CN113939483B - 制造空芯光纤和空芯光纤预制件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制造反谐振空芯光纤的方法，反谐振空芯光纤具有沿光纤纵轴线延伸的空芯和包围所述空芯的包层区域，所述包层区域包括几个反谐振元件。本公开的方法包括以下步骤：提供包层管，所述包层管具有包层管内孔和包层管纵轴线，由内表面和外表面限定的包层管壁沿所述包层管纵轴线延伸；提供若干个管状反谐振元件预制棒；将所述反谐振元件预制棒布置在所述包层管壁的所述内表面的规定位置处，以形成具有空芯区域和内包层区域的初级预制件；将所述初级预制件拉伸成所述空芯光纤或将所述初级预制件再加工成次级预制件。为了基于此以足够稳定和可重复的方式实现反谐振元件的高精度及其精确定位，本发明提出，形成次级预制件，所述次级预制件具有在30至90mm的范围内的外径，以及在拉制光纤之前封闭所述反谐振元件预制棒的至少一个正面端部。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造反谐振空芯光纤的方法，所述反谐振空芯光纤沿光纤纵轴线延伸的空芯和包围所述空芯的包层区域，所述包层区域包括几个反谐振元件，所述方法具有以下方法步骤：
(a)提供空芯光纤初级预制件，所述空芯光纤初级预制件具有空芯区域和包层区域，所述包层区域包括至少一个包层管，所述包层管具有包层管内孔和包层管纵轴线，由内包络面和外包络面限定的包层管壁沿所述包层管纵轴线延伸，其中将几个管状和/或中空通道状反谐振元件预制棒布置在所述包层区域中，
(b)将所述初级预制件再加工成次级预制件，所述再加工包括一次或重复执行以下热成型过程的一项或几项：
(i)拉伸
(ii)塌缩和同时拉伸，
(iii)塌缩附加包层材料和随后拉伸，
(iv)塌缩附加包层材料和同时拉伸，和
(c)由所述次级预制件拉制成空芯光纤。
此外，本发明还涉及一种制造反谐振空芯光纤预制件的方法，所述反谐振空芯光纤具有沿光纤纵轴线延伸的空芯和包围所述空芯的包层区域，所述包层区域包括几个反谐振元件，所述方法具有以下方法步骤：
(a)提供空芯光纤初级预制件，所述空芯光纤初级预制件具有空芯区域和包层区域，所述包层区域包括至少一个包层管，所述包层管具有包层管内孔和包层管纵轴线，由内包络面和外包络面限定的包层管壁沿所述包层管纵轴线延伸，其中将几个管状和/或中空通道状反谐振元件预制棒布置在所述包层区域中，和
(b)将所述初级预制件再加工成次级预制件，所述再加工包括一次或重复执行以下热成型过程的一项或几项：
(i)拉伸
(ii)塌缩和同时拉伸，
(iii)塌缩附加包层材料和随后拉伸，
(iv)塌缩附加包层材料和同时拉伸。
由固体材料制成的常规单模光纤具有由玻璃制成的纤芯区域，纤芯区域被由较低折射率玻璃制成的包层区域包围。其中光传导基于纤芯和包层区域之间的全反射。然而，与高能辐射相比，导入光与固体材料的相互作用与数据传输延迟的增加和相对较低的损伤阈值有关。
“空芯光纤”避免或减少了这些缺点，其中纤芯包括填充有气体或液体的空腔。光与玻璃的相互作用在空芯光纤中比在实芯光纤中小。纤芯的折射率小于包层的折射率，因此光无法通过全反射传导，通常会从纤芯逃逸到包层中。根据光传导的物理机制，空芯光纤分为“光子带隙光纤”和“反谐振反射光纤”。
在“光子带隙光纤”中，空芯区域被包层包围，包层中周期性地布置着小的中空通道。包层的中空通道的周期性结构引起基于半导体技术称为“光子带隙”的效应，根据该效应，散射在包层结构处的特定波长范围的光由于中心空腔中的布拉格反射而相长干涉，且不能在包层中横向传播。在称为“反谐振空芯光纤”(“antiresonant hollow-corefibers”；ARHCF)的空芯光纤的实施方式中，空芯区域被内包层区域包围，其中布置着所谓的“反谐振的元件”(或“反谐振元件”；简称：“ARE”)。围绕空芯均匀分布的反谐振元件壁可当作在反谐振中运作的法布里-珀罗谐振腔，该谐振腔反射入射光并将其引导通过纤芯。
这种光纤技术保证了低光衰减、极宽的透射光谱范围(也在紫外或红外波长范围内)和数据传输的低延迟。
空芯光纤的潜在应用领域是数据传输、高性能光束引导，例如用于材料加工、模态滤波、非线性光学，特别是用于从紫外到红外波长范围的超连续谱生产。
