CN115806382A - 一种传像光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤技术领域，公开了一种传像光纤及其制备方法。本发明首先制备纯二氧化硅空心毛细管，然后以纯二氧化硅芯棒作为单芯母棒的芯棒，将若干纯二氧化硅空心毛细管围绕纯二氧化硅芯棒形成至少一层的空气孔包层，将纯二氧化硅芯棒和纯二氧化硅空心毛细管紧密堆叠在纯二氧化硅外套管内得到单芯母棒；之后拉制单芯母棒得到单芯玻璃丝，将若干单芯玻璃丝紧密堆叠在纯二氧化硅外套管内制备得到传像光纤预制棒；最后对传像光纤预制棒进行拉制得到传像光纤。本发明得到的传像光纤的纤芯数量大于等于3k，纤芯的直径为1～5um，能够实现高分辨传像。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种传像光纤及其制备方法。
背景技术
传像光纤，也称成像光纤、多芯传像束或光纤传像束，是一种无源光纤传像器件。无源光纤传像器件主要有两种类型，一种是刚性的光纤面板，一种是具有柔性的光纤传像束。表征传像光纤性能的指标尤为重要的有三项，分别是数值孔径、透过率及分辨率。传像光纤的数值孔径与光纤单丝数值孔径一致，其大小表明传像光纤集光能力的强弱；透过率是表征传像光纤透光性能高低的重要标志，透过率高则透光性好；分辨率是表征传像光纤传输图像质量的参数，指传像光纤能分辨空间两点像之间的最小距离，通常用每毫米内所能分辨的线距对数(lp/mm)来表示，分辨率越高传输质量越好，清晰度越高。
作为内窥镜的核心器件，传像光纤决定了内窥镜的分辨率、清晰度和使用寿命等性能。现有研究，例如专利CN113777699A、CN113777700A公开了用于制作内窥镜传像光纤束的单丝光纤，其只包含一个纤芯，直径一般在10um量级，单丝光纤的结构一般为纤芯-包层-涂层。单丝光纤按一定方式排列制备成两端固定、中间松散的光纤束用于传像，属于柔性传像光纤束，这种传像束因为是由单丝光纤(纤芯-包层-涂层的结构)通过排列制备的传像束，而单丝光纤尺寸做到10um以下极其困难，因此其分辨率不高；此外，这种传像束存在一定的断丝率。
发明内容
本发明通过提供一种传像光纤及其制备方法，解决现有技术中传像光纤的分辨率较低的问题。
本发明提供一种传像光纤的制备方法，包括以下步骤：
制备若干直径相同、长度相同的纯二氧化硅空心毛细管；
制备单芯母棒，所述单芯母棒的芯棒采用纯二氧化硅芯棒，若干所述纯二氧化硅空心毛细管围绕所述纯二氧化硅芯棒形成至少一层的空气孔包层，所述纯二氧化硅芯棒和所述纯二氧化硅空心毛细管紧密堆叠在第一外套管内，所述第一外套管采用纯二氧化硅外套管，所述空气孔包层、所述第一外套管均与所述纯二氧化硅芯棒同轴；
将所述单芯母棒拉制为单芯玻璃丝；
将长度相同的若干所述单芯玻璃丝紧密堆叠在第二外套管内制备得到传像光纤预制棒，所述第二外套管采用纯二氧化硅外套管；
对所述传像光纤预制棒进行拉制，得到传像光纤；所述传像光纤的纤芯数量大于等于3k，纤芯的直径为1～5um。
优选的，所述纯二氧化硅空心毛细管的内外径比为0.1～0.9；所述纯二氧化硅空心毛细管的两端封口。
优选的，所述单芯母棒的芯包比为0.3～0.9，所述空气孔包层的层数为1～5层，所述第一外套管的内外径比为0.3～0.85；所述纯二氧化硅芯棒、所述纯二氧化硅空心毛细管以及所述第一外套管的长度均相同。
优选的，所述单芯玻璃丝的直径为200um～900um。
优选的，所述第二外套管的内外径比为0.3～0.85。
优选的，拉制得到所述传像光纤后还包括：在所述传像光纤的光纤包层外涂覆高分子涂料形成涂覆层；所述涂覆层的厚度为20um～200um。
优选的，所述传像光纤的分辨率为100lp/mm～250lp/mm；所述传像光纤中单个纤芯的直径与芯间距之比为0.3～0.9。
优选的，所述传像光纤的数值孔径大于0.3，透过率大于60％，应用于可见光波段。
另一方面，本发明提供一种传像光纤，采用上述的传像光纤的制备方法制备得到，所述传像光纤包括：光纤包层和传像面；所述光纤包层为纯二氧化硅层；所述传像面由若干传像单元结构组成，所述传像单元结构包括纤芯、空心孔包层以及纯二氧化硅层。
