CN113277728B - 一种适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉，涉及光纤制造技术领域，包括拉丝炉和抽真空密封装置；所述拉丝炉包括炉体，所述炉体内设置有从上到下贯通的中心管，所述中心管周围设置有加热装置和温控装置；所述抽真空密封装置设置于所述中心管的上下两端。本发明所述的具有三段式温场的光纤拉制炉可以有效地减少甚至抑制氟化物玻璃在光纤拉制过程中的析晶现象。所述抽真空密封装置提供了一个密闭环境，使整个光纤预制棒都被包含在内，通过抽真空可以将包层套管和纤芯棒两者间隙内的空气连同光纤预制棒外部的空气一并除去，进而实现整个拉丝过程中对光纤预制棒和新制成裸光纤的全程惰性气氛保护，从而消除外界空气对氟化物玻璃光纤的不利影响。

Description

一种适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉

技术领域

本发明涉及光纤制造技术领域，特别是涉及一种适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉。

背景技术

氟化物玻璃具有中红外波段透光范围宽(0.25～8μm)、折射率较低、阿贝数较大的优点，且具有较低的声子能量(500cm^-1)和较强的离子键性能，被视为重要的中波红外材料，在激光雷达、激光医疗、食品质量控制和化工气体环保监测等领域具有重大的科学价值和潜在的应用需求。

不同于石英光纤，氟化物玻璃光纤预制棒一般需要先制备高光学质量的块体基质玻璃，再经过切削、打磨、抛光后制得纤芯棒和包层套管，随后将纤芯棒插入包层套管中进行光纤拉制。然而，根据文献报道，氟化物玻璃易与空气中的水、氧发生反应而分相，在高温下尤为显著，因此氟化物玻璃在玻璃熔制和光纤拉制过程中对加工环境要求非常苛刻。

此外，氟化物玻璃极易析晶，其析晶起始温度比熔化温度一般要低100-200℃。想要减少甚至抑制氟化物玻璃在光纤拉制过程中的析晶现象，就必须缩短光纤预制棒在拉丝炉内的加热时间，更确切地说，必须缩短预制棒由析晶温度升至软化点的加热时间。而传统的拉丝炉内只配置一个较宽的加热线圈，只能提供一种宽温场的加热环境，其温度一般设定在玻璃的软化点附近。根据热传导的傅立叶定律，发热体对光纤预制棒的加热效率与两者的温差有关，即随着两者温差的减小，加热效率逐渐降低。也就是说，这种宽温场的加热环境会使得光纤预制棒在升温-软化-拉丝的过程中较长时间的处于析晶温度以上，从而导致预制棒在加热过程中出现一定程度的析晶，而预制棒在达到软化点后的保温时间很短，随即通过牵引拉制成光纤并迅速降温，因此所形成的微纳晶粒将来不及熔融而被保留在光纤内，表现为拉丝过程中断丝现象频繁，制得的光纤损耗大。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉，以解决目前氟化物玻璃光纤拉制技术中所涉及的气氛保护以及析晶控制问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉，包括拉丝炉和抽真空密封装置；所述拉丝炉包括炉体，所述炉体内设置有从上到下贯通的中心管，所述中心管周围设置有加热装置和温控装置；所述抽真空密封装置设置于所述中心管的上下两端。

可选的，所述抽真空密封装置包括环形密封管、延长进给杆、密封件和真空泵接头；所述环形密封管设置于所述中心管的顶部，所述延长进给杆从顶部伸入所述环形密封管；所述环形密封管与所述延长进给杆之间设置有密封件；在抽真空时，所述真空泵接头设置于所述中心管底部。

可选的，所述中心管顶部设置有上限位卡槽，所述中心管底部设置有下限位卡槽，所述上限位卡槽用于使所述环形密封管与所述中心管保持同轴，所述下限位卡槽用于使所述真空泵接头与所述中心管保持同轴。