反谐振空芯光纤的一个缺点是高阶模式不一定会被抑制，因此它们在长距离传输中通常不是纯单模，并且输出光束的质量会变差。
Francesco Poletti的论文“Nested antiresonant nodeless hollow corefiber[嵌套反谐振无节点式空芯光纤]”；Optics Express,Vol.22,No.20(2014)[光学快报，第22卷，第20期(2014年)]；DOI:10.1364/OE 22.023807，提出了一种光纤设计，其中反谐振元件不是设计为简单的单一结构元件，而是由几个相互嵌套的(英语：nested)结构元件组成。这种嵌套反谐振元件如此构造而成，使高阶纤芯模与包层模相位匹配，且高阶纤芯模而非纤芯基模被抑制。这样始终保证纤芯基模的传输，并且空芯光纤可在有限的波长范围内被有效地制成单模。
有效的模式抑制取决于传输光的中心波长和光纤设计的结构参数，如空芯半径和反谐振元件中嵌套环结构的直径差异。
EP 3 136 143 A1公开了一种反谐振空芯光纤(该文中称为“无带隙的空芯光纤”)，其中纤芯除了基模之外还可以传导其他模式。为此，它被具有“非谐振元件”的内包层包围，这些“非谐振元件”使反谐振模式与更高模式的相位匹配。空芯光纤是使用所谓的“堆叠-拉丝技术”制造的，其中将起始元件布置成一个轴向平行的整体且固定至预制件，然后拉伸预制件。在此，使用具有六边形内截面的包层管，且将六个所谓的“ARE预制件”(反谐振元件预制件)固定在该包层管的内边缘中。分两步将该预制件拉制成空芯光纤。
WO 2018/169487 A1公开了一种制造反谐振空芯光纤预制件的方法，其中第一包层区域包括多个棒，第二包层区域包括多个被外包层管包围的管。通过“堆叠-拉丝”技术将棒、管和包层管结合到一起形成预制件。在拉伸预制件之前，通过涂抹密封剂密封预制件的端部。例如，将UV粘合剂用作密封剂。
技术问题
反谐振空芯光纤，特别是那些具有嵌套结构元件的光纤，具有复杂的内部几何形状，这使得精确且可重复地生产它们变得困难。尤其困难的是，为了保持谐振或反谐振条件，甚至不能容忍传导光的工作波长在数量级上的微小范围偏差。与目标几何形状的偏差可能是由光纤预制件的配置造成的，也可能是由于在光纤拉制过程中出现不想要的，超出比例的变形。
在已知的“堆叠-拉丝”技术中，许多元件必须位置精确地接合在一起。例如，为了制造上述论文公开的“NANF”设计的空芯光纤，必须将六个反谐振元件预制棒装接到包层管的内表面处，这些反谐振元件预制棒各自由反谐振元件外管(简称：ARE外管)和单面焊接在ARE外管的内包络面处的反谐振元件内管(简称：ARE内管)组成。
为了实现低衰减值和宽的透射光谱范围，除了反谐振元件壁厚均匀外，包层管内反谐振元件的方位角位置也很重要。使用“堆叠-拉丝”技术无法轻易实现这一点。本发明的目的是提供一种低成本制造反谐振空芯光纤的方法，该方法避免了传统制造方法的局限性。
特别地，本发明的目的是提供一种制造反谐振空芯光纤和反谐振空芯光纤预制件的方法，使用该方法能够以足够稳定和可重复的方式可重复地实现结构元件的高精度和反谐振元件在光纤中的精确定位。
此外，传统的“堆叠-拉丝”技术的缺点，即不能轻易实现所需的结构精度，特别是反谐振元件的均匀壁厚和预定方位角位置的精确定位，应尽可能避免。
发明内容
关于制造反谐振空芯光纤的方法，该问题通过本发明所述的上述类别的方法来解决：形成次级预制件，所述次级预制件具有在30至90mm范围内的外径，并且在根据方法步骤(c)拉制空芯光纤之前，封闭反谐振元件预制棒的至少一个正面端部。
制造反谐振空芯光纤的起点是预制件，在此称为“初级预制件”。预制件包括包层管，在包层管中或包层管处包含用于在空芯光纤中形成反谐振的元件(在此简称为“反谐振元件”)的前驱体或预制棒。可将初级预制件拉伸成空芯光纤；然而，通常为初级预制件添加附加包层材料，以由此制成在此称为“次级预制件”的预制件。如有必要，通过拉伸次级预制件制成空芯光纤。替代性地，利用一个包覆圆柱体或几个包覆圆柱体包围初级预制件或次级预制件以形成部件的同轴整体，并且将该同轴整体直接拉伸成空芯光纤。通用术语“预制件”在此理解为表示最终由此拉制成空芯光纤的部件或该部件的同轴整体。