优选的，所述传像面的直径与所述光纤包层的直径之比为0.5～0.95。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明首先制备纯二氧化硅空心毛细管，然后以纯二氧化硅芯棒作为单芯母棒的芯棒，将若干纯二氧化硅空心毛细管围绕纯二氧化硅芯棒形成至少一层的空气孔包层，将纯二氧化硅芯棒和纯二氧化硅空心毛细管紧密堆叠在纯二氧化硅外套管内，并确保三者同轴，得到单芯母棒；之后拉制单芯母棒得到单芯玻璃丝，将若干单芯玻璃丝紧密堆叠在纯二氧化硅外套管内制备得到传像光纤预制棒；最后对传像光纤预制棒进行拉制得到传像光纤。本发明得到的传像光纤的纤芯数量大于等于3k，纤芯的直径为1～5um，相对于常规用于制作内窥镜传像光纤束的单丝光纤，本发明得到的是单根传像光纤产品，在光纤内存在数千至数万的纤芯，且单个纤芯的直径可以低至1um，属于半柔性的传像光纤，无断丝，具有很高的分辨率；同时，本发明将空气作为传像单元结构中的包层，能够有效地抑制纤芯之间的串扰，实现高分辨传像。此外，本发明制备传像光纤的材料仅为纯二氧化硅和空气，相比传统的掺杂传像光纤其具备较好的抗辐射特性，可以从本质上解决传统光纤因辐射导致衰减增大的影响。纯二氧化硅纤芯与空气孔包层之间的较大折射率差使其具有较大的数值孔径，有效增大了光纤的视场角范围，使得传像元的视场范围更大。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种传像光纤的制备方法的工艺流程框图；
图2为本发明实施例提供的一种传像光纤的制备方法中单芯母棒的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种传像光纤的制备方法中单芯玻璃丝的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种传像光纤的制备方法制备得到的传像光纤的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供一种传像光纤的制备方法，参见图1，包括以下步骤：
(1)纯二氧化硅空心毛细管制备。
制备若干直径相同、长度相同的纯二氧化硅空心毛细管。
具体的，参见图2，采用纯二氧化硅套管在拉丝设备上拉制内外径比为0.1～0.9且外径为2mm～8mm的纯二氧化硅空心毛细管2，控制所述纯二氧化硅空心毛细管2的长度范围为800～1500mm。制备过程精密控制纯二氧化硅套管内的气压大小并稳定气压，制备直径均匀的所述纯二氧化硅空心毛细管2若干，将所述纯二氧化硅空心毛细管2的两端采用氢氧焰烧制封口，封口完成后清洗并干燥，保存备用。
(2)单芯母棒制备。
所述单芯母棒包括芯棒、空心孔包层以及第一外套管；所述芯棒为纯二氧化硅芯棒，所述纯二氧化硅空心毛细管围绕所述纯二氧化硅芯棒形成所述空气孔包层，所述芯棒与所述纯二氧化硅空心毛细管紧密堆叠在所述第一外套管内，第一外套管采用纯二氧化硅外套管。即本发明将纯二氧化硅芯棒—纯二氧化硅空心毛细管—纯二氧化硅外套管的结构预制棒制备成单芯母棒。
制备得到的所述单芯母棒中的所述空气孔包层、所述第一外套管均与所述纯二氧化硅芯棒同轴。所述空气孔包层的层数为1～5层；所述纯二氧化硅芯棒、所述纯二氧化硅空心毛细管以及所述第一外套管的长度均相同。
具体的，参见图2，将直径d为10～50mm、芯包比(d/D)为0.3～0.9、长度为800～1500mm的所述纯二氧化硅芯棒3作为纤芯，以若干所述纯二氧化硅空心毛细管2组成空气孔包层，将所述纯二氧化硅芯棒3与多个所述纯二氧化硅空心毛细管2堆叠在外径D为20～80mm、内外径比为0.3～0.85的纯二氧化硅外套管1内并固定住，避免拉制过程产生相对移动；在堆叠过程中需保持所述纯二氧化硅芯棒3与所述纯二氧化硅外套管1同轴，以此制备成空气孔包层的单芯母棒。
(3)单丝制备。
将所述单芯母棒拉制为单芯玻璃丝(即单丝)。
具体的，将上述制备得到的所述单芯母棒在拉丝设备上拉制成直径为200～900um均匀的单丝。单丝制备过程中精密控制所述单芯母棒中的气体压力，有效调制所制备的单丝的结构及圆度，避免因气压不稳导致结构改变。制备得到的单丝如图3示意，从外至内依次包括纯二氧化硅外套管1、纯二氧化硅空心毛细管2、纯二氧化硅芯棒3。
(4)传像光纤预制棒制备。
将长度相同的若干所述单芯玻璃丝紧密堆叠在第二外套管内制备得到传像光纤预制棒，所述第二外套管采用纯二氧化硅外套管。
具体的，将上述拉制的直径200～900um的均匀单丝切割成相等的长度，单丝的长度范围为300mm～1500mm，单丝的数量大于等于3k。将这些等长的单丝紧密堆叠在直径为20～80mm、内外径比为0.3～0.85、长度为500～1500mm的纯二氧化硅外套管内，堆叠过程避免单丝之间相互交叉，直至填充满整个纯二氧化硅外套管的内孔并将单丝固定在纯二氧化硅外套管内。