可选的，所述密封件包括辅助密封圈和楔形密封圈；所述辅助密封圈设置于所述环形密封管上部并在所述环形密封管与所述延长进给杆之间形成密封；所述环形密封管顶部设置有内倒角，在抽真空时，所述楔型密封圈设置于所述环形密封管的内倒角处。

可选的，所述环形密封管包括两个半圆管，所述两个半圆管拼接成为环形管，所述环形管底部设置有凹槽，所述凹槽用于与所述中心管连接时进行定位；所述两个半圆管上相匹配的设置有多个箱扣。

可选的，所述加热装置包括多个环形加热器，所述多个环形加热器设置于所述中心管的外侧。

可选的，所述中心管的外侧设置有多个温控装置。

可选的，所述中心管上端设置有4到12个惰性气体进气口。

可选的，在拉丝时，所述中心管下方设置有气氛保护延长管。

可选的，所述气氛保护延长管包括两个半圆锥管，所述两个半圆锥管拼接成为环形锥管；所述环形锥管顶部设置有凹槽，所述凹槽用于与所述下限位卡槽连接时进行定位；所述两个半圆锥管上相匹配的设置有多个箱扣。

可选的，所述延长进给杆底部设置有预制棒夹具；所述预制棒夹具底部设置有套管卡槽和纤芯卡槽，套管卡槽底部与所述预制棒夹具底部相平齐，纤芯卡槽底部与套管卡槽的顶部相平齐，且纤芯卡槽的直径小于套管卡槽的直径；套管卡槽和纤芯卡槽上均设置有多个无头螺丝，通过调整无头螺丝夹紧光纤预制棒的包层套管和纤芯棒。

可选的，所述气氛保护延长管下方依次设置有丝径测量仪、涂覆杯、对滚辊轮、涂覆固化装置和光纤绕丝机构。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉，配置了三个相互独立的环形加热器，从而提供了三段式的温度场，从上至下依次为预热段、软化段和拉丝段，预热段的温度设置在氟化物玻璃的起始析晶温度以下，主要是为了消除玻璃的内应力；软化段的温度可以设置在氟化物玻璃的软化点以上，其目的是保持发热体和光纤预制棒之间较大的温度差，提高拉丝炉的加热效率，使光纤预制棒保持较快的升温速率，从而缩短光纤预制棒处于玻璃析晶温度以上的加热时间；拉丝段的温度设置在氟化物玻璃的软化点附近，光纤预制棒按照一定的送棒速度匀速经过软化段后，其温度刚好升至玻璃软化点，进而开始光纤拉制。本发明所述的具有三段式温场的光纤拉制炉可以有效地减少甚至抑制氟化物玻璃在光纤拉制过程中的析晶现象。

抽真空密封装置提供了一个密闭环境，使整个光纤预制棒都被包含在内，通过抽真空可以将包层套管和纤芯棒两者间隙内的空气连同光纤预制棒外部的空气一并除去，进而实现整个拉丝过程中对光纤预制棒和新制成裸光纤的全程惰性气氛保护，从而消除外界空气对氟化物玻璃光纤的不利影响。

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为本发明中的适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉的结构示意图。

图2为本发明中的适用于氟化物玻璃光纤拉制的拉丝塔的结构示意图。

图3为本发明中的适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉中环形密封管的结构示意图。

图4为本发明中的适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉在不同软化段温度下的炉腔温度分布。

图5为本发明中的适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉在不同软化段温度下的预制棒升温曲线。

图6为本发明中的适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉的炉腔温度分布以及相应光纤预制棒的升温曲线。

图7为现有的光纤拉制炉的炉腔温度分布以及相应光纤预制棒的升温曲线。

附图标记说明：1、延长进给杆；2、楔形密封圈；3、环形密封管；4、预制棒夹具；5、光纤预制棒；6、上限位卡槽；7、惰性气体进气口；8、温控装置；9、中心管；10、气氛保护延长管；11、环形加热器；12、下限位卡槽；13、真空泵接头；14、步进平台；15、拉丝炉；16、丝径测量仪；17、涂覆杯；18、对滚辊轮；19、涂覆固化装置；20、光纤绕丝机构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至3所示，本实施例提供一种适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉，包括拉丝炉15和抽真空密封装置；所述拉丝炉15包括炉体，所述炉体内设置有从上到下贯通的中心管9，所述中心管9周围设置有加热装置和温控装置8；所述抽真空密封装置设置于所述中心管9的上下两端。

