CN112159095A - 一种光纤预制棒制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤预制棒制备装置及制备方法，涉及光纤预制棒制造技术领域，该制备装置包括：两个延伸棒，用于分别固定在芯棒的两端，且延伸棒与芯棒的中心轴位于同一直线；两个延伸管，用于分别固定在石英管的两端，且延伸管与石英管的中心轴位于同一直线；两个端部固定机构，分别安装于两个延伸管的端部，用于将延伸管的端部密封；端部固定机构包括调节组件，调节组件用于当固定有延伸棒的芯棒穿设于固定有延伸管的石英管内时，将延伸棒和延伸管的中心轴调整至同一直线。本发明的光纤预制棒制备装置及制备方法，无需改变添加石英砂需要旋转的工艺，即可实现石英管和芯棒的同轴准直以及密封固定，保证光纤预制棒的质量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤预制棒制造技术领域，具体涉及一种光纤预制棒制备装置及制备方法。
背景技术
随着通信行业的发展，光纤的需求量逐步上升。光纤制造是先生产出光纤预制棒，然后再将光纤预制棒由高温熔融拉制而成。光纤的制造质量直接取决于光纤预制棒的制造技术。
目前，光纤预制棒多采用两步法制造，先制造出芯棒，然后再在芯棒外面制造外包层。芯棒技术主要有PCVD(Plasma-activated Chemical Vapor Deposition，等离子体化学气相沉积)、VAD(Vapor Axial Deposition，气相轴向沉积)、MCVD(Modified ChemicalVapor Deposition，改进的化学气相沉积)等；外包层技术主要为OVD(Outside VaporDeposition，外部气相沉积)和套管RIC(rod in cylinder)法。对于光纤预制棒，外包层占据其成本的70％以上。
对于外包层技术来说，OVD技术是通过SiCl4等作为原材料进行化学反应先沉积成soot体，然后经过Cl2脱水后再烧结玻璃化。该过程中有大量的HCl、Cl2等有害气体排放。因此，OVD技术对环保要求十分严格，且OVD技术自身的工艺流程和设备复杂程度高，工艺原理复杂，废气排出不利于环保。套管法RIC技术是将芯棒直接装配到孔径相匹配的石英套管中制成光纤预制棒或者直接拉丝。套管法虽然工艺简单，但是套管严重依赖进口，成本高昂。
相关技术中，将初级预制件插入到石英管中，保留在石英管中的自由空间被二氧化硅颗粒填充，在封闭的石英管的内部空间中产生压力减小的状态，然后在2100℃至2250℃的温度范围内进行处理，二氧化硅颗粒熔化并熔合至初级预制件，即可制备出光纤预制棒。此外，还可以在熔融的同时直接拉制出光纤。
但是，芯棒在薄壁管中时，后续填充石英砂需要进行整个系统构件的机械旋转来保证砂粒的均匀分布，无法保证芯棒和薄壁管二者中心轴的高精度重合，而中心轴不重合的偏差将直接影响光纤预制棒和光纤的质量，导致光纤制造过程中的指标报废。同时，在高温熔制过程中还会出现玻璃体的粘度急剧减小而影响目标光纤预制棒尺寸的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷之一，本发明的目的在于提供一种光纤预制棒制备装置及制备方法，以解决相关技术中由于芯棒和石英管的中心轴不重合导致的光纤预制棒质量差的问题。
本发明第一方面提供一种光纤预制棒制备装置，其包括：
两个延伸棒，用于分别固定在芯棒的两端，且延伸棒与芯棒的中心轴位于同一直线；
两个延伸管，用于分别固定在石英管的两端，且延伸管与石英管的中心轴位于同一直线；
两个端部固定机构，分别安装于两个延伸管的端部，用于将上述延伸管的端部密封；
上述端部固定机构包括调节组件，上述调节组件用于当固定有延伸棒的芯棒穿设于固定有延伸管的石英管内时，将上述延伸棒和延伸管的中心轴调整至同一直线。
一些实施例中，上述装置还包括：
机架；
两个夹持组件，上下安装于上述机架上，并分别夹持两个上述延伸管，两个上述夹持组件用于以二者之间形成的速度差牵引上述石英管；上述速度差根据熔缩未拉制的光纤预制棒的计算外径、拉制后的光纤预制棒的目标外径、以及位于上方的夹持组件的下降速度确定；上述熔缩未拉制的光纤预制棒的计算外径根据上述石英管的外径计算得到。
一些实施例中，两个上述夹持组件包括上夹持组件和下夹持组件，上述上夹持组件通过第一安装架连接于上述机架，上述下夹持组件通过第二安装架连接于上述机架；
