CN116457314A - 用于制造具有嵌套毛细管的反谐振空芯光纤的预成型件的方法；预成型件和中间产品 - Google Patents

用于制造具有嵌套毛细管的反谐振空芯光纤的预成型件的方法；预成型件和中间产品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及由毛细管坯件和套管组成的反谐振空芯光纤的制造。该毛细管坯件包括外部毛细管和嵌套内部毛细管，并且被拉伸到最大外径ODARE_cap和最大壁厚度WTARE_caP。该坯件安装在该套管的内侧上。为了保持该预先制造的毛细管坯件在组装简易性和精度方面的优点，同时保持由于卵形度而引起的相关联缺点为低且可预测的，建议该外部毛细管和该内部毛细管的几何内径和外径以及ODARE_cap和WTARE_caP以使得该毛细管坯件的该ARE外部毛细管具有小于1.025的卵形程度的方式相对于彼此对准。

Description

用于制造具有嵌套毛细管的反谐振空芯光纤的预成型件的方 法；预成型件和中间产品
背景技术
本发明属于光纤技术的领域，并且特别是属于反谐振空芯光纤的领域。所述光纤使得光能够在“中空”芯中被引导，该芯被抽空或填充有气体。这种光纤技术保证了低光衰减、非常宽的传输光谱(具体地也在UV或IR波长范围内)以及数据传输中的低延迟。此外，这些光纤适用于光谱学和短激光脉冲的传输。
特别地，本发明涉及一种用于制造反谐振空芯光纤的方法，该反谐振空芯光纤包括沿着该光纤的纵向轴线延伸的空芯和包围该空芯的护套区域，该护套区域包括多个反谐振元件，该方法包括以下步骤：
(a)提供套管，该套管包括该套管的内孔和该套管的纵向轴线，由内侧和外侧界定的套管壁沿着该纵向轴线延伸，
(b)提供管状反谐振元件预成型件，该管状反谐振元件预成型件的至少一部分作为包括至少一个ARE外部毛细管和连接到该ARE外部毛细管的内侧表面的至少一个嵌套NE内部毛细管的毛细管坯件存在，其中该毛细管坯件的制造包括以下方法步骤：
(b1)将具有外径ODNE和内径IDNE的NE内管固定在具有外径ODARE和内径IDARE的ARE外管的内侧表面上，以形成毛细管坯件整体，
(b2)热拉伸该毛细管坯件整体以形成该毛细管坯件，该毛细管坯件具有最大外径ODARE_cap和最大壁厚度WTARE_cap，
(c)将该毛细管坯件安装在该套管壁的内侧上的目标位置处以形成包括空芯区域和护套区域的初生预成型件，以及
(d)拉长该初生预成型件以形成该空芯光纤，或者进一步处理该初生预成型件以形成从中拉制该空芯光纤的次生预成型件。
本发明还涉及一种用于制造反谐振空芯光纤的预成型件的方法，该反谐振空芯光纤包括沿着该光纤的纵向轴线延伸的空芯和包围该空芯的内护套区域，该护套区域包括多个反谐振元件，该方法包括以下步骤：
(a)提供套管，该套管包括该套管的内孔和该套管的纵向轴线，由内侧和外侧界定的套管壁沿着该纵向轴线延伸，
(b)提供管状反谐振元件预成型件，该管状反谐振元件预成型件的至少一部分作为包括至少一个ARE外部毛细管和连接到该ARE外部毛细管的内侧表面的至少一个嵌套NE内部毛细管的毛细管坯件存在，其中该毛细管坯件的制造包括以下方法步骤：
(b1)将具有外径ODNE和内径IDNE的NE内管固定在具有外径ODARE和内径IDARE的ARE外管的内侧表面上，以形成毛细管坯件整体，
(b2)热拉伸该毛细管坯件整体以形成该毛细管坯件，该毛细管坯件具有最大外径ODARE_cap和最大壁厚度WTARE_cap，
(c)将该毛细管坯件安装在该套管壁的该内侧上的目标位置处以形成包括空芯区域和护套区域的初生预成型件，以及
(d)任选地进一步处理该初生预成型件以形成该空芯光纤的次生预成型件，其中该进一步处理包括单次或重复执行以下热成形过程中的一者或多者：
(i)拉长，
(ii)塌陷，
(iii)塌陷并同时拉长，
(iv)附加护套材料的塌陷，
(v)附加护套材料的塌陷和后续拉长，
(vi)附加护套材料的塌陷和同时拉长。
此外，本发明涉及一种作为用于制造反谐振空芯光纤的中间产品的毛细管坯件，该毛细管坯件包括至少一个ARE外部毛细管和连接到该ARE外部毛细管的内侧表面的至少一个嵌套内部毛细管。
此外，本发明涉及一种用于反谐振空芯光纤的预成型件，其中该预成型件具有空芯区域和护套区域，该护套区域包括具有套管壁的套管和布置在该套管壁的内侧上的多个管状反谐振元件预成型件。
由固体材料制成的常规单模光纤具有由玻璃制成的芯区域，其被由具有较低折射率的玻璃制成的护套区域包围。光引导由此基于芯区域和护套区域之间的全反射。然而，被引导的光与固体材料的相互作用与数据传输中的增加的延迟以及相对低的损坏阈值(相对于高能量辐射而言)相关联。
“空芯光纤”防止或减小了这些缺点，其中芯包括填充有气体或液体的抽空腔。空芯光纤中的光与玻璃的相互作用小于实芯光纤中的光与玻璃的相互作用。芯的折射率小于护套的折射率，使得通过全反射的光引导是不可能的，并且光正常将从芯逃逸到护套中。根据光引导的物理机制，空芯光纤被分成“光子带隙光纤”和“反谐振反射光纤”。
在“光子带隙光纤”的情况下，空芯区域被护套包围，在该护套中周期性地布置有小型中空通道。在半导体技术的基础上，护套中的中空通道的周期性结构产生被称为“光子带隙”的效应，根据该效应，在护套结构处散射的特定波长范围的光可由于中央腔中的布拉格反射而相长干涉并且不能在护套中横向传播。
在被称为“反谐振空芯光纤”(ARHCF)的空芯光纤的实施方案中，空芯区域被内护套区域包围，在该内护套区域中布置有所谓的“反谐振元件”(或“反谐振元件”；简称为“ARE”)。围绕空芯均匀分布的反谐振元件的壁可充当以反谐振进行操作的法布里-珀罗腔，其反射入射光并且引导该入射光通过光纤芯。
这种光纤技术保证了低光衰减、非常宽的传输光谱(甚至在UV或IR波长范围内)以及在数据传输中的低延迟。
