CN1409128A - 梯度折射率分布光学组件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种梯度折射率分布光学组件的制造方法，包括以渐变比例混合熔融基料(11)和折射率调整材料(21)的步骤，这种混合物用来制成多根半熔融状态的纤维(41)，且此多根纤维通过压延成一连续板材(51)，该连续板材具有沿纵向渐变的折射率，沿一滚动条(57)卷绕此连续板材从而得到一绕制的预形体(58)。该预形体通过局部加热到融溶状态下，经缩棒而形成一具预定直径的光学棒(61)。将该光学棒进行切块，每一块均可制成一折射率沿径向渐变的光学组件。本发明各步骤均可精确控制，且其易于操作。

Description

梯度折射率分布光学组件的制造方法
【技术领域】
本发明是关于一种梯度折射率分布光学组件的制造方法，特别是关于一种梯度折射率透镜(Gradient Refractive Index Lens，GRIN Lens)和梯度折射率光纤预型体的制造方法。
【背景技术】
目前，常见的梯度折射率分布光学组件为轴向与径向梯度折射率透镜和梯度折射率光纤。其中，轴向梯度折射率透镜通常用于调整球面像差和简化光学系统；而径向梯度折射率透镜具有比轴向梯度折射率透镜更多的优点，如，许多径向梯度折射率透镜可自聚焦，因而被广泛的用于环形器、耦合器、光开关、波分复用器以及发光二极管等光通信器件中。梯度折射率光纤被广泛的用于长距离和短距离信息传输。
梯度折射率透镜和梯度折射率光纤等梯度折射率分布光学组件的现有制造方法有：离子交换(Ion Exchange)、溶胶凝胶(Sol-Gel)、体扩散(Bulk Diffusion)和化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)等。
一种现有技术如美国专利第4,902,330号所揭示的离子交换法，这种方法目前常用于制造梯度折射率透镜。该方法第一步将一玻璃棒浸到一熔融态盐中，该熔融态盐包含可提高玻璃体折射率的离子，该离子经扩散进入玻璃体内。第二步沉浸玻璃体到另一熔融态盐内，该熔融态盐包含折射率低于第一步所用熔融态盐中离子折射率的离子，从而使该玻璃体获得一预定梯度折射率分布。
虽然离子交换法制造梯度折射率透镜相对简单且较为成熟，但存在一些缺陷。有些缺陷是离子交换法所固有，如熔融态盐离子无法于玻璃体内迁移足够远并与对应离子相交换，此缺陷导致无法制造大体积或高折射率的折射率梯度分布组件。另外，该方法制造的产品质量不均匀，且不良率较高，从而增加生产成本。
另一现有技术如美国专利第5,294,573号所揭示的制造梯度折射率分布光学组件的所谓溶胶凝胶法。该方法首先在酸性溶液内形成硅醇盐(Silicon Alkoxide)与乙醇的混合物以部分水解硅醇盐，一折射率调整金属醇盐，如钛醇盐或锆醇盐，加入混合物内，随后加水将金属醇盐转变为适合凝胶的金属氧化物网状组织，包含金属氧化物网状组织的混合物维持足够时间以形成凝胶，对凝胶进行酸溶过滤以移除一些调整折射率的金属氧化物，再使凝胶稳定，以防止调整折射率的金属氧化物自凝胶中进一步被移除，接着以溶剂漂洗凝胶以去除沉淀物，然后干燥并烧结成透明梯度折射率玻璃体。该方法的另一实施例中，稳定剂是丙酮或丙酮与水的混合物。该方法通常使用凝胶，便于调整折射率的金属盐离子的迁移。且该凝胶最后经烧结形成透明玻璃棒，可以避免离子交换法中离子的扩散困难，但是，该方法会导致其它问题，如烧结的玻璃棒较离子交换法制造的通常更脆，且不够透明。另外，其生产周期长，通常需7-10天。
再一现有技术如美国专利第5,200,858号、第5,236,468号、第5,917,105号和第5,689,374号所揭示的体扩散法。堆叠多层具不同折射率和成分的玻璃板，从而获得不连续的梯度折射率分布，采用一精确控制的热处理以模糊堆叠层的界面，从而使该不连续的梯度曲线变得连续。通过该方法可获得具可选择折射率梯度的大尺寸组件，而且初始折射率分布易于控制，多种光学玻璃和均匀光学聚合物材料可用于制造梯度折射率透镜。但是，该方法仅可制造轴向梯度折射率透镜，无法制造较常用的径向梯度折射率透镜。