上述第一安装架与第二安装架之间通过连接件固定连接，且可同向同速移动，上述下夹持组件可在第二安装架内上下移动，与上夹持组件形成速度差。
一些实施例中，上述机架上设有第一电机以及与上述第一电机连接的第一丝杠，上述第一安装架和第二安装架通过上述第一丝杠与上述机架滑动连接；
上述第二安装架内设有第二电机以及与上述第二电机连接的第二丝杠，上述下夹持组件通过上述第二丝杠与第二安装架滑动连接。
一些实施例中，端部固定机构还包括密封盖，上述密封盖盖设于上述调节组件，上述密封盖上配有用于对上述石英管内抽真空的抽真空管路。
一些实施例中，上述延伸棒分别为上延伸棒和下延伸棒，两个上述延伸管分别为上延伸管和下延伸管，两个上述调节组件分别为调节上延伸棒和上延伸管的上调节组件、以及调节下延伸棒和下延伸管的下调节组件。
一些实施例中，上调节组件包括：
第一压盖，其开设有具有第一大径段和第一小径段的台阶通孔，上述上延伸管端部位于上述第一大径段，上述上延伸棒穿出上延伸管的端部位于上述第一小径段，上述第一小径段的外端面设有进砂口；
第一调节螺杆，其设有至少四个，多个第一调节螺杆沿第一压盖周向等间距设置，上述第一调节螺杆穿设于上述第一压盖侧壁，并抵接上述上延伸棒外壁；
上述上延伸管外壁设有与第一压盖连接的第一安装座。
一些实施例中，下调节组件包括：
第二压盖，其开设有具有第二大径段和第二小径段的台阶孔，上述下延伸管端部位于上述第二大径段，上述下延伸棒穿出下延伸管的端部位于上述第二小径段；
第二调节螺杆，其设有至少四个，多个第二调节螺杆沿第二压盖周向等间距设置，上述第二调节螺杆穿设于上述第二压盖侧壁，并抵接上述下延伸棒外壁；
上述下延伸管外壁设有与第二压盖连接的第二安装座。
一些实施例中，装置还包括加热炉，上述加热炉出口处下部安装有测径仪，上述测径仪用于测量上述延伸棒和延伸管的中心轴是否在同一直线、以及通过传感器，测量拉制的光纤预制棒的外径。
本发明第二方面提供一种基于上述制备装置的光纤预制棒制备方法，其包括步骤：
在芯棒的两端分别固定一个延伸棒，并保证上述芯棒与延伸棒的中心轴在同一直线上；
在石英管的两端分别固定一个延伸管，并保证上述石英管与延伸管的中心轴在同一直线上；
将固定有延伸棒的芯棒穿设在固定有延伸管的石英管内，并通过调节组件将上述延伸棒和延伸管的中心轴调整至同一直线上；
通过一个端部固定机构将位于下方的延伸管端部密封后，在上述石英管内填充石英砂，然后通过另一端部固定机构将位于上方的延伸管端部密封；
对上述石英管进行加热熔融，拉制形成包含有芯棒的光纤预制棒。
一些实施例中，装置还包括机架、测径仪和两个夹持组件，两个上述夹持组件上下安装于上述机架上，并分别夹持两个上述延伸管；
对上述石英管进行加热熔融时，还包括：
通过上述测径仪得到上述石英管每个测量点的外径；
根据上述石英管每个测量点的外径，得到每个测量点处，光纤预制棒经熔缩未拉制的计算外径；
根据上述计算外径，以及上述光纤预制棒的目标外径和位于上方的夹持组件的下降速度，确定两个上述夹持组件的速度差，得到位于下方的夹持组件的下降速度；
两个上述夹持组件以二者之间形成的速度差牵引融容的石英管。
一些实施例中，对外径均匀的石英管进行加热熔融时，还包括：
通过上述测径仪扫描得到光纤预制棒的拉制外径，并通过拉制外径与目标外径的差值，调整上述速度差。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的光纤预制棒制备装置及制备方法，由于两个延伸棒分别固定在芯棒的两端，且延伸棒与芯棒的中心轴位于同一直线，两个延伸管分别固定在石英管的两端，且延伸管与石英管的中心轴位于同一直线，当固定有延伸棒的芯棒穿设在固定有延伸管的石英管内后，即可通过调节组件将延伸棒和延伸管的中心轴调整至同一直线，并通过端部固定机构将延伸管的端部密封，因此，无需改变添加石英砂需要旋转的工艺，即可实现石英管和芯棒的同轴准直以及密封固定，保证光纤预制棒的质量。
附图说明
图1为本发明实施例的制备装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的延伸棒和延伸管的连接示意图；
图3为本发明实施例的两个夹持组件的安装示意图；
图4为本发明实施例的制备方法的流程图；
图5为本发明实施例中石英管位于测径仪处的对中示意图；
图6为图5的A-A向示意图；
图7为本发明实施例中烧结熔融过程的示意图；
图8为本发明实施例中两个夹持组件的速度差的目标外径控制原理图；