空芯光纤在以下领域中使用：数据传输、高功率光束引导(例如用于材料处理)、模态过滤、非线性光学器件(特别是用于超连续谱生成，从紫外到红外波长范围)。此外，所述光纤适用于光谱应用并且适用于传输短激光脉冲。
现有技术
反谐振空芯光纤的缺点是高阶模不一定被抑制，使得它们在长传输长度上通常不是纯单模的，并且输出光束的质量劣化。
在Francesco Poletti的论文“嵌套反谐振无节点空芯光纤(Nested anti-resonant nodeless hollow core fiber)”，《光学快报》，第22卷，第20期(2014年)；DOI：10.1364/OE 22.023807中提出了一种光纤设计，其中反谐振元件不被设计为简单的单结构元件，而是由多个嵌套结构元件组成。嵌套反谐振元件被设计成使得高阶芯模(而不是基本芯模)与护套模相位匹配并且被抑制。因此，总是确保了基本芯模的传播，并且空芯光纤可在有限波长范围内有效地为单模的。
此类“嵌套反谐振无节点空芯光纤”(NANF)的预成型件由多个反谐振元件(ARE)组成。它们通常以所谓的“堆叠和拉制”方法制造。例如，对于“NANF”设计中的空芯光纤的预成型件的制造，多个反谐振元件预成型件附接到套管的内侧，该多个反谐振元件预成型件各自由反谐振元件外管(下文简称为ARE外管)和布置在该ARE外管的内侧表面的一侧上的反谐振元件内管(下文简称为NE内管)构成。
反谐振预成型件中的每一者具有与其设定点几何形状的特定偏差，并且每个定位和成型步骤不可避免地导致几何形状偏差，这些几何形状偏差可合计为预成型件中的绝对几何形状误差。在将输出元件定位和固定在其相应目标位置处时，特别是在输出元件相对彼此的紧凑布置和短距离的情况下，这对准确度提出了高要求。为了实现低衰减值和宽透射范围，除了反谐振元件的均匀壁厚度之外，特别是它们在套管的内壁上的方位角位置也是关键的。NE内管在ARE外管上的附接点应具有与ARE外管在护套管的内壁上的附接点相同的方位角位置。此外，单独附接点之间的距离和ARE外管之间的外围距离两者必须尽可能均匀。这不能通过“堆叠和拉制”技术轻易实现。
在这方面的简化源于这样一种技术，其中制造了预先制造的毛细管坯件，该毛细管坯件包括ARE外部毛细管和固定到ARE外部毛细管的内壁的至少一个NE内部毛细管。例如，在量子电子学，2016年，第46卷，第3期，第267-270页的A.F.Kosolapov、G.K.Alagashev、A.N.Kolyadin、A.D.Pryamikov、A.S.Biriukov、I.A.Bufetov、E.M.Dianov的论文“具有双毛细管反射包层的空芯旋转器光纤(Hollow-core revolver fibre with a double-capillary reflective cladding)”中描述了这种技术。在这种情况下，毛细管坯件的预先制造在于由石英玻璃制成的ARE外管和焊接到其内壁的由石英玻璃制成的NE内管被一起拉长以形成毛细管坯件。因此，拉长的毛细管坯件由ARE外部毛细管和固定连接到该ARE外部毛细管的NE内部毛细管组成。五个拉长的毛细管坯件安装在由石英玻璃制成的套管的内壁上。具有五重对称性的模板用于这种安装。毛细管坯件与内壁熔合并且该整体被拉长以形成初生预成型件，随后从该初生预成型件拉制空芯光纤。
技术目标
尽管预先制造的毛细管坯件在组装简易性和精度方面具有优点，但已经表明，当部件整体被拉长时，可能容易发生初始圆形的管横截面的卵形(椭圆形)变形。在软化和拉伸期间，NE内管在ARE外管的内侧表面上熔化。由于这种接触，可导致横截面变形并且导致卵形横截面形状的力作用在ARE外管的内侧表面上。
因此，在已知方法中，拉长的毛细管坯件具有椭圆形横截面，该椭圆形横截面具有6.28mm的长横截面轴线和6.12mm的短横截面轴线。最长横截面轴线AL和最短横截面轴线AK的轴线长度比率AL/AK因此为1.026。该轴线比率在本文中也称为“卵形度”或“卵形程度”。
毛细管坯件的卵形度使得在套管内壁上的精确安装更加困难。例如，用于安装的模板通常被设计为圆形横截面。并且所述模板使得难以确定其外径以用于后续拉制过程，并且因此妨碍以空芯光纤的形式的拉制结果的精确且可再现的预测。
然而，为了维持谐振或反谐振条件，甚至在要被引导的光的操作波长的数量级上的小尺寸变化不能被容忍。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于制造反谐振空芯光纤的方法和反谐振空芯光纤的预成型件，利用该方法和预成型件，预先制造的毛细管坯件的优点可在组装简易性和精度方面被维持，但由于卵形度而引起的相关联缺点可被保持得如此低并且可预测，使得可以可再现地实现反谐振元件的高精度和空芯光纤中的精确定位。
此外，将要提供具有低卵形度的毛细管坯件，这有利于套管在预定方位角位置处的精确定位以及对拉制结果的可再现预测。
此外，本发明的目的是指定一种预成型件，从该预成型件可拉制具有尽可能精确定位的几何上精确的反谐振元件的反谐振空芯光纤。
发明内容
关于用于制造反谐振空芯光纤的方法，该目的根据本发明基于上述类型的方法来实现，其中横截面尺寸ODNE、IDNE、ODARE、IDARE以及ODARE_cap和WTARE_cap以使得毛细管坯件(5)的ARE外部毛细管(11)具有小于1.025的卵形程度的方式进行对准。
用于制造反谐振空芯光纤的起点是在本文中被称为“初生预成型件”的预成型件。通常，初生预成型件的制造包括将反谐振元件预成型件安装和连接到套管。反谐振元件预成型件的至少一部分以具有嵌套反谐振元件的预先制造的毛细管坯件的形式存在。这在此处被理解为是指包括ARE外部毛细管的坯件，在该ARE外部毛细管的内侧表面上固定有至少一个NE内部毛细管，并且该NE内部毛细管平行于外部毛细管的纵向轴线延伸。在多个嵌套反谐振元件的情况下，同样平行于外部毛细管的纵向轴线延伸的至少一个另外的内NE内部毛细管被固定到外NE内部毛细管的内侧表面。ARE外部毛细管和一个或多个NE内部毛细管熔合在一起并且形成反谐振元件预成型件。
