CN1315297A - 激光光固化系统 - Google Patents

Abstract

一种利用激光固化装置固化施加于光纤或光纤带上的敷层的系统和方法,所述激光固化装置发射具有预定波长或波长范围的多个激光束,所述激光束以不同角度照射到光纤或光纤带上,从而提供均匀的固化。所述系统包括用于输出激光束的至少一个激光器;用于把激光束分束成为多个输出光束的分束器;以及反射器装置,用于反射输出光束,使得输出光束以不同的角度照射到光纤的敷层上。所述反射器装置包括多个反射镜。

Description

激光光固化系统

本发明涉及利用一或多个激光器固化光纤或光纤带的敷层的方法和装置。具体地说，本发明涉及其中使用多个激光束从不同角度照射到光纤上，从而使光纤敷层更均匀地固化的方法和装置。

在光纤的制造中，一般以单独的工艺制造的一种玻璃预制棒被垂直地以受控制的速率被送到加热炉中。所述加热炉软化所述预制棒，使得利用位于拉丝塔底部的绞盘从预制棒的熔融端拉制光纤。

由于光纤的表面极易受到因磨损引起的破坏，所以必须在其被拉制之后，在其和任何表面接触之前，对其提供一个敷层。一旦提供液体敷层，所述敷层材料必须在光纤到达绞盘之前被快速地固化。这一般由光固化来实现。

虽然在一些例子中一般提供一个敷层，但是有时提供包括主敷层和副敷层的两个敷层。主敷层被直接地施加于玻璃纤维，当其被固化时，形成一种软的顺从的材料，作为玻璃纤维的缓冲层，使得通过减轻在光纤被弯曲、敷设或卷绕时产生的应力来保护玻璃纤维。副敷层被施加于主敷层上，其作为保护外层，用于在制造和使用期间阻止破坏玻璃纤维。

在敷层材料被施加于运动的光纤之后，一般通过紫外线照射使敷层材料固化。在一些涂敷系统中，涂敷主敷层材料，并在涂敷副敷层材料之前使主敷层材料经紫外线能量固化。在制造光纤中的一个重要的考虑是在涂敷工艺期间应当使纤维中的热量最小。例如，已经发现，在光纤上的涂敷材料的模数是涂敷材料固化时的温度的函数。如果过量的红外辐射照射涂敷材料，则可能发生不希望的温度，这对涂敷材料的最终模数具有不利影响。

另一个考虑是，由于拉制工艺使得纤维本身已经很热。如果在纤维进入涂敷模时纤维太热，则将形成热的边界层，这引起涂层的不稳定性，或者使得涂层根本不能涂敷在纤维上。来自灯的附加热量减少纤维的冷却速率，因而增加了这种现象发生的机会-即纤维周围的环境越冷，纤维冷却的越快。在成带工艺中，这预先存在的热量不成问题，因为纤维在室温下进入涂敷模。不过，仍然有可能使材料的最终性能例如模数发生改变，并存在用于产生无用的辐射波长而浪费能量的问题，如下所述。

紫外线固化依赖于紫外线辐射的强度和波长，还依赖于在紫外线可固化材料中的光引发剂和光敏剂的相应的吸收作用。常规的辐照器使用发射大量不同波长的灯，具有在一个或几个波长或者在一个小的波长带上的峰值辐射。在这种灯中固有某个无效的值，因为在一个宽的波长带的范围提供大部分输出功率，这些波长带对于固化处理可能没有帮助。此外，这种灯一般需要通过灯的结构抽出大量的空气，以便使其保持在冷却状态。所述空气在灯泡和以后被称为基体的光纤或者光纤带(即基体在光纤上或者在光纤带上)之间的区域内流过。在所述空气中的氧气和被发射的紫外线辐射的一部分反应并形成臭氧，出于对安全的考虑必须对臭氧进行处理。在所述和氧的反应中消耗的紫外线辐射永远不会到达基体，因此无效地被损失掉。一种不产生常规的灯的辐射热的激光系统不需要这种在激光器和基体之间的区域中的冷却气流。因此，这个区域可以充以惰性气体，例如氮气，使得在该区域中没有氧气消耗紫外线辐射。须知不仅激光器不产生无用的辐射，而且可以用更有效的方式输送辐射产物。