于本具体实施例中，所述抽真空密封装置包括环形密封管3、延长进给杆1、密封件和真空泵接头13；所述环形密封管3设置于所述中心管9的顶部，所述延长进给杆1从顶部伸入所述环形密封管3；所述环形密封管3与所述延长进给杆1之间设置有密封件。

所述密封件包括辅助密封圈和楔形密封圈2；所述辅助密封圈设置于所述环形密封管3上部并在所述环形密封管3与所述延长进给杆1之间形成密封；所述环形密封管3顶部设置有内倒角，在抽真空时，楔形密封圈2设置于内倒角处，所述环形密封管3与所述延长进给杆1之间通过楔形密封圈2进行密封。

所述辅助密封圈设置于所述环形密封管3与所述延长进给杆1之间，该辅助密封圈设置于环形密封管3上部的内壁，在通入惰性气体后，通过辅助密封圈对所述环形密封管3与所述延长进给杆1之间进行密封，防止惰性气体从环形密封管3与延长进给杆1之间溢出。

在抽真空时，所述环形密封管3与所述延长进给杆1之间通过楔形密封圈2进行密封；所述真空泵接头13设置于所述中心管9底部。

进一步的，延长进给杆1底部设置有螺纹，延长进给杆1与预制棒夹具4之间通过螺纹连接，延长进给杆1的直径与所述预制棒夹具4的直径相同，且小于中心管9的内径可以将延长进给杆1和预制棒夹具4连同光纤预制棒5一起深入至拉丝炉15内，从而使光纤预制棒5尽可能多的被拉制成光纤，减少原料的浪费。预制棒夹具4底部设置有套管卡槽和纤芯卡槽，套管卡槽底部与预制棒夹具4底部相平齐，纤芯卡槽底部与套管卡槽的顶部相平齐，且纤芯卡槽的直径小于套管卡槽的直径；套管卡槽和纤芯卡槽上均设置有多个无头螺丝，通过调整无头螺丝夹紧光纤预制棒5的包层套管和纤芯棒，纤芯棒的长度应比包层套管长5-10mm，以便于包层套管和纤芯棒分别插入套管卡槽和纤芯卡槽并通过无头螺丝夹紧固定。

所述中心管9顶部设置有上限位卡槽6，所述中心管9底部设置有下限位卡槽12，所述上限位卡槽6用于使所述环形密封管3与所述中心管9保持同轴，所述下限位卡槽12用于使所述真空泵接头13与所述中心管9保持同轴。

所述环形密封管3包括两个半圆管，所述两个半圆管拼接成为环形管，所述环形管底部设置有凹槽，所述凹槽用于与所述中心管9连接时进行定位；所述两个半圆管上相匹配的设置有4个箱扣。

所述加热装置包括三个环形加热器11，所述三个环形加热器11设置于所述中心管9的外侧。三个环形加热器11将中心管9由上到下分成了预热段、软化段和拉丝段。

进一步的，中心管9纵向垂直贯通整个拉丝炉15，其高度在150-500mm之间。软化段的环形加热器11位于拉丝炉15的中心处的上端，其中心距离拉丝炉15的中心处0-50mm之间，其高度在5-30mm之间。预热段的环形加热器11配置在拉丝炉15的入口端，其中心距离拉丝炉15的上平面40-200mm之间，其高度在20-80mm之间。拉丝段的环形加热器11配置在拉丝炉15的出丝端，其中心距离拉丝炉15的下平面60-200mm之间，其高度在20-80mm之间。

所述中心管9的外侧设置有三个温控装置8。

所述中心管9上端设置有4到12个惰性气体进气口7，所有的惰性气体进气口7位于同一水平面上，并沿中心管9的周向均匀分布。惰性气体选用氦气和氩气混合气体，其中氦气的分子量小，导热性能好，氦气和氩气的流量调节比例为5:1到1:1之间。