图9为本发明实施例的VAD所制芯棒的截面剖面的折射率；
图10为本发明实施例的PCVD所制芯棒的截面剖面的折射率；
图11为本发明实施例的MCVD所制芯棒的截面剖面的折射率。
附图标记：
1-芯棒，11-上延伸棒，12-下延伸棒；
2-石英管，21-上延伸管，22-下延伸管，23-第一安装座，24-第二安装座，25-石英砂；
3-端部固定机构，31-第一压盖，311-进砂口，32-第一调节螺杆，33-第二压盖，34-第二调节螺杆，35-密封盖，36-抽真空管路；
4-机架，41-第一电机，42-第一丝杠，43-直线导轨；
5-上夹持组件，51-第一安装架；
6-下夹持组件，61-第二安装架，611-第二电机，612-第二丝杠，62-第三安装架；
7-连接件；8-加热炉；9-测径仪，91-自动控制系统。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供一种光纤预制棒制备装置的实施例，上述光纤预制棒制备装置包括两个延伸棒、两个延伸管和两个端部固定机构3。
两个延伸棒于分别固定在芯棒1的两端，且两个延伸棒与芯棒1的中心轴位于同一直线。本实施例中，两个延伸棒均为圆柱形的辅助玻璃棒，芯棒为圆柱形的二氧化硅系芯棒。
两个延伸管用于分别固定在石英管2的两端，且两个延伸管与石英管2的中心轴位于同一直线。本实施例中，两个延伸管均为中空圆柱形的辅助玻璃管，优选地，位于下方的延伸管采用薄壁玻璃管。石英管2为中空圆柱形的高纯度二氧化硅玻璃薄壁管。
两个端部固定机构3分别安装在两个延伸管的端部，两个端部固定机构3分别用于将两个延伸管的端部密封。
上述端部固定机构3包括调节组件，当固定有延伸棒的芯棒1穿设于固定有延伸管的石英管2内时，上述调节组件用于将上述延伸棒和延伸管的中心轴调整至同一直线，进而使石英管2和芯棒1的中心轴位于同一直线上。
本实施例的光纤预制棒制备装置，由于两个延伸棒分别固定在芯棒1的两端，且延伸棒与芯棒的中心轴位于同一直线，两个延伸管分别固定在石英管的两端，且延伸管与石英管2的中心轴位于同一直线，当固定有延伸棒的芯棒1穿设在固定有延伸管的石英管2内后，即可通过调节组件将延伸棒和延伸管的中心轴调整至同一直线，并通过端部固定机构3将延伸管的端部密封，因此，无需改变添加石英砂需要旋转的工艺，即可实现石英管2和芯棒1的同轴准直以及密封固定，保证光纤预制棒的质量。
在上一个实施例的基础上，本实施例中，上述装置还包括机架4和两个夹持组件。
两个夹持组件上下安装在上述机架4上，并分别夹持两个上述延伸管。位于上方的夹持组件夹持位于石英管2上方的延伸管，位于下方的夹持组件夹持位于石英管2下方的延伸管。两个上述夹持组件用于以二者之间形成的速度差牵引上述石英管2。上述速度差根据熔缩未拉制的光纤预制棒的计算外径、拉制后的光纤预制棒的目标外径、以及位于上方的夹持组件的下降速度确定。熔缩未拉制的光纤预制棒的计算外径由石英管2的外径计算得到。因此，对于外径不均匀的石英管2，熔缩未拉制的光纤预制棒的计算外径不完全相同，进而得到的速度差也不同。
如图3所示，本实施例中，两个夹持组件包括上夹持组件5和下夹持组件6，上述上夹持组件5通过第一安装架51连接在上述机架4上，上述下夹持组件6通过第二安装架61连接在上述机架4上。
上述第一安装架51与第二安装架61之间通过连接件7固定连接，第一安装架51与第二安装架61可同向同速移动，上述下夹持组件6可在第二安装架61内上下移动，进而与上述上夹持组件5之间形成速度差。
可选地，第一安装架51与第二安装架61均设有导轨滑块，机架4上还设有与导轨滑块相适配的直线导轨43，通过直线导轨43可在第一安装架51和第二安装架61沿机架4滑动时，对第一安装架51与第二安装架61进行限制。
在第二个实施例的基础上，本实施例中，上述机架4上还设有第一电机41以及与上述第一电机41连接的第一丝杠42，上述第一安装架51与第二安装架61上均设有第一丝杠滑块，两个第一丝杠滑块均套合在第一丝杠42上并与第一丝杠42螺纹配合，进而使上述第一安装架51和第二安装架61通过第一丝杠42与机架4滑动连接。
进一步地，上述第二安装架61内设有第二电机611以及与上述第二电机611连接的第二丝杠612，上述下夹持组件6固定在第三安装架62上，且第三安装架62上设有第二丝杠滑块，第二丝杠滑块套合在第二丝杠612上并与第二丝杠612螺纹配合，进而使下夹持组件6通过上述第二丝杠612与第二安装架61滑动连接。
