CN113087384A - 一种锥形玻璃光纤的简易制备方法 - Google Patents

Abstract

一种锥形玻璃光纤的简易制备方法，属于光学器件的生产领域。使用由多组分玻璃制备成的光纤预制棒，并把它们固定在光纤拉制设备上，通过调节拉制参数，可以拉制出具有不同锥区长度和锥尖直径的锥形玻璃光纤。其中，拉制参数包括升温速率、拉制温度、拉制张力、拉制气氛和拉制气体流量等。机械强度较高的多组分玻璃系统，可得到的锥区长度较长，锥尖直径较小。此发明方法可以连续不间断地拉制出不同几何尺寸的锥形光纤，方便地实现锥形光纤的量产。

Description

一种锥形玻璃光纤的简易制备方法

技术领域

本发明涉及光学器件的生产领域，具体涉及了一种锥形玻璃光纤的简易制备方法。

背景技术

随着光纤的应用领域逐渐地普及，其在各行各业的优势在不断地显现中。目前制备光纤的基质材料主要有半导体，塑料和石英玻璃。锥形光纤的制作工艺一般是通过拉锥改变它们的形状，从而影响它的光学性能。光纤拉锥技术的基本过程是采用氢氧焰或电阻加热炉，对光纤加热使它们处于熔融状态，随后在光纤二端施加一定的拉力进行拉伸，使它们的受热部分的直径变小从而制得锥形光纤。目前用于拉锥的机器为氢氧焰加热型拉锥机，CO₂加热型拉锥机和电极加热型拉锥机等，这一类拉锥机原理上是基于步进制电动机，其结构装置复杂，制造成本高，加工时间长，设备使用效率低，不适合用于实验研究，所以在一定程度上限制了锥形光纤的广泛应用。因此亟需一种结构简单，操作方便且重复性高的光纤拉锥方法。

目前常用的锥形光纤是由各种类型的拉锥机拉制出来的石英玻璃光纤。石英玻璃具有极低的热膨胀系数，高的耐温性，极好的化学稳定性，优良的电绝缘性，高于普通玻璃的机械性能，因此在半导体、冶金、化工、通讯、轻工等工业中不可或缺，应用十分广泛。石英玻璃是一种只含二氧化硅单一成份的玻璃，它的形成是由于其熔体高温粘度很高引起的结果，因此用石英玻璃拉制成的锥形光纤，虽然锥尖直径足够小，但锥区长度明显不够长(小于1mm)，不能满足所有的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种锥形玻璃光纤的简易制备方法，此制备方法简单，且适合于连续生产，通过此种方法得到的锥形玻璃光纤和光纤预制棒锥头的锥尖直径均可低至40微米，锥区长度不限，可以短至几十微米，长至几米。设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案加以实现：

一种锥形玻璃光纤的简易制备方法，使用由多组分玻璃制备成的光纤预制棒，并把它们固定在光纤拉制设备上，通过调节拉制参数，可以连续不间断地拉制出不同几何尺寸的锥形玻璃光纤；其中，拉制参数包括升温速率、拉制温度、拉制张力、拉制气氛和拉制气体流量；

进一步，玻璃光纤中有选择性地掺杂有高浓度的稀土元素，稀土元素涵盖了所有17种稀土元素，由稀土元素组成的稀土氧化物的掺杂浓度最高达65％重量百分数。

进一步，多组分玻璃包括硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、铋酸盐玻璃、氟化物玻璃、硫化物玻璃以及上述多组分玻璃的混杂玻璃，混杂玻璃包括硼硅酸盐玻璃、锗碲酸盐玻璃和氟碲酸盐玻璃等等。

进一步，可调整的拉制参数包括升温速率，拉制温度，拉制张力，拉制气氛，拉制气体流量等等。取决于玻璃组成，升温速率为10℃/min至25℃/min；拉制温度为300℃至1000℃；拉制张力为0.5g至50g；拉制气氛为高纯度的单一反应性气体、单一惰性气体或上述气体按一定比例制作成的高纯度气体混合物，其中单一反应性气体包括氧气和氮气等等，单一惰性气体包括氩气和氦气等等，高纯度气体混合物包括氮气加氧气的气体混合物、氦气加氧气的气体混合物等等；拉制气体流量为0.5L/min至5L/min。