使用预先制造的毛细管坯件制造的初生预成型件可被直接拉制以形成空芯光纤。原则上，初生预成型件可被进一步处理以由其制造在本文中被称为“次生预成型件”的预成型件。任选地，从次生预成型件拉制空芯光纤。次生预成型件的制造包括通过其制造空芯光纤的输出元件并将该输出元件相对于彼此定位的方法步骤，以及至少一个热成形步骤。
初生预成型件和次生预成型件是单体式主体或者是部件的同轴整体的一部分，具有一个收集圆筒或者具有多个收集圆筒，其被拉制以直接形成空芯光纤。通用术语“预成型件”在本文中应理解为是指最终从中拉制空芯光纤的该部件或该部件的同轴整体。
例如，护套材料的添加通过使收集圆筒塌陷到初生预成型件上来实现。当收集圆筒塌陷时，初生预成型件和收集圆筒的同轴布置被拉长或不被拉长。这里，反谐振元件预成型件的形状或布置被改变，或者它们的形状或布置不被改变。
为了制造具有简单嵌套NE内部毛细管的毛细管坯件，使用具有圆形横截面的出口管，其在此处被称为ARE外管和NE内管。NE内管固定到ARE外管的内侧表面。连接优选地在整体的两个相对端面端部上进行，并且连接例如借助于结构保持装置，并且优选地通过局部点粘结或热粘结(点焊)进行。
该部件整体按区进行软化并且被拉伸(拉长)以形成预先制造的毛细管坯件，其中ARE外部毛细管和NE内部毛细管相对于彼此具有固定的、预定的和可验证的位置和取向。预先制造消除了在组装期间对于制造初生预成型件本来将是必要的定位和对准措施。在这方面，有利于这些组装步骤，并且改进了反谐振元件预成型件的尺寸稳定性。
然而，已经表明，当部件整体被拉长时，可容易地发生初始圆形管横截面的卵形(椭圆形)变形。虽然这也涉及NE内部毛细管，但它特别地涉及ARE外部毛细管。已经表明，ARE外部毛细管的卵形变形的程度基本上由出口管的横截面几何形状(ODNE、IDNE、ODARE、IDARE)和ARE外部毛细管的横截面几何形状(ODARE_cap、WTARE_cap)以及由在热拉伸期间的锥度比确定(但也作为出口管和ARE外部毛细管的横截面几何形状的函数)。相比之下，拉制参数(诸如温度、进给和拉出速度)对卵形度具有相对小的影响。然而，其他拉制参数(诸如压力和气体流量)对ARE外部毛细管的卵形度具有明显的影响。例如，气体流量可引起局部冷却，这影响ARE外部毛细管的几何形状。通过另外预定拉制参数，ARE外部毛细管的卵形度主要是出口管和ARE外部毛细管的几何横截面尺寸的函数。
本发明指定了以下的教导内容：将如何设置所述几何参数以使得ARE外部毛细管的预定最大卵形度(例如1.025)可在通过热拉伸制造的毛细管坯件中被可再现地维持。
在优选的方法变型中，规定了结合以下因子(F1)至(F4)来设置几何尺寸：
(F1)NE内管的平衡压力peg_NE与ARE外管的平衡压力peq_ARE的比率，
(F2)ARE外管和NE内管之间的距离相对于ARE外管的内径(IDARE-ODNE)/IDARE，
(F3)在根据方法步骤(b2)的毛细管坯件整体的热拉伸期间的锥度比ODARE/ODARE_cap，
(F4)毛细管坯件的外径和壁厚度的比率ODARE_cap/WTARE_cap。
平衡压力peq是在玻璃管的拉长期间施加以使得玻璃管既不塌陷也不膨胀的压力。NE内管的平衡压力peq；NE由下式产生：
peq；NE＝(2/ODNE+2/IDNE)×σ (1)，
并且ARE外管的平衡压力peq；ARE由下式产生：
peq,ARE ＝ (2/ODARE + 2/IDARE)× σ (2)，
其中σ是拉制温度下的表面张力，其可以0.4N/m适用于石英玻璃。
有利地，由石英玻璃制成的ARE外管或由石英玻璃制成的NE内管的直径尺寸被选择成使得平衡压力peq,NE在60Pa至90Pa的范围内，优选地在65Pa至80Pa的范围内，并且平衡压力peq_ARE在25Pa至50Pa的范围内，优选地在30Pa至40Pa的范围内。
根据因子(F1)的平衡压力的比率peq；NE/peq；ARE是毛细管坯件中的单个毛细管的表面张力的有效性的量度。值越大，内部毛细管(NE)对外部毛细管(ARE)的卵形度的影响越占优势。
因此，平衡压力peq；NE和peq；ARE被有利地设置成使得因子(F1)取在1.5至2.5的范围内的值，优选地取在1.5至2的范围内的值。
一方面，ARE外管和NE内管之间的自由距离越大，光纤的最终处理就变得越复杂和越困难，因为内径IDNE_cap随着与ARE外部毛细管相距的更大自由距离而变得更小。因此，例如，具有压力连接的耐高温连接在技术上更加复杂。另一方面，平衡压力的比率随着AR外管与NE内管相距的更大自由距离而变得更大。
鉴于此，已证明有利的是，将因子(F2)设置为在0.2至0.5的范围内的值，优选地设置为在0.3至0.4的范围内的值。
为了减小绝对几何误差，在热拉伸期间，大锥度比ODARE/ODARE_cap是期望的。另一方面，大拉制缩减比率与对应的大成形过程和材料移动相关联，这可容易地导致精密反谐振元件预成型件中的不期望变形。
已经证明，合适的折衷是，将根据因子(F3)的锥度比设置为在5至10的范围内的值，优选地设置为在5至8的范围内的值。
毛细管坯件的外径和壁厚度的比率ODARE_cap/WTARE_cap是毛细管坯件的尺寸稳定性的量度。壁与外径相比越薄，就越容易发生变形。
关于可能的最低卵形度，已经证明成功的是，将因子(F4)设置为在15至25的范围内的值，优选地设置为在15至20的范围内的值。
此外，测量值提供所拉制的毛细管的尺寸稳定性的指示。