添加附加包层材料包括将包覆圆柱体塌缩在初级预制件上。在包覆圆柱体塌缩时拉伸由初级预制件和包覆圆柱体构成的同轴组件，或者不拉伸。其中，将改变反谐振元件预制棒的形式或布置，或者不改变其形式或布置。
预制件的制造包括几个方法步骤，在这些方法步骤中制造空芯光纤的起始元件并且使其相对于彼此定位，和至少一个热变形步骤。每个起始元件都与其目标几何形状有一定的偏差，以及定位和变形的每一步都不可避免地导致几何偏差，这些偏差加起来就是成品预制件的绝对几何误差。尤其地，在与理想的、通常为圆柱对称的加热区温度曲线存在最微小的偏差时，玻璃的热变形可导致不想要且不可重复的变形。
在根据本发明的光纤拉制过程方法中使用的预制件的特征在于具有在30至90mm的范围内，优选地在40至90mm的范围内的外径。与现有技术相比，这是一个大的外径。由于光纤拉制过程中存在的绝对几何误差随着预制件外径的增加而减小，因此原则上可以更精确地制造空芯光纤。然而事实表明，预制件外径的任意增加不会自动导致更精确的空芯光纤，而是应遵守以下边界条件，以保持空芯光纤中反谐振元件的壁厚的最大相对几何误差为3.5％。
I.预制件外径最大为90mm。对于较大直径的情况，在光纤拉制过程中在预制件体积内形成温度梯度，这会导致空芯光纤中反谐振元件的壁厚偏差大于3.5％。百分比的参考值是平均壁厚。
II.预制件外径至少为30mm，优选地至少为40mm。事实表明，可以实现壁厚偏差约为4μm的反谐振元件预制棒。对于预制件外径小于30mm的情况，预制棒的这种绝对误差会导致成品空芯光纤中反谐振元件壁厚的相对误差大于3.5％。
III.所有反谐振元件预制棒或至少其中一部分形成中空通道且通常在两侧开口。中空通道的自由内径很小，并且在预制件中通常在几毫米的范围内。在热成型过程中，从外部加热预制件，从而在预制件体积内建立径向温度梯度。在其他相同的过程条件下，预制件越厚，该径向温度梯度越大。存在这样的危险，即由于表面张力和取决于局部温度，中空通道出现不同程度的收缩。径向温度梯度越大，预制件越厚，该风险就越大。而温度梯度对中心空芯没有实质影响。
为了应对根据本发明相对较厚的预制件的这种效应，在光纤拉制过程中通过纵轴线的垂直定向使纤芯区域(空芯)保持开放，但对于反谐振元件预制棒的至少一部分，封闭否则开放的上方端部。
因此，在一个优选的方法中，根据方法步骤(c)在垂直方向上拉伸空芯光纤之前，各自仅封闭反谐振元件预制棒的上方正面端部。
在光纤拉制过程开始之前密封反谐振元件预制棒或多个反谐振元件预制棒，并且在光纤拉制过程中也保持密封。通过密封上方端部，每个中空通道具有初始气体体积。在光纤拉制过程中，气体被加热并且中空通道中的压力增加，使得这些中空通道从下方开始向上方膨胀。由于在狭窄的中空通道中气体交换少，热气无法向上逸出，因此下方和上方预制件端部之间的温差在很大程度上决定了膨胀程度，也就是说基本上与最初的中空通道直径无关。然而，无论其径向位置如何，所有中空通道的温差都大致相同，因此所有中空通道膨胀到大致相同的程度。因此，在最终的空芯光纤中也保留了厚预制件的中空通道尺寸的原始分布。
这种方案也适用于工业规模的可重复且精确的反谐振空芯光纤制造过程。它尤其适用于精确地制造具有内径相差很大的嵌套反谐振元件的反谐振空芯光纤。
在一个优选的方法中，初级预制件在方法步骤(a)中形成，其具有在20至70mm的范围内，优选地在30至70mm的范围内的外径。
在此，这是一个相对较大的外径。在现有技术中，初级预制件的外径通常为4至6mm。
当初级预制件在次级预制件中形成内包层区域，该内包层区域具有在7至50mm的范围内，优选地在20至50mm的范围内的外径时，这也被证明是有利的。
次级预制件的空芯区域和内包层区域的材料由初级预制件预先确定。初级预制件包括空芯和内包层区域。可通过加大空芯尺寸(同时伴随较低的衰减)和减小最终空芯光纤的外径(同时伴随使用的材料较少)来实现初级预制件外径的增加。次级预制件的内包层区域的在7至50mm的范围内，尤其是20至50mm的范围内的外径是一个合适的折衷。
当在根据方法步骤(c)拉制空芯光纤的过程中，在纤芯区域中建立在0.05mbar至20mbar，优选地3mbar至20mbar的范围内的内部压力时，这也被证明是有利的。