美国专利No.4,812,150公开了利用激光固化光纤的方法。不过，在该专利中，一个激光束照射到光纤的一侧上，使得敷层的加热不均匀。利用这种方式固化光纤，尤其是光纤带，将引起基体弯曲，因为在一侧上的固化作用大于在另一侧上的固化作用。此外，由于激光束的局部聚焦而产生过多的热量，使得在敷层中引起不希望的模式(modulus)。如果使用在这一现有技术中所述的结构中的紫外线可固化的激光器(而不是所述的产生热量的激光器)，将极少或者不会因激光器的输出波长被局限在一个相当窄的带内而发热。不过，如果激光主要地被聚焦在光纤或光纤带的一侧，则同样会产生不均匀的固化，并因此而弯曲。

本发明的目的在于克服上述相关技术的缺点。更具体地说，本发明的目的在于，提供一种用于固化施加于光纤基体上的敷层的系统和方法，其中在固化期间的温度被维持在最佳的范围内。

本发明的另一个目的在于，提供一种用于固化光纤基体的敷层的系统和方法，其中用于固化所述敷层的激光束的波长被控制，以便使聚合效率最佳，并且使被浪费的能量(即用于产生不能激活光引发剂/光敏剂的波长的能量和用于产生在常规的灯系统中被氧吸收的紫外线辐射的能量)最小。

本发明的上述和其它的目的和优点是这样实现的：提供一种发射多个激光束的激光固化装置，所述激光束具有预定的波长或波长范围，并且以不同的角度照射到光纤上，从而提供均匀的固化。

按照本发明的一个方面，所述系统包括用于输出激光束的至少一个激光器；用于把激光束分束成为多个输出光束的分束器；以及一反射器装置，用于反射输出光束，使得输出光束从不同的角度照射到光纤的敷层上。所述反射器装置包括多个反射镜，或者可选择地，包括一壳体，其基本上围绕着光纤，其中至少壳体的内表面的一部分是反射表面。

所述分束器包括光束分束器或任何其它的用于分束光束的等效装置。所述激光束具有在250-450nm范围内的优选的波长，不过，最佳波长取决于在被固化的材料中使用的特定的光致引发剂/光敏剂。例如，较短的波长的能量较大，因而一般提供较快的固化速率，而较长的波长更容易穿过掺杂物，例如色素，因此一般更适合于具有色素的材料。

按照本发明的另一个方面，所述系统包括一用于输出照射到光纤基体上的第二激光束的第二激光器，其中第二激光器的波长范围可以在和第一激光器的波长范围不同的范围内，用于固化不同的深度，或者在相同的范围内，用于提供附加的能量，因而减少所需的曝光时间(增加生产速度)。

按照本发明的另一个方面，一种用于固化光纤基体的敷层的方法包括，以下步骤：朝向基体引导由至少一个激光器发射的多个光束，使得所述光束以不同角度照射到基体上。

通过参照附图详细说明本发明的优选实施例，将更加清楚地看出本发明的上述和其它目的和优点，在几个附图中，相同的标号表示相同或相应的部件，其中：

图1(A)和(B)分别表示按照本发明的用于光纤和光纤带的在线涂敷系统的示意图；

图2是按照本发明的第一实施例的激光固化装置的示意图；

图3是按照本发明的第二实施例的激光固化装置的示意图；

图4是按照本发明的第三实施例的激光固化装置的示意图；

图5是按照本发明的第四实施例的激光固化装置的示意图；以及

图6是按照本发明的第五实施例的激光固化装置的示意图。

下面参照图1说明本发明的第一实施例。图1(a)表示光纤拉制系统10，其中光纤12从常规的预制品14中被拉出，并通过涂敷设备16把涂层施加到光纤上。然后，被涂敷的光纤12通过激光固化装置18使涂层固化，而后到达卷绕装置20进行卷绕。图1(b)表示带生产系统10’，其中多根光纤14’通过涂敷设备16’拉出，以便同时把敷层施加到所有的光纤上，这样生产光纤带12’。所述带12’然后被通过激光固化装置18，以便使敷层固化，此后到达卷绕装置20进行卷绕。虽然这些图只示出了一个涂敷装置和一个固化装置，应当理解，本发明不限于施加和固化一个涂层。例如，可以设置分别位于主涂敷装置和副涂敷装置下游的两个激光固化装置18。

下面参照图2说明按照本发明第一实施例的激光固化装置18。固化装置18包括激光器22，固化壳体24和光束分束器26。固化壳体24当用于固化光纤带敷层时基本上呈椭圆形，壳体的内表面上涂敷有反射涂层。此外，可以选择地设置具有一定倾斜角度的反射镜。

按照本发明，被涂覆的光纤12或光纤带12’通过壳体24。激光器22发射激光束28，所述激光束被激光束分束器26分束成多个输出光束30，它们被壳体24(或反射镜)的反射内表面反射，使得它们以不同的角度照射到光纤12上。因而，激光束从多个方向照射到光纤上，从而提供更均匀的固化。

