CN1495450A - 渐变折射率塑料光纤的制作方法及预制成形系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种渐变折射率塑料光纤(F1，F2)的制作方法及预制成形系统，该种光纤的折射率在其中心和其外围之间变化，所述方法包括下列工艺步骤：制备至少两种不同折射率的液态组成物(12，13)，每种组成物包括至少一种聚合物、一适用于改变存在于至少一种该组成物中的折射率的物质和一存在于至少一种所述组成物中的交联起动剂；用所述组成物填充预制成形系统(1’，1’)；在所述系统中制作一液态预制件，所述预制件的折射率具有给定的梯度；和拉制所述预制件以获得渐变折射率塑料光纤(F1，F2)。所述方法的特征在于预制件的制作包括基本上没有所述组成物沿所述系统流动的步骤。

Description

渐变折射率塑料光纤的制作方法及预制成形系统
技术领域
本发明涉及一种渐变折射率塑料光纤(graded index plastics materialoptical fiber)的制作方法和执行该方法的预制成形系统。
背景技术
可用于从可见光到近红外光谱范围的渐变折射率塑料光纤的优点在于它可以应用到宽带接入网络。
制作这种塑料光纤的困难在于必须控制一种或多种物质的分布，使得其在塑料光纤中从芯到外围的分布不同，从而获得所需的折射率梯度。
光纤折射率从光纤中心到外围的变化范围例如从0.01至0.03。
文献EP 1 067 22 A1描述了一种渐变折射率塑料光纤的制作方法，其中折射率在中心到外围之间连续变化。
该方法包括：
●制备两种不同折射率的组成物(composition)，
●用该组成物填充混合器系统的隔离存储箱，
●在上部包含一实心筒的混合器中混合该组成物，从而在混合器的下部获得渐变折射率液态预制件，
●通过延伸混合器底部的锥形部分来减小该预制件的直径，该预制件保持渐变折射率，
●拉制减小直径的预制件，从而获得渐变折射率塑料光纤，
●通过光学方式交联，从而产生一交联的三维阵列，和
●缠绕交联的渐变折射率塑料光纤。
所述的整个方法连续执行，并且尤其是通过调整组成物的加压流来进行混合组成物的步骤。
混合时间不适于获得具有所需折射率梯度的预制件。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种连续渐变折射率光纤或不连续渐变折射率(阶跃型折射率)光纤的制作方法，获得对所需折射率梯度的更好控制。
为此目的，本发明提供一种渐变折射率塑料光纤的制作方法，该种光纤的折射率在其中心到其外围之间变化，所述方法包括下列工艺步骤：
●制备至少两种不同折射率的液态组成物，每种组成物包括至少一种聚合物，一适用于改变存在于至少一种该组成物中的折射率的物质和一存在于至少一种所述组成物中的交联起动剂(cross-linking starter)，
●用所述组成物填充预制成形系统，
●在所述系统中制作一液态预制件，所述预制件的折射率具有给定的梯度，和
●拉制所述预制件以获得渐变折射率塑料光纤，
所述方法的特征在于预制件的制作包括基本上没有所述组成物沿所述系统流动的步骤。
根据本发明，可以制作没有应力的预制件，而这种应力在现有技术的连续方法中存在并涉及组成物的流动。通过消除预制件生产率与其拉制速率之间的相关性，本发明消除了对预制件最大制作时间的制约。
因而，本发明包括将液态预制件(换句话说，柱状物)的制作与对其的拉制分开，例如通过暂时将它们分离。
本发明在制作光纤方面具备较大的灵活性。液态预制件方法非常容易且可以非常快速地应用。该方法无需调整拉制工具，使拉制的上游段适合于所需光纤的结构(SI，GI，复杂的轮廓)。预制件的制作时间可以调整为所选组成物的性质(结构、粘滞度等)、系统的温度、以及组成物之间的互作用性质和这些互作用的动力学性质的函数。
液态预制件可以在化学实验室中部分地或全部地制作，随后是蒸馏阶段，并且采取一种极度受控的方式(受控的大气环境、零污染、光学纯净度等)，以确保极高的纯净度。
另外，根据本发明的光纤的制作技术可适于相配很宽种类的组成物，而不需要现有开发出的。
相比通过挤压或通过熔融颗粒或棒制作的固态预制件，液态预制件更易于制作。
折射率梯度可以是不连续的(阶跃型折射率)或连续的(是线性的、抛物线型或任何其它轮廓)。
在根据本发明方法的第一实施例中，所述基本上没有流动的步骤包括获得与所述拉制相配的预制件直径的步骤。
与所述拉制相配的直径是指一种比完工后光纤的所需直径大接近20至30倍的直径。
例如利用一预制成形系统来执行本实施例，该系统具有一通向较小直径的锥形输出部分的柱状部分，此系统使得在系统的整个长度上获得所述预制件。该模具可以有一在出口处是直线的或被减小的部分。
在根据本发明方法的第二实施例中，预制件的制作包括在所述基本上没有流动的步骤之后是一获得与该拉制相配的预制件的径向尺寸的步骤。
此类方法对应于例如使用恒定截面预制成形系统的状况。在此结构中，该系统制作一其折射率具有所需梯度类型的预制件。一旦制得预制件，将该系统设置在一附属部件(attached part)例如一锥形部件上，该附属部件例如在出口处与模具成为一体。