在特别优选的方法变型中，因子(F1)至(F4)被设置成使得毛细管坯件具有小于1.020的卵形程度。
已经表明，因子(F1)至(F4)的数学乘积是卵形程度的量度。产品越小，毛细管坯件中的ARE外部毛细管的卵形度就越小。该度量在下文中被称为“几何参数”(P(几何))。
因子(F1)至(F4)中的每个单独因子对几何参数具有影响。因子越小，其对ARE外部毛细管的卵形度的贡献就越少。在几何参数的基础上，本领域技术人员可以可靠地估计出口管(NE内管和ARE外管)的横截面尺寸将如何影响通过其计划锥度比的卵形程度。因此可防止经验主义的测试和失败，或者至少可减小其数量。例如，在几何参数为94的情况下，预期卵形度为1.04。如果卵形度将小于1.025，则几何参数必须不大于77.5。如果仅1.010的卵形度是可接受的，则几何参数将被设置为55或更小。
为了实现最小卵形度，因此将几何参数设置为在35至75的范围内、优选地在40至60的范围内的值。
特别是在此类多个嵌套毛细管坯件的情况下，与单独部件相比，用于定位和对准的努力显著减小。
在其进一步处理以形成初生预成型件期间，多个预先制造的毛细管坯件安装在套管的内侧表面上。
将借助于方法制造的初生预成型件优选地具有在26mm至230mm的范围内、特别优选地在30mm至200mm的范围内的外径。
在拉长初生预成型件以形成空芯光纤或形成次生预成型件期间，施加附加的护套材料或不施加附加的护套材料。在拉长期间，在加热区中按区加热初生预成型件。直径越大，进入加热区的前进速率就越慢，并且预成型件的每个轴向部分暴露于加热区的高温的持续时间就越长。然而，如果前进速率在拉长期间为太慢的，则反谐振元件预成型件将变形。因此，初生预成型件的直径优选地为至多230mm，优选地为至多200mm。并且初生预成型件的直径优选地为至少26mm，特别优选地为至少30mm。这是因为已经发现，关于较小直径，预成型件的热惯性太低而无法补偿加热区中的任何温度波动。
当根据方法步骤(d)拉制初生预成型件或次生预成型件以形成空芯光纤时，优选在ARE外部毛细管中以及在NE内部毛细管中相对于拉长的空芯区域产生和维持过压。ARE外部毛细管中的压力通常不同于NE内部毛细管中的压力。获得具有空芯区域和内护套区域的空芯光纤，其中先前的ARE外部毛细管形成具有优选圆形或轻微卵形的横截面的反谐振元件。
通过经由机加工，特别是经由钻孔、铣削、磨削、珩磨和/或抛光来制造套管的内侧和/或套管的外侧和/或ARE外管的内侧和/或ARE外管的外侧，进一步改进预成型件在套管的内侧表面上的定位的准确度。
与其他已知的成形技术相比，所述机加工技术通过使用热和压力来提供更精确和更精细的结构，并且它们避免模制工具(诸如喷嘴、压机或熔合模具)对表面的污染。
此外，规程已被证明是成功的，其中ARE外管由包含至少一种降低石英玻璃粘度的掺杂剂的石英玻璃组成，和/或至少一个NE内管由包含至少一种增加石英玻璃粘度的掺杂剂的石英玻璃组成。
用于降低石英玻璃粘度的掺杂剂优选地为氟、氯和/或羟基基团。增加石英玻璃粘度的掺杂剂被认为是Al2O3(多至按重量计15ppm的浓度)和氮。
掺杂使得可以适配邻近预成型件部件的热膨胀系数以便避免或减小应力。其还可用于相对于至少一个嵌套NE内管的热稳定性来减小ARE外管的热稳定性。
在这方面，例如有利的是如果在1250℃的测量温度下，ARE外管的石英玻璃具有比嵌套NE内管的石英玻璃低至少0.1dPa·s的粘度，优选地低至少0.2dPa·s的粘度(如果粘度被给出作为对数值，以dPa·s计)。
在优选的方法中，进一步改进了毛细管坯件在套管中的定位的准确度，其中ARE外部毛细管具有在0.2mm至3mm的范围内的壁厚度，优选地在0.25mm至1mm的范围内的壁厚度，并且其中使用具有在90mm至230mm的范围内的外径并且优选地具有在120mm至200mm的范围内的外径的套管。所述部件各自具有至少700mm、优选至少1m的长度。它们是相对大体积的结构元件，这简化了其处理。此外，通过套管和毛细管坯件的竖直布置，当毛细管坯件各自定位并固定在其上面端部处的目标位置处时，重力支持毛细管的纵向轴线的平行和竖直对准。
关于空芯光纤的预成型件的制造，根据本发明基于上述类型的方法实现了以上指定的技术目的，其中几何尺寸ODNE、IDNE、ODARE、IDARE以及ODARE_cap和WTARE_cap以使得毛细管坯件的ARE外部毛细管具有小于1.025的卵形程度的方式进行配置。
为此目的，提供了预先制造的毛细管坯件，其中ARE外部毛细管与至少一个NE内部毛细管熔合，并且其中ARE外部毛细管和NE内部毛细管相对于彼此具有固定的、预定的和可验证的位置和取向。
预先制造消除了在组装期间对于制造初生预成型件本来将是必要的定位和对准措施。在这方面，有利于这些组装步骤，并且改进了反谐振元件预成型件的尺寸稳定性。
预先制造的毛细管坯件的制造包括由ARE外管和NE内管组成的部件整体的热拉伸，这可容易地导致初始圆形的管横截面的卵形(椭圆形)变形。这涉及NE内部毛细管，但特别地涉及ARE外部毛细管。已经表明，ARE外部毛细管的卵形变形的程度基本上由出口管的横截面几何形状(ODNE、IDNE、ODARE、IDARE)和ARE外部毛细管的横截面几何形状(ODARE_cap、WTARE_cap)以及由在热拉伸期间的锥度比确定(但也作为出口管和ARE外部毛细管的横截面几何形状的函数)。相比之下，拉制参数(诸如温度、进给和拉出速度)对卵形度具有相对小的影响。然而，其他拉制参数(诸如压力和气体流量)对ARE外部毛细管的卵形度具有明显的影响。例如，气体流量可引起局部冷却，这影响ARE外部毛细管的几何形状。然而，通过另外预定拉制参数，ARE外部毛细管的卵形度主要是出口管和拉长的ARE外部毛细管的几何横截面尺寸的函数。
