CN116125589A - 大截面高分辨率的柔性光纤传像束及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤技术领域,公开一种大截面高分辨率的柔性光纤传像束及制备方法,包括纤芯,每根所述光纤芯的外部均包覆有光学包层,所述光学包层外表壁周侧具有随机分布的若干个凹部,使所述光学包层与光纤芯之间的折射率差增大;通过在光学包层外侧设置带有微气泡的酸溶玻璃层,令酸溶玻璃层的表面形成容易被酸溶液侵蚀的薄壁部,在酸溶过程中,酸溶液可以顺着容易被溶解的酸溶玻璃层部分向束芯部分溶解,加快溶解速度,避免存在硬芯的问题,在溶解过程中能够在第二光学包层表面形成凹部,能够增大光学包层之间的间距和光学包层之间的差异性,以此来降低芯间串扰,提高传像束的传输质量,能够获得大截面的高分辨率光纤传像束。

Description

大截面高分辨率的柔性光纤传像束及制备方法
技术领域
本发明涉及光纤传像束技术领域,具体而言涉及大截面高分辨率的柔性光纤传像束及制备方法。
背景技术
光纤传像束是将多根一定长度的多组分玻璃光纤相关排列集合成束,两端一一对应,能够传输图像的一种光学元件,光纤传像束作为传递图像的方式之一,可以在传像距离较长,环境恶劣(高低温、辐射、腐蚀、振动),需要柔性传像的场合下使用,具有高分辨率的大截面柔软光纤传像束在工业、医疗、军事领域都具有广泛应用,例如,光纤传像束制备的可弯曲瞄准系统,潜望镜,抗电磁、辐射传像系统等。
目前用于制备光纤传像束的方法主要有层叠法和酸溶法两种。层叠法制出的大截面光纤传像束单丝直径较粗,分辨率低,且不够柔软,不能满足使用需求,所以一般采用酸溶法制作柔性传像束。
酸溶法是首先拉制包括芯层、光学包层和可溶性玻璃层的三层同轴单丝,然后排列成束,热熔拉制成复合细丝,最后将复合细丝置于酸溶液内去除可溶性玻璃层(传像束两端除外),使得各个单丝分开,从而获得传像束的柔韧性。但该工艺在制作例如比如3mm以上传像束,传像束中间的可溶性玻璃会因为酸溶液无法顺利渗透进去而无法被腐蚀掉,因此在制作大截面方向上具有一定的难度,且光纤传像束的分辨率受限于纤芯密度和芯间串扰,以酸溶法可以制作线芯密度高光纤束,但高密度的纤芯排列导致芯间串扰增大,从而降低了图像的传输质量。
现有技术文献:
专利文献1CN111190251A一种大截面高分辨率柔性光纤传像束制造方法
专利文献2CN104181636A柔性高分辨率红外硫系玻璃光纤传像束及制备方法
专利文献3CN108680989A一种高分辨率传像玻璃光纤束
发明内容
本发明第一方面提供一种技术方案,一种大截面高分辨率的柔性光纤传像束的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、拉丝:
1.1):选取纤芯棒、包层玻璃管和管壁内具有微气泡的酸溶玻璃管;
1.2):在纤芯棒的外侧由内向外依次套装包层玻璃管和酸溶玻璃管;
1.3):以棒管法拉制成单丝;
步骤2、排丝:将步骤中拉制的单丝裁成所需的长度,并以六边形紧密排丝,形成一次复丝棒;
步骤3、复丝拉制:将步骤所制得的一次复丝棒的一端挂在拉丝机上,另一端通过电炉加热,拉制出硬质传像束;
步骤4、热熔:将步骤中所制得的小截面硬质传像束经过紧密排列后捆扎成一束,在热熔设备中两端同时加压热熔,将硬质传像束的两端融合在一起;
步骤5、酸溶:将步骤中所制得的端部热熔好的大截面硬质传像束的两个热熔端用耐酸材料保护好,浸入流动的酸溶液中溶解掉酸溶层,使纤芯成为离散的一根根单丝,并在包层的表面形成若干凹部,制成柔软可弯曲的大截面柔性光纤传像束。
优选的,步骤1中管壁内具有微气泡的所述酸溶玻璃管的制备方法包括:步骤a、通过在硅质原料中添加粒径在10~100nm的超细二氧化硅粉末;步骤b、在玻璃溶液未消泡状态下人工挑吹制成。
优选的,步骤1中的包层玻璃管包括由内至外分布的两层,且外层包层玻璃管的折射率小于等于内层包层玻璃管的折射率。
优选的,步骤3中的复丝拉制包括二次复丝:将硬质传像束以六边形紧密排列,然后将一端挂在拉丝机上,另一端通过电炉加热后,拉制出二次复丝束。
优选的,步骤6中酸溶液浓度为0.5N,酸溶液温度为30℃~40℃,酸溶液流动速度为0.8~1.2L/min。