现有的化学气相沉积法包括如下主要步骤：伴随化学反应，具渐变成份的化合物蒸气层沉积于管状或板状基底，基底经烧结以形成具预定折射率分布的透明玻璃棒。该现有技术可精确控制，但是，其操作困难，且生产周期长。
总之，上述现有方法各有缺陷，一些方法需耗时且昂贵的处理过程，该处理过程需使用特殊窑炉、且须制备粉末、液体和气体。另一些方法则无法生产大体积或高折射率的折射率梯度分布组件。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种高效且大规模生产梯度棒和光纤预型体的简易方法，从而降低梯度折射率分布组件的生产成本。
本发明的另一目的在于提供一种梯度折射率分布光学组件的制造方法，该组件可具任意尺寸及任意折射率梯度分布。
本发明的又一目的在于避免梯度折射率透镜或光纤预型体制造时冗长的交互扩散，及化学或热处理需求。
本发明的目的还在于提供精确控制梯度折射率光学组件的梯度折射率分布的装置及方法。
本发明的目的是这样实现的，提供一梯度折射率分布光学组件的制造方法，包括以渐变比例混合熔融基料和折射率调整材料的步骤，该混合物用以制成半熔融状态的纤维，且该纤维通过压延以形成一连续板材，该连续板材的折射率沿纵向渐变，沿滚动条卷绕该连续板材，从而获得一预型体，该预型体于局部加热至区域熔融状态下，经缩棒而形成具预定直径的光学棒，再将该光学棒切割为块，每一块均可制成一折射率沿径向渐变的光学组件。
与现有技术相比较，本发明制造方法具有如下优点：允许精确控制所有步骤，且该控制相对较为简易；可用于制造轴向与径向梯度折射率分布组件；另外，还可用于制造大尺寸及高折射率的折射率梯度分布组件。
【附图说明】
图1是本发明光学组件制造方法的部分示意图。
图2是本发明光学组件制造方法的另一部分示意图。
图3是本发明光学组件制造方法制造的预型体透视图，及预型体进一步缩棒的示意图。
【具体实施方式】
请参照图1和图2，是应用于本发明以形成一梯度折射率光学预型体的系统。基料11具相对低的折射率，折射率调整材料21具相对高的折射率，该基料11可为玻璃，也可为聚合物，该折射率调整材料21较适宜包含基料11和折射率调整离子，该折射率调整离子可从离子组锂、钾、钠、锌、钛、钡、铊、铅、镧、铯、银、钽及锆中选择。
位于第一坩埚10内的基料11和位于第二坩埚20内的调整材料21被分别加热，且维持适当的粘度。基料11和调整材料21自第一和第二坩埚10、20流入第三坩埚30并形成混合物31，搅拌器33于第三坩埚30内旋转以搅动混合物31并使其保持同质，一对流量计(图未示)与一对流量控制阀12、22结合以分别控制基料11和调整材料21的流速，该流量控制阀12、22可控制混合物31内基料11与调整材料21的比例。制造过程中基料11与调整材料21的流速连续改变，使得第三坩埚30内混合物31的成份连续变化。其中，该基料11的比例较适宜增加而调整材料21的比例较适宜减小。
一排微小通孔34分布于坩埚30底部，混合物31通过通孔34流出坩埚30，三对对辊421、431和511顺序排列于第三坩埚30的下方，多个加热器46及一对辐射板45置于第三坩埚30及对辊421、431及511周围，从而确保混合物31、半熔融态的纤维41、板材42与43及薄膜51均维持适当温度，进而准确控制其粘度。
混合物31经通孔34离开第三坩埚30后，形成一连续层，即成为多根半熔融态的纤维41，其适于通过对辊421压延成形，该对辊421压延纤维41成具第一厚度的第一板材42，随后，对辊431压延第一板材42成具第二厚度的第二板材43，该第二厚度小于第一厚度，第一和第二板材42、43沿长轴方向连续且分别具渐变折射率。该对辊511压延第二板材43成具第三厚度的薄膜51，该第三厚度小于第二厚度，且预先确定以形成预型体58。
