CN115304254B - 一种用于制作柱形透镜的拉丝炉 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，公开了一种用于制作柱形透镜的拉丝炉，由退火管、内置有合金炉胆的炉管、石英玻璃管顺次连接构成，形成中空的腔体结构，用于容纳玻璃母棒；合金炉胆的内表面设置有周期性分布的内壁微结构单元，石英玻璃管内壁设置为网状镂空结构；可收缩快门设置于退火管的底部；合金炉胆为管状结构，连接于退火管顶部；石英玻璃管的顶部设置带孔盖板；均匀分布加热电炉丝均匀环绕于内置有合金炉胆的炉管的外侧壁；非均匀分布加热电炉丝环绕于退火管的外侧壁，且自退火管底部起至退火管顶部环绕间距逐渐减小。该技术方案适应于大直径范围圆柱形透镜玻璃毛坯的制作。

Description

一种用于制作柱形透镜的拉丝炉

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种用于制作柱形透镜的拉丝炉。

背景技术

圆柱体(简称C-Lens)透镜用来制作光纤准直器，在光隔离器、光环行器、光衰减器、光开关、光波分复用器等光无源器件行业被大量应用，C-Lens透镜玻璃材料为Schott公司N-SF11玻璃，C-Lens透镜的规格有Φ1.0mm、Φ1.4mm、Φ1.8mm等，目前制作C-Lens透镜的玻璃毛坯采用光学冷加工和母棒拉丝的方法进行，光学冷加工耗时长、加工精度低、加工成本高，且随着器件的小型化需求，小尺寸的C-Lens透镜越来越难于加工。母棒拉丝的方法需要使用拉丝炉进行拉细圆柱体丝，工艺流程为玻璃母棒送棒→热熔→拉丝→剪裁，每分钟母棒输送的玻璃体积和圆柱体细丝拉丝的玻璃体积相等，拉丝过程中玻璃棒一端被加热软化变细，圆柱体丝的直径根据送棒的速度和拉丝的速度计算获得。在拉丝过程中由于拉丝炉加热的作用，炉内会产生上升的气流运动，从而使被加热软化的部分发生抖动以及整个母棒发生抖动，最终造成如下后果：①圆柱体细丝发生椭圆变形；②圆柱体丝沿着长度方向直径变化波动较大，导致加工精度降低，产品一致性差，影响产品质量。

此外，圆柱体丝的椭圆变形与加热恒温区域的温度场均匀性有关，常规拉丝炉采用炉管+电炉丝绕丝的方式进行，温度场的均匀性受到电炉丝在炉管密绕排布均匀性的影响，这种均匀密绕排布难以制作。此外温度场的不均匀性还容易导致拉丝后的柱形透镜内部应力分布不均匀，容易导致材料折射率不均匀，从而也导致柱形透镜精度降低。

发明内容

为解决上述提及的柱形透镜加工精度低的问题，本申请提出一种用于制作柱形透镜的拉丝炉，其可以具备连续生产的特点，同时具有生产成本低、精度高、产品一致性好。

为实现上述的方案，本申请采用如下的技术方案：

一种用于制作柱形透镜的拉丝炉，其具有：石英玻璃管、炉管；合金炉胆；均匀分布加热电炉丝、非均匀分布加热电炉丝、退火管、可收缩快门、带孔盖板；合金炉胆的内表面设置有周期性分布的内壁微结构单元，石英玻璃管内壁设置为网状镂空结构；所述的可收缩快门设置于退火管的底部；合金炉胆为管状结构，连接于所述退火管顶部；所述合金炉胆内置于炉管内壁，合金炉胆外径和炉管内径匹配；所述炉管的顶部连接石英玻璃管；石英玻璃管的顶部设置带孔盖板，该孔的直径和玻璃母棒送棒机构匹配；所述的退火管、内置合金炉胆的炉管、石英玻璃管顺次连接，形成中空的腔体结构；均匀分布加热电炉丝均匀环绕于所述内置合金炉胆的炉管的外侧壁；非均匀分布加热电炉丝环绕于所述退火管的外侧壁，且自退火管底部起至退火管顶部环绕间距逐渐减小。该拉丝炉生产的产品一致性好等特点，可适应大直径范围圆柱形透镜玻璃毛坯的制作。

有益效果

制作柱形透镜时采用该拉丝炉可以具备连续生产的特点，同时具有生产成本低、精度高、产品一致性好等特点，该装置适应大直径范围圆柱形透镜玻璃毛坯的制作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，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，其中：

