CN115028351A - 光纤预制棒内孔在线式沉积系统及沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种光纤预制棒内孔在线式沉积系统，包括掺杂管装置，掺杂管装置包括目标衬管，掺杂管装置两端各设有第一延长管和第二延长管，目标衬管、第一延长管和第二延长管为中空结构，目标衬管两端分别与第一延长管和第二延长管连通，掺杂管装置两端还设有第一快速夹装置，各第一快速夹装置与第一延长管和第二延长管套接，第一快速夹装置两端为贯通结构，解决了采用传统的制造方法制作有源光纤预制棒时需要反复拆转，效率较低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤制造领域，尤其是涉及一种光纤预制棒内孔在线式沉积系统及沉积方法。
背景技术
随着工业级高功率激光器的快速发展，光纤激光器的输出功率不断提高，市场竞争趋于白热化。数千瓦到万瓦级多模输出的高功率光纤激光器逐渐成为激光切割，激光焊接和激光熔覆市场的主力军。
目前光纤激光器采用的有源光纤大部分采用液相掺杂方法制备而成，为了获得较大尺寸的芯径，一般采用多层沉积方法制备而成，有源光纤液相掺杂过程主要包括疏松体沉积、溶液浸泡、脱水及烧结，疏松体浸泡的一般方法为沉积完毕后，将沉积好的疏松体石英衬管的气泵端辅管进行切断，并将沉积好疏松体的石英衬管浸泡在配有稀土氯化物的溶液中，经过多次反复，可以制备芯径较大的有源掺杂芯棒，该过程中，石英衬管需要反复拆转，因此制造效率很低。
发明内容
本发明提供了一种光纤预制棒内孔在线式沉积系统及沉积方法，解决了采用传统的制造方法制作有源光纤预制棒时需要反复拆转，效率较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种光纤预制棒内孔在线式沉积系统，包括掺杂管装置，掺杂管装置包括目标衬管，掺杂管装置两端各设有第一延长管和第二延长管，目标衬管、第一延长管和第二延长管为中空结构，目标衬管两端分别与第一延长管和第二延长管连通，掺杂管装置两端还设有第一快速夹装置，各第一快速夹装置与第一延长管和第二延长管套接，第一快速夹装置两端为贯通结构。
优选的方案中，第一快速夹装置包括内管套，内管套与第一延长管或第二延长管连通，内管套外侧套有可滑动的外顶套，外顶套夹紧第一延长管或第二延长管外壁。
优选的方案中，外顶套远离内管套的一端设有喇叭口结构，喇叭口结构与外顶套连接处设有挡边结构，挡边结构用于抵靠第一延长管或第二延长管端部，外顶套外侧套有推动套，推动套一端与内管套滑动连接，推动套另一端抵靠喇叭口结构外壁。
优选的方案中，还设有可转动的掺杂管架，多个掺杂管装置围绕掺杂管架的转动中心周向布置在掺杂管架上，掺杂管架一侧设有可转动的第一旋转式工位架，第一旋转式工位架上设有多个工位，多个工位沿第一旋转式工位架的转动中心周向布置，各掺杂管装置的连线圆与第一旋转式工位架各工位的连线圆相切或相交。
优选的方案中，掺杂管架另一侧还设有第二旋转式工位架，第二旋转式工位架结构与第一旋转式工位架相同。
优选的方案中，第一旋转式工位架下端设有直线移动机构，第一旋转式工位架相对于掺杂管架的距离可调整。
优选的方案中，第一旋转式工位架设有至少两个长臂和至少两个短臂，长臂和短臂沿第一旋转式工位架的旋转中心呈周向布置，各短臂端部分别设有冷却气嘴和加热喷灯，各长臂端部分别设有第二快速夹装置，第二快速夹装置结构与第一快速夹装置结构相同，第二快速夹装置用于与第一快速夹装置对接，冷却气嘴、加热喷灯和第二快速夹装置分别设在各工位上。
优选的方案中，掺杂管架和第一旋转式工位架各设有多个沿周向布置的轴夹装置，轴夹装置用于夹紧第一快速夹装置或第二快速夹装置，第一快速夹装置还包括基础套，基础套转动套接在内管套外壁，轴夹装置夹紧基础套。