对辊511后提供一滚动条57并旋转该滚动条57以收集薄膜51，该滚动条57从而形成多个薄膜51的卷绕层，该卷绕层组成预型体58。
请参照图3，预型体58进一步处理以形成光学棒61。该预型体58经加热器66加热变软至部分熔融，并缩棒为具预定直径的光学棒61，随后，光学棒61切割成块，并进一步加工成光学组件，可知，该光学组件沿径向具渐变折射率。
为获得高质量产品，可在光学棒61切割前或切割后进行后期热处理。
本发明制造方法的每一步骤均于无污染环境中执行。
本发明中，对预型体58前身的热处理使得预型体58具有均匀的物理、化学及光学成分，且该热处理过程耗时短，从而预型体58可迅速软化及缩棒以制作光学组件。
本发明制造方法允许精确控制所有步骤，包括使光学棒61、预型体58及其前身具渐变折射率的步骤，且该控制相对较为简易。
由于在板材行进方向上折射率分布即有不同，因此本发明制造方法也可用于制造轴向折射率梯度分布组件，另外，本发明还可用于制造大尺寸及高折射率的折射率梯度分布组件。

Claims (11)

1.一种梯度折射率分布光学组件的制造方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)提供一折射率沿长轴渐变的连续层；
(2)围绕一轴线卷绕该连续层，获得一卷绕预型体；
(3)将该预型体缩棒成具预定直径的光学棒；
(4)将光学棒切割成块，每一块有预定轴向尺寸，且每一块具沿一定方向变化的折射率。
2.如权利要求1所述的梯度折射率分布光学组件的制造方法，其特征在于制造该连续层包括以下步骤：
(1)提供一液态基料；
(2)提供一折射率不同于液态基料的液态折射率调整材料；
(3)混合该基料与折射率调整材料形成一混合材料，其中折射率调整材料的比例以梯度方式变化；
(4)引导该混合材料以形成连续层。
3.如权利要求1所述的梯度折射率分布光学组件的制造方法，其特征在于该光学棒切割前后进行热处理以增强一致性及均匀性。
4.如权利要求2所述的梯度折射率分布光学组件的制造方法，其特征在于该混合材料中的基料和折射率调整材料的比例经一对流量计和一对流量控制阀控制而连续改变。
5.如权利要求1所述的梯度折射率分布光学组件的制造方法，其特征在于该连续层通过多对辊压延以形成至少一连续板材，该至少一连续板材沿纵轴方向连续且分别具渐变折射率。
6.如权利要求2所述的梯度折射率分布光学组件的制造方法，其特征在于该基料和折射率调整材料可为玻璃。
7.如权利要求2所述的梯度折射率分布光学组件的制造方法，其特征在于该基料和折射率调整材料可为聚合物。
8.如权利要求2所述的梯度折射率分布光学组件的制造方法，其特征在于该折射率调整材料包含基料和至少一种折射率调整离子的组合。
9.如权利要求8所述的梯度折射率分布光学组件的制造方法，其特征在于该至少一种离子是从离子组锂、钾、钠、锌、钛、钡、铊、铅、镧、铯、银、钽及锆中选择。
10.如权利要求1所述的梯度折射率分布光学组件的制造方法，其中所有步骤均在无污染环境中操作。
11.一种梯度折射率分布光学组件的造制方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)准备盛放基料的第一坩埚和盛放折射率调整材料的第二坩埚，该基料和调整材料加热并分别维持相应的粘度；
(2)准备第三坩埚，引导基料和调整材料进入第三坩埚形成混合物，其中基料与折射率调整材料的比例连续变化；
(3)引导混合物流出第三坩埚形成多根半熔融状态的纤维；
(4)压延纤维以形成至少一连续板材，该至少一连续板材沿长轴方向连续及分别具渐变折射率；
(5)围绕一核心卷绕该板材，获得一卷绕预型体；
(6)加热预型体至部分熔融，并缩棒为具预定直径的光学棒；
(7)将光学棒切割成块，每一块有预定长度，从而可制造多个不同方向具渐变折射率的光学组件。
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