图1.用于制作柱形透镜的拉丝炉结构示意图，

图2.母棒在拉丝炉中拉丝示意图

图3.合金炉胆内壁结构示意图，

图4.多层球罩内壁微结构单元示意图，

图5.圆锥柱形内壁微结构单元示意图，

图6.多边梯形内壁微结构单元示意图，

图7.石英玻璃管网状镂空结构示意图，

图8.倒圆锥柱形网状镂空结构单元示意图，

图9.倒多变梯形网状镂空结构单元示意图。

图中：1、石英玻璃管；2、炉管；3、合金炉胆；

4、均匀分布加热电炉丝；5、非均匀分布加热电炉丝；6、退火管；7、可收缩快门；8、带孔盖板；9、玻璃母棒连接杆；10、玻璃母棒；11、柱形玻璃丝。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未做详细描述，以便于凸显本公开的主旨。附图中包括示意图，会有各个部件的缩尺以及纵横的比率等与实际不同的情况。

实施例

一种用于制作柱形透镜的拉丝炉，如图1所示，包括：石英玻璃管1、炉管2；合金炉胆3；均匀分布加热电炉丝4、非均匀分布加热电炉丝5、退火管6、可收缩快门7、带孔盖板8；合金炉胆的内表面设置有周期性分布的内壁微结构单元，石英玻璃管内壁设置为网状镂空结构；可收缩快门设置于退火管的底部；合金炉胆为管状结构，内置于炉管内部，并连接于退火管顶部连接；合金炉胆炉管的顶部连接石英玻璃管；石英玻璃管的顶部设置带孔盖板；退火管、内置合金炉胆的炉管、石英玻璃管顺次连接，形成中空的腔体结构；均匀分布加热电炉丝均匀环绕于合金炉胆、炉管的外侧壁；非均匀分布加热电炉丝环绕于退火管的外侧壁，且自退火管底部起至退火管顶部环绕间距逐渐减小。

本实施方式中：退火管、内置合金炉胆的炉管、石英玻璃管顺次连接形成中空的腔体结构用于容纳玻璃母棒；通过在合金炉胆的内壁设置有周期性分布微结构，使加热辐射均匀，保证温度场分布的均匀性。在该均匀分布温度区域下方退火管区域引入渐变螺旋分布的电炉丝环绕，能够对玻璃丝拉丝过程中进行在线退火，加工成透镜后无需进行二次退火。在退火管的下方设计有可收缩快门，实现炉体下方保温和部分防止气流进入炉内，从而阻止气流对玻璃棒扰动的作用。在拉丝炉炉管的上方引入石英玻璃管，该石英玻璃管和拉丝炉炉管进行匹配，具有对炉体进行上部保温的作用。石英管内壁具有网状微结构，即实现对玻璃母棒的可视化观察，又增强气体层流的附着力，降低气流上升速度，同时上方集成有特殊设计匹配的盖板能够防止气流上升，从而有效防止气流扰动的发生，确保玻璃丝直径圆度大幅提高，增强玻璃丝直径的一致性。本实施方式中，炉管内径介于50-100m。较佳的，石英玻璃管的顶部设置带孔盖板，该孔的直径和玻璃母棒送棒机构匹配。较佳的，石英玻璃管配置为沿长度方向可伸缩调节的多节结构。

在一实施方式中该拉丝炉：还包括温控器，温控器上设置温度传感器；温度传感器的传感头设置于合金炉胆内壁炉管。

在一实施方式中该拉丝炉中均匀分布加热电炉丝和非均匀分布加热电炉丝配置为串联连接；温控器与均匀分布加热电炉丝和非均匀分布加热电炉丝、电源组成闭合回路；使用时，温控器调节均匀分布加热电炉丝先加热炉管，然后炉管通过热辐射的形式传导到炉管内置的合金炉胆。

在一实施方式中该拉丝炉中合金炉胆的材质包括哈氏合金。

在一实施方式中该拉丝炉中非均匀分布加热电炉丝，和均匀分布加热电炉丝一体化绕制

在一实施方式中该拉丝炉中退火管材质为氧化铝陶瓷。

下面结合图2来描述拉丝炉运行时的工作流程，

1、将母棒10安装到母棒连接杆9；

2、将安装好的母棒及母棒连接杆组合体传送至石英玻璃管1内，母棒穿过带孔盖板的中心孔；

3、均匀分布加热电炉丝4和非均匀分布加热电炉丝5通电升温，在内壁周期性分布微结构的合金炉胆内部形成均匀的温度区，温度范围可调节，例如600-900度，该区域配置有温度测量和控制系统；在这一区域母棒熔融成锥形，在重力作用下自然脱落成柱形玻璃丝11；