当内部压力小于0.05mbar时，可能会发生反谐振元件预制棒或反谐振元件前驱体过度膨胀的情况。相反地，纤芯区域的内部压力大于20mbar会导致反谐振元件预制棒的中空通道内的气压不足以使其在热成型过程中充分膨胀。
热成型过程中加热区的温度应尽可能恒定。因此有利地，在根据方法步骤(d)的热成型过程中使用温度受控的加热元件，其目标温度精确地保持在+/-0.1℃。
因此，热成型过程中的温度波动可限制为小于+/-0.5℃。
在一个优选的方法变体中，所述提供初级预制件包括将所述反谐振元件预制棒布置在所述包层管壁的内表面的规定位置处，其中所述布置反谐振元件预制棒和/或根据方法步骤(c)的所述拉制空芯光纤包括使用含SiO2非晶颗粒的密封或结合材料进行固定处理和/或密封处理。
用于密封或固定的密封或结合材料包含SiO2非晶颗粒，这些颗粒例如在分散液中被吸收。将这些材料施加在要结合或密封的表面之间，使用时通常是糊状的。低温干燥时，部分或全部除去分散液并且固化材料。所述密封或结合材料，特别是干燥后得到的，固化的含SiO2的密封或结合材料满足固定和密封要求。为此所需的300℃以下的低温有助于保持预制件的尺寸精度并避免热损伤。通过加热到更高的温度，例如在拉伸预制件以形成空芯光纤时，所述密封或结合材料也适用于形成不透明或透明的玻璃。这通过烧结或玻璃化来发生，其中与玻璃化成完全透明玻璃相比，烧结成不透明玻璃需要相对较低的温度和/或较短的加热时间。因而，所述密封或结合材料可通过加热来压实并在热成型过程中通过加热来玻璃化。
在热成型过程中，所述密封或结合材料不会分解，并且释放的杂质很少。因而，它的特点是在热成型过程中具有热稳定性和无掺杂，并且避免了由于不同的热膨胀系数而产生变形。
在一个优选的方法变体中，根据方法步骤(a)的所述提供初级预制件包括将反谐振元件预制棒布置在所述包层管壁的内表面的规定位置处，其中所述布置反谐振元件预制棒通过要导入包层管内孔的定位模板进行，所述定位模板具有用于将所述反谐振元件预制棒定位在规定位置处的保持元件。
所述定位模板具有例如伸进所述包层管内孔中的柄，所述柄配备有以多个径向向外指向的托臂形式的保持元件。
保持元件的设计上预定的星形布置使得抗谐振元件预制棒更容易在相应的规定位置处精确定位并例如借助上述密封或结合材料固定。其中，所述定位模板优选仅用在所述包层管正面区域，优选在两个所述包层管正面区域。
预制棒在包层管的内包络面处的定位精确度通过以下方式得以改善：包层管内表面通过切削加工制成，特别是通过钻削、铣削、磨削、珩磨和/或抛光。
与其他已知的使用热和压力的成型技术相比，这些加工技术提供了更精确和更精细的结构，并且它们避免了诸如喷嘴、压制机或熔化成型器之类的成型工具对表面的污染。
机械切削加工优选还包括包层管内表面在反谐振元件预制棒的规定位置区域内的结构化，方式是为其配备在光层管纵轴线方向上延伸的纵向结构。所述纵向结构包括例如包层管内壁中的纵向开口和/或纵向凹槽，它们平行于包层管纵轴线延伸并且优选通过钻削、锯切、铣削、切削或磨削制成。
沿包层管纵轴线方向延伸的纵向结构用作反谐振元件预制棒的定位辅助。这使得反谐振元件预制棒更容易在包层管的内表面占据预定的，限定的位置。
此外，还有一个方法也被证明是有利的，其中当根据方法步骤(c)拉制空芯光纤时，将由石英玻璃制成的次级预制件的几个组成部分一起加热和软化，其中至少几个预制件的组成部分的石英玻璃包含至少一种掺杂物，所述掺杂物使石英玻璃的粘度降低。
所述预制件的组成部分包括包层管和布置在其中的反谐振元件预制棒以及附加包层材料，所述附加包层材料例如以一个包覆圆柱体或几个包覆圆柱体的形式提供并且塌缩到初级预制件上。氟、氯和/或羟基优选地用作降低石英玻璃粘度的掺杂物。
掺杂可以调整相邻预制件组成部分的热膨胀系数，以避免或减少应力。它还可以用于降低组成部分的热稳定性，以有利于相邻组成部分的稳定性。
因此例如已证明有利的是，与额外施加的包层材料的石英玻璃的粘度相比，在1250℃的测量温度下，所述包层管的石英玻璃的粘度高至少0.5dPa.s，优选地高至少0.6dPa.s(当用以dPa.s为单位的对数值表示粘度时)。
特别地，在空芯光纤的低光衰减和高的光传输带宽方面被证明特别有利的是，所述反谐振元件以奇对称性围绕空芯布置。
