CN1197661C - 使用激光的光学纤维涂层的紫外光－固化 - Google Patents

使用激光的光学纤维涂层的紫外光－固化 Download PDF

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Abstract

一种装置和方法能够有效地将激光光聚焦到目标纤维上以迅速和均匀地固化该纤维上的涂层并增加该纤维的拉伸速率。该激光光被扩展并再聚焦成直径为纤维直径几倍的光条。该光条作用到纤维的一侧并将该光条的反射光聚焦到纤维的第二侧以均匀照射该纤维。

Description

使用激光的光学纤维涂层的紫外光-固化
本发明的领域
本发明涉及一种使用能够增加光学纤维拉伸速率的连续波(cw)或脉冲激光固化光学纤维上保护涂层的有效方法。尤其是，该方法涉及在拉伸光学纤维上对准激光束以进行均匀照射并固化位于该纤维上的涂层。
相关技术的描述
在制造光学纤维时，玻璃预成型棒以受控速率在炉中运动。该炉软化预成型品，这样光学纤维可通过卷筒由预成型棒的熔融端拉伸。
因为拉伸光学纤维易于受损，光学纤维在由预成型棒拉伸之后但在接触另一表面之前必须涂覆上涂层。为了提供这种保护涂层，将一种必须在该拉伸纤维到达卷筒之前凝固的材料施用到纤维上。凝固通过固化技术来辅助。湿碰湿拉伸技术包括，将第一涂层施用到纤维上并在第一涂层仍处于粘稠形式时将第二涂层施用到纤维上。第一和第二涂层都随后固化。其它技术也是已知的，如施用第一涂层，随后固化第一涂层，然后施用第二涂层并固化该第二涂层。该第二技术需要在拉伸塔中包括附加设备，但比需要在粘稠形式下处理第一涂层的湿碰湿拉伸技术简单。也可采用其它技术，且本发明并不限于所用技术的种类。
用于固化光学纤维涂层的常规技术包括使用微波动力灯如Fusion灯照射涂层。常用的Fusion灯包括直径为9、11或13毫米的H-电灯泡、D-电灯泡和H-电灯泡。但可以将显著量的灯光聚焦到窄纤维上。实际上，可以仅将Fusion灯的百分之一至百分之几聚焦到所要涂层的纤维元件上。此外，热Fusion灯的能量不能充分定向，难以以均匀方式涂覆该纤维。过度的热效应和由Fusion灯带来的红外辐射也会降低涂层材料的特性。
磁场的应用通常促进纤维涂层的聚合反应，例如讨论于美国专利5000772(Petisce)。但Fusion灯体使得这种磁场难以施加到纤维上。为了得到强度足以在Fusion灯排列中影响固化速率的磁场，需要磁场如此之强以能够降低Fusion灯的微波排放。灯的强度被减弱，因此难以提供足够的强度以固化该涂层。因此，使用磁场增加固化速率的技术在使用Fusion灯时并不实际或方便。
为了提高固化过程的效率，可以使用激光替代微波灯。美国专利4812150公开了激光的应用，其中使用激光作为热源来固化涂层。但激光提供局部加热，造成纤维弯成弓形，因为在纤维一侧上的固化大于另一侧。另外，可能优于激光束的局部聚焦而产生过热，导致具有非所需模量的涂层。应用激光进行光固化的其它已知方法，例如美国专利4227907和美国专利5761367由于缺乏赋予激光束的方向性而存在类似缺陷。
本发明的综述
本发明通过使用激光源引发涂层中的光化学过程，并通过使用能够产生固化用准直激光束的光学设备来克服以上缺陷。在这种布置下，可以用移离目标纤维的激光源固化纤维涂层。光源和目标纤维之间的移动减缓了在固化过程中对涂层的热和红外损害。该光学设备进一步在目标纤维周围传播激光以获得用于固化的均匀能量分布。通过光束扩展器和平凹透镜提供的伸长束能够使目标纤维涂层的较大部分同时固化。由于激光源移离纤维，可以实际地将磁场作用到具有可固化涂层的目标纤维上，这样进一步增加固化速率20-40％。I.V.Khudyakov等人的“用固化监控器和光DSC研究的丙烯酸酯光聚合反应的动力学”，SPIE会议论文集，3848卷，1999，151-156页。这能够进一步增加光学纤维的拉伸速率。
激光束波长选择使得激光能被涂层中的光引发剂吸收。在一个优选实施方案中，该涂层具有两种光引发剂，其中一种的最大吸收在约300纳米处且一种在约400纳米处。使用两种光引发剂对湿碰湿拉伸技术是重要的。
因此，本发明提供一种用于将纤维上的涂层光固化的装置，包括：激光源；用于扩展激光源的输出的光束扩展器；可操作的用于将光束扩展器的输出聚焦到目标纤维上的第一透镜；和相对光束扩展器和所述第一透镜放置在目标纤维另一侧的凹面光学元件。
有选地，在本发明地装置中，所述第一透镜是朝向所述光束扩展器放置的具有平面侧的平凹透镜。
在另一优选实施方案中，本发明的装置还包括位于所述第一透镜和所述凹面光学元件之间的第二透镜。所述第二透镜优选是圆柱状透镜。优选，所述激光源距离所述目标纤维至少2米远放置。
优选地，本发明装置中所述激光源输出可见光范围内的辐射，例如所述激光源输出400-800纳米范围内的辐射。或者，所述激光源输出UV光范围内的辐射。