本发明第二方面提供一种技术方案,一种大截面高分辨率的柔性光纤传像束,包括:
纤芯,所述纤芯包括多组密集排列的传像单元;
其中,所述传像单元包括多根呈正多边形排列的光纤芯,每根所述光纤芯的外部均包覆有光学包层,所述光学包层外表壁周侧具有随机分布的若干个凹部,使所述光学包层与光纤芯之间的折射率差增大;
所述凹部的深度小于所述光学包层厚度的1/2。
优选的,所述凹部被设置为点状或条状。
优选的,所述光学包层包括包覆在所述光纤芯外侧的第一光学包层以及包覆在所述第一光学包层外侧的第二光学包层,所述凹部被设置在所述第二光学包层的外表壁。
优选的,所述第二光学包层的折射率小于等于所述第一光学包层的折射率,所述第二光学包层与第一光学包层的厚度比在3/2~1/1。
优选的,所述正多边形包括正四边形或正六边形。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明提出的光纤传像束的制备方法,通过在光学包层外侧设置带有微气泡的酸溶玻璃层,令酸溶玻璃层的表面形成容易被酸溶液侵蚀的薄壁部,在酸溶过程中,酸溶液可以顺着容易被溶解的酸溶玻璃层部分向束芯部分溶解,加快溶解速度,避免存在硬芯的问题。
本发明提出的光纤传像束的制备方法,在溶解过程中能够在第二光学包层表面形成凹部,能够增大光学包层之间的间距和光学包层之间的差异性,以此来降低芯间串扰,提高传像束的传输质量,能够获得大截面的高分辨率光纤传像束。
本发明提出的柔性光纤传像束,能够提供大截面的光纤传像束,并保证传像束具有高分辨率,不会因纤芯密度较大导致的芯间串扰增大。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中,在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见,在每个图中,并非每个组成部分均被标记。现在,将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例,其中:
图1是本发明实施例所示大截面高分辨率的柔性光纤传像束的截面结构示意图;
图2是本发明实施例所示大截面高分辨率的柔性光纤传像束中传像单元的截面结构示意图;
图3是本发明实施例所示大截面高分辨率的柔性光纤传像束中传像单元的局部结构示意图;
图4是本发明实施例所示大截面高分辨率的柔性光纤传像束中光学包层表面凹部成型的结构示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容,特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
针对目前以棒管法制成的光纤芯,采用实心的可溶性玻璃层包覆在光学包层的外侧,在复丝熔压后进行酸溶,会导致外层的可溶性玻璃被溶完后,中间还存在硬芯的问题,本申请采用包含细微气泡的可溶性玻璃层,加快酸溶液侵蚀可溶性玻璃层的速度,并能在光学包层的外壁形成凹部,以避免硬芯存在的问题,同时增大光纤芯之间的折射率差,进一步降低芯间串扰,获得大截面高分辨率的柔性光纤传像束。
【大截面高分辨率的柔性光纤传像束的制备方法】
本发明第一方面提供一种技术方案,一种大截面高分辨率的柔性光纤传像束的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、拉丝:
1.1:选取高纯度二氧化硅的制作的纤芯棒(外径在18mm),掺杂有少量二氧化锗、五氧化二磷、三氧化二硼的包层玻璃管和三氧化二硼及氧化钡含量在40%以上的酸溶玻璃管(内径在23mm,壁厚为1.5mm),使纤芯棒的折射率大于包层玻璃管的折射率大于或等于酸溶玻璃管的折射率。
其中,包层玻璃管包括由内至外分布的两层(内层内径在19mm,壁厚在1.5mm,外层内径在21mm,壁厚在1.5mm),且外层包层玻璃管的折射率小于等于内层包层玻璃管的折射率。
进一步的,酸溶玻璃管通过在硅质原料中添加粒径在10~100nm的超细二氧化硅粉末,并在玻璃溶液未消泡状态下人工挑吹制成,使管壁内具有不规则分布的微气泡,气泡在管内占有的体积在1/3左右。