在拉丝时，所述炉体下方设置有气氛保护延长管10，所述气氛保护延长管10包括两个半圆锥管，所述两个半圆锥管拼接成为环形锥管；所述两个半圆锥管上相匹配的设置有4个箱扣。所述气氛保护延长管顶部设置有凹槽，所述凹槽用于与所述下限位卡槽12连接时进行定位。

所述气氛保护延长管10下方依次设置有丝径测量仪16、涂覆杯17、对滚辊轮18、涂覆固化装置19和光纤绕丝机构20。

使用时，根据光纤预制棒5的包层套管和纤芯棒的尺寸，选择相匹配的预制棒夹具4，并通过无头螺丝将包层套管和纤芯棒分别固定，需确保无头螺丝均藏于预制棒夹具4的外圆周内，再将预制棒夹具4通过螺纹固定在延长进给杆1下端，并将延长进给杆1固定在步进平台14，如图2所示。确保光纤预制棒5、预制棒夹具4和延长进给杆1同轴，并将其轴心对准拉丝炉15中心管9的轴心后，通过步进平台14将光纤预制棒5垂直送至中心管9的中点处。如图3所示，将两个半圆环形的环形密封管3通过上限位卡槽6安装固定后闭合两侧的箱扣，将楔形密封圈2贴合于环形密封管3顶端的内倒角，再将真空泵接头13抵在下限位卡槽12处，打开真空泵抽出炉腔内的所有空气。达到一定真空度后，关闭真空泵，从惰性气体进气口7缓慢放入氦气和氩气混合气体(氦气氩气比例为3:1)，直至炉腔内气压大于大气压后，移走楔形密封圈2和真空泵接头13。

对于新样品首先需要摸清软化段的温度上限，该温度上限为稳定拉丝前提下软化段所能设定的最高温度，超过温度上限后，预制棒在匀速经过预热段和软化段后会因预制棒温度过高导致拉丝不稳定。

为了便于观察玻璃熔体滴落以及拉丝的稳定性，在摸索软化段温度上限过程中，暂不安装气氛保护延长管10。因中心管9为直通式，下端出丝口较大，此时应适当增大惰性气体的流速，以起到隔绝空气的效果。

在准备工作就绪后，将预热段的温度设置为390℃(该氟化物析晶起始温度为420℃)，软化段和拉丝段的温度均设置为氟化物玻璃的软化点520℃，待光纤预制棒5软化滴落并能稳定拉丝后，保持预热段和拉丝段的温度不变，以10℃每频次逐渐升高软化段的温度，此时匀速下降的预制棒的升温速率逐渐加快，相应地，光纤预制棒5达到软化点的相对位置逐渐提前，如图4和5所示。在温度调整后可以通过观察不规则玻璃熔体滴落后能否恢复稳定拉丝作为预设温度是否合适的判据：若能恢复稳定拉丝，则可以继续调高软化段的温度；若在某一温度下出现拉丝断断续续的情况，则可以1℃/频次逐渐降低软化段的温度，直至确定软化段的温度上限。通过实验确定了该光纤预制棒5在指定速度下匀速下降时，软化段可以设置的最高温度为551℃，这也是软化段的最佳工作温度，此时光纤预制棒5从析晶温度升至软化点所需的时间最短，可以有效地减少甚至抑制氟化物玻璃在光纤拉制过程中的析晶现象。最后将气氛保护延长管10固定在下限位卡槽12处，由于气氛保护延长管10为锥形结构，具有收口作用，此时可以降低惰性气体的流速，减少惰性气体的消耗。拉制的光纤在对滚辊轮18的牵引下，经过丝径测量仪16，穿过装有光纤涂覆剂的涂覆杯17和涂覆固化装置19后，由光纤绕丝机构20收丝入盘。