此外，通过使用激光束进行固化，可以用能够有效地固化敷层的精确的波长或波长范围照射光纤，同时能够到大大减少红外线输出和其它无用波长的输出。因此，敷层的温度可以被更精确地控制，使得不会升高到引起关于上述的敷层的稳定性和模数的问题的温度。此外，照射需要较小的能量便能产生所需波长范围内的所需的强度，因为只有极小能量的或者根本没有能量被浪费用于产生对固化处理无用的波长带内的辐射。激光系统的低的温度使得能够除去在固化曝光区域中的常规冷却气流中的氧气，因而能够更有效地把产生的辐射输送到基体。

本发明的另一个优点在于，和常规的使用灯进行固化相比，线速度可以增加。具体地说，因为由激光器输出的激光束在光纤周围的多个位置照射到光纤上，并且具有优选的波长，所以敷层的固化较快，因而使得线速度可以增加。

图3示出了按照本发明的激光固化装置的第二个实施例。按照该实施例，激光固化装置18包括一对激光器22,22’，其分别从相对侧向光纤12或光纤带12’发射一对激光束28,28’。虽然在该实施例中只示出了两个激光器，当然应当理解，本发明不限于这个方面，本发明旨在覆盖或者使用具有光束分束器的一个激光器的装置，如第一实施例，或者使用一个或几个激光器的装置，如本实施例。因为在本实施例中利用两个单独的激光器22,22’，所以不需要包括光束分束器或光束反射器，如第一实施例那样。不过，这两个实施例可以被组合在一起，从而包括多个激光器和光束分束器，以便增加照射到光纤上的输出光束的数量。

图4说明本发明的第三实施例。在本实施例中，激光固化装置18包括反射镜，其代替第一实施例的椭圆形固化壳体24。因而，激光固化装置18包括激光器22，光束分束器26和多个反射镜32。激光器22发射激光束28，所述激光束被分束为多个输出光束30。输出光束30中的两个光束被反射镜32的反射表面反射，此后照射到光纤12或光纤带12’的背面(即对着发射光束的激光器的基体的一侧)。第三输出光束34被直接引向光纤或光纤带，从而直接照射到光纤或光纤带的正面(即设置有发射光束的激光器的基体的一侧)。

图5说明本发明的另一个实施例，该实施例是图3、图4所示的第二和第三实施例的组合。具体地说，按照本发明的本实施例，固化装置包括两个激光系统；每个激光系统包括激光器22,22’，光束分束器26,26’和一对反射镜32,32’。每个激光器22,22’发射激光束28,28’，所述激光束被分束器26,26’分束为多个输出光束。两个输出光束30,30’被反射镜32,32’的反射表面反射，此后照射到光纤12的背面(即发射该光束的光纤的一面)。第三激光束34,34’被直接引向光纤，因而其直接照射到光纤的正面(即设置有发射该光束的激光器的光纤的一面)。所述激光系统的结构相对于光纤12是对称的，使得共有6个输出光束，包括4个反射光束30和两个直射光束34，从不同的角度照射到光纤上，从而使敷层被均匀地固化。为了围绕基体12或12’更均匀地分配辐射，包括任意数量的光束和反射器的结构也在本发明的范围内。

在某些情况下，最好使用两个不同的波长或两个不同的波长范围固化敷层。例如，当制造光纤带时，有时希望使光纤带12’暴露于波长相当短的辐射，以便加速表面的固化，固定带形结构，然后利用较长波长的辐射完成固化，所述较长波长的辐射能够在聚合材料内穿透较大的深度，特别是敷层具有色素时。在这种实施例中，第一激光器22可以被首先供电，并发射相当高的波长的辐射，从而完成表面固化，然后对第二激光器22’供电，并发射相当短的波长的辐射，用于完成固化。

虽然本发明不限于特定的波长范围，但是按照本发明，优选的波长范围在250nm和450nm之间。如上所述，有时需要使用不同的波长固化敷层。对于初始固化的优选波长范围是小于350nm，对于最终固化是350nm到450nm。