其中，第一电机41带动第一丝杠42转动，进而带动第一安装架51和第二安装架61以速度V同步移动，第二电机611带动第二丝杠612转动，进而带动下夹持组件6在速度V的参考系下以速度差ΔV移动。
本实施例中，上述端部固定机构3还包括密封盖35，上述密封盖35盖设在上述调节组件上。上述密封盖35上配有与真空泵相连的抽真空管路36，通过抽真空管路36对上述石英管2内部抽真空。
在上述实施例的基础上，本实施例中，两个上述延伸棒分别为上延伸棒11和下延伸棒12，两个上述延伸管分别为上延伸管21和下延伸管22。其中，上延伸棒11的长度大于上延伸管21的长度，下延伸棒12的长度大于下延伸管22的长度。上延伸管21的内径与石英管2的内径相同，下延伸管22的内径小于石英管2的内径。优选地，石英管2下方设有过渡锥段，并通过过渡锥段与下延伸管22连接。
两个上述调节组件分别为上调节组件和下调节组件，其中，上调节组件用于调节上延伸棒11和上延伸管21的对中，下调节组件用于调节下延伸棒12和下延伸管22的对中。
进一步地，上述上调节组件包括第一压盖31和第一调节螺杆32。
第一压盖31开设有具有第一大径段和第一小径段的台阶通孔，上述上延伸管21的端部位于上述第一大径段，上述上延伸棒11穿出上延伸管21的端部位于上述第一小径段，上述第一小径段的外端面设有收口，形成进砂口311，用于加注石英砂。
第一调节螺杆32设有至少四个，多个第一调节螺杆32沿第一压盖31周向等间距设置，每个第一调节螺杆32均穿设于上述第一压盖31侧壁，并抵接在上述上延伸棒11外壁上，以便于将上延伸棒11固定在上延伸管21中部。本实施例中，第一调节螺杆32设有四个。
上述上延伸管21外壁设有与第一压盖31连接的第一安装座23。第一压盖31的第一大径段远离第一小径段的一端设有一圈第一凸缘，第一凸缘通过第一紧固件与第一安装座23紧固连接。可选地，第一凸缘与第一安装座23之间设有第一压紧密封圈。在第一压盖31固定在第一安装座23上后，第一压紧密封圈的内圈与上延伸管21的外壁形成摩擦密封配合面。
进一步地，上述下调节组件包括第二压盖33和第二调节螺杆34。
第二压盖33开设有具有第二大径段和第二小径段的台阶孔，上述下延伸管22的端部位于上述第二大径段，上述下延伸棒12穿出下延伸管22的端部位于上述第二小径段。
第二调节螺杆34设有至少四个，多个第二调节螺杆34沿第二压盖33周向等间距设置。每个上述第二调节螺杆34均穿设于上述第二压盖33的侧壁，并抵接在上述下延伸棒12外壁上，以便于将下延伸棒12固定在下延伸管22中部。本实施例中，第二调节螺杆34设有四个。
上述下延伸管22外壁设有与第二压盖33连接的第二安装座24。第二压盖33的第二大径段远离第二小径段的端面设有螺纹孔，通过第二紧固件穿过第二安装座24与螺纹孔紧固连接，进而将第二压盖33与第二安装座24固定连接。可选地，第二大径段远离第二小径段的端面与第二安装座24之间设有第二压紧密封圈。在第二压盖33固定在第二安装座24上后，第二压紧密封圈的内圈与下延伸管22的外壁形成摩擦密封配合面。
可选地，两个密封盖35分别固定在第一压盖31和第二压盖33上，位于上方的密封盖35与第一压盖31之间、以及位于下方的的密封盖35与第二压盖33之间均设有密封垫片，以将上下两端密封。通过抽真空管路36抽真空时，石英管2上方通过第一压盖31穿设第一调节螺杆32的开孔以及进砂口311进行抽真空，石英管2下方通过第二压盖33穿设第二调节螺杆34的开孔进行抽真空。
本实施例中，上述装置还包括加热炉8，上述加热炉8出口处下部安装有测径仪9，上述测径仪9用于测量上述延伸棒和延伸管的中心轴是否在同一直线，以便于校准芯棒1与石英管2同轴，测径仪9还用于在熔融过程中，通过传感器，测量拉制的光纤预制棒的外径进行实时反馈，以便于自动调节拉制速度。
可选地，加热炉8为电阻炉或者感应炉。
如图4所示，本发明还提供一种基于上述制备装置的光纤预制棒制备方法的实施例，其包括步骤：
S1.在芯棒1的两端分别固定一个延伸棒，形成芯棒体，并保证上述芯棒1与延伸棒的中心轴在同一直线上。
S2.在石英管2的两端分别固定一个延伸管，形成整体套管，并保证上述石英管2与延伸管的中心轴在同一直线上。
S3.将固定有延伸棒的芯棒1穿设在固定有延伸管的石英管2内，并通过调节组件将延伸棒固定在延伸管中部，随后，即可通过旋转机构带动石英管2转动，利用测径仪9测量芯棒1外径至石英管2内壁的距离来表征二者的轴心重合度，并通过调节组件进行调整，直至将延伸棒和延伸管的中心轴调整至同一直线上。