本发明指定了以下的教导内容：将如何设置所述几何参数以使得ARE外部毛细管的预定最大卵形度(例如1.025)可在通过热拉伸制造的毛细管坯件中被可再现地维持。
以上结合空芯光纤的制造解释了用于制造预成型件的措施，并且这些解释被包括在本文中。
关于作为用于制造反谐振空芯光纤的中间产品的预先制造的毛细管坯件，根据本发明基一开始就提到过的类型的毛细管坯件实现了以上指定的技术目的，其中ARE外部毛细管具有小于1.025的卵形程度。
在预先制造的毛细管坯件中，至少两个毛细管彼此材料整体地连接并且形成管状部件。预先制造消除了在组装期间对于制造初生预成型件本来将是必要的定位和对准措施。在这方面，有利于这些组装步骤，并且改进了反谐振元件预成型件的尺寸稳定性。
毛细管坯件的ARE外部毛细管的横截面是圆形的或至多具有小于1.025、优选小于1.020的低卵形程度。因此有利于毛细管坯件在套管的内壁上的精确定位和其外径对于后续拉制过程的固定以及拉制结果的精确且可再现的预测和空芯光纤的更精确制造。
以上结合空芯光纤的制造解释了用于制造预成型件的毛细管坯件和措施，并且这些解释由此被并入。
关于预成型件，根据本发明基于上述类型的预成型件实现上述技术目的，其中反谐振元件预成型件的至少一部分被设计为根据本发明的毛细管坯件。
预成型件是本发明含义内的初生预成型件。预成型件的护套区域包括套管，该套管可被至少一个另外的套管包封。反谐振元件预成型件布置在套管的内侧上并且例如通过胶粘或热粘结来连接到该套管。所述反谐振元件预成型件的至少一部分(优选地所有反谐振元件预成型件)为预先制造的毛细管坯件的形式，其中至少两个毛细管彼此整体地连接。预先制造消除了在组装期间对于制造初生预成型件本来将是必要的定位和对准措施。在这方面，有利于这些组装步骤，并且改进了反谐振元件预成型件的尺寸稳定性。
毛细管坯件的ARE外部毛细管的横截面是圆形的或至多具有小于1.025、优选小于1.020的低卵形程度。因此有利于毛细管坯件在套管的内壁上的精确定位和其外径对于后续拉制过程的固定以及拉制结果的精确且可再现的预测和空芯光纤的更精确制造。
以上结合空芯光纤的制造解释了用于制造预成型件的毛细管坯件和措施，并且这些解释由此被并入。
定义
以下另外定义以上描述的各个方法步骤和术语。这些定义形成本发明的说明书的一部分。在以下定义中的一者与剩余说明书之间存在事实矛盾的情况下，在说明书中表达的定义是确定的。
反谐振元件
反谐振元件可以是空芯光纤的简单或嵌套的结构元件。它们具有至少两个壁，从空芯的方向看，该至少两个壁具有负曲率(凸形)或不具有曲率(平面、直线)。它们通常由对工作光透明的材料(例如玻璃，特别是掺杂或未掺杂的SiO2，塑料，特别是聚合物、复合材料、或结晶材料)组成。
反谐振元件预成型件
所谓的反谐振元件预成型件是预成型件的在光纤拉制过程期间通过简单拉长而基本上变成空芯光纤中的反谐振元件的部件或组成部分。嵌套反谐振元件预成型件形成空芯光纤中的嵌套反谐振元件。它们由ARE外管和布置在ARE外管的内孔中的至少一个另外的结构元件组成。另外的结构元件可以是抵靠外管的内表面支承的另外管。另外管被简称为“嵌套元件”或“NE内管”或者也被称为“嵌套NE内管”。
在多嵌套反谐振元件预成型件的情况下，至少一个另外的结构元件(例如抵靠嵌套NE内管的内表面邻接的第三管)可布置在NE内管的内孔中。在存在多个嵌套反谐振元件预成型件的情况下，为了区分布置在ARE外管内的多个管，任选地区分“外NE内管”和“内NE内管”。
与圆柱形反谐振元件预成型件及其圆柱形结构元件和毛细管坯件相结合的术语“横截面”总是指垂直于圆筒的相关纵向轴线的横截面，即除非另有说明，管状部件中的外轮廓的横截面(不是内轮廓的横截面)。
初生预成型件的进一步处理(特别是通过热成形步骤)可产生中间产品，其中初始反谐振元件预成型件以与初始形状相比已经修改的形状存在。改变的形状在这里也被称为反谐振元件预成型件。
预成型件/初生预成型件/次生预成型件/芯预成型件(坯棒)
预成型件是从中拉制反谐振空芯光纤的部件。它是初生预成型件或通过初生预成型件的进一步处理来制造的次生预成型件。初生预成型件可作为整体存在，该整体由至少一个套管和松散地容纳或牢固地紧固在该套管中的反谐振元件的预成型件或前体组成。将初生预成型件进一步处理成从中拉制空芯光纤的次生预成型件可包括单次或重复地执行以下热成形过程中的一者或多者：
(i)拉长，
(ii)塌陷，
(iii)塌陷并同时拉长，
(iv)附加护套材料的塌陷，
(v)附加护套材料的塌陷和后续拉长，
(vi)附加护套材料的塌陷和同时拉长。
作为坯棒，该文献涉及一种预成型件，该预成型件通过初生预成型件的塌陷和/或拉长来获得并且因此落在次生预成型件的定义下。典型地，其在空芯光纤的拉制之前或期间用附加护套材料覆盖。
拉长/塌陷
在拉长期间，对初生预成型件进行热拉伸。拉伸可在不同时塌陷的情况下进行。拉长可按真实比例进行，使得例如初生预成型件的部件或组成部分的形状和布置反映在拉伸的、拉长的最终产品中。然而，在拉长期间，也可不按真实比例地拉制初生预成型件，并且可修改其几何形状。
在塌陷期间，内孔变窄或者管状部件之间的环形间隙闭合或变窄。塌陷通常伴随着拉长。
空芯/内护套区域/外护套区域
包括至少一个套管和松散地容纳或牢固地紧固在该套管中的ARE预成型件的整体在本文中也被称为“初生预成型件”。初生预成型件包括空芯和护套区域。如果还存在已经制造(例如，通过塌陷到整体上)的“外护套区域”，并且如果要区分所述护套区域，则该护套区域也被称为“内护套区域”。术语“内护套区域”和“外护套区域”也用于空芯光纤中或通过初生预成型件的进一步处理获得的中间产品中的对应区域。
名称“管的内侧”也用作“管的内表面”的同义词，并且名称“管的外侧”也用作“管的外表面”的同义词。与管结合的术语“内孔”并不意味着内孔已经通过钻孔过程来产生。
平衡压力