包括沉积方法：
S1、疏松体沉积，将掺杂管装置安装在MCVD设备上；
S2、通入SiCl4、POCl3、O2、He气，通过加热装置将目标衬管加热到1500℃左右，使得内部的化学气体发生化学反应生成粉末状的SiO2并附着在目标衬管内壁并形成疏松体；
S3、冷却目标衬管；
S4、待目标衬管降温后，将配制好的溶液通入并充满目标衬管（101）并封闭掺杂管装置；
S5、旋转掺杂管装置，让疏松体充分浸润，之后停止旋转并将目标衬管内部的溶液排出；
S6、向目标衬管持续通入Cl2，干燥目标衬管；
S7、利用加热装置将目标衬管加热到2000℃左右，通过高温将疏松体烧结至透明，形成掺杂玻璃，单层沉积结束；
S8、重复S2- S7，在目标衬管内侧沉积多次；
S9、将目标衬管加热到2200℃左右，将烧结好的空心的目标衬管烧实成实心掺杂预制棒。
包括优化方法：
S6中，在持续通入Cl2的同时利用加热装置将目标衬管（101）加热到1500℃左右。
本发明的有益效果为：掺杂管装置采用中空贯通结构，可以进行在线液相掺杂和氮气吹扫，目标衬管不需要反复取下烧结，大大提高了沉积效率；快速夹装置设有内管套、推动套、外顶套等结构，可快速可拆卸的夹紧延长管，避免每次需要对连接部位熔融焊接；采用旋转式的掺杂管架和旋转式工位架配合，可同时处理多个掺杂管装置，掺杂效率成倍数提高，便于流水化作业生产。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的掺杂管装置示意图。
图2是本发明的俯视布局示意图。
图3是本发明的快速夹装置结构图。
图4是本发明的双快速夹装置连接图。
图5是本发明的掺杂管架与旋转式工位架布置图。
图6是本发明的掺杂管架与旋转式工位架连线圆相切示意图。
图7是本发明的掺杂管架与旋转式工位架连线圆相交示意图。
图8是本发明的旋转式工位架侧视图。
图9是本发明的旋转式工位架正视图。
图10是本发明的轴夹装置结构图。
图中：掺杂管装置1；目标衬管101；第一延长管102；第二延长管103；第一快速夹装置2；内管套201；推动套202；外顶套203；喇叭口结构204；滑槽205；复位弹簧206；基础套207；滑动衬套208；端密封垫209；密封环210；掺杂管架3；第一旋转式工位架4；基架401；长臂402；短臂403；冷却气嘴404；加热喷灯405；无杆气缸406；导杆407；第二旋转式工位架5；储液瓶6；储气管7；回收液罐8；回收气罐9；第二快速夹装置10；轴夹装置11；第一半套1101；第二半套1102；锁紧螺丝1103；驱动电机12；滑轨装置13。
具体实施方式
如图1-10中，一种光纤预制棒内孔在线式沉积系统，包括掺杂管装置1，掺杂管装置1包括目标衬管101，掺杂管装置1两端各设有第一延长管102和第二延长管103，目标衬管101、第一延长管102和第二延长管103为中空结构，目标衬管101两端分别与第一延长管102和第二延长管103连通，掺杂管装置1两端还设有第一快速夹装置2，各第一快速夹装置2与第一延长管102和第二延长管103套接，第一快速夹装置2两端为贯通结构。
第一延长管102和第二延长管103与目标衬管101一般采用熔融连接，由于目标衬管101为预制棒生产节，不能被遮挡或覆盖，第一延长管102和第二延长管103的设置便于留出夹持位置，目标衬管101被加热时，第一延长管102和第二延长管103也可起到隔离热源的作用，避免热量传递到夹具上。
第一快速夹装置2为掺杂管装置1的连接组件，起到与其他组件如MCVD设备连接、支撑的作用，其自身与掺杂管装置1能快速拆装。
掺杂管装置1与第一快速夹装置2组成两端贯通的中空式结构，两端可安装一分多的多接口分流块，其中一个主接口与中空式结构连通，另外的多个支接口，可通各储气罐、储液罐，便于向目标衬管101通入或排出气、液。
