微结构光纤预制棒的制备方法也是采用阶梯型堆积捆绑法，将外径20mm、内径12mm的玻璃管拉制成外径2mm的毛细管，之后堆积成七芯结构的预制棒，七芯结构的端面示意图如图15所示。经过第一道拉制后，将直径20mm的预制棒拉制成直径3.1mm的细预制棒，第一道拉制预制棒的目的主要是保持预制棒内部气孔结构均匀完整，使其成型。图16为第一道拉制后细预制棒的二维端面图，从该图可看出，细预制棒中包层气孔大小均匀一致，结构完好。
2)将第一道拉制的细预制棒塞进外径12mm、内径3.2mm的限位玻璃外套管内进行第二道拉制。初始炉温设置为1950℃，料头掉下后将炉温调整至1800℃。温度稳定后用铁钳将料头减掉，并用牵引装置下拉纤丝，纤丝直径稳定后，便开始逐渐降温，当炉温降至1782℃、送棒速度为3.5mm/min、牵引速度为1.2m/min时，光纤包层气孔整体出现。当送棒速度降低至1.3mm/min，气压阈值调整为9.5kPa时，光纤与限位玻璃外套管之间的缝隙被消除。
3)经过反复调整拉制参数，最终当高温炉温度为1797℃，送棒速度为0.93mm/min，牵引速度为5.4m/min时，纤芯直径被降低至4μm。通过光学显微镜对该七芯微结构光纤端面进行检测，检测到的端面如图17所示，其中图17(a)为整体端面，图17(b)为局部放大后的端面。
实施例五：
一种三芯微结构光纤的制备方法，包括以下步骤：
1)根据仿真程序设计三芯微结构光纤，根据三芯微结构光纤的尺寸和结构，其结构示意图见图20，选用外径20mm、内径14mm的石英玻璃管作为制备预制棒的玻璃套管，将外径20mm、内径14mm的玻璃管装载到拉丝塔上拉制成外径2mm、内径为1.4mm的毛细管，同时将直径20mm的玻璃棒装载到拉丝塔上拉制成直径2mm的实心毛细棒；其中，实心毛细棒作为光纤的纤芯，并在第一层包层中，选取和光纤纤芯呈镜像对称的两个位置设置实心毛细棒。
2)筛选和清洗拉制出来的玻璃毛细管和毛细棒，采用阶梯型堆积捆绑法制作预制棒，首先将三根实心毛细棒和四根毛细管按图20中排列方式，将两头用生料带堆积捆绑在一起作为纤芯和包层中的第一层，之后用生料带将12根比包层第一层短1cm的毛细管，堆积捆绑在第一层的外侧作为第二层，再取18根比包层第二层短1cm的毛细管作为第三层，以此类推，相邻两层中，外层要比内层多6根毛细管，而且外层的毛细管比内层的要稍短些。所述阶梯型堆积捆绑法制作的预制棒，其同一层的圆形毛细管或圆形毛细棒的几何中心呈六边形排布，并在排完最外一层六边形结构的毛细管后再在外面套上圆柱形的玻璃套管，所述六边形结构和玻璃套管之间的缝隙用不同直径的细毛细玻璃棒塞紧，制成预制棒。
使用氢氧焰将预制棒的末端熔接一根200-300mm长的尾柄，并通过温控箱去除预制棒内水蒸气。所述尾柄为与预制棒的玻璃套管具有相同的外径尺寸，其内径等于或略大于预制棒的玻璃套管的内径。将温度加热到100℃以上，目的是去除预制棒内的水蒸气。
3)采用二次拉制技术拉制微结构光纤，在第一道工序对预制棒进行第一道拉制时通过调整高温炉温度1770-1950℃、送棒速度1-5mm/min和牵引速度0.5-7m/min，将外径20mm的预制棒拉制成外径3-5.5mm的细预制棒。在所述第一道工序中不需要启动气体保压调控装置。之后将细预制棒装进限位玻璃外套管内后进行第二道拉制，要求限位玻璃外套管的内径尺寸要略大于细预制棒的外径尺寸。
4)所述采用二次拉制技术拉制微结构光纤，在第二道工序对预制棒进行第二道拉制过程中，通过光学显微镜实时观测微结构光纤的端面，待光纤的微结构气孔整体出现后，用带金属弹簧片的二通气体连接头将氩气气管与细预制棒连接在一起，然后启动所述气体保压调控装置，并通过光学显微镜观测出来的光纤微结构端面情况，通过设置气压阈值来调控光纤内微结构气孔的大小。
5)所述第二道工序中对细预制棒进行第二道拉制时，需要通过调整高温炉温度、气压阈值、送棒速度和牵引速度来控制降低微结构光纤的外径尺寸和纤芯尺寸，并通过所述气体保压调控装置来调控气孔内气压大小，当所有参数适配并拉制得到了满意的光纤微结构时，利用所述气体保压调控装置来实现稳态保压，为实现微结构光纤的批量制备提供保障。
本实施例中，采用的气体保压调控装置主要包括通信控制模块、PLC控制器、压力控制器、电磁阀、气压阈值显示屏。所述的气体保压调控装置，首先可以实现对气压阈值设定后的保压功能，用于在光纤制备参数调控稳定后的气压保持，以利于高品质微结构光纤的批量制备；其次可以实现在光纤制备的参数调试阶段的对气压的调控功能，精确的气压调控为多种特殊结构的微结构光纤的制备提供了重要的调控手段。
本实施例中，通信控制模块用于实现气体保压调控装置与光纤拉丝塔主控台之间的连接通信。利用所述光纤拉丝塔主控台对微结构光纤制备过程中的高温炉温度、送棒速度、牵引速度和气压阈值四种拉丝参数进行设置，所述气压阈值被设定后，PLC控制器将该气压阈值通过显示屏显示出来。压力控制器实时检测氩气气管中压力大小，将检测的压力值传输至PLC控制器，PLC控制器去判断压力值是否高于或低于阈值，从而传输信号控制电磁阀开闭。若该阈值比氩气出气管内的气压值大，则PLC控制器打开所述电磁阀并自动进行充气；若该阈值比氩气出气管内的气压值小，则PLC控制器打开所述电磁阀并自动进行抽气；若该阈值与氩气出气管内的气压值相等，则PLC控制器关闭所述电磁阀，不进行充气或抽气，以此来确保细预制棒内气压恒定。