所述激光源可以是连续波激光，也可以是脉冲激光。
优选地，本发明装置中所述激光源距离所述目标纤维至少2米远放置。
在另一优选实施方案中，本发明的装置还包括一个可通过操作在所述目标纤维周围施加磁场的磁场源。优选地，所述激光源是发光在300-400纳米UV范围内的连续波激光器。
另一方面，本发明提供一种光固化纤维的方法，所述方法包括在拉伸光学纤维上对准激光束以进行均匀照射并固化位于该纤维上的涂层，其特征在于：将激光束扩展以得到一种扩展直径激光束；将该扩展直径激光束在所述纤维的前面聚焦成直径大于纤维直径的光条；将该激光束光条发射到纤维的背面。
优选地，本发明的方法还包括将磁场施加到纤维周围。
在本发明的方法中，所述激光束可以连续输出在电磁光谱的可见部分的光，也可以输出可见光脉冲。
优选地，本发明的方法中，所述激光束在400-800纳米范围内发射或在300-400纳米范围内发射。
在本发明方法的一个优选实施方案中，所述激光束的光源距离纤维至少2米远放置。
优选实施方案的描述
以下根据唯一的附图来详细描述一个优选实施方案，该图说明了用于在目标纤维周围将准直激光束均匀定向的布置。
参考附图，目标纤维1由预成型品(未示)拉伸并经受一个环境以开始涂覆过程。本发明可应用于任何标准固化环境，包括用于施用一级和二级涂层。例如，可以使用包括光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基丙-1-酮或2，4，6-三甲基苯甲酰基氧化膦(或其组合)的环境。
目标纤维1距激光器2一段距离设置。示例性的距离为约10英尺。这种移动比使用Fusion灯的常规技术更远并通过降低照射到目标纤维上的损害性红外热的量而产生益处。激光器2可选自多种连续和脉冲激光。连续波激光的一个例子包括由Spectra-Physics制造的Beamlok Ar+。这种激光可操作释放在紫外线范围内的λ＝333-351纳米的许多波长。Ar+激光适用于工业应用，具有约7瓦的功率输出。示例性的脉冲激光包括来自Spectron Laser System的Nd:YAG。Nd:YAG激光的第三谐波的波长λ为355纳米，最适用于纤维涂层的固化。但其它谐波也可用于固化。输出功率为5瓦，频率为10千赫。任何高频UV脉冲激光都是合适的。另一可接受的激光是λ＝308纳米的紫外线受激准分子XeCl激光，由Lambda Physik制造。
具有上述波长的光被常用于涂层材料的大多数光引发剂吸收。但某些光引发剂能够吸收可见光范围(如400-800纳米)内的能量，因此也可使用发出在该范围内的能量的激光。例如，发光在可见范围内的激光二极管也可用于引发聚合反应。该过程可通过向纤维涂层中加入能够吸收该范围光的染料而辅助。Ar+激光可用于同时激发两种最大吸收在紫外线区的光引发剂。一种光引发剂的最大吸收靠近300纳米，另一种光引发剂的最大值靠近400纳米。
激光束源的使用也可通过更窄波长(如，±0.5纳米)内的单色光来激发光引发剂。这种选择性有可能引发和控制涂层材料的聚合反应。相反，在宽波长范围(约100纳米)内无差别地激发的Fusion灯不可能有这种选择性或控制作用。Fusion灯不可控制地激发包括在光学纤维涂层中的物质如染料或颜料。
参考附图，在光束扩展器3的方向上照射激光。激光的准直光束为强点的形式。如果该点用于固化，其强度可如常规体系那样可能损害目标纤维。因此，光束扩展器3用于将具有约2毫米小直径的准直光束分布成一至几个英寸的较大直径。这种扩展光束进一步经过一个平凹透镜4和圆柱状透镜5，将激光聚焦成为约3-4英寸且直径为几个目标纤维直径的长度。这种斑纹光束的直径范围例如为1-3毫米。在纤维另一侧，与圆柱状透镜相对的是成型为半圆柱状的镜子6。该镜子有助于将光均匀分布到目标纤维周围。
激光源和目标纤维之间的移动可由于激光的准直作用和由光学元件提供的聚焦作用而包括大距离。超过2米的移动是可允许的。除了减缓外来热效应，这种移动的附加益处是，磁场发生器(未示)具有位置以包括在该固化布置中。磁场的应用可通过已知的机理来提供，因此本说明书省略其细节。
通过将一个或多个附加激光器源放置在目标纤维周围以提供对称照明，本发明还可在没有镜子6的情况下实施。例如，两个激光器可放置围绕目标纤维以180度间隔放置，或3个激光可以120度间隔放置。采用几个激光源可增加强度(瓦/厘米2)以及光束照射量(焦耳/厘米2)。但由于激光源昂贵，采用半圆柱状镜子6有助于尽量降低固化装置的成本。
通过使用激光和基本光学设备，激光能可在拉伸纤维上均匀地精确聚焦。这样能够有效地使用固化能并增加拉伸纤维的速率。利用上述布置，可获得超过1000米/分钟的拉伸速率。
尽管以上已讨论了本发明的一个优选实施方案，但本领域熟练技术人员可以背离特定的公开内容而仍在本发明的主旨和范围内。