优选的方案中，第一快速夹装置2包括内管套201，内管套201与第一延长管102或第二延长管103连通，内管套201外侧套有可滑动的外顶套203，外顶套203夹紧第一延长管102或第二延长管103外壁。
内管套201一端设有滑槽205，外顶套203卡在滑槽205中滑动，滑槽205中还设有复位弹簧206，复位弹簧206顶住外顶套203和内管套201，用于向外顶套203提供持续的回复收缩力，内管套201另一端为光轴，用于被夹持或连接电机。
优选的方案中，外顶套203远离内管套201的一端设有喇叭口结构204，喇叭口结构204与外顶套203连接处设有挡边结构，挡边结构处设有端密封垫209，挡边结构用于抵靠第一延长管102或第二延长管103端部，外顶套203外侧套有推动套202，推动套202一端与内管套201滑动连接，推动套202另一端抵靠喇叭口结构204外壁。
内管套201外壁设有密封环210，密封环210贴紧外顶套203内壁，推动套202与内管套201外壁螺纹连接，转动推动套202，推动套202向前螺旋移动并逐渐顶住内管套201的喇叭口结构204外壁，由于内管套201可侧向滑动且复位弹簧206弹力较小，内管套201前移直到挡边结构顶住第一延长管102或第二延长管103端部，此时继续转动推动套202，推动套202端部的倒角挤压喇叭口结构204的锥形外壁，使其向内形变，喇叭口结构204内壁夹紧第一延长管102或第二延长管103的外壁。
优选的方案中，还设有可转动的掺杂管架3，多个掺杂管装置1围绕掺杂管架3的转动中心周向布置在掺杂管架3上，掺杂管架3一侧设有可转动的第一旋转式工位架4，第一旋转式工位架4上设有多个工位，多个工位沿第一旋转式工位架4的转动中心周向布置，各掺杂管装置1的连线圆与第一旋转式工位架4各工位的连线圆相切或相交。
优选的方案中，掺杂管架3另一侧还设有第二旋转式工位架5，第二旋转式工位架5结构与第一旋转式工位架4相同。
优选的方案中，第一旋转式工位架4下端设有直线移动机构如滑轨装置13，并且可加装上丝杠、伺服电机组成伺服滑台，精确调整第一旋转式工位架4相对于掺杂管架3的距离。
优选的方案中，如图8，第一旋转式工位架4包括基架401，基架401上设有转动架，转动架设有至少两个长臂402和至少两个短臂403，长臂402和短臂403沿第一旋转式工位架4的旋转中心呈周向布置，各短臂403端部分别设有冷却气嘴404和加热喷灯405，各长臂402端部分别设有第二快速夹装置10，第二快速夹装置10结构与第一快速夹装置2结构相同，第二快速夹装置10用于与第一快速夹装置2对接，冷却气嘴404、加热喷灯405和第二快速夹装置10分别设在各工位上。
长臂402上设有驱动电机12，驱动电机12可通过同步带装置驱动第二快速夹装置10转动。
加热喷灯405由无杆气缸406和导杆407组成的滑台搭载，可直线往复移动。
冷却气嘴404也可安装在滑台上往复吹气，也可采用固定式并设置成一排。
优选的方案中，掺杂管架3和第一旋转式工位架4各设有多个沿周向布置的轴夹装置11，轴夹装置11用于夹紧第一快速夹装置2或第二快速夹装置10，第一快速夹装置2还包括基础套207，基础套207内壁设有滑动衬套208或轴承，基础套207转动套接在内管套201外壁，轴夹装置11夹紧基础套207。
轴夹装置11包括第一半套1101和第二半套1102，第一半套1101和第二半套1102一端铰接，另一端通过锁紧螺丝1103锁定，安装夹紧方便。
掺杂管架3、第一旋转式工位架4和第二旋转式工位架5均可通过手动或连接外部电机实现转动。
