CN114879304B - 分布式红外光纤传像束及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分布式红外光纤传像束及其制备方法，光纤传像束包括至少4根二级光纤束，二级光纤束的一端叠加排列形成输出端，另一端分散排布形成输入端；二级光纤束由光纤单丝堆积构成，光纤单丝从内向外依次为硫系玻璃纤芯、硫系玻璃内包层和树脂外包层。光纤单丝采用棒管法制备，二级光纤束通过排丝叠片工艺制备，之后将二级光纤束一端叠加排列并胶合，最后将输入端和输出端抛光，即得分布式红外光纤传像束。本发明分布式红外光纤传像束体积小、重量轻，可实现对周围环境全天候多方位观测，可用于红外告警领域。

Description

分布式红外光纤传像束及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤传像束技术领域，特别涉及分布式红外光纤传像束及其制备方法。

背景技术

红外光纤传像束是一种可任意弯曲的无源传像元件，它由多根一定长度的红外光纤单丝规则地排列而成。与传统的红外光学成像元件相比，红外光纤传像束具有柔性好、体积小、重量轻、使用空间自由度大、易实现复杂空间结构的图像传递等优点。这种光纤传像束在医学成像、肿瘤诊断、血管造影术、精密装备故障检测、空间遥感、国防安全等领域具有极其重要的应用。例如，红外光纤传像束可被用于实时监控手术中人体内器官温度和区分血管与人体其它组织；在空间红外遥感领域，利用线面转换红外光纤传像束替代超长线阵红外探测器，可获取大视场扫描的红外图像，解决我国重大装备中缺少超长线阵红外探测器的难题。

根据国内外红外光纤传像束的研究报道，这类光纤传像束主要包括硫系玻璃光纤传像束、多晶卤化银光纤传像束和空心光纤传像束。多晶卤化银光纤传像束需采用多重挤压工艺制造，在挤压过程中，光纤单丝易变形，光纤束中易产生不均匀的区域，且最终获得的光纤束的串扰率很高，导致成像质量较低。此外，由于多次挤出工艺制备的多晶卤化银光纤束的单丝间粘结在一起，较大截面的光纤束不具备柔性，事实上为硬质光纤束。空心光纤传像束通过组装单根空心玻璃毛细管然后在毛细管内表面镀金属和电介质层的方法制造。这种空心光纤的损耗极高，孔径为100μm的空心光纤的传输损耗通常为几十dB/m，且损耗与孔径的三次方成反比。相比而言，硫系玻璃光纤传像束可采用层叠法或复丝法制备，光纤单丝性能一致性好，传输损耗低，单丝间串扰率低，具有比其它红外光纤传像束显著的性能优势。

近年来，随着我国航空、航天装备和军事装备的快速发展，迫切需要可全天候多方位观测装备周围环境的成像系统，以便在发现威胁时及时触发告警。尽管基于多台传统红外相机的图像拼接成像系统可以实现全天候多方位环境观测，但由于相机的光学元件为体积和质量较大的散装镜片，难以满足装备对成像系统体积小、重量轻、抗震稳定性好的要求。研究人员指出，若用红外光纤传像束替代多台红外相机中的散装镜片作为红外光接收和传递光学元件，可使红外成像系统小型化和轻量化，同时可提高系统的抗震稳定性，有望解决上述迫切需求。然而，目前尚未见可实现这种功能的红外光纤传像束的报道。

发明内容

解决的技术问题：针对现有技术中存在的现有红外光学元件难以满足全天候多方位红外成像系统小型化、轻量化、抗震稳定性好的要求，本发明提供了一种体积小、质量轻、抗震稳定性优异的分布式红外光纤传像束作为接收和传递红外图像信息的光学元件，并提供了其制备方法。