在一个优选的方法中，由此进一步改善预制棒在包层管中的定位精度，即提供管状结构元件，其中至少一部分管状结构元件具有在0.2和2mm的范围内的壁厚，优选地，具有在0.25和1mm的范围内的壁厚，且其中提供具有在90和250mm的范围内的外径的包层管，优选地，具有在120到200mm的范围内外径的包层管。其中，这些部件各自具有至少1m的长度。在这种情况下，这涉及相对大体积的用于形成反谐振元件的结构元件。这使操作得以简化。此外，当包层管和结构元件垂直布置时，如果结构元件各自以其上方的正面端部定位并固定在规定位置处，例如并且优选地使用以上详述的密封或结合材料并且补充性地或替代性地为此借助以上详述的定位模板，重力就会支持结构元件纵轴线的平行度和垂直定向。
关于空芯光纤预制件的制造，上述技术问题根据本发明所述的上述类别的方法来解决：形成次级预制件，所述次级预制件具有在30至90mm的范围内的外径，并且封闭反谐振元件预制棒的至少一个正面端部。
次级预制件是制造反谐振空芯光纤的起点。通过拉伸预制件拉制成反谐振空芯光纤。
制造一种预制件，与现有技术相比，所述预制件具有在30至90mm的范围内，优选地在40至90mm的范围内的大外径，从而可使预制件的在光纤拉制过程中存在的绝对几何误差更大程度地减小。
在拉制光纤之前，封闭反谐振元件预制棒的至少一个正面端部。要封闭的正面端部是当拉伸预制件时在垂直定向的纵轴线上表示上方端部的那个正面端部。在光纤拉制过程中也保持该反谐振元件预制棒或多个反谐振元件预制棒的密封。
这个方法能够更精确地制造空芯光纤。预制件的制造方案已在上文结合空芯光纤的制造进行了说明，这些说明均包含于本发明。
定义
上述说明的各个方法步骤和术语如下补充定义。这些定义是本发明说明书的一部分。如果以下任一定义与说明书的其它部分之间存在实质性矛盾，则说明书中的内容具有权威性。
反谐振元件
反谐振元件可以是空芯光纤的简单或嵌套的结构元件。这些反谐振元件至少具有两个壁，当从空芯的方向看时，这两个壁具有负曲率(凸)或无曲率(平、直)。通常地，它们由对工作光来说透明的材料组成，例如玻璃，特别是掺杂或无掺杂的SiO2，合成材料，特别是聚合物，复合材料或结晶材料。
反谐振元件预制棒/反谐振元件前驱体
预制件的部件或组成部分被称为反谐振元件预制棒，它们在光纤拉制过程中实质上通过简单地拉长成为空芯光纤中的反谐振元件。预制件的部件或组成部分被称为反谐振元件前驱体，它们先通过变形成为反谐振元件预制棒或直接成为反谐振元件。反谐振元件预制棒可以是简单或嵌套的部件，附加的定位辅助也可固定在此处。这些反谐振元件预制棒最初以初级预制件的形式存在。嵌套反谐振元件预制棒在空芯光纤中形成嵌套反谐振元件。它们由外管和至少一个别的结构元件组成，该结构元件布置在外管的内孔中。该别的结构元件可以是一个别的管，该别的管抵接于外管的内包络面处。外管称为“反谐振元件外管”或简称为“ARE外管”，该别的管称为“反谐振元件内管”或简称为“ARE内管”或“嵌套ARE内管”。
在多重嵌套反谐振元件预制棒的情况下，至少一个别的结构元件可布置在嵌套ARE内管的内孔中，例如抵接于嵌套ARE内管的内包络面的第三管。为了在多重嵌套反谐振元件预制棒的情况下区分布置在ARE外管内的几个管，必要时区分为“外嵌套ARE内管”和“内嵌套ARE内管”。
与圆柱形反谐振元件预制棒及其圆柱形结构元件相关的术语“截面”始终是指垂直于相应的圆柱形纵轴线的横截面，即除非另有说明，在管状部件的情况下指外轮廓的横截面(而非内轮廓的横截面)。
通过再加工初级预制件，特别是通过热成型步骤，可产生中间产品，其中最初的反谐振元件预制棒以相比最初形状发生了改变的形状存在。改变的形状在此同样称为反谐振元件预制棒或反谐振元件前驱体。
预制件/初级预制件/次级预制件/纤芯预制件(纤杆件)
预制件是由此拉制成反谐振空芯光纤的部件。它是初级预制件或通过再加工初级预制件而制成的次级预制件。初级预制件可作为整体存在，该整体由至少一个包层管和松散容纳其中或牢固固定其中的反谐振元件预制棒或前驱体构成。将所述初级预制件再加工成次级预制件，由所述次级预制件拉制成所述空芯光纤，所述再加工包括一次或重复进行以下热成型过程的一项或几项：
(i)拉伸，
(ii)塌缩，