1.2:在纤芯棒的外侧由内向外依次套装包层玻璃管和酸溶玻璃管,相邻的管径差在0.5mm。
1.3:以棒管法拉制成单丝,控制单丝直径在0.5~1mm。
步骤2、排丝:将步骤1中拉制的单丝裁成所需的长度,并以六边形紧密排丝,形成一次复丝棒。
步骤3、复丝拉制:将步骤2所制得的一次复丝棒的一端挂在拉丝机上,另一端通过电炉加热,拉制出截面在0.2~1mm的硬质传像束,其中单丝直径在10~20μm。
其中,复丝拉制也可包括二次复丝:将硬质传像束以六边形紧密排列,然后将一端挂在拉丝机上,另一端通过电炉加热后,拉制出二次复丝束,可以获得分辨率更高的硬质传像束。
步骤5、热熔:将步骤3中所制得的小截面硬质传像束经过紧密排列后利用铜丝捆扎成一束,在热熔设备中两端同时加压热熔,从室温到380℃过程以5℃/min的升温速度缓慢升温,从380℃到600℃以10℃/min升温,保持温度600℃维持15分钟左右,以5℃/min的降温速度降至室温,将硬质传像束的两端融合在一起。
步骤6、酸溶:将步骤5中所制得的端部热熔好的大截面硬质传像束的两个热熔端用耐酸材料保护好,浸入流动的酸溶液中溶解掉酸溶层,使纤芯成为离散的一根根单丝,并在包层的表面形成若干凹部221,制成截面尺寸在5~30mm的大截面柔性光纤传像束,酸溶液采用盐酸溶液,浓度为0.5N,酸溶液温度为30℃~40℃,酸溶液流动速度为0.8~1.2L/min。
结合上述实施例,硬质传像束的截面分布如图4a中光纤芯1、第一光学包层21、第二光学包层22和酸溶玻璃层3,酸溶玻璃层3内部分布有气泡的部位为容易被酸溶液侵蚀的薄壁部31,在酸溶过程中,酸溶液容易浸入表壁带有气泡的酸溶玻璃层3,并顺着酸溶玻璃层3向内渗透,直至将整个硬质传像束表面的酸溶玻璃层3全部溶解,此过程中,由于酸溶玻璃层3内部具有气泡,相对于现有的实心玻璃层更容易被溶解,因此相对的溶解速度更快,对光学元件的侵蚀更小。
进一步的,酸溶液对酸溶玻璃层3溶解的过程中,具有气泡的部分溶解速度相对更快,因此,气泡分布位置的部分内层第二光学包层22表面会受到酸溶液的侵蚀,从而在表面形成凹部221,能够增大光学包层2之间的间距和光学包层2之间的差异性,以此来降低芯间串扰,提高传像束的传输质量。
【大截面高分辨率的柔性光纤传像束】
本发明第二方面提供一种技术方案,一种大截面高分辨率的柔性光纤传像束,包括纤芯100以及包覆在纤芯100外侧的封装层。
其中纤芯100包括多组密集排列的传像单元10,封装层被设置包覆在纤芯100的外侧,封装层可以采用金属或塑料材质,在纤芯100外侧形成管状结构,能够对纤芯100起到保护作用。
进一步的,传像单元10包括多根呈正多边形排列的光纤芯1,每根光纤芯1的外部均包覆有光学包层2,光学包层2外表壁周侧具有随机分布的若干个凹部221,使光学包层2与光纤芯1之间的折射率差增大,从而使每个纤芯具有更强的限光能力。
其中,凹部221被设置为点状或条状,凹部221可以存留空气,使光学包层2之间的差异性增大,以降低芯间串扰。
在优选的实施例中,光学包层2包括包覆在光纤芯1外侧的第一光学包层21以及包覆在第一光学包层21外侧的第二光学包层22,凹部221被设置在第二光学包层22的外表壁,凹部221的深度小于光学包层2厚度的1/2。
具体的,第一光学包层21和第二光学包层22的厚度和在传统包层的3/2,由此,外侧的第二光学包层22被酸溶液侵蚀出具凹部221,使光学包层2之间的差异性增大,以降低芯间串扰,如此,可以获得高分辨率的光纤传像束。
同时,第一光学包层21的不会被酸溶液破坏,可以保持完整的光学结构,具有良好的限光能力避免漏光,可以在侵蚀后的弯曲能力与传统纤芯保持一致。
进一步的,第二光学包层22的折射率小于等于第一光学包层21的折射率,第二光学包层22与第一光学包层21的厚度比在3/2~1/1,如此,可以尽量减少第一光学包层21被酸溶液侵蚀的可能,保持内层的第一光学包层21具有完整的光学结构,以获得更好的限光能力,同时使第二光学包层22表面被侵蚀出具凹部221,使光学包层2之间的差异性增大,来降低芯间串扰,并在整体上使双层设置的光学包层2仍具有较好的弯曲性能。