需要强调的是，在准备工作就绪等待玻璃熔体滴落的静态过程中，软化段和拉丝段的温度应保持一致，均设置为玻璃的软化点。软化段的温度上限仅在匀速送棒的动态过程中才有意义，其与氟化物玻璃的物化性质、预制棒包层套管和纤芯棒尺寸、送棒速度以及氦气氩气比例等因素有关，在这些因素都固定的前提下，获得的软化段温度上限的数值是唯一的，可以直接用于后续的重复拉制试验。

如图6和7所示，将本发明一个实施例的三段式温控拉丝炉15与市面上常见的单温场拉丝炉做了对比，很明显，本发明的拉丝炉的三段式温控结构可以大幅度地缩短光纤预制棒由析晶温度升至软化点所需的时间，从而有效地减少甚至抑制氟化物玻璃在光纤拉制过程中的析晶现象。此外，相较于市面上常见的拉丝炉上下端的光阑封口设计以及相关的拉丝炉气封、密封装置的专利报道，本发明的抽真空密封装置的显著特征在于可以将炉腔内的所有空气，尤其是包层套管和纤芯棒间隙内的空气全部除去，并对光纤预制棒和新制成的裸光纤进行全程惰性气氛保护，直至涂覆固化。采用上下端光阑封口的单温场拉丝炉拉制的氟化物光纤的损耗为2.87dB/m，而采用本发明的拉丝炉及其抽真空密封装置拉制的同种氟化物光纤的损耗仅为0.42dB/m。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉，其特征在于，包括拉丝炉和抽真空密封装置；所述拉丝炉包括炉体，所述炉体内设置有从上到下贯通的中心管，所述中心管周围设置有加热装置和温控装置；所述抽真空密封装置设置于所述中心管的上下两端；

所述抽真空密封装置包括环形密封管、延长进给杆、密封件和真空泵接头；所述环形密封管设置于所述中心管的顶部，所述延长进给杆从顶部伸入所述环形密封管；所述环形密封管与所述延长进给杆之间设置有密封件；在抽真空时，所述真空泵接头设置于所述中心管底部；

所述中心管顶部设置有上限位卡槽，所述中心管底部设置有下限位卡槽，所述上限位卡槽用于使所述环形密封管与所述中心管保持同轴，所述下限位卡槽用于使所述真空泵接头与所述中心管保持同轴；

所述密封件包括辅助密封圈和楔形密封圈；所述辅助密封圈设置于所述环形密封管上部并在所述环形密封管与所述延长进给杆之间形成密封；所述环形密封管顶部设置有内倒角，在抽真空时，所述楔形密封圈设置于所述环形密封管的内倒角处；

所述延长进给杆与预制棒夹具之间通过螺纹连接，所述延长进给杆的直径与所述预制棒夹具的直径相同，且小于所述中心管的内径；所述预制棒夹具底部设置有套管卡槽和纤芯卡槽，所述套管卡槽和纤芯卡槽上均设置有多个无头螺丝，通过调整无头螺丝夹紧光纤预制棒的包层套管和纤芯棒，光纤预制棒垂直送至中心管的中点处时，打开真空泵抽出炉腔内的所有空气；

所述环形密封管包括两个半圆管，所述两个半圆管拼接成为环形管，所述环形管底部设置有凹槽，所述凹槽用于与所述中心管连接时进行定位；所述两个半圆管上相匹配的设置有多个箱扣；

所述加热装置包括多个环形加热器，所述多个环形加热器设置于所述中心管的外侧；所述多个环形加热器将所述中心管由上至下分成了预热段、软化段和拉丝段；预热段的温度设置在氟化物玻璃的起始析晶温度以下；软化段的温度设置在氟化物玻璃的软化点以上；拉丝段的温度设置在氟化物玻璃的软化点；

所述中心管的外侧设置有多个温控装置；

在拉丝时，所述中心管下方设置有气氛保护延长管；

所述气氛保护延长管包括两个半圆锥管，所述两个半圆锥管拼接成为环形锥管。

2.根据权利要求1所述的适用于氟化物玻璃的光纤拉制炉，其特征在于，所述中心管上端设置有4到12个惰性气体进气口。

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