进一步，锥形玻璃光纤的纤芯为单纤芯或多纤芯，包层为单包层或多包层，纤芯和包层的外形为圆形、椭圆形、D形、多边形或者其他各种形状。

进一步，锥形玻璃光纤的锥尖直径最小为40μm，锥区长度不限。

进一步，上述制备方法同样适用于玻璃光纤预制棒锥头的制备，玻璃光纤预制棒锥头的锥尖直径最小为40μm，锥区长度不限。

进一步，使用由有源或无源的石英玻璃制备成的光纤预制棒，并把它们固定在光纤拉制设备上，通过调节拉制参数，连续不间断地拉制出不同几何尺寸的锥形玻璃光纤；其中，拉制参数包括升温速率、拉制温度、拉制张力、拉制气氛和拉制气体流量。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明克服了拉制锥形玻璃光纤需要购置或搭建专用设备的传统方法的繁琐，以及常用的石英玻璃锥形光纤在锥区长度上的劣势，利用光纤拉丝设备，独创性地采用多组分玻璃作为拉制基质材料，利用其化学组成和物化性质(包括高温粘度)能够在较宽的范围内连续调整的客观规律，特别是它们对于稀土离子的高溶解度，以及能有效地抵御外界环境侵蚀的优良的光热电稳定性，通过设计不同的多组分玻璃组成，精准地调控拉丝技术参数，拉制出具有不同几何形状的，锥区长度较石英玻璃锥形光纤可以在更大范围内调整的锥形玻璃光纤。同时，传统的锥形光纤的拉制方式效率低下，不适合连续生产，使用本发明能方便地实现锥形光纤的连续量产。

本发明同样适用于石英玻璃光纤和光纤预制棒的拉锥，因此在太阳光光纤导入系统，光纤传感器和光纤激光器等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明中在电阻丝加热炉中产生的锥形玻璃光纤示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例和附图，详细描述本发明的技术方案：

实施例1：

制备锥形玻璃光纤：

如图1所示，首先分别选择热学性质匹配，光学性质满足要求，纤芯玻璃组成中分别掺杂有不同浓度的各种稀土元素氧化物的硅酸盐、磷酸盐、锗酸盐和氟碲酸盐玻璃，按照光纤结构设计的要求，使用预制棒制备机，分别制备出各自的纤芯和包层玻璃预制棒。把经过研磨和抛光处理后的光纤预制棒分别固定在光纤拉丝塔上，使用电阻丝炉对光纤预制棒进行加热软化，在电阻丝炉内，光纤预制棒能均匀受热，软化的光纤预制棒通过自身重力向下进入牵引轮后，光纤拉制开始，可调整的拉制参数包括拉制温度，拉制张力，拉制气氛，拉制气体流量，送棒速率，牵引轮速率等。

表1显示了分别拉制锥形硅酸盐、磷酸盐、锗酸盐和氟碲酸盐玻璃光纤的部分实验参数和结果。光纤直径需要变细时，可以采用减缓送棒速率，同时加快牵引轮速率的措施，反之亦然。取决于多组分玻璃的不同，采用本发明得到的最小锥尖直径相应地也有所不同。机械强度较高的多组分玻璃，可得到的锥区长度较长，锥尖直径较小。结果表明，本发明中的锥形玻璃光纤的锥尖直径可低至40μm，锥区长度可长至约1m。该锥区长度值远远大于使用普通拉锥机可拉制出的石英玻璃锥形光纤的锥区长度值(小于1mm)，并且借助于拉丝设备中的各种装置之间的相互配合，可以连续不间断地拉制出不同形状尺寸的锥形光纤，方便地实现锥形光纤的连续量产。

表1不同多组分玻璃锥形光纤的拉锥参数和结果

另外，多组分玻璃还可替换为硼酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、铋酸盐玻璃、氟化物玻璃、硫化物玻璃以及上述多组分玻璃的混杂玻璃，混杂玻璃包括硼硅酸盐玻璃，锗碲酸盐玻璃中的任一种。

实施例2：

玻璃光纤预制棒的拉锥：

玻璃光纤预制棒拉锥的前期步骤与锥形玻璃光纤的拉制相同，把研磨抛光好的硼硅酸盐玻璃光纤预制棒和氟碲酸盐玻璃光纤预制棒分别固定在光纤拉丝塔上，使用电阻丝炉对光纤预制棒进行加热软化，可调节的实验参数包括升温速率，拉制温度，拉制张力，拉制气氛，拉制气体流量等。在电阻丝炉内，软化的预制棒通过自身重力能自然形成锥头，形成的锥头流线性好且重复率高。