如图5和图6所示，芯棒1与石英管2对中过程中，以芯棒1一侧外壁到石英管2内壁的距离为d12，以芯棒1另一侧外壁到石英管2内壁的距离为d21，当d12与d21相等时，表明芯棒1在石英管2中央，二者同轴。
S4.通过一个端部固定机构3将位于下方的延伸管端部密封后，通过进砂口311向上述石英管2内填充高纯度石英砂25，加砂完毕后通过另一端部固定机构3将位于上方的延伸管端部密封。
其中，为了保证石英砂粒的均匀分布，填充过程保持整体套管以20-100r/min的转速旋转。
S5.通过加热炉8对上述石英管2进行加热熔融，升温至1900℃-2000℃，保持真空度2-10mbar，拉制形成包含有芯棒1的光纤预制棒。
本实施例中，上述熔融之前，还包括通过上下两侧的抽真空管路36对上述石英管2内部抽真空，然后加热炉8开始加热升温，温度1500-1800℃，真空度50-100mbar。加热炉8内通有Ar保护气体。
本实施例中，上述装置还包括机架4、测径仪9和两个夹持组件，两个上述夹持组件上下安装于上述机架4上，并分别夹持两个上述延伸管，测径仪9设置在加热炉8出口处下部。可选地，两个夹持组件分别通过可旋转的卡盘固定在第一安装架51和第二安装架61上。在加热熔融过程中，两个夹持组件可通过卡盘旋转，进而带动整体套管以1r/min进行旋转。
在上述实施例的基础上，上述步骤S5中，对上述石英管2进行加热熔融时，还包括：
首先，通过上述测径仪9得到上述石英管2的每个测量点的外径。其中，对于外径均匀的石英管2，则每个测量点的外径均相同。对于外径不均匀的石英管2，则每个测量点的外径不一定相同。
其次，根据石英管2每个测量点的外径，可计算得到每个测量点处，光纤预制棒经熔缩未拉制的计算外径。
然后，根据上述计算外径，以及上述光纤预制棒的目标外径和位于上方的夹持组件的下降速度，确定在每个测量点经过加热炉8熔融处，两个上述夹持组件的速度差，进而得到位于下方的夹持组件的下降速度。
最后，两个上述夹持组件以二者之间形成的速度差牵引融容的石英管2。
本实施例中，为了增加拉制过程的控制精度，测量点的选取尽量密集。优选地，所有测量点形成石英管2的整个外径轮廓。
具体地，从石英管2下方的过渡锥端开始，两个夹持组件带动整个部件向下移动，速度为1-10mm/min向下移动，石英管2连同加入的石英砂和芯棒1熔融成一体化的玻璃体。
如图7所示，本实施例中，当两个夹持组件的速度保持一致时，熔融完后的光纤预制棒仅为石英管和石英砂径向物理融缩的结果，因此，该熔缩未拉制的预制光纤棒的计算外径D1可根据石英管2的外径计算得到。当下夹持组件6的下降速度比上夹持组件5快时，拉制出的光纤预制棒将被拉细，外径变小，进而得到拉制后的光纤预制棒的目标外径为D，因此，为了实现所需的较小的目标外径，下夹持组件6需以一个更快的速度向下拉制。以上夹持组件5的移动速度为V，以两个夹持组件的速度差为ΔV，每个测量点经过加热炉8处时，两个夹持组件的速度差ΔV为：
上述体积控制过程中，芯棒1的体积、石英管2的体积以及填入的石英砂转化为玻璃体体积的三者之和，应等同于拉制出的光纤预制棒的体积。因此，上述得到的速度差可以在熔融开始阶段拉制还未成形时候，对光纤预制棒外径得到有效控制，更能在石英管2和芯棒1的尺寸不那么均匀的情况下得到控制。
如图8所示，可选地，对外径均匀的上述石英管2进行加热熔融时，由于石英管2外径均匀，因此，石英管2的每个测量点计算得到的两个夹持组件的速度差均相同，此时对上述石英管2进行加热熔融还包括：
通过测径仪9实时扫描，以得到光纤预制棒的拉制外径，并通过拉制外径与目标外径的差值，调整两个夹持组件的速度差。
其中，根据设定好的目标外径反馈到PID调节的自动控制系统中，即可根据测径仪9实时测量发热区下部拉制出来的光纤预制棒的拉制外径，对速度差进行调节，待下降完毕，整个中部有效圆柱部分即形成所需的光纤预制棒。对于外径均匀的石英管2，仅通过目标外径反馈控制即可得到目标直径的光纤预制棒，调节更加快捷。本实施例中，当测得的拉制外径与目标外径不同时，对速度差的调节值根据具体的设备进行设定。
可选地，对于外径不均匀的石英管2，可利用体积控制和PID调节控制配合使用进行目标外径的控制。
具体地，当预先根据石英管2的外径计算得到每个测量点经过加热炉8处时两个夹持组件的速度差后，在实际拉制过程中，初始设定为PID调节控制，当石英管2某处测得的外径值与石英管2的基准外径的差值达到第一阈值时，以该测量点提前第二阈值的距离将PID调节控制切换为体积控制。然后在该测量点后第二阈值的距离将体积控制切换为PID调节控制。