如图2，第一旋转式工位架4和第二旋转式工位架5布置在掺杂管架3两侧，第一旋转式工位架4和第二旋转式工位架5均为两个转架加中间连接轴的形式，两个转架布置在掺杂管架的两个转架的外侧，长臂402上安装轴夹装置11，轴夹装置11夹住第二快速夹装置10；掺杂管架3也设有周向布置的轴夹装置11，轴夹装置11上夹住第一快速夹装置2；初始时，快速夹装置的外顶套203处于收缩状态，如图3，因此，掺杂管架3、第一旋转式工位架4和第二旋转式工位架5的转动切换互不干涉；需要夹紧时，掺杂管架3、第一旋转式工位架4和第二旋转式工位架5的位置不需要调整，快速夹装置可伸出并夹紧，如图4，十分方便；储液瓶6或储气管7通过气泵或液泵向第二快速夹装置10的内管套201端通入气、液，气、液经过第一快速夹装置2的内管套201进入目标衬管101，然后由另一端流入回收液罐8或回收气罐9中，然后将空罐和满罐调换使用，气、液实现重复利用，节约成本。
将第一旋转式工位架4和第二旋转式工位架5调整为图6的相切状态时，第一旋转式工位架4和第二旋转式工位架5只能分别在掺杂管架3的一个位置工作，针对于掺杂管架3来说，同时可以有正左和正右两个位置的掺杂管装置1出于工作态，效率是普通在线掺杂沉积装置的两倍；如果调整到图7所示的相交位置，掺杂管架3左右各有两个位置可以被第一旋转式工位架4和第二旋转式工位架5处理到，因此若时间节拍把握较好，能够达到接近四倍于普通在线掺杂沉积装置的效率。
沉积方法如下：
S1、疏松体沉积，将掺杂管装置1安装在MCVD等类似设备上；
S2、通入SiCl4、POCl3、O2、He气等特种气体，通过加热装置将目标衬管101加热到1500℃左右，持续约10min，加热装置优选火焰喷灯加热目标衬管101外壁，火焰喷灯边加热边来回移动，同时目标衬管101持续旋转，使加热均匀，目标衬管101内部的化学气体发生化学反应生成粉末状的SiO2并附着在目标衬管101内壁并形成疏松体；
S3、冷却目标衬管101，可采用风冷等手段加快冷却效率，此时目标衬管101持续旋转使冷却均匀，冷却过程持续10-30min；
S4、待目标衬管101降温后，将配制好的溶液通入并充满目标衬管101并封闭掺杂管装置1；
S5、旋转掺杂管装置1，让疏松体充分浸润，持续约30min，之后停止旋转并将目标衬管101内部的溶液排出；
S6、向目标衬管101持续通入Cl2，在持续通入Cl2的同时利用加热装置将目标衬管101加热到1500℃左右，干燥目标衬管101，溶液中的水分通过Cl2带走，疏松体充分的干燥，持续约30min；
S7、利用加热装置将目标衬管101加热到2000℃左右，通过高温将疏松体烧结至透明，持续约10min，形成一层掺杂玻璃，单层沉积结束；
S8、重复S2- S7，在目标衬管101内侧沉积多次，形成多层掺杂玻璃；
S9、将目标衬管101加热到2200℃左右，将烧结好的空心的目标衬管101烧实成实心掺杂预制棒。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤预制棒内孔在线式沉积系统，其特征是：包括掺杂管装置（1），掺杂管装置（1）包括目标衬管（101），掺杂管装置（1）两端各设有第一延长管（102）和第二延长管（103），目标衬管（101）、第一延长管（102）和第二延长管（103）为中空结构，目标衬管（101）两端分别与第一延长管（102）和第二延长管（103）连通，掺杂管装置（1）两端还设有第一快速夹装置（2），各第一快速夹装置（2）与第一延长管（102）和第二延长管（103）套接，第一快速夹装置（2）两端为贯通结构。
2.根据权利要求1所述光纤预制棒内孔在线式沉积系统，其特征是：第一快速夹装置（2）包括内管套（201），内管套（201）与第一延长管（102）或第二延长管（103）连通，内管套（201）外侧套有可滑动的外顶套（203），外顶套（203）夹紧第一延长管（102）或第二延长管（103）外壁。