技术方案：分布式红外光纤传像束，所述光纤传像束包括至少4根二级光纤束，二级光纤束的一端叠加排列形成输出端，另一端分散排布形成输入端；所述二级光纤束由光纤单丝堆积构成，光纤单丝从内向外依次为硫系玻璃纤芯、硫系玻璃内包层和树脂外包层；所述硫系玻璃纤芯折射率n₁、硫系玻璃内包层折射率n₂和树脂外包层折射率n₃之间的关系为n₁>n₂>n₃。

优选的，分布式红外光纤传像束输出端和输入端的横截面均为方形。

优选的，二级光纤束中光纤单丝的排列方式为紧密堆积或阵列堆积。

优选的，硫系玻璃纤芯的组分包括锗、砷、锑中的1或2种元素和硫、硒、碲中的1或2种元素。

优选的，硫系玻璃内包层的组分包括锗、砷、锑中的1或2种元素和硫、硒、碲中的1或2种元素。

优选的，树脂外包层为聚醚酰亚胺薄膜或聚醚砜薄膜。

以上任一所述分布式红外光纤传像束的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，采用真空熔融-淬冷法制备硫系玻璃芯棒，采用旋管法制备硫系玻璃包层套管，将芯棒插入包层套管，然后在包层套管外壁包裹树脂薄膜，形成三层同轴结构的光纤预制棒；

步骤2，将三层同轴结构的光纤预制棒拉制成光纤单丝，缠绕在光纤盘上；

步骤3，将拉制的光纤单丝在5～15g张力下复绕在排丝机的放丝盘上，使放丝盘上的相邻光纤单丝近似等间距排列；

步骤4，将放丝盘上的光纤在5～15g张力下通过排丝机的导丝轮单层紧密排列在排丝盘上；

步骤5，在排丝盘上紧密排列的单层光纤上刷紫外固化胶，然后在紫外灯下使胶固化；

步骤6，将排丝盘上刷胶固化后的单层光纤取下并剪开，获得一个光纤片；

步骤7，重复步骤3～6，制备多个光纤片；

步骤8，按照紧密堆积或阵列堆积的方式将多个光纤片两端分别依次叠加，在相邻光纤片间刷紫外固化胶并在紫外灯下对两端进行固化，即可获得二级光纤束；

步骤9，重复步骤1～8，制备多个二级光纤束；

步骤10，将多个二级光纤束一端按照正方形或长方形方式叠加排列形成分布式红外光纤传像束的输出端，在输出端的相邻二级光纤束间刷紫外固化胶并在紫外灯下固化，二级光纤束的另一端分散排布，形成分布式红外光纤传像束的多个输入端；

步骤11，将分布式红外光纤传像束的输出端和多个输入端抛光，即可。

有益效果：(1)与传光元件为散装红外镜片的现有分布式红外成像系统相比，采用本发明分布式红外光纤传像束作为传光元件，可大幅减小分布式红外成像系统的体积和重量，同时提高系统的抗震稳定性，这对航空、航天领域装备的性能提升至关重要；(2)与现有常规红外光纤传像束相比，本发明分布式红外光纤传像束具有多个输入端，可收集来自多个方向的红外信号，从而可多方位观测装备周围的外来威胁；(3)采用本发明制备方法制备的分布式红外光纤传像束透过率高、断丝率低、成像效果好。

附图说明

图1是实施例1中的分布式红外光纤传像束示意图，图中FB-1、FB-2、FB-3、FB-4为二级光纤束对应的编号；

图2是光纤单丝紧密堆积示意图；

图3是实施例1中制备的分布式红外光纤传像束的输出端拼接部位附近照片；

图4是以实施例1中制备的分布式红外光纤传像束作为传像元件，使用工作波段为3～5μm的红外探测器采集的大面积热源的图像；

图5是光纤单丝阵列堆积示意图。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1：4合1As-S分布式红外光纤传像束的制备