(iii)塌缩和同时拉伸，
(iv)塌缩附加包层材料，
(v)塌缩附加包层材料和随后拉伸，
(vi)塌缩附加包层材料和同时拉伸。
在文献中，纤芯预制件(英语：纤杆件)是通过塌缩和/或拉伸初级预制件获得的预制件。通常地，在拉制空芯光纤之前或之时用附加的包层材料将其包覆。
拉伸/塌缩
在拉伸过程中，将初级预制件拉长。可在不塌缩的情况下同时进行拉长。拉伸可按比例进行，从而使例如初级预制件的部件或组成部分的形状和布置反映在拉伸的最终产品中。然而，在拉伸过程中，也可不按比例拉制初级预制件，并可改变其几何形状。
在塌缩过程中，内孔变窄或管状部件之间的环形间隙闭合或变窄。通常地，塌缩伴随着拉伸发生。
纤芯/内包层区域/外包层区域
由至少一个包层管和松散容纳其中或牢固固定其中的反谐振元件预制棒或前驱体构成的整体在这里也称为“初级预制件”。初级预制件包括纤芯和包层区域。当同时存在例如通过塌缩在整体上制成的“外包层区域”，且应区分这些包层区域时，该包层区域也称为“内包层区域”。名称“内包层区域”和“外包层区域”也用于空芯光纤或通过再加工初级预制件获得的中间产品中的对应的区域。
术语“管内表面”也用作“管内包络面”的同义词，而术语“管外表面”也用作“管外包络面”的同义词。与管相关的术语“内孔”并不意味着内孔是通过钻孔工序产生的。
切削加工
切削加工被理解为用于分离加工工件的分离机械制造过程，特别是车削、切削、钻削、锯切、铣削和磨削。通过这些加工制成沿包层管纵轴线方向延伸的纵向结构，该纵向结构用作反谐振元件预制棒的定位辅助。可从包层管内表面进入纵向结构；纵向结构也可通过整个包层管壁延伸到外表面。
粒度和粒度分布
SiO2颗粒的粒度和粒度分布借助D50值表征。这些值取自粒度分布曲线，这些曲线显示与粒径相关的SiO2颗粒的累积体积。粒度分布通常借助相应的D10、D50和D90值表征。其中，D10值表示未到达10％的SiO2颗粒累积体积的粒径，对应地，D50值和D90值表示未到达50％和90％的SiO2颗粒累积体积的粒径。粒度分布根据ISO 13320通过散射光和激光衍射光谱法确定。
实施例
下面借助实施例和附图更详细地解释本发明。具体而言，在示意图中：
图1依据截面的俯视图示出用于制造空芯光纤预制件，具有包层管以及定位和固定在其中的反谐振元件预制棒的初级预制件，以及
图2示出为了执行光纤拉制过程而封闭反谐振元件预制棒之后的图1的初级预制件。
在制造空芯光纤或空芯光纤预制件时，必须将多个部件相互结合。此外，在进行热成型过程时，密封预制件中的现有间隙或通道会很有帮助。如DE 10 2004 054 392 A1公开的，为了结合或密封，使用含SiO2的密封或结合材料。其中，通过湿磨石英玻璃颗粒，制成含SiO2非晶颗粒的水性浆料，其粒度分布的特征为约5μm的D50值和约23μm的D90值。将别的的平均晶粒径约为5μm的SiO2非晶颗粒混入基础浆料中。用作结合材料的浆料具有90％的固体含量，至少99.9％(重量百分数)由SiO2组成。
图1示意性地示出了具有含包层管壁2的包层管1的初级预制件，反谐振元件预制棒4以均匀地间距固定在所述包层管壁的内包络面上预先限定的方位角位置上；在本实施例中，有六个预制棒4，在另一种未示出的优选实施方式中，有奇数个预制棒。
包层管1由石英玻璃组成并且具有700mm的长度、27mm的外径和20mm的内径。反谐振元件预制棒4作为由ARE外管4a和ARE内管4b构成的相互嵌套的结构元件的整体存在。ARE外管4a的外径为6.2mm，ARE内管4b的外径为2.5mm。两个结构元件(4a；4b)的壁厚是一样的并且为0.3mm。ARE外管4a和ARE内管4b的长度对应于包层管长度1。
借助基于SiO2的结合材料5将反谐振元件预制棒4固定在包层管1的内表面。
将结合材料5局部地施加到正面端部区域中的包层管内包络面上，并使用定位模板将反谐振元件预制棒放置于其上，所述定位模板具有设计上预定的星形布置的用于各个反谐振元件预制棒4的托臂。其中，定位模板被限制在包层管两个正面端部周围的区域。
通过这种方式，在包层管1与反谐振元件预制棒4之间创造精确且可重复的连接。在低于300℃的低温下固化结合材料5就足以固定了，从而避免周围的区域大幅升温以及由此而来的反谐振元件预制棒4的变形。
