CN115304283B - 一种C-Lens玻璃、毛坯制备方法、拉丝机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种C‑Lens玻璃、毛坯制备方法、拉丝机。该C‑Lens玻璃的组分包括：玻璃生成体SiO2、TiO2，用于改善玻璃的料性的PbO、TiO2，用于增加玻璃的折射率和色散的Nb2O5、WO3，玻璃中间体调节组BaO+ZnO+MgO、助熔剂Na2O+K2O、ZrO2、用于调节玻璃的粘度Cs2O、用于改善该体系玻璃的低温析晶特性的CeF3；本方案的玻璃在拉丝和热熔初期不产生析晶，满足C‑Lens柱形毛坯的热熔生产需求，易于即可用于拉制玻璃丝也可用于长棒形大块体玻璃棒体的制作。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及C-Lens玻璃、毛坯制备方法、拉丝机。
背景技术
柱形球面透镜(简称C-Lens)为圆柱形，通常有Φ1.0mm、Φ1.4mm、Φ1.8mm等规格，其通光面的一端面为平面，另一端面为球面，该柱形球面透镜用来制作光纤准直器，具有成本低、长工作距离时的低插入损耗、工作距离范围大等一系列的优点，在光通信无源器件行业如光准直器、光耦合器、光隔离器、光环行器、光衰减器、光开关、光波分复用器等被广泛应用。
目前制作C-Lens的玻璃材料为Schott公司N-SF11玻璃，可以采用光学冷加工和母棒拉丝两种方法进行加工制作，其中，光学冷加工耗时长、加工精度低、加工成本高；母棒拉丝的方法具有加工精度高，易于批量化加工，但是由于Schott公司N-SF11玻璃加热拉丝过程中容易产生析晶的现象，影响产品性能；且拉丝成品率受到玻璃母棒长度的影响，为保证拉丝稳定性，由于块体玻璃的规格小于360mm，使得C-Lens玻璃母棒的长度一般不会超过360mm，批量化生产受限。
发明内容
为解决上述问题，本申请提出一种C-Lens玻璃,可以保证其光学性能参数如折射率、色散和N-SF11玻璃相同。
为此，本申请采用如下技术方案，
一种C-Lens玻璃，主要成分为TiO2-SiO2-Nb2O5玻璃体系，该C-Lens玻璃配比以质量分数表示为：10-25％的SiO2，5-15％的PbO，10-20％的TiO2，2-5％的Nb2O5，1-5％的WO3，1-10％的BaO+ZnO+MgO，0-25％的Na2O+K2O，0-2％的ZrO2，5-40％的Cs2O及0.2-2％的CeF3。该实施方式中，PbO用于改善玻璃的料性，使得玻璃加热软化拉丝的操作温度区间增加；SiO2和TiO2为玻璃生成体；Nb2O5和WO3用于增加玻璃的折射率和色散；其中所述的BaO+ZnO+MgO是指由BaO、ZnO以及MgO组成的混合物，BaO+ZnO+MgO作为玻璃中间体调节成玻璃的组成范围；Na2O+K2O是指由Na2O和K2O组成的混合物，其中Na2O、K2O为助熔剂，降低玻璃的高温熔制温度；ZrO2用于调节玻璃折射率，Cs2O用于扩大含TiO2玻璃的形成区，同时可以调节SiO2+PbO+TiO2玻璃的粘度，CeF3用于改善该体系玻璃的低温析晶特性，使得玻璃在拉丝和热熔初期不产生析晶，满足C-Lens柱形毛坯的热熔生产需求。较佳的，该C-Lens玻璃的配比以质量分数表示为：20.49％的SiO2，8.63％的PbO，16.46％的TiO2，3.60％的Nb2O5，1.96％的WO3，6.25％的BaO，1.00％的ZnO，1.02％的MgO，2％的Na2O，1.59％的K2O，1％的ZrO2，35.76％的Cs2O及0.24％的CeF。
本申请实施例提供一种利用上述C-Lens玻璃来制备C-Lens玻璃毛坯的制备方法，该制备方法如下：
1)按照上述的C-Lens玻璃配比，并将其在1200-1300℃进行玻璃熔炼澄清，1100℃出炉成型，按直径40-50mm，长度500-800mm规格加工成玻璃毛坯母棒，玻璃毛坯母棒端面和其侧壁柱面垂直，所述侧壁柱面与其玻璃毛坯端面角度为90°±1＇；
2)将玻璃毛坯母棒装夹在玻璃拉丝机送棒机构；
3)利用拉丝机送棒机构将玻璃毛坯母棒送入拉丝机的拉丝炉高温区位置；
4)拉丝炉升温加热到900-1000℃，使玻璃毛坯母棒底部加热收缩，玻璃毛坯母棒底部区域被熔融软化，在重力作用下牵引成玻璃丝，然后剪断料头，启动送棒机构，牵引玻璃丝依次通过激光测径仪、拔丝轮，最终在拔丝轮的摩擦力作用下牵引玻璃丝连续拉制；
5)玻璃丝的直径根据送棒的速度和拔丝轮牵引速度调整，保持每秒钟送棒的体积和拉丝的体积相等，即得到C-Lens柱形玻璃丝；
6)最后将该C-Lens柱形玻璃丝通过玻璃蒙砂粉，使玻璃丝表面产生蒙砂效果，从而获得合格的C-Lens毛坯玻璃丝。通过该方法C-Lens毛坯玻璃丝的长度根据设计需要的裁剪截取；毛坯玻璃丝的端面经过光学冷加工获得所需的平面和球面，从而获得C-Lens。采用该玻璃组成和加工方法可实现高精度直径C-Lens的批量化和低成本生产，具有重要的应用价值。