本实施中，分布式红外光纤传像束由4根As-S二级红外光纤束组成，光纤束的输出端和4个输入端的横截面均为正方形，如图1所示；二级光纤束由As-S光纤单丝按照紧密堆积的方式排列构成，如图2所示；As-S光纤单丝从内向外依次为As_0.4S_0.6硫系玻璃纤芯、As_0.38S_0.62硫系玻璃内包层和聚醚酰亚胺树脂外包层。

采用真空熔融-淬冷法制备化学组成为As_0.4S_0.6(折射率n₁＝2.41)、直径为15mm的硫系玻璃芯棒，采用旋管法制备化学组成为As_0.38S_0.62(折射率n₂＝2.38)、内外径分别为19mm和15.1mm的硫系玻璃包层套管。将芯棒插入包层套管，然后在包层套管外壁包裹聚醚酰亚胺树脂薄膜(折射率n₃＝1.65)，形成直径为20mm的三层同轴结构的光纤预制棒；将三层同轴结构的光纤预制棒在310℃拉制成直径为50μm的光纤单丝，缠绕在直径为150mm的光纤盘上；将拉制的光纤单丝在5g张力下复绕在排丝机的放丝盘上(直径为150mm)，使放丝盘上的相邻光纤单丝近似等间距排列；将放丝盘上的光纤在5g张力下通过排丝机的导丝轮单层紧密排列在排丝盘上(直径为200mm)，共排列100圈；在排丝盘上紧密排列的单层光纤上刷紫外固化胶，然后在紫外灯下使胶固化；将排丝盘上刷胶固化后的单层光纤取下并剪开，获得1个光纤片，该光纤片包含100根光纤单丝，长度约628mm；重复上述步骤制备115个光纤片；按照紧密堆积的方式将115个光纤片两端分别依次叠加，在相邻光纤片间刷紫外固化胶并在紫外灯下对两端进行固化，获得1个二级光纤束；重复上述步骤，制备4个二级光纤束；将4个二级光纤束一端按照2×2的方式(一层2个，共2层)叠加排列形成分布式红外光纤传像束的输出端，在输出端的相邻二级光纤束间刷紫外固化胶并在紫外灯下固化，二级光纤束的另一端分散排布，形成分布式红外光纤传像束的4个输入端；将分布式红外光纤传像束的输出端和多个输入端抛光，即可，图3为最终制备的分布式红外光纤传像束的输出端拼接部位附近照片。

本实施例最终获得的分布式红外光纤传像束长度约620mm，共包含约46000根直径为50μm的光纤单丝，其输出端横截面为边长约10mm的正方形，4个输入端横截面均为边长约5mm的正方形，光纤单丝透过率达到65.8％(采用4.6μm波长激光器测试，接近理论透过率)，光纤束的断丝率仅0.92％，图4为使用制备的分布式红外光纤传像束作为传像元件，使用工作波段为3～5μm的红外探测器采集的大面积热源的图像，4个输入端分别接收大面积热源不同部位发射的红外光，将红外图像信号传递至输出端并在输出端将图像拼接，可以看出成像效果良好。

实施例2：6合1Ge-Sb-Se分布式红外光纤传像束的制备

本实施中，分布式红外光纤传像束由6根Ge-Sb-Se二级红外光纤束组成，光纤束的输出端的横截面为长方形，6个输入端的横截面均为正方形；二级光纤束由Ge-Sb-Se光纤单丝按照阵列堆积的方式排列构成，如图5所示；Ge-Sb-Se光纤单丝从内向外依次为Ge_0.13Sb_0.17Se_0.70硫系玻璃纤芯、Ge_0.15Sb_0.15Se_0.70硫系玻璃内包层和聚醚砜树脂外包层。