正多边形包括正四边形或正六边形,可以根据使用需求进行排列,其中正六边形的利用率更高。
结合以上实施例,通过在光学包层2外侧设置带有微气泡的酸溶玻璃层3,令酸溶玻璃层3的表面形成容易被酸溶液侵蚀的薄壁部31,在酸溶过程中,酸溶液可以顺着容易被溶解的酸溶玻璃层3部分向束芯部分溶解,加快溶解速度,避免存在硬芯的问题。
在溶解过程中,能够在第二光学包层22表面形成凹部221,能够增大光学包层2之间的间距和光学包层2之间的差异性,以此来降低芯间串扰,提高传像束的传输质量,能够获得大截面的高分辨率光纤传像束。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种大截面高分辨率的柔性光纤传像束的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、拉丝:
1.1):选取纤芯棒、包层玻璃管和管壁内具有微气泡的酸溶玻璃管;
1.2):在纤芯棒的外侧由内向外依次套装包层玻璃管和酸溶玻璃管;
1.3):以棒管法拉制成单丝;
步骤2、排丝:将步骤1中拉制的单丝裁成所需的长度,并以六边形紧密排丝,形成一次复丝棒;
步骤3、复丝拉制:将步骤2所制得的一次复丝棒的一端挂在拉丝机上,另一端通过电炉加热,拉制出硬质传像束;
步骤5、热熔:将步骤3中所制得的小截面硬质传像束经过紧密排列后捆扎成一束,在热熔设备中两端同时加压热熔,将硬质传像束的两端融合在一起;
步骤6、酸溶:将步骤5中所制得的端部热熔好的大截面硬质传像束的两个热熔端用耐酸材料保护好,浸入流动的酸溶液中溶解掉酸溶层,使纤芯成为离散的一根根单丝,并在包层的表面形成若干凹部(221),制成柔软可弯曲的大截面柔性光纤传像束。
2.根据权利要求1所述的大截面高分辨率的柔性光纤传像束的制备方法,其特征在于,步骤1中管壁内具有微气泡的所述酸溶玻璃管的制备方法包括:步骤a、通过在硅质原料中添加粒径在10~100nm的超细二氧化硅粉末;步骤b、在玻璃溶液未消泡状态下人工挑吹制成。
3.根据权利要求1所述的大截面高分辨率的柔性光纤传像束的制备方法,其特征在于,步骤1中的包层玻璃管包括由内至外分布的两层,且外层包层玻璃管的折射率小于等于内层包层玻璃管的折射率。
4.根据权利要求1所述的大截面高分辨率的柔性光纤传像束的制备方法,其特征在于,步骤3中的复丝拉制包括二次复丝:将硬质传像束以六边形紧密排列,然后将一端挂在拉丝机上,另一端通过电炉加热后,拉制出二次复丝束。
5.根据权利要求1所述的大截面高分辨率的柔性光纤传像束的制备方法,其特征在于,步骤6中酸溶液浓度为0.5N,酸溶液温度为30℃~40℃,酸溶液流动速度为0.8~1.2L/min。
6.一种大截面高分辨率的柔性光纤传像束,其特征在于,以权利要求1所述的大截面高分辨率的柔性光纤传像束的制备方法制成,包括:
纤芯(100),所述纤芯(100)包括多组密集排列的传像单元(10);
其中,所述传像单元(10)包括多根呈正多边形排列的光纤芯(1),每根所述光纤芯(1)的外部均包覆有光学包层(2),所述光学包层(2)外表壁周侧具有随机分布的若干个凹部(221),使所述光学包层(2)与光纤芯(1)之间的折射率差增大;
所述凹部(221)的深度小于所述光学包层(2)厚度的1/2。
7.根据权利要求6所述的大截面高分辨率的柔性光纤传像束,其特征在于,所述凹部(221)被设置为点状或条状。
8.根据权利要求6所述的大截面高分辨率的柔性光纤传像束,其特征在于,所述光学包层(2)包括包覆在所述光纤芯(1)外侧的第一光学包层(21)以及包覆在所述第一光学包层(21)外侧的第二光学包层(22),所述凹部(221)被设置在所述第二光学包层(22)的外表壁。
9.根据权利要求8所述的大截面高分辨率的柔性光纤传像束,其特征在于,所述第二光学包层(22)的折射率小于等于所述第一光学包层(21)的折射率,所述第二光学包层(22)与第一光学包层(21)的厚度比在3/2~1/1。
10.根据权利要求6所述的大截面高分辨率的柔性光纤传像束,其特征在于,所述正多边形包括正四边形或正六边形。
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