本申请实施例提供一种拉丝炉，用于制备C-Lens玻璃，该拉丝炉配置为具有：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。
进一步的，该拉丝炉还包括，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；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；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；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。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。
本申请实施例提出一种使用上述C-Lens玻璃毛坯制备方法可制成C-Lens玻璃毛坯的拉丝机，通过拉丝机对本申请实施方案的C-Lens玻璃进行拉丝。
本技术方案的有益效果为：
1)该玻璃配比可以保证C-Lens玻璃材料的光学性能参数如折射率、色散和N-SF11玻璃相同，
2)该C-Lens玻璃毛坯制备方法可保证该透镜玻璃材料在加热拉丝过程中不易析晶，可以采用拉丝或挤压成型的方式进行C-Lens柱形毛坯的生产；
3)易于即可用于拉制玻璃丝也可用于长棒形大块体玻璃棒体的制作。
附图说明
图1.用于制作柱形透镜的拉丝炉结构示意图；
图2.C-Lens玻璃毛坯制备方法流程图；
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。
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。
本申请公开一种C-Lens玻璃、毛坯制备方法、拉丝炉及拉丝机。该C-Lens玻璃的组分包括：玻璃生成体SiO2、TiO2，用于改善玻璃的料性的PbO、TiO2，用于增加玻璃的折射率和色散的Nb2O5、WO3，玻璃中间体调节组BaO+ZnO+MgO、助熔剂Na2O+K2O、ZrO2、用于调节玻璃的粘度Cs2O、用于改善该体系玻璃的低温析晶特性的CeF3；本方案的玻璃在拉丝和热熔初期不产生析晶，满足C-Lens柱形毛坯的热熔生产需求，易于即可用于拉制玻璃丝也可用于长棒形大块体玻璃棒体的制作。C-lens是一种以特殊光学玻璃材料制成的微透镜。其可广泛应用于准直器、隔离器、光开关、准直器阵列和激光组件中。与其它自聚焦透镜相比，C-lens具有低插损和较宽的工作距离范围等优点。
实施例一
一种C-Lens玻璃，玻璃组成按质量分数如表1所示：
表1.C-Lens玻璃配比
实施例二
一种C-Lens玻璃毛坯制备方法，步骤如下：
1)按照C-Lens玻璃配比，在1250℃进行玻璃熔炼澄清，1100℃出炉成型，按直径40mm，长度500mm规格加工成玻璃毛坯母棒，玻璃毛坯母棒端面和其侧壁柱面垂直；
2)将玻璃毛坯母棒装夹在玻璃拉丝机送棒机构；
3)利用拉丝机送棒机构将玻璃毛坯母棒送入拉丝机的拉丝炉高温区位置；
4)拉丝炉升温加热到950℃，使玻璃毛坯母棒底部加热收缩，玻璃毛坯母棒底部区域被熔融软化，在重力作用下牵引成玻璃丝，然后剪断料头，启动送棒机构，牵引玻璃丝依次通过激光测径仪、拔丝轮，最终在拔丝轮的摩擦力作用下牵引玻璃丝连续拉制；
5)玻璃丝的直径根据送棒的速度和拔丝轮牵引速度调整，保持每秒钟送棒的体积和拉丝的体积相等，即得到C-Lens柱形玻璃丝；
6)最后将该C-Lens柱形玻璃丝通过玻璃蒙砂器，C-Lens柱形玻璃丝与玻璃蒙砂器中得玻璃蒙粉相互摩擦产生蒙砂效果，从而获得合格的C-Lens毛坯玻璃丝。
具体工艺参见图2所示得的工艺流程图。
实施例三
一种C-Lens玻璃毛坯制备方法，所述的拉丝炉，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。
实施例四
一种拉丝机，用于制备C-Lens玻璃，包括：送棒机构、拉丝炉、激光测径仪、拔丝轮、玻璃蒙砂器；使用时将玻璃毛坯母棒装夹在玻璃送棒机构，利用送棒机构将玻璃毛坯母棒送入拉丝机的拉丝炉高温区位置；拉丝炉升温加热到950℃，使玻璃毛坯母棒底部加热收缩，玻璃毛坯母棒底部区域被熔融软化，在重力作用下牵引成玻璃丝，然后剪断料头，启动送棒机构，牵引玻璃丝依次通过激光测径仪、拔丝轮，最终在拔丝轮的摩擦力作用下牵引玻璃丝连续拉制；最后将该C-Lens柱形玻璃丝通过玻璃蒙砂器，玻璃蒙砂器中的玻璃蒙砂粉与玻璃丝相互摩擦，使玻璃丝表面产生蒙砂效果，将玻璃丝裁剪为设计长度，从而获得合格的C-Lens毛坯玻璃丝。