3.根据权利要求2所述光纤预制棒内孔在线式沉积系统，其特征是：外顶套（203）远离内管套（201）的一端设有喇叭口结构（204），喇叭口结构（204）与外顶套（203）连接处设有挡边结构，挡边结构用于抵靠第一延长管（102）或第二延长管（103）端部，外顶套（203）外侧套有推动套（202），推动套（202）一端与内管套（201）滑动连接，推动套（202）另一端抵靠喇叭口结构（204）外壁。
4.根据权利要求3所述光纤预制棒内孔在线式沉积系统，其特征是：还设有可转动的掺杂管架（3），多个掺杂管装置（1）围绕掺杂管架（3）的转动中心周向布置在掺杂管架（3）上，掺杂管架（3）一侧设有可转动的第一旋转式工位架（4），第一旋转式工位架（4）上设有多个工位，多个工位沿第一旋转式工位架（4）的转动中心周向布置，各掺杂管装置（1）的连线圆与第一旋转式工位架（4）各工位的连线圆相切或相交。
5.根据权利要求4所述光纤预制棒内孔在线式沉积系统，其特征是：掺杂管架（3）另一侧还设有第二旋转式工位架（5），第二旋转式工位架（5）结构与第一旋转式工位架（4）相同。
6.根据权利要求4所述光纤预制棒内孔在线式沉积系统，其特征是：第一旋转式工位架（4）下端设有直线移动机构，第一旋转式工位架（4）相对于掺杂管架（3）的距离可调整。
7.根据权利要求6所述光纤预制棒内孔在线式沉积系统，其特征是：第一旋转式工位架（4）设有至少两个长臂（402）和至少两个短臂（403），长臂（402）和短臂（403）沿第一旋转式工位架（4）的旋转中心呈周向布置，各短臂（403）端部分别设有冷却气嘴（404）和加热喷灯（405），各长臂（402）端部分别设有第二快速夹装置（10），第二快速夹装置（10）结构与第一快速夹装置（2）结构相同，第二快速夹装置（10）用于与第一快速夹装置（2）对接，冷却气嘴（404）、加热喷灯（405）和第二快速夹装置（10）分别设在各工位上。
8.根据权利要求7所述光纤预制棒内孔在线式沉积系统，其特征是：掺杂管架（3）和第一旋转式工位架（4）各设有多个沿周向布置的轴夹装置（11），轴夹装置（11）用于夹紧第一快速夹装置（2）或第二快速夹装置（10），第一快速夹装置（2）还包括基础套（207），基础套（207）转动套接在内管套（201）外壁，轴夹装置（11）夹紧基础套（207）。
9.一种根据权利要求1所述光纤预制棒内孔在线式沉积方法，其特征是：
S1、疏松体沉积，将掺杂管装置（1）安装在MCVD设备上；
S2、通入SiCl4、POCl3、O2、He气，通过加热装置将目标衬管（101）加热到1500℃左右，使得内部的化学气体发生化学反应生成粉末状的SiO2并附着在目标衬管（101）内壁并形成疏松体；
S3、冷却目标衬管（101）；
S4、待目标衬管（101）降温后，将配制好的溶液通入并充满目标衬管（101）并封闭掺杂管装置（1）；
S5、旋转掺杂管装置（1），让疏松体充分浸润，之后停止旋转并将目标衬管（101）内部的溶液排出；
S6、向目标衬管（101）持续通入Cl2，干燥目标衬管（101）；
S7、利用加热装置将目标衬管（101）加热到2000℃左右，通过高温将疏松体烧结至透明，形成掺杂玻璃，单层沉积结束；
S8、重复S2- S7，在目标衬管（101）内侧沉积多次；
S9、将目标衬管（101）加热到2200℃左右，将烧结好的空心的目标衬管（101）烧实成实心掺杂预制棒。
10.根据权利要求9所述光纤预制棒内孔在线式沉积方法，其特征是：
S6中，在持续通入Cl2的同时利用加热装置将目标衬管（101）加热到1500℃左右。
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