初级预制件1被由石英玻璃制成的包覆圆柱体包覆，其中所述包覆圆柱体塌缩于包层管1上，并且同时管整体被拉伸以形成次级预制件。包覆圆柱体的外径为63.4mm，壁厚为17mm。
在塌缩和拉伸过程中，由包层管1和包覆圆柱体组成的同轴组件从垂直定向的纵轴线上的下方被送入温度受控的加热区，并在加热区中从组件的上方端部开始逐区软化。
加热区保持在1600℃的目标温度，控制精度为+/-0.1℃。因此，热成型过程中的温度波动可限制为小于+/-0.5℃。
在塌缩和拉伸过程中形成的次级预制件(纤芯预制件)的外径约为50mm，以及由外包层和内包层组成的包层壁厚为16.6mm。反谐振元件预制棒的最大壁厚波动(最大值减去最小值)小于4μm。然后，将次级预制件拉制成反谐振空芯光纤。
在此之前，将所有反谐振元件预制棒都用密封或结合材料密封。这种情况在图2中通过深灰色着色区域示意性地表示。其中，密封材料51仅施加在反谐振元件预制棒4的那些在光纤拉制过程中朝上的正面。
朝上的正面连接到由石英玻璃制成的保持管，该保持管也用作气体接口。支架通过密封或结合材料固定在包覆圆柱体和包层管上。
在光纤拉制过程中，次级预制件从垂直定向的纵轴线上的上方被送入温度受控的加热区，并在加热区中从下方端部开始逐区软化。同时，向纤芯区域(空芯)送入气体，从而在纤芯区域中建立4mbar的内部压力。
加热区保持在2100℃左右的目标温度，控制精度为+/-0.1℃。因此，热成型过程中的温度波动可限制为小于+/-0.5℃。
通过将预制件拉制成空芯光纤，缩小了现有的绝对几何误差，使得在空芯光纤中，从反谐振元件预制棒获得的反谐振元件的壁厚的最大偏差小于3.5％。
下表总结了预制件及其组成部分的外径(OD)或内径(ID)，其取决于空芯光纤包层区域的外径和内径之间的所需直径比(OD/ID)
表1
表第2列中OD/ID的值是通过将第4列(次级预制件的外径)和第5列(次级预制件中先前的初级预制件的内径)中的值相除而得出的。在所有实施例中，预制件中反谐振元件预制棒的壁厚的最大偏差约为4μm。如上表所示，由预制件拉制出外径为200μm或230mm的空芯光纤，并确定了反谐振元件的壁厚。在所有实例中，反谐振元件的壁厚误差均小于3.5％(基于平均壁厚)。该表的实例7对应于以上详细描述的实施例。实例8和9是对比例。在使用对比例的预制件的光纤拉制过程中，各自获得了空芯光纤，其中反谐振元件的壁厚误差大于4％。在对比例8中，这种令人不满意的结果归因于相对较小的拉伸比，而在对比例9中归因于光纤拉制过程中预制件体积内的温度梯度。
Claims (14)
1.一种制造反谐振空芯光纤的方法，所述反谐振空芯光纤具有沿光纤纵轴线延伸的空芯和包围所述空芯的包层区域，所述包层区域包括几个反谐振元件，所述方法包括以下步骤：
(a)提供空芯光纤初级预制件，所述空芯光纤初级预制件具有空芯区域和包层区域，所述包层区域包括至少一个包层管(1)，所述包层管具有包层管内孔和包层管纵轴线，由内包络面和外包络面限定的包层管壁(2)沿所述包层管纵轴线延伸，其中将几个管状和/或中空通道状反谐振元件预制棒(4)布置在所述包层区域中，
(b)将所述初级预制件再加工成次级预制件，所述再加工包括一次或重复执行以下热成型过程的一项或几项：
(i)拉伸
(ii)塌缩和同时拉伸，
(iii)塌缩附加包层材料和随后拉伸，
(iv)塌缩附加包层材料和同时拉伸，和
(c)由所述次级预制件拉制成空芯光纤，
其特征在于，形成次级预制件，所述次级预制件具有在30至90mm的范围内的外径，以及在根据方法步骤(c)拉制所述空芯光纤之前，封闭所述反谐振元件预制棒(4)的至少一个正面端部，并且其中根据方法步骤(a)提供初级预制件，所述初级预制件具有在20mm至70mm的范围内的外径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初级预制件在所述次级预制件中形成内包层区域，所述内包层区域具有在7mm至50mm的范围内的外径。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当根据方法步骤(c)拉制所述空芯光纤时，在所述空芯区域中建立在0.05mbar至20mbar的范围内的内部压力。