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C-Lens玻璃,属于TiO2-SiO2-Nb2O5玻璃体系，其特征在于：
所述C-Lens玻璃的配比以质量分数表示为：
10-25％的SiO2，5-15％的PbO，10-20％的TiO2，2-5％的Nb2O5，1-5％的WO3，1-10％的BaO+ZnO+MgO，0-25％的Na2O+K2O，0-2％的ZrO2，5-40％的Cs2O，0.2-2％的CeF3。
2.根据权利要求1所述的C-Lens玻璃，其特征在于：
所述C-Lens玻璃的配比以质量分数表示为：
20.49％的SiO2，8.63％的PbO，16.46％的TiO2，3.60％的Nb2O5，1.96％的WO3，6.25％的BaO，1.00％的ZnO，1.02％的MgO，2％的Na2O，1.59％的K2O，1％的ZrO2，35.76％的Cs2O及0.24％的CeF3。
3.一种C-Lens玻璃毛坯制备方法，其特征在于：所述方法包括：
1)按照权利要求1或2所述的C-Lens玻璃的配比的组分，并将其
在1200-1300℃进行玻璃熔炼澄清，然后出炉并按直径40-50mm、长度500-800mm的规格加工成玻璃毛坯母棒，且所述玻璃毛坯母棒的端面和其侧壁柱面垂直；
2)将玻璃毛坯母棒装夹在玻璃拉丝机送棒机构；
3)利用拉丝机送棒机构将所述玻璃毛坯母棒送入拉丝机的拉丝炉高温区；
4)将所述拉丝炉升温加热到预设的温度，使所述玻璃毛坯母棒的底部区域被熔融软化，并在重力作用下牵引成玻璃丝，且在拔丝轮的摩擦力作用下牵引玻璃丝连续拉制；
5)根据送棒机构的送棒速度和拔丝轮牵引速度调整，使得每秒钟送棒的体积和拉丝的体积相等，以得到C-Lens柱形玻璃丝；
6)将所述C-Lens柱形玻璃丝通过玻璃蒙砂粉，以获得C-Lens毛坯玻璃丝。
4.根据权利要求3所述的一种C-Lens玻璃毛坯制备方法，其特征在于：
步骤1)中还包括
在1100℃时出炉成型，并按直径40-50mm，长度500-800mm规格加工成玻璃毛坯母棒，且所述玻璃毛坯母棒的端面和其侧壁柱面垂直。
5.一种拉丝机，用于制备C-Lens玻璃，其特征在于，包括：
送棒机构、拉丝炉、激光测径仪、拔丝轮、玻璃蒙砂器；
使用时将权利要求1所述C-Lens玻璃的配比的玻璃毛坯母棒装夹在玻璃送棒机构，
利用送棒机构将玻璃毛坯母棒送入拉丝炉；
拉丝炉升温使玻璃毛坯母棒底部加热收缩，玻璃毛坯母棒底部区域被熔融软化，在重力作用下牵引成玻璃丝，然后剪断料头，启动送棒机构，牵引玻璃丝依次通过激光测径仪、拔丝轮，
最终在拔丝轮的摩擦力作用下牵引玻璃丝连续拉制，根据送棒机构的送棒速度和拔丝轮牵引速度调整，使得每秒钟送棒的体积和拉丝的体积相等，以得到C-Lens柱形玻璃丝；
最后将该C-Lens柱形玻璃丝通过玻璃蒙砂器，玻璃蒙砂器中的玻璃蒙砂粉与玻璃丝相互摩擦，使玻璃丝表面产生蒙砂效果；
所述的拉丝炉包括：石英玻璃管、炉管、合金炉胆、退火管、可收缩快门及带孔盖板，所述石英玻璃管的顶部设置有盖板，所述盖板上设有孔，所述孔的直径和玻璃母棒送棒机构匹配；所述炉管的顶部连接石英玻璃管；所述退火管、合金炉胆、石英玻璃管顺次连接，形成中空的腔体结构；所述合金炉胆呈管状结构，其连接于所述退火管顶部，且所述合金炉胆的内表面设置有周期性分布的内壁微结构单元；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；所述石英玻璃管的内壁设置有网状镂空结构；所述可收缩快门设置于所述退火管的底部；所述内置合金炉胆的炉管的外侧壁环绕有均匀分布加热电炉丝，所述退火管的外侧壁环绕有非均匀分布加热电炉丝，且自退火管底部起至退火管顶部环绕间距逐渐减小；
所述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；
所述石英玻璃管的网状镂空结构的形状包括：倒圆锥柱形或倒多边梯形。
6.根据权利要求5所述的一种拉丝机，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的内壁炉管。
7.根据权利要求6所述的一种拉丝机，其特征在于，所述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；
所述温控器与均匀分布加热电炉丝、非均匀分布加热电炉丝及电源组成闭合回路；
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；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。
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