采用真空熔融-淬冷法制备化学组成为Ge_0.13Sb_0.17Se_0.70(折射率n₁＝2.68)、直径为15mm的硫系玻璃芯棒，采用旋管法制备化学组成为Ge_0.15Sb_0.15Se_0.70(折射率n₂＝2.64)、内外径分别为19mm和15.1mm的硫系玻璃包层套管，将芯棒插入包层套管，然后在包层套管外壁包裹聚醚砜树脂薄膜(折射率n₃＝1.85)，形成直径为20mm的三层同轴结构的光纤预制棒；将三层同轴结构的光纤预制棒在320℃拉制成直径为60μm的光纤单丝，缠绕在直径为150mm的光纤盘上；将拉制的光纤单丝在10g张力下复绕在排丝机的放丝盘上(直径为150mm)，使放丝盘上的相邻光纤单丝近似等间距排列；将放丝盘上的光纤在10g张力下通过排丝机的导丝轮单层紧密排列在排丝盘上(直径为250mm)；在排丝盘上紧密排列的单层光纤上刷紫外固化胶，然后在紫外灯下使胶固化；将排丝盘上刷胶固化后的单层光纤取下并剪开，获得1个光纤片，该光纤片包含80根光纤单丝，长度约785mm；重复上述步骤制备80个光纤片；按照阵列堆积的方式将80个光纤片两端分别依次叠加，在相邻光纤片间刷紫外固化胶并在紫外灯下对两端进行固化，获得1个二级光纤束；重复上述步骤，制备6个二级光纤束；将6个二级光纤束一端按照3×2的方式(1层3个，共2层)叠加排列形成分布式红外光纤传像束的输出端，在输出端的相邻二级光纤束间刷紫外固化胶并在紫外灯下固化，二级光纤束的另一端分散排布，形成分布式红外光纤传像束的6个输入端；将分布式红外光纤传像束的输出端和多个输入端抛光，即可。

本实施例最终获得的分布式红外光纤传像束长度约780mm，共包含约38400根直径为60μm的光纤单丝，其输出端横截面为约14.4mm×9.6mm的长方形，6个输入端横截面均为约4.8mm×4.8mm的正方形，光纤单丝透过率达到61.3％(采用4.6μm波长激光器测试，接近理论透过率)，光纤束的断丝率仅0.89％。

实施例3：9合1Ge-As-Se-Te分布式光纤传像束的制备

本实施中，分布式红外光纤传像束由9根Ge-As-Se-Te二级红外光纤束组成，光纤束的输出端和9个输入端的横截面均为长方形；二级光纤束由Ge-As-Se-Te光纤单丝按照阵列堆积的方式排列构成；Ge-As-Se-Te光纤单丝从内向外依次为Ge_0.1As_0.3Se_0.38Te_0.22硫系玻璃纤芯、Ge_0.1As_0.3 Se_0.44Te_0.16硫系玻璃内包层和聚醚砜树脂外包层。

采用真空熔融-淬冷法制备化学组成为Ge_0.1As_0.3Se_0.38Te_0.22(折射率n₁＝2.88)、直径为15mm的硫系玻璃芯棒，采用旋管法制备化学组成为Ge_0.1As_0.3 Se_0.44Te_0.16(折射率n₂＝2.80)、内外径分别为19mm和15.1mm的硫系玻璃包层套管，将芯棒插入包层套管，然后在包层套管外壁包裹聚醚砜树脂薄膜(折射率n₃＝1.85)，形成直径为20mm的三层同轴结构的光纤预制棒；将三层同轴结构的光纤预制棒在300℃拉制成直径为80μm的光纤单丝，缠绕在直径为150mm的光纤盘上；将拉制的光纤单丝在15g张力下复绕在排丝机的放丝盘上(直径150mm)，使放丝盘上的相邻光纤单丝近似等间距排列；将放丝盘上的光纤在15g张力下通过排丝机的导丝轮单层紧密排列在排丝盘上(直径约330mm)；在排丝盘上紧密排列的单层光纤上刷紫外固化胶，然后在紫外灯下使胶固化；将排丝盘上刷胶固化后的单层光纤取下并剪开，获得1个光纤片，该光纤片包含80根光纤单丝，长度约103.6mm；重复上述步骤制备60个光纤片；按照阵列堆积的方式将60个光纤片两端分别依次叠加，在相邻光纤片间刷紫外固化胶并在紫外灯下对两端进行固化，获得1个二级光纤束；重复上述步骤，制备9个二级光纤束；将9个二级光纤束一端按照3×3的方式(一层3个，共3层)叠加排列形成分布式红外光纤传像束的输出端，在输出端的相邻二级光纤束间刷紫外固化胶并在紫外灯下固化，二级光纤束的另一端分散排布，形成分布式红外光纤传像束的9个输入端；将分布式红外光纤传像束的输出端和多个输入端抛光，即可。