4、柱形玻璃丝经过退火管，从均匀温区的高温逐步降温到200度左右，从退火管引出。

如图3所示为合金炉胆内壁结构示意图，合金炉胆高度介于30-60mm，合金炉胆的内壁分布周期性排布的微结构(内壁微结构单元)，内壁微结构单元大小为3μm-3mm，内壁微结构单元中心距离(简称周期，用符号Λ表示)，周期Λ范围为1-10mm，内壁微结构单元的形状如图4至图6所示，可为多层球罩型、圆锥柱形、多边(四边、六边、八边等)梯形等；各种形状内壁微结构单元的尺寸R1、R2、R3、W、L、H大小介于3μm－3mm；通过将内壁微结构单元设计成周期性分布微结构，使加热辐射均匀，保证温度场分布的均匀性同时该内壁微结构单元能实现辐射增强快速加热的作用；以及内壁周期性分布内壁微结构单元能实现温度场均匀化的作用。

如图7所示的为石英玻璃管网状镂空结构示意图。本实施方式中，石英玻璃管设置为网状镂空结构，这样的设计即实现对玻璃母棒的可视化观察，又增强气体层流的附着力，降低气流上升速度，同时上方集成有特殊设计匹配的盖板能够防止气流上升，从而有效防止气流扰动的发生，确保玻璃丝直径不圆度大幅提高，增强玻璃丝直径的一致性。

石英玻璃管高度介于100-1000mm，石英玻璃管采用热压成型方式形成，网状镂空结构单元大小为0.5mm-2mm，网状镂空结构单元中心距离Λ的范围为1-5mm，石英玻璃管网状镂空结构的形状如图8、图9所示：为倒圆锥柱形，倒多变梯形等；微结构单元的尺寸W、L、H大小为0.5mm-2mm。

需要说明的是，在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于制作柱形透镜的拉丝炉，其特征在于：包括：石英玻璃管、炉管；合金炉胆；均匀分布加热电炉丝、非均匀分布加热电炉丝、退火管、可收缩快门、带孔盖板；

合金炉胆的内表面设置有周期性分布的内壁微结构单元，石英玻璃管内壁设置为网状镂空结构；

合金炉胆高度介于30-60mm，内壁微结构单元大小介于3μm-3mm，内壁微结构单元周期范围介于1-10mm，内壁微结构单元的形状包括：多层球罩型、圆锥柱形或多边梯形中的一种；

石英玻璃管网状镂空结构的形状包括：倒圆锥柱形，倒多边梯形中的一种；

所述石英玻璃管高度介于100-1000mm，网状镂空结构单元的大小介于0.5mm-2mm，网状镂空结构单元周期范围介于1-5mm；

所述可收缩快门设置于退火管的底部；合金炉胆为管状结构，连接于所述退火管顶部；

所述合金炉胆内置于炉管内壁，合金炉胆外径和炉管内径匹配；所述炉管的顶部连接石英玻璃管；石英玻璃管的顶部设置带孔盖板，所述孔的直径和玻璃母棒送棒机构匹配；所述退火管、内置合金炉胆的炉管、石英玻璃管顺次连接，形成中空的腔体结构；

均匀分布加热电炉丝均匀环绕于所述内置合金炉胆的炉管的外侧壁；

非均匀分布加热电炉丝环绕于所述退火管的外侧壁，且自退火管底部起至退火管顶部环绕间距逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的用于制作柱形透镜的拉丝炉，其特征在于：还包括，温控器，所述温控器上设置温度传感器；所述温度传感器的传感头设置于合金炉胆内壁炉管。

3.根据权利要求1所述的用于制作柱形透镜的拉丝炉，其特征在于：

均匀分布加热电炉丝和非均匀分布加热电炉丝配置为串联连接；温控器与均匀分布加热电炉丝和非均匀分布加热电炉丝、电源组成闭合回路；使用时，温控器调节均匀分布加热电炉丝先加热炉管，然后炉管通过热辐射的形式传导到炉管内置的合金炉胆。

4.根据权利要求3所述的用于制作柱形透镜的拉丝炉，其特征在于：退火管顶部内部温度与合金炉胆内部温度相同，自上而下的温度依次递减。

5.根据权利要求1所述的用于制作柱形透镜的拉丝炉，其特征在于：石英玻璃管配置为沿长度方向可伸缩的多节结构。

6.根据权利要求1所述的用于制作柱形透镜的拉丝炉，其特征在于：炉管内径介于0-100mm。

7.根据权利要求1所述的用于制作柱形透镜的拉丝炉，其特征在于：

合金炉胆的材质包括哈氏合金；

退火管材质包括石英玻璃、氧化铝陶瓷之一；炉管材质包括氧化铝。

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