本实施例中，第一阈值和第二阈值根据具体工艺和设备进行设定。可选地，第一阈值为3mm，第二阈值为10mm。
本实施例中，上述石英管2的尺寸根据所制光纤预制棒确定，上延伸管21和下延伸管22的尺寸根据夹持需要确定。可选地，石英管2的长度为500-2000mm，外径为80mm-300mm，壁厚为5mm-50mm；上延伸管21的长度500-2000mm，外径为80mm-300mm，壁厚为5mm-50mm；下延伸管22的长度为300-1500mm，外径为30-120mm，壁厚为5-50mm。石英管2与下延伸管22之间为圆锥斜面相连。
上述上延伸管21、石英管2和下延伸管22三者之间通过焊接固定，形成长度为三者之和L2的套管。石英管2下端的过渡锥段的锥度为20°-70°，下延伸管22的外径d3小于石英管2和上延伸管21外径d2。下延伸管22的壁厚为d22，石英管2的壁厚为d20。
可选地，上述芯棒1为气相轴向沉积VAD、改进的化学气相沉积MCVD或者等离子体化学气相沉积PCVD所制不同层间的掺杂设计SiO2玻璃棒，即具有所需折射率剖面芯层和光学包层的玻璃棒。芯棒1的长度与石英管2相匹配。上延伸棒11的长度与上延伸管21相适配，下延伸棒12与下延伸管22相适配，芯棒1外径根据所需光纤预制棒设计确定。上述上延伸棒11、芯棒1与下延伸棒12三者之间通过焊接固定，得到外径为d1、长度为三者之和L1的玻璃棒。
本实施例中，上述上延伸棒11比上延伸管21长30mm-70mm，下延伸棒12比下延伸管22长30mm-70mm。
可选地，填入的石英砂可以是50-400目的99.999％的高纯石英砂，也可以是掺杂F的浓度为100-2000ppm的掺杂石英砂。石英砂填入高度根据所需光纤预制棒的长度确定，一般填充至石英管2与上延伸管21的连接处。
若原料石英砂的纯度无法达到要求，可先将石英砂在他处容器或者填充石英管内后，通过抽气系统输入含有碳氟化合物或氯气的气体，然后在1000-1600℃下进行去除杂质水分，形成掺杂F的石英砂。
当石英砂的纯度足够高时可以不进行任何处理，因此，优选采用高纯石英砂填入石英管2内。采用高纯石英砂颗粒时，高温玻璃化过程中一直处于真空状态，不会有羟基的进入和其他污染，得到的光纤预制棒纯度高。
另外，还可根据所需的光纤预制棒种类，填入掺杂B的石英砂或者掺杂稀土元素的石英砂，以配合适合的芯棒1和石英管2的种类。
如图9所示，采用VAD制造的芯层掺锗的玻璃棒作为VAD所制芯棒1，该芯棒1的芯层折射率为n1，光学包层折射率为n2。取芯棒1的长度为1500mm，外径为40mm，上延伸棒11的长度为1080mm，下延伸棒12的长度为1050mm，将上延伸棒11、芯棒1和下延伸棒12三者焊接成一根整体芯棒体，总长为3630mm，外径为40mm。
下延伸管22的长度为1000mm，外径为80mm，壁厚为10mm；石英管2的长度为1500mm，外径为210mm，壁厚为5mm；上延伸管21的长度为1000mm，外径为210mm，壁厚为5mm；将下延伸管22、石英管2和上延伸管21三者焊接在一起，得到的整体套管总长度为3500mm。
以该芯棒体和整体套管制备光纤预制棒具体包括：
首先，将上延伸管21和下延伸管22分别用夹持组件固定，将第一压盖31和第二压盖33分别固定在上延伸管21和下延伸管22上，即可将芯棒体放入整体套管内，通过第一调节螺杆32穿过第一压盖31抵住上延伸棒11，第二调节螺杆34穿过第二压盖33抵住下延伸棒12，以将芯棒1和石英管2的中心轴调节至重合。
其次，用密封盖35将下延伸管22密封，将200目的纯度为99.99％的高纯石英砂从进砂口311倒入石英管与芯棒的空隙处，加砂高度为2550mm。
然后，用另一密封盖35将上延伸管21密封，加热炉8位于石英管2的过渡锥段。
最后，打开真空泵抽真空至100mbar，开启加热炉升温。待升温至1500℃时继续抽真空并保温。真空抽至3mbar时将温度升至1950℃，同时夹持组件带动整个部件向下移动，速度为10mm/min，上、下夹持组件速度差为1mm/min，上夹持组件的行程1500mm。烧结完毕后将下延伸管22和下延伸棒12切除，即得到光纤预制棒。
本实施例得到的光纤预制棒为长度1650mm、外径160mm的G652D类型光棒。该光棒采用高纯石英砂原料作为包层，羟基含量20ppm以下，无气泡气线亮点杂质，后续拉制的光纤满足G652D光纤的性能。