本实施例最终获得的分布式红外光纤传像束长度约103mm，共包含约43200根直径为80μm的光纤单丝，其输出端横截面为约19.2mm×14.4mm的长方形，9个输入端横截面均为约6.4mm×4.8mm的长方形，光纤单丝透过率达到56.1％(采用8μm波长激光器测试，接近理论透过率)，光纤束的断丝率仅0.98％。

Claims (4)

1.分布式红外光纤传像束，其特征在于，所述光纤传像束包括至少4根二级光纤束，二级光纤束的一端叠加排列形成输出端，另一端分散排布形成输入端；所述二级光纤束由光纤单丝堆积构成，光纤单丝从内向外依次为硫系玻璃纤芯、硫系玻璃内包层和树脂外包层；所述硫系玻璃纤芯折射率n₁、硫系玻璃内包层折射率n₂和树脂外包层折射率n₃之间的关系为n₁>n₂>n₃；二级光纤束中光纤单丝的排列方式为紧密堆积或阵列堆积；硫系玻璃纤芯的组分包括锗、砷、锑中的1或2种元素和硫、硒、碲中的1或2种元素；硫系玻璃内包层的组分包括锗、砷、锑中的1或2种元素和硫、硒、碲中的1或2种元素。

2.根据权利要求1所述的分布式红外光纤传像束，其特征在于，分布式红外光纤传像束输出端和输入端的横截面均为方形。

3.根据权利要求1所述的分布式红外光纤传像束，其特征在于，树脂外包层为聚醚酰亚胺或聚醚砜。

4.权利要求1-3任一所述分布式红外光纤传像束的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，采用真空熔融-淬冷法制备硫系玻璃芯棒，采用旋管法制备硫系玻璃包层套管，将芯棒插入包层套管，然后在包层套管外壁包裹树脂薄膜，形成三层同轴结构的光纤预制棒；

步骤2，将三层同轴结构的光纤预制棒拉制成光纤单丝，缠绕在光纤盘上；

步骤3，将拉制的光纤单丝在5~15 g张力下复绕在排丝机的放丝盘上，使放丝盘上的相邻光纤单丝近似等间距排列；

步骤4，将放丝盘上的光纤在5~15 g张力下通过排丝机的导丝轮单层紧密排列在排丝盘上；

步骤5，在排丝盘上紧密排列的单层光纤上刷紫外固化胶，然后在紫外灯下使胶固化；

步骤6，将排丝盘上刷胶固化后的单层光纤取下并剪开，获得一个光纤片；

步骤7，重复步骤3~6，制备多个光纤片；

步骤8，按照紧密堆积或阵列堆积的方式将多个光纤片两端分别依次叠加，在相邻光纤片间刷紫外固化胶并在紫外灯下对两端进行固化，即可获得二级光纤束；

步骤9，重复步骤1~8，制备多个二级光纤束；

步骤10，将多个二级光纤束一端按照正方形或长方形方式叠加排列形成分布式红外光纤传像束的输出端，在输出端的相邻二级光纤束间刷紫外固化胶并在紫外灯下固化，二级光纤束的另一端分散排布，形成分布式红外光纤传像束的多个输入端；

步骤11，将分布式红外光纤传像束的输出端和多个输入端抛光，即可。

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