图6表示本发明的另一个实施例，在本实施例中，反射器与/或反射镜和光束分束器利用UV-光纤束40代替。UV-光纤束40应当由特殊的UV-光纤41构成，生产这些光纤专用于UV频谱中的低波长。例如，在电信中使用的标准的光纤被设计使得在1310nm或1550nm的长的波长时具有最佳的光性能，而用于敷层聚合作用的UV辐射的波长一般在250nm和450nm之间。激光器22应当这样设置，使得其将其发射的光束引导到由每个光纤的一端构成的这些光纤41的光纤束40内。在光纤束内的每个光纤41的另一端应当这样设置，使得从光束的端部发出的光束部分以特定的方向和角度被引向基体12或12’。此时激光应当进入每个UV-光纤41，并通过这些光纤被引向基体12或12’。

虽然本发明按照目前认为是优选的实施例进行了说明，但是本发明不限于所披露的实施例。本发明覆盖在所附权利要求的范围和构思内的所有实施例和等同结构。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，使得包括所有的实施例和等效结构与功能。

Claims (25)

1．一种用于固化施加于光纤或光纤带上的敷层的系统，包括：

一用于输出激光束的激光器；

一用于把所述激光束分束成为多个输出光束的分束器；以及

一反射器装置，用于反射所述输出光束，使得所述输出光束从不同角度被照射到所述光纤或光纤带的所述敷层上。

2．如权利要求1所述的系统，其中所述反射器装置包括多个反射镜。

3．如权利要求1所述的系统，其中所述反射器装置包括一壳体，其基本上围绕着所述光纤，并且至少所述壳体的内表面的一部分能够反射由所述激光器发出的波长的激光。

4．如权利要求1所述的系统，其中所述分束器包括光束分束器。

5．如权利要求4所述的系统，其中所述激光束具有在250-350nm的第一范围和350nm-450nm的第二范围中的一个范围内的波长。

6．如权利要求5所述的系统，还包括一用于输出照射到所述光纤或光纤带上的第二激光束的第二激光器。

7．如权利要求6所述的系统，其中所述第二激光器的波长范围在和第一范围与第二范围不同的范围内。

8．如权利要求6所述的系统，还包括一第二光束分束器，用于把所述第二光束分束成多个第二输出光束，以及第二反射器装置，用于以这样的方式反射所述第二输出光束，使得所述第二输出光束从不同角度被照射到所述光纤或光纤带的所述敷层上。

9．如权利要求8所述的系统，其中所述第二反射器装置包括多个反射镜。

10．一种用于固化施加于光纤或光纤带上的敷层的系统，包括：

多个激光器，用于分别输出多个激光输出光束，所述输出光束从不同角度被照射到所述光纤或光纤带的所述敷层上。

11．如权利要求10所述的系统，还包括至少一个反射器，用于反射所述输出光束，以控制所述不同角度。

12．如权利要求10所述的系统，其中所述输出光束具有在250-450nm范围内的波长。

13．如权利要求10所述的系统，其中所述激光器中的第一个的所述输出光束具有在250-350nm的第一范围内的波长，所述激光器中的第二个的所述输出光束具有在350-450nm的第二范围内的波长。

14．如权利要求10所述的系统，其中所述激光器中的第一个的所述输出光束，具有和所述激光器中的第二个的所述输出光束的波长不同的波长。

15．一种用于固化被施加于光纤或光纤带上的敷层的方法，包括以下步骤：

朝向所述光纤或光纤带引导由至少一个激光器发射的多个光束，使得所述光束以不同角度照射到所述光纤或光纤带上。

16．如权利要求15所述的方法，其中所述多个光束具有在250-450nm范围内的波长。

17．如权利要求15所述的方法，其中所述多个波长的光束具有不同的波长。

18．一种用于固化被施加于光纤或光纤带上的敷层的系统，包括：

一用于输出激光束的激光器，所述激光束被分束成多个从不同角度照射到所述光纤或光纤带上的输出光束。

19．一种用于固化被施加于光纤或光纤带上的敷层的系统，包括：

一用于输出激光束的激光器；以及

一UV-光纤束，用于把所述激光器的UV-辐射从多个不同方向引向所述光纤或光纤带。

20．如权利要求19所述的方法，其中所述UV-光纤束用作所发出的辐射的波导，因而把来自激光器的辐射光束从所述不同的方向引导到所述光纤或所述光纤带上。

21．如权利要求20所述的方法，其中使用多个激光辐射源。

22．如权利要求21所述的方法，其中所述多个激光器都发射相同波长的激光。

23．如权利要求21所述的方法，其中所述多个激光器发射两个或两个以上不同波长或波长带的激光。

24．如权利要求21所述的方法，其中利用相同的UV-光纤束作为公共辐射波导使用所述多个激光器。

25．如权利要求21所述的方法，其中利用单独的UV-光纤束分别作为每个激光器的辐射的波导使用所述多个激光器。

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