平衡压力peq是在玻璃管的拉长期间施加以使得玻璃管既不塌陷也不膨胀的压力。
根据K.Schuster；J.Kobelke；A.Schwuchow；M.Leich；M.Becker；M.Rothhardt；U.J.Kirchhof；H.Bartelt；T.Geernaert的“锗和氟掺杂的微结构光纤的制备和应用(Preparation and applications of germanium and fluorine doped microstructuredfibers)”；国际光学工程学会会议论文集6588，光子晶体光纤，658804(2007年5月22日)；doi：10.1117/12.722470；基于玻璃管的内半径(r内)和外半径(r外)根据下式执行计算：
peq＝(1/r外+1/r内)×σ (4)，
其中σ是拉制温度下的表面张力。在拉制温度下，σ＝0.4N/m可适用于石英玻璃。
卵形程度
在具有圆形横截面的管中，卵形程度为1。在具有椭圆形横截面的管的情况下，卵形程度由最长横截面轴线AL和最短横截面轴线AK的比率产生。毛细管坯件的卵形程度由其ARE外部毛细管的卵形程度产生。
示例性实施方案
下文参考示例性实施方案和附图更详细地解释本发明。详细说明：
图1以横截面视图示出了用于制造毛细管坯件的ARE外管和NE内管的松散整体的照片，
图2示出了在使用热接合过程将管端部彼此固定之后的图1的ARE外管和NE内管的整体的照片，
图3示出了用于解释用于使用图2的整体来制造毛细管坯件的方法步骤的草图，
图4a示出了用于制造以理想化形式的毛细管坯件的多个整体的横截面，
图4b示出了使用图4a的整体来制造的毛细管坯件的横截面的照片，
图5示出了用于解释卵形程度与几何参数之间的关系的图表，并且
图6示出了使用多个毛细管坯件来制造的初生预成型件的示意性横截面视图。
图1示出了用于制造预先制造的毛细管坯件的前体。前体是以多个嵌套出口管(即ARE外管1和NE内管2)的松散整体4的形式。所有管(1；2)由石英玻璃组成并且具有圆形横截面。其纵向轴线平行延伸并且在给定视图中垂直于纸平面延伸。NE内管2通过其外侧表面抵靠ARE外管1的内侧表面邻接。出口管(1；2)在其直径方面不同，但壁厚度和长度基本上相同。图4a和表1包含关于出口管(1；2)和其他整体的出口管的径向尺寸的详细信息。
出口管(1；2)在两个端面的区域中以点状方式彼此熔合。局部连接点在图2中由附图标记6标记。
图3示意性地示出了用于进一步处理整体4以形成毛细管坯件5的方法步骤。借助于连接点6固定的出口管整体4通过竖直取向的纵向轴线从顶部到底部输送到环形加热区7，在该环形加热区中按区进行软化，并且借助于拉出辊8从软化区域中移除铸坯(5)，从该铸坯中切下毛细管坯件5。在拉伸过程期间，通过25ml/min的恒定氦气气体流量冲洗毛细管坯件的内孔。出口管(1；2)的内孔在该过程期间保持打开，使得在其中建立大致相同的内部压力。
在软化和拉伸过程之后，获得毛细管坯件5，其中先前的出口管(1；2)沿着其接触表面被拉长并且熔合在一起。由于在软化区域中有效的表面张力，它们将其横截面形状改变为卵形形状。
这示出了来自图4a的样品1至6的整体4的理想化表示与来自图4b的由其制造的毛细管坯件的照片的比较。在毛细管坯件5中，先前的ARE外管(1)形成ARE外部毛细管11，并且先前的NE内管(2)形成嵌套NE内部毛细管12。所有的毛细管(11；12)显示了或多或少卵形的横截面面积。对于毛细管坯件中的一者，以举例方式绘制了尺寸标注箭头，其中尺寸箭头A径向表示在与嵌套NE内部毛细管12的接触点处测量的ARE外部毛细管11的外径。这里，这同时是ARE外部毛细管11的最大外径。尺寸箭头A切向表示垂直于A径向测量的ARE外部毛细管11的横截面尺寸。该尺寸同时对应于ARE外部毛细管11的最小外径。关于其他毛细管坯件，类似地确定A径向和A切向。
表1示出了样品1至6的出口管(1；2)和从其拉长的毛细管坯件的几何横截面尺寸以及针对基于这些数据计算的几何参数的以上方程(3)的因子1至4。
表1
此处：
OD_ARE： ARE外管的外径
ID_ARE： ARE外管的内径
OD_NE： NE内管的外径
ID_NE： NE内管的内径
OD_ARE_cap： ARE外部毛细管的外径
WT_ARE_cap： ARE外部毛细管的壁厚度
peq_ARE： 根据公式(2)的ARE内管的平衡压力，其中σ＝400N/mm
peq_NE： 根据公式(1)的NE内管的平衡压力，其中σ＝400N/mm
A径向： ARE外部毛细管的短椭圆轴线
A切向： ARE外部毛细管的短椭圆轴线
CSA_ARE AR外管的横截面面积
CSA_ARE_cap ARE外部毛细管的横截面面积
*1)这些不是测量数据，而是假定比率拉动下计算的直径目标值(由于拉长而引起的真实比例直径减小)。
在样品1和2中，几何参数小于77.5并且卵形度小于1.025。这些是本发明的示例；样品3至6是比较例。
在图5的图示中，将在样品1至6的毛细管坯件上确定的卵形程度“O”相对于无量纲几何参数“P(几何)”绘制。据此，卵形程度和几何参数非常好地缩放，即很大程度上独立于拉制温度以及进给和拉出速度。回归线的直线方程是y＝0.9682+0.008x，其中R2＝0.9886。通过指定几何横截面尺寸，该关系从而实现对毛细管坯件的期望卵形度的特定调整或预测。
符合线性关系的样品1至7具有中至大的壁厚度。更具体地，它们覆盖了ARE外管的横截面面积(CSA横截面面积)的238.8mm2至863.9mm2的大跨度以及ARE外部毛细管的横截面面积的5.95mm2至15.17mm2的同样宽范围。横截面面积比率(CSA_ARE/CSA_ARE_cap)在28.75至57.68的范围内。