Claims (20)

1.一种用于将纤维上的涂层光固化的装置，包括：
激光源；
用于扩展激光源的输出的光束扩展器；
可操作的用于将光束扩展器的输出聚焦到目标纤维上的第一透镜；和
相对光束扩展器和所述第一透镜放置在目标纤维另一侧的凹面光学元件。
2.根据权利要求1的装置，其中所述第一透镜是朝向所述光束扩展器放置的具有平面侧的平凹透镜。
3.根据权利要求1的装置，其中所述激光源输出可见光范围内的辐射。
4.根据权利要求3的装置，其中所述激光源是连续波激光。
5.根据权利要求3的装置，其中所述激光源是脉冲激光。
6.根据权利要求1的装置，还包括一个可通过操作在所述目标纤维周围施加磁场的磁场源。
7.根据权利要求1的装置，其中所述激光源距离所述目标纤维至少2米远放置。
8.根据权利要求6的装置，其中所述激光源是发光在300-400纳米UV范围内的连续波激光器。
9.根据权利要求1的装置，还包括位于所述第一透镜和所述凹面光学元件之间的第二透镜。
10.根据权利要求9的装置，其中所述第二透镜是圆柱状透镜。
11.根据权利要求10装置，其中所述激光源距离所述目标纤维至少2米远放置。
12.根据权利要求1的装置，其中所述激光源输出UV光范围内的辐射。
13.根据权利要求3的装置，其中所述激光源输出400-800纳米范围内的辐射。
14.一种光固化纤维的方法，所述方法包括在拉伸光学纤维上对准激光束以进行均匀照射并固化位于该纤维上的涂层，其特征在于：
将激光束扩展以得到一种扩展直径激光束；
将该扩展直径激光束在所述纤维的前面聚焦成直径大于纤维直径的光条；
将该激光束光条发射到纤维的背面。
15.根据权利要求14的方法，还包括：
将磁场施加到纤维周围。
16.根据权利要求14的方法，其中所述激光束连续输出在电磁光谱的可见部分的光。
17.根据权利要求14的方法，其中所述激光束输出可见光脉冲。
18.根据权利要求14的方法，其中所述激光束在300-400纳米范围内发射。
19.根据权利要求14的方法，其中所述激光束在400-800纳米范围内发射。
20.根据权利要求14的方法，其中所述激光束的光源距离纤维至少2米远放置。
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