如图10所示，采用PCVD制造的芯层掺锗、光学包层掺氟的玻璃棒作为PCVD所制芯棒1，该芯棒1的芯层折射率为n1，芯棒1的光学包层折射率为n2(纯二氧化硅折射率)，内包层折射率为n3，n3小于n2。其他制备步骤和参数同上述实施例。
本实施例所制的光纤预制棒长度为1650mm，外径160mm，羟基含量20ppm以下，无气泡气线亮点杂质，后续拉制的光纤满足G657A2光纤的性能。
如图11所示，采用MCVD制造的芯层为掺杂镱元素浓度1000wtppm的二氧化硅芯层、光学包层掺杂氟元素的玻璃棒作为MCVD所制芯棒1，该芯棒1的芯层折射率为n1，光学包层折射率为n3，其中，n1大于纯二氧化硅玻璃折射率n2，n3小于n2。
取芯棒1的长度为800mm，外径为20mm；上延伸棒11长度350mm，下延伸棒12长度为350mm，将上延伸棒11、芯棒1和下延伸棒12三者焊接成一根整体芯棒体，总长为1500mm，外径为15mm。
下延伸管22长度300mm，外径40mm，壁厚5mm。高纯石英管2改用掺F石英管，其长度800mm，外径80mm，壁厚3mm；上延伸管21长度为300mm，外径为80mm，壁厚为3mm。将下延伸管22、石英管2和上延伸管21三者焊接在一起，得到的整体套管总长度为1400mm。
以该芯棒体和整体套管制备光纤预制棒具体包括：
首先，将上延伸管21和下延伸管22分别用夹持组件固定，将第一压盖31和第二压盖33分别固定在上延伸管21和下延伸管22上，即可将芯棒体放入整体套管内，通过第一调节螺杆32穿过第一压盖31抵住上延伸棒11，第二调节螺杆34穿过第二压盖33抵住下延伸棒12，以将芯棒1和石英管2的中心轴调节至重合。
其次，用密封盖35将下延伸管22密封，将100目的掺F浓度100-2000PPM的掺氟石英砂从进砂口311倒入石英管与芯棒的空隙处，加砂高度为1150mm。
然后，用另一密封盖35将上延伸管21密封，加热炉8位于石英管2的过渡锥段处。
最后，打开真空泵抽真空至100mbar，开启加热炉升温。待升温至1500℃时继续抽真空并保温。真空抽至3mbar时将温度升至1800℃，同时夹持组件带动整个部件向下移动，两个夹持组件之间无速度差，且速度为10mm/min，行程800mm。烧结完毕后将下延伸管22和下延伸棒12切除，即得到光纤预制棒。
本实施例得到的光纤预制棒为长度880mm，外径为65mm。该光棒采用掺氟石英砂原料作为包层，芯层掺镱元素，可用来制备作为光纤放大器或者激光器泵浦源的光纤。
本实施例的制备方法，适用于上述各制造装置，不仅制备过程简单，灵活性高，不需要其他脱气脱水处理，无有害气体排放，还可根据需要选择芯棒和填入石英砂的材料和尺寸，实现自动稳定的拉制目标尺寸的光纤预制棒，并保证光纤预制棒的外径均匀性。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (12)
1.一种光纤预制棒制备装置，其特征在于，其包括：
两个延伸棒，用于分别固定在芯棒(1)的两端，且延伸棒与芯棒(1)的中心轴位于同一直线；
两个延伸管，用于分别固定在石英管(2)的两端，且延伸管与石英管(2)的中心轴位于同一直线；
两个端部固定机构(3)，分别安装于两个延伸管的端部，用于将所述延伸管的端部密封；
所述端部固定机构(3)包括调节组件，所述调节组件用于当固定有延伸棒的芯棒(1)穿设于固定有延伸管的石英管(2)内时，将所述延伸棒和延伸管的中心轴调整至同一直线。
2.如权利要求1所述的光纤预制棒制备装置，其特征在于，所述装置还包括：
机架(4)；
两个夹持组件，上下安装于所述机架(4)上，并分别夹持两个所述延伸管，两个所述夹持组件用于以二者之间形成的速度差牵引所述石英管(2)；所述速度差根据熔缩未拉制的光纤预制棒的计算外径、拉制后的光纤预制棒的目标外径、以及位于上方的夹持组件的下降速度确定；所述熔缩未拉制的光纤预制棒的计算外径根据所述石英管(2)的外径计算得到。
3.如权利要求2所述的光纤预制棒制备装置，其特征在于：
两个所述夹持组件包括上夹持组件(5)和下夹持组件(6)，所述上夹持组件(5)通过第一安装架(51)连接于所述机架(4)，所述下夹持组件(6)通过第二安装架(61)连接于所述机架(4)；
所述第一安装架(51)与第二安装架(61)之间通过连接件(7)固定连接，且可同向同速移动，所述下夹持组件(6)可在第二安装架(61)内上下移动，与上夹持组件(5)形成速度差。