不能排除的是，在具有较大表面/体积比率的非常薄壁的样品的情况下，其他效应获得影响(诸如例如样品的加热和冷却行为)，其可导致稍微不同的回归线。横截面面积比率(CSA_ARE/CSA_ARE_cap)高于25，特别是高于28的样品的卵形度也可使用上述直线方程来非常好地预测。
在样品1至6的情况下，出口管由未掺杂石英玻璃组成。根据公式(3)的线性关系也适用于掺杂石英玻璃。任选地，根据因子(F1)，不同的表面张力导致不同的平衡压力。
图6示意性地示出了使用样品1(表1)的毛细管坯件5来构造的初生预成型件15的横截面。这表示用于制造空芯光纤的中间产品。初生预成型件15由长度为1000mm、外径为30mm并且内径为24mm的由石英玻璃制成的套管14构成。所有毛细管坯件5在每种情况下作为由ARE外部毛细管11和嵌套NE内部毛细管12组成的嵌套结构元件的接合整体存在。ARE外管11具有7.46mm的外径并且嵌套NE内管12具有4.6mm的区域中的外径。所有结构元件(11；12)的壁厚度相同并且为0.37mm。ARE外管11和嵌套ARE内管12的长度对应于套管14的长度。
在没有模制工具的情况下，在具有两阶段拉长过程的竖直拉制过程中制造套管14。在第一阶段中，对由玻璃制成的中空出口圆筒进行机械处理以设置中空出口圆筒的最终尺寸。根据最终尺寸，外径为90mm，并且外径和内径的直径比率为2.5。在第一拉长过程中，具有竖直取向的纵向轴线的出口圆筒被连续地供应到加热区长度为200mm的加热区，在其中按区域进行软化，并且将中间圆筒从软化区域中取出。在第二拉长过程中，具有竖直取向的纵向轴线的中间圆筒被连续地供应到加热区长度为100mm的不同加热区，在其中按区域进行软化，并且将管部分从软化区域中取出。通过将连续管切割成一定长度来从连续管获得套管。
毛细管坯件5借助于基于SiO2的粘结化合物16来紧固到套管14的内壁。粘结化合物16在端部的区域中局部地施加到套管的内侧表面，并且使用定位模板将毛细管坯件5放置在其上，该定位模板具有用于单独毛细管坯件5的在结构上预定的星形保持臂布置。在这种情况下，定位模板限于套管的两个端面端部周围的区域。
这样制造的初生预成型件15在拉长过程中被热拉伸以形成外径为20mm的所谓“坯棒”。在这种情况下，毛细管坯件5在整个长度上连接到套管14的内壁。然后用由石英玻璃制成的收集圆筒收集已拉伸的套管14，其中收集圆筒塌陷到已拉伸的套管14上，并且同时，整体被拉长以形成次生预成型件。收集圆筒具有75mm的外径和25mm的壁厚度。
在塌陷和拉长过程中，在竖直取向的纵向轴线中套管1和来自下方的缓冲管的同轴布置被进给到温度受控的加热区中，并且在其中从布置的上端部开始按区进行软化。
加热区保持在1600℃的目标温度，其中控制准确度为+/-0.1℃。热成形过程中的温度波动由此可限于小于+/-0.5℃。
在塌陷和拉长步骤期间，收集圆筒和坯棒之间的间隙被抽空。
在塌陷和拉长过程期间以这种方式形成的次生预成型件具有50mm的外径以及由外护套和内护套组成的19.55mm的护套壁厚度(内径：10.9mm)。次生预成型件被拉长以形成反谐振空芯光纤。为此目的，先前的毛细管坯件5的所有结构元件使用前述的密封或粘结化合物来闭合。密封化合物仅施加到在光纤拉制过程期间面向上的毛细管坯件的端面。
然后将相同端面连接到由石英玻璃制成的保持管，该保持管同时用作气体连接部。保持器借助于密封或粘结化合物来固定到收集圆筒和套管。在光纤拉制过程中，在竖直取向的纵向轴线的情况下，次生预成型件从上方被进给到温度受控的加热区中，并且在其中从下端部开始按区进行软化。加热区保持在大约2100℃的目标温度，其中控制准确度为+/-0.1℃。热成形过程中的温度波动由此可限于小于+/-0.5℃。同时，气体被供应到芯区域(空芯)以使得在芯区域中建立4mbar的内部压力。
借助于这样控制的光纤拉制过程，获得了其中嵌入有反谐振元件的反谐振空芯光纤，其具有圆形的横截面形状。

Claims (14)

1.一种用于制造反谐振空芯光纤的方法，所述反谐振空芯光纤包括沿着所述光纤的纵向轴线延伸的空芯和包围所述空芯的内护套区域，
所述护套区域包括多个反谐振元件，所述方法包括以下步骤：
(a)提供套管(14)，所述套管包括所述套管的内孔(16)和所述套管的纵向轴线，由内侧和外侧界定的套管壁沿着所述纵向轴线延伸，
(b)提供管状反谐振元件预成型件(5)，所述管状反谐振元件预成型件的至少一部分作为包括至少一个ARE外部毛细管(11)和连接到所述ARE外部毛细管(11)的内侧表面的至少一个嵌套NE内部毛细管(12)的毛细管坯件(5)存在，其中所述毛细管坯件的制造包括以下方法步骤：
(b1)将具有外径ODNE和内径IDNE的NE内管(2)固定在具有外径ODARE和内径IDARE的ARE外管(1)的内侧表面上，以形成毛细管坯件整体(4)，
(b2)热拉伸所述毛细管坯件整体(4)以形成所述毛细管坯件(5)，所述毛细管坯件具有最大外径ODARE_cap和最大壁厚度WTARE_cap，
(c)将所述毛细管坯件(5)安装在所述套管壁的所述内侧上的目标位置处以形成包括空芯区域(16)和护套区域的初生预成型件(15)，以及
(d)拉长所述初生预成型件(15)以形成所述空芯光纤，或者进一步处理所述初生预成型件(15)以形成从中拉制所述空芯光纤的次生预成型件，
其特征在于，几何尺寸ODNE、IDNE、ODARE、IDARE以及ODARE_cap和WTARE_cap以使得所述毛细管坯件(5)的所述ARE外部毛细管(11)具有小于1.025的卵形程度的方式相对于彼此对准。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，结合以下因子(F1)至(F4)来设置所述几何尺寸：
(F1)所述NE内管(2)的平衡压力peg_NE与所述ARE外管(1)的平衡压力peq_ARE的比率，