6)调整高温炉温度、气压阈值、送棒速度和牵引速度四种拉丝参数将细预制棒与限位玻璃外套管之间的缝隙消除。通过光学显微镜实时观测微结构光纤端面，并根据端面情况反复调整四种拉丝参数，最终将光纤的外径尺寸和纤芯尺寸都降到要求尺寸，并保持住光纤完整的微结构，得到的三芯微结构光纤的端面图见图21。

Claims (8)

1.一种气体保压调控装置，其特征在于，该气体保压调控装置包括通信控制模块、PLC控制器、压力控制器、电磁阀和气压阈值显示屏；
通信控制模块和光纤拉丝塔主控台电连接，通信控制模块的信号输出端和PLC控制器的信号接收端连接，PLC控制器上设置有气压阈值显示屏，PLC控制器的信号接收端还和压力控制器的信号输出端连接，PLC控制器还连接控制进出气开闭的电磁阀；
所述的通信控制模块，用于接收光纤拉丝塔主控台的通信信号指令，并将该信号指令传输至PLC控制器；
所述的压力控制器，实时检测压力大小，并将检测的压力值传输至PLC控制器；
所述的PLC控制器，用于将通信模块传输的气压阈值通过气压阈值显示屏显示，并将该气压阈值的压力与压力控制器检测的压力进行对比，从而传输信号控制电磁阀的开闭。
2.一种光纤拉丝塔，其特征在于，包括连接氩气的氩气气管、设置在氩气气管上的权利要求1所述的气体保压调控装置，设置在光纤拉丝塔上的固定装置、依次设置在固定装置下方的高温炉、光学测径仪、牵引装置、压力涂覆装置、紫外固化装置和收丝装置；并且固定装置、高温炉、光学测径仪、牵引装置、压力涂覆装置、紫外固化装置均设置有拉丝通孔，拉丝通孔位于同一垂直线上，连接氩气的氩气气管输出端通过气体连接头和细预制棒连通。
3.一种微结构光纤的制备方法，其特征在于，采用权利要求1所述的气体保压调控装置，具体包括以下步骤：
步骤1：制备预制棒
根据仿真程序设计微结构光纤，根据设计的微结构光纤尺寸和结构，选择玻璃管和玻璃棒，拉制成毛细管和毛细棒后，采用阶梯型堆积捆绑法制作预制棒；将预制棒内的水蒸气去除；
步骤2：二次拉制
将去除水蒸气的预制棒，通过调控高温炉温度1770-1950℃、送棒速度1-5mm/min和牵引速度0.5-7m/min三种拉丝参数进行第一道拉制，得到细预制棒；其中，细预制棒的外径为3-5.5mm；
将细预制棒外周套设限位玻璃外套管后，进行第二道拉制，在第二道拉制过程中，通过光学显微镜实时观测细预制棒端面，当光纤的微结构气孔全部出现后，细预制棒接通连接氩气的氩气气管，并启动气体保压调控装置，通过光学显微镜观测出来的光纤微结构端面情况设置气压阈值，对光纤内部气孔大小进行控制；
步骤3：调整
调整高温炉温度为1743-1950℃、气压阈值为1-10KPa、送棒速度为0.93-5mm/min，牵引速度为0.5-7.7m/min，将细预制棒与限位玻璃外套管之间的缝隙消除，通过光学显微镜实时观测微结构光纤端面，并根据端面情况反复调整拉丝参数，同时通过气体保压调控装置调控气孔内气压大小，从而控制降低微结构光纤的外径尺寸和纤芯尺寸，最终得到完整结构的微结构光纤。
4.根据权利要求3所述的微结构光纤的制备方法，其特征在于，阶梯型堆积捆绑法为：根据微结构光纤中，纤芯的数量和包层层数结构，设置中心纤芯和多层包层，其中，第一层包层和中心纤芯长度相同，第二层包层比第一层包层短1-2cm，依次类推，直至整个纤芯和包层完成，形成六边形结构，将六边形结构外套设玻璃套管，在六边形结构和玻璃套管之间的空间填充实心细毛细棒，得到预制棒；其中，中心纤芯采用毛细棒或毛细管，包层根据设置的微结构光纤的纤芯数量和排布，选用毛细管、或毛细管和毛细棒。
5.根据权利要求3所述的微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，毛细棒的直径为0.8-2.2cm，毛细管的直径和毛细棒直径相同，毛细管的内径为0.3-1.8mm。
6.根据权利要求3所述的微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，将预制棒的一端熔接一根200-300mm长的玻璃管作为尾柄，置于100-200℃的温控箱内去除预制棒内水蒸气；所述的尾柄的外径和预制棒的玻璃套管的外径相同，尾柄的内径≥预制棒的玻璃套管的内径。
7.一种微结构光纤，其特征在于，采用权利要求3-6任意一项所述的制备方法制得，其包层气孔整体呈六边形排布，基底材料为石英，纤芯直径为3-10μm。
8.根据权利要求7所述的微结构光纤，其特征在于，所述的微结构光纤中，纤芯内的传输方式为全内反射型传输方式。
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