表2显示了把拉制气体流量保持在1.5L/min时，对硼硅酸盐玻璃和氟碲酸盐玻璃的光纤预制棒进行拉锥实验的结果；

表2

从表2可看出，通过变换拉制参数，可以拉制出不同几何形状和尺寸的玻璃光纤预制棒锥头，其中锥尖直径可低至40μm，锥区长度可长至约2m。相同的硼硅酸盐玻璃光纤预制棒，随着升温速率提高，拉制温度也会相应地升高，产生的预制棒锥头的锥尖直径和锥区长度同步变小。而对于粘度随温度变化更显著的氟碲酸盐玻璃，缓慢地升温至拉制温度后，得到的锥尖直径更大，但锥区长度更短。

借助于拉丝设备中的自动送棒装置，在同一个光纤预制棒中不同位置，能连续不断地产生新的预制棒锥头，大大提高了拉丝设备的利用率和预制棒锥头的产出率。

实施例3：

制备有源或无源的石英玻璃锥形光纤：

有源或无源的石英玻璃锥形光纤的制备方法和上述锥形玻璃光纤的制备方法相同，只需把选择的多组分玻璃替换为有源或无源的石英玻璃，最终可以拉制出具有不同几何形状和尺寸的石英玻璃锥形光纤。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种锥形玻璃光纤的简易制备方法，其特征在于，使用由多组分玻璃制备成的光纤预制棒，并把它们固定在光纤拉制设备上，通过调节拉制参数，连续不间断地拉制出不同几何尺寸的锥形玻璃光纤；其中，拉制参数包括升温速率、拉制温度、拉制张力、拉制气氛和拉制气体流量。

2.根据权利要求1所述的一种锥形玻璃光纤的简易制备方法，其特征在于，所述玻璃光纤中有选择性地掺杂有高浓度的稀土元素，稀土元素涵盖了所有17种稀土元素，由这些稀土元素组成的稀土氧化物的掺杂浓度最高达65％重量百分数。

3.根据权利要求1所述的一种锥形玻璃光纤的简易制备方法，其特征在于，所述多组分玻璃包括硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、铋酸盐玻璃、氟化物玻璃、硫化物玻璃以及上述多组分玻璃的混杂玻璃，混杂玻璃包括硼硅酸盐玻璃、锗碲酸盐玻璃和氟碲酸盐玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种锥形玻璃光纤的简易制备方法，其特征在于，取决于玻璃组成，所述升温速率为10℃/min至25℃/min；所述拉制温度为300℃至1000℃；所述拉制张力为0.5g至50g；所述拉制气氛为高纯度的单一反应性气体、单一惰性气体或上述气体按一定比例制作成的高纯度气体混合物，其中单一反应性气体包括氧气和氮气，单一惰性气体包括氩气和氦气，高纯度气体混合物包括氮气加氧气的气体混合物、氦气加氧气的气体混合物；所述拉制气体流量为0.5L/min至5L/min。

5.根据权利要求1所述的一种锥形玻璃光纤的简易制备方法，其特征在于，所述锥形玻璃光纤的纤芯为单纤芯或多纤芯，包层为单包层或多包层，纤芯和包层的外形为圆形、椭圆形、D形、多边形或者其他各种形状。

6.根据权利要求1所述的一种锥形玻璃光纤的简易制备方法，其特征在于，所述锥形玻璃光纤的锥尖直径最小为40μm，锥区长度不限。

7.根据权利要求1所述的一种锥形玻璃光纤的简易制备方法，其特征在于，所述制备方法同样适用于玻璃光纤预制棒锥头的制备，所述玻璃光纤预制棒锥头的锥尖直径最小为40μm，锥区长度不限。

8.一种锥形玻璃光纤的简易制备方法，其特征在于，使用由有源或无源的石英玻璃制备成的光纤预制棒，并把它们固定在光纤拉制设备上，通过调节拉制参数，连续不间断地拉制出不同几何尺寸的锥形玻璃光纤；其中，拉制参数包括升温速率、拉制温度、拉制张力、拉制气氛和拉制气体流量。

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