(F2)所述ARE外管(1)和所述NE内管(2)之间的距离相对于所述ARE外管(1)的所述内径(IDARE-ODNE)/IDARE，
(F3)在根据方法步骤(b2)的所述毛细管坯件整体(4)的热拉伸期间的锥度比ODARE/ODARE_cap，
(F4)所述毛细管坯件(5)的外径和壁厚度的比率ODARE_cap/WTARE_cap。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述ARE外管或NE内管的直径尺寸被选择成使得所述平衡压力peq,NE在60Pa至90Pa的范围内，优选地在65Pa至80Pa的范围内，并且所述平衡压力peq_ARE在25Pa至50Pa的范围内，优选地在30Pa至40Pa的范围内。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述平衡压力peq；NE和peq；ARE被有利地设置成使得所述因子(F1)取在1.5至2.5的范围内的值，优选地取在1.5至2的范围内的值。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，将所述因子(F2)设置为在0.2至0.5的范围内的值，优选地设置为在0.3至0.4的范围内的值。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，将所述因子(F3)设置为在5至10的范围内的值，优选地设置为在5至8的范围内的值。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征在于，将所述因子(F4)设置为在15至25的范围内的值，优选地设置为在15至20的范围内的值。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述因子(F1)至(F4)被设置成使得所述毛细管坯件(5)具有小于1.025的卵形程度。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其特征在于，因子(F1)至(F4)的数学乘积限定几何参数，
其在35至75的范围内，优选地在40至60的范围内。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述初生预成型件(15)具有在26mm至230mm的范围内、优选地在30mm至200mm的范围内的外径。
11.一种用于制造反谐振空芯光纤的预成型件(15)的方法，所述反谐振空芯光纤包括沿着所述光纤的纵向轴线延伸的空芯和包围所述空芯的内护套区域，所述护套区域包括多个反谐振元件，所述方法包括以下步骤：
(a)提供套管(14)，所述套管包括所述套管的内孔(16)和所述套管的纵向轴线，由内侧和外侧界定的套管壁沿着所述纵向轴线延伸，
(b)提供管状反谐振元件预成型件，所述管状反谐振元件预成型件的至少一部分作为包括至少一个ARE外部毛细管(11)和连接到所述ARE外部毛细管(11)的内侧表面的至少一个嵌套NE内部毛细管(12)的毛细管坯件(5)存在，其中所述毛细管坯件(5)的制造包括以下方法步骤：
(b1)将具有外径ODNE和内径IDNE的NE内管(2)固定在具有外径ODARE和内径IDARE的ARE外管(1)的内侧表面上，
以形成毛细管坯件整体(4)，
(b2)热拉伸所述毛细管坯件整体(4)以形成所述毛细管坯件(5)，所述毛细管坯件具有最大外径ODARE_cap和最大壁厚度WTARE_cap，
(c)将所述毛细管坯件(5)安装在所述套管壁的所述内侧上的目标位置处以形成包括空芯区域(16)和护套区域的初生预成型件(15)，以及
(d)任选地进一步处理所述初生预成型件(15)以形成所述空芯光纤的次生预成型件，其中所述进一步处理包括单次或重复执行以下热成形过程中的一者或多者：
(i)拉长，
(ii)塌陷，
(iii)塌陷并同时拉长，
(iv)附加护套材料的塌陷，
(v)附加护套材料的塌陷和后续拉长，
(vi)附加护套材料的塌陷和同时拉长，
其特征在于，几何尺寸ODNE、IDNE、ODARE、IDARE以及ODARE_cap和WTARE_cap以使得所述毛细管坯件的所述ARE外部毛细管具有小于1.025的卵形程度的方式相对于彼此对准。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，结合以下因子(F1)至(F4)来设置所述几何尺寸：
(F1)所述NE内管(2)的平衡压力peg_NE与所述ARE外管(1)的平衡压力peq_ARE的比率，
(F2)所述ARE外管(1)和所述NE内管(2)之间的距离相对于所述ARE外管(1)的所述内径(IDARE-ODNE)/IDARE，
(F3)在根据方法步骤(b2)的所述毛细管坯件整体(4)的热拉伸期间的锥度比ODARE/ODARE_cap，
(F4)所述毛细管坯件(5)的外径和壁厚度的比率ODARE_cap/WTARE_cap。
13.一种作为用于制造反谐振空芯光纤的中间产品的毛细管坯件(5)，所述毛细管坯件包括至少一个ARE外部毛细管(11)和连接到所述ARE外部毛细管(11)的内侧表面的至少一个嵌套NE内部毛细管(12)，其特征在于，所述ARE外部毛细管(11)具有小于1.025的卵形程度。
14.一种用于反谐振空芯光纤的预成型件，其中所述预成型件包括空芯区域和护套区域，所述护套区域包括具有套管壁的套管(14)和布置在所述套管壁的内侧上的多个管状反谐振元件预成型件(5)，其特征在于，所述反谐振元件预成型件的至少一部分被设计为根据权利要求13所述的毛细管坯件(5)。
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