(5)传像光纤拉制。
将上述制备得到的所述传像光纤预制棒置于拉丝设备上拉制成光纤，再经涂覆器涂覆高分子涂料后得到具有一定机械强度的传像光纤。
具体的，将所述传像光纤预制棒置于拉丝设备上拉制成纤芯数量大于等于3k、纤芯直径范围为1～5um、光纤包层的直径为300～1000um、涂覆层厚度为20um～200um的传像光纤。在光纤拉丝过程中，精密控制传像光纤预制棒内的气压，以有效调控纤芯的尺寸、空气的占空比，同时避免因气压问题导致空气孔包层结构被破坏。
采用上述制备方法得到的传像光纤如图4所示，包括：光纤包层8和传像面；所述光纤包层8为纯二氧化硅层；所述传像面由若干传像单元结构组成，所述传像单元结构包括纤芯5、空心孔包层6以及纯二氧化硅层7。
即本发明中的传像面是由大于等于3k个独立的传像单元结构组成，单个所述传像单元结构中的所述空气孔包层6与所述纤芯5同轴，所述纤芯5的直径为1～5um。
所述传像光纤的分辨率为100lp/mm～250lp/mm；所述传像光纤中单个纤芯的直径与芯间距(d1/L)之比为0.3～0.9。
单个所述传像单元结构中的纯二氧化硅的所述纤芯5与所述空气孔包层6之间具有较大的折射率差，使得所述传像光纤的数值孔径大于0.3。所述传像光纤的透过率大于60％，应用于可见光波段。所述传像面的直径与所述光纤包层8的直径之比为0.5～0.95。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种传像光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备若干直径相同、长度相同的纯二氧化硅空心毛细管；
制备单芯母棒，所述单芯母棒的芯棒采用纯二氧化硅芯棒，若干所述纯二氧化硅空心毛细管围绕所述纯二氧化硅芯棒形成至少一层的空气孔包层，所述纯二氧化硅芯棒和所述纯二氧化硅空心毛细管紧密堆叠在第一外套管内，所述第一外套管采用纯二氧化硅外套管，所述空气孔包层、所述第一外套管均与所述纯二氧化硅芯棒同轴；
将所述单芯母棒拉制为单芯玻璃丝；
将长度相同的若干所述单芯玻璃丝紧密堆叠在第二外套管内制备得到传像光纤预制棒，所述第二外套管采用纯二氧化硅外套管；
对所述传像光纤预制棒进行拉制，得到传像光纤；所述传像光纤的纤芯数量大于等于3k，纤芯的直径为1～5um。
2.根据权利要求1所述的传像光纤的制备方法，其特征在于，所述纯二氧化硅空心毛细管的内外径比为0.1～0.9；所述纯二氧化硅空心毛细管的两端封口。
3.根据权利要求1所述的传像光纤的制备方法，其特征在于，所述单芯母棒的芯包比为0.3～0.9，所述空气孔包层的层数为1～5层，所述第一外套管的内外径比为0.3～0.85；所述纯二氧化硅芯棒、所述纯二氧化硅空心毛细管以及所述第一外套管的长度均相同。
4.根据权利要求1所述的传像光纤的制备方法，其特征在于，所述单芯玻璃丝的直径为200um～900um。
5.根据权利要求1所述的传像光纤的制备方法，其特征在于，所述第二外套管的内外径比为0.3～0.85。
6.根据权利要求1所述的传像光纤的制备方法，其特征在于，拉制得到所述传像光纤后还包括：在所述传像光纤的光纤包层外涂覆高分子涂料形成涂覆层；所述涂覆层的厚度为20um～200um。
7.根据权利要求1所述的传像光纤的制备方法，其特征在于，所述传像光纤的分辨率为100lp/mm～250lp/mm；所述传像光纤中单个纤芯的直径与芯间距之比为0.3～0.9。
8.根据权利要求1所述的传像光纤的制备方法，其特征在于，所述传像光纤的数值孔径大于0.3，透过率大于60％，应用于可见光波段。
9.一种传像光纤，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的传像光纤的制备方法制备得到，所述传像光纤包括：光纤包层和传像面；所述光纤包层为纯二氧化硅层；所述传像面由若干传像单元结构组成，所述传像单元结构包括纤芯、空心孔包层以及纯二氧化硅层。
10.根据权利要求9所述的传像光纤，其特征在于，所述传像面的直径与所述光纤包层的直径之比为0.5～0.95。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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