4.根据权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，当根据方法步骤(b)执行过程时，使用温度受控的加热元件，所述加热元件的目标温度保持在+/-0.1℃内。
5.根据权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，提供所述初级预制件包括将所述反谐振元件预制棒(4)布置在所述包层管壁(2)的内表面的规定位置处，其中所述布置反谐振元件预制棒和/或根据方法步骤(c)的拉制所述空芯光纤包括使用含SiO2非晶颗粒的密封或结合材料(5)进行固定处理和/或密封处理。
6.根据权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，根据方法步骤(a)的提供所述初级预制件包括将所述反谐振元件预制棒(4)布置在所述包层管壁(2)的内表面的规定位置处，其中所述布置反谐振元件预制棒通过要导入包层管内孔的定位模板进行，所述定位模板具有用于将所述反谐振元件预制棒定位在规定位置处的保持元件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，结合使用定位模板与伸入所述包层管内孔的柄，所述柄配备有以多个径向向外指向的托臂形式的保持元件。
8.根据权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，所述包层管内表面通过切削加工制成。
9.根据权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，所述包层管内表面通过钻削、铣削、磨削、珩磨和/或抛光制成。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述包层管内表面通过切削加工在所述规定位置的区域中配备有沿所述包层管纵轴线方向延伸的纵向结构。
11.根据权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，当根据方法步骤(c)拉制所述空芯光纤时，将由石英玻璃制成的所述次级预制件的几个组成部分一起加热和软化，其中至少几个预制件的组成部分的石英玻璃包含至少一种掺杂物，所述掺杂物使石英玻璃的粘度降低。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，根据方法步骤(b)塌缩附加包层材料，以及与额外施加的包层材料的石英玻璃的粘度相比，在1250℃的测量温度下，所述包层管(1)的石英玻璃的粘度高至少0.5dPa.s，其中所述粘度用以dPa.s为单位的对数值表示。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，与额外施加的包层材料的石英玻璃的粘度相比，在1250℃的测量温度下，所述包层管(1)的石英玻璃的粘度高至少0.6dPa.s，其中所述粘度用以dPa.s为单位的对数值表示。
14.一种制造反谐振空芯光纤预制件的方法，所述反谐振空芯光纤具有沿光纤纵轴线延伸的空芯和包围所述空芯的包层区域，所述包层区域包括几个反谐振元件，所述方法包括以下步骤：
(a)提供空芯光纤初级预制件，所述空芯光纤初级预制件具有空芯区域和包层区域，所述包层区域包括至少一个包层管(1)，所述包层管具有包层管内孔和包层管纵轴线，由内包络面和外包络面限定的包层管壁(2)沿所述包层管纵轴线延伸，其中将几个管状和/或中空通道状反谐振元件预制棒(4)布置在所述包层区域中，和
(b)将所述初级预制件再加工成次级预制件，所述再加工包括一次或重复执行以下热成型过程的一项或几项：
(i)拉伸
(ii)塌缩和同时拉伸，
(iii)塌缩附加包层材料和随后拉伸，
(iv)塌缩附加包层材料和同时拉伸，
其特征在于，形成次级预制件，所述次级预制件具有在30至90mm的范围内的外径，以及封闭所述反谐振元件预制棒(4)的至少一个正面端部，并且其中根据方法步骤(a)提供初级预制件，所述初级预制件具有在20mm至70mm的范围内的外径。
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