4.如权利要求3所述的光纤预制棒制备装置，其特征在于：
所述机架(4)上设有第一电机(41)以及与所述第一电机(41)连接的第一丝杠(42)，所述第一安装架(51)和第二安装架(61)通过所述第一丝杠(42)与所述机架(4)滑动连接；
所述第二安装架(61)内设有第二电机(611)以及与所述第二电机(611)连接的第二丝杠(612)，所述下夹持组件(6)通过所述第二丝杠(612)与第二安装架(61)滑动连接。
5.如权利要求1所述的光纤预制棒制备装置，其特征在于：所述端部固定机构(3)还包括密封盖(35)，所述密封盖(35)盖设于所述调节组件，所述密封盖(35)上配有用于对所述石英管(2)内抽真空的抽真空管路(36)。
6.如权利要求1所述的光纤预制棒制备装置，其特征在于：两个所述延伸棒分别为上延伸棒(11)和下延伸棒(12)，两个所述延伸管分别为上延伸管(21)和下延伸管(22)，两个所述调节组件分别为调节上延伸棒(11)和上延伸管(21)的上调节组件、以及调节下延伸棒(12)和下延伸管(22)的下调节组件。
7.如权利要求6所述的光纤预制棒制备装置，其特征在于，所述上调节组件包括：
第一压盖(31)，其开设有具有第一大径段和第一小径段的台阶通孔，所述上延伸管(21)端部位于所述第一大径段，所述上延伸棒(11)穿出上延伸管(21)的端部位于所述第一小径段，所述第一小径段的外端面设有进砂口(311)；
第一调节螺杆(32)，其设有至少四个，多个第一调节螺杆(32)沿第一压盖(31)周向等间距设置，所述第一调节螺杆(32)穿设于所述第一压盖(31)侧壁，并抵接所述上延伸棒(11)外壁；
所述上延伸管(21)外壁设有与第一压盖(31)连接的第一安装座(23)。
8.如权利要求6所述的光纤预制棒制备装置，其特征在于，所述下调节组件包括：
第二压盖(33)，其开设有具有第二大径段和第二小径段的台阶孔，所述下延伸管(22)端部位于所述第二大径段，所述下延伸棒(12)穿出下延伸管(22)的端部位于所述第二小径段；
第二调节螺杆(34)，其设有至少四个，多个第二调节螺杆(34)沿第二压盖(33)周向等间距设置，所述第二调节螺杆(34)穿设于所述第二压盖(33)侧壁，并抵接所述下延伸棒(12)外壁；
所述下延伸管(22)外壁设有与第二压盖(33)连接的第二安装座(24)。
9.如权利要求1所述的光纤预制棒制备装置，其特征在于：所述装置还包括加热炉(8)，所述加热炉(8)出口处下部安装有测径仪(9)，所述测径仪(9)用于测量所述延伸棒和延伸管的中心轴是否在同一直线、以及通过传感器，测量拉制的光纤预制棒的外径。
10.一种基于权利要求1所述制备装置的光纤预制棒制备方法，其特征在于，其包括步骤：
在芯棒(1)的两端分别固定一个延伸棒，并保证所述芯棒(1)与延伸棒的中心轴在同一直线上；
在石英管(2)的两端分别固定一个延伸管，并保证所述石英管(2)与延伸管的中心轴在同一直线上；
将固定有延伸棒的芯棒(1)穿设在固定有延伸管的石英管(2)内，并通过调节组件将所述延伸棒和延伸管的中心轴调整至同一直线上；
通过一个端部固定机构(3)将位于下方的延伸管端部密封后，在所述石英管(2)内填充石英砂(25)，然后通过另一端部固定机构(3)将位于上方的延伸管端部密封；
对所述石英管(2)进行加热熔融，拉制形成包含有芯棒(1)的光纤预制棒。
11.如权利要求10所述的光纤预制棒制备方法，其特征在于，所述装置还包括机架(4)、测径仪(9)和两个夹持组件，两个所述夹持组件上下安装于所述机架(4)上，并分别夹持两个所述延伸管；
对所述石英管(2)进行加热熔融时，还包括：
通过所述测径仪(9)得到所述石英管(2)每个测量点的外径；
根据所述石英管(2)每个测量点的外径，得到每个测量点处，光纤预制棒经熔缩未拉制的计算外径；
根据所述计算外径，以及所述光纤预制棒的目标外径和位于上方的夹持组件的下降速度，确定两个所述夹持组件的速度差，得到位于下方的夹持组件的下降速度；
两个所述夹持组件以二者之间形成的速度差牵引融容的石英管(2)。
12.如权利要求11所述的光纤预制棒制备方法，其特征在于，对外径均匀的石英管(2)进行加热熔融时，还包括：
通过所述测径仪(9)扫描得到光纤预制棒的拉制外径，并通过拉制外径与目标外径的差值，调整所述速度差。
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