在根据本发明方法的一实施例中，在填充期间，将组成物在预制成形系统中分开，并且不连续渐变折射率(阶跃型折射率)预制件的制作包括使组成物接触。
填充步骤之后，几个步骤可以制作出连续渐变折射率预制件。
特别有可能应用不同的方法来获得在预制件中心和外围之间的化学成分的连续浓度梯度，此浓度梯度反映在折射率梯度上。
另外，有利地是，连续渐变折射率预制件的制作可优选包括通过优选从旋转和振动选择的化学处理，改变至少一种组成物的至少一种成分在预制件中心和外围之间的分布。
旋转可以加速组成物的相互扩散。振动，例如通过向介质发射超声波，产生分子位移。然后获得一液态预制件，其中在其整个长度上控制各种组成物的径向分布(或结构)，以便与完工光纤中的特定连续折射率梯度对应。
为了实现预制件的动态流动，可以通过对该系统施压来进行拉制，既可以通过把压缩中性气体注入到预制成形系统中，也可以通过在预制成形系统中启动活塞。
本发明还旨在提供一种实施连续渐变折射率光纤或不连续渐变折射率(阶跃型折射率)光纤的制作方法的设备，以实现对所需折射率梯度的改进控制。
为此目的，本发明提供一种实施前述制作渐变折射率塑料光纤的方法的预制成形系统，该系统包含一用于在该填充期间隔离所述组成物的第一区和一用于渐变折射率预制件成形的第二区，所述系统的特征在于第一区和第二区具有至少一个公共部分。
预制成形系统可以有益地包括与被注入组成物一样多的具有给定轴和给定内尺寸的同心壳(concentric enclosures)，外壳通过具有变化内尺寸的部件而轴向延伸，而内壳是活动的并且比外壳长。
预制成形系统可包括对组成物实施机械处理的装置，其选自振动装置和旋转装置。
振动装置可以包括一连结到探针的超声换能器。
预制成形系统可包括一轴向接收具有变化内径的所述部件的拉制件，且所述拉制件可包含一活动壳部件。
附图说明
通过阅读由非限定性实施例并参考图1-3给出的下述说明，可以更好地理解本发明，并且本发明的其它特点和优点将变得更加清晰。附图中，相同的部件采用相同的参考标记。
图1是利用根据本发明方法的第一实施例的第一阶跃型折射率预制成形和拉制系统的截面示意图；
图2是利用根据本发明方法的第二实施例的第二连续渐变折射率预制成形和拉制系统的截面示意图；
图3是在实施渐变折射率塑料光纤的制作方法中的拉制之后使用的部件的示意图。
具体实施方式
根据本发明的方法包括制备两种液态组成物(制备装置未示出)，每种组成物例如包括相同的聚合物P和分别包括相同的化合物M1、M2，其中聚合物P优选包括至少一种反应官能团，化合物M1、M2优选是各包含至少一种反应官能团的单体，物质M1和M2具有不同的折射率。
每种组成物中的物质M1和/或M2的浓度不同，这使得各组成物具有不同的折射率。例如，芯组成物和包层组成物之间的折射率差从0.01至0.03。
第一组成物(称作芯组成物)具有较高的折射率。第二组成物(称作包层组成物)具有较低的折射率。一网状起动剂，例如光起动剂型，被掺入至少一种该组成物中。
关于制备方法以及芯和包层组成物的选取，见以下所述两个实施例所引用的现有技术方面的应用的例子1、2和4。
图1是根据本发明方法的第一实施例用于形成并拉制一预制件(例如阶跃型折射率预制件)的第一系统1沿轴平面X的截面示意图。
第一系统1包括具有同心轴X的两同心管2、3。外管2的直径是45mm和长度是200mm，沿其轴向延伸一锥形件4，锥形件的出口直径大致等于2.5mm。活动的32mm直径的中心管3的长度大于200mm，并靠在锥形件4的壁上。
第一系统1还包括一密封的上壳5，它包括一横向卸放到外管2上的入口51，用于注入包层组成物。壳5的中心壁52使得能够放置或收回中心管3。
另外，处于中央孔的水平的装置(未示出)，如压缩中性气体注入装置或活塞，在系统中产生一受控压力。
在本实施例中，第一系统1还包括一直径为2.5mm、长度为15mm的模具6，其中心轴X接收锥形件4。模具6定义一校准区Z6，其给出所得渐变折射率光纤的直径大小的所需数量级。模具6包含一活动的壳部件61。
在一种变化形式中，模具6是一附属部件，这意味着可以很容易地改变校准而不改变系统。
下面描述该方法的步骤。
在填充步骤期间，关闭模具6，外管2用作包层组成物12的存储箱，且较高折射率的芯组成物13设置在中心管3和锥形件4中。
沿箭头A的方向(以虚线符号表示)收回中心管3，使得组成物12、13接触并因此形成其折射率表现出所需阶跃的液态预制件(未示出)。最初用于隔离组成物的区域Z1于是对应于阶跃型折射率预制件的成形区域。根据本发明，芯和包层组成物不沿系统1流动而获得预制件，结果是制作预制件的速率不再依赖于拉制速率。在此情形下，根据本发明的方法是不连续的。
在收回壳部件61并对系统1进行受控施压之后，典型的压强为0.5bar-5bar，液态预制件(未示出)沿X轴流进锥形件4的区域Z4中并且因此到达校准过的模具6。在此区域中，预制件的直径发生改变，变为与拉制相配的直径，改变的条件是几何相似性，即，不会改变其各部分的相对大小，并且保留不连续渐变(即，阶跃)折射率。
在一种未示出的变化形式中，一低温冷却系统可设置为围绕锥形件4，其中预制件流向模具6。这样逐渐地将预制件的粘滞度增大到大于50Pa.s的值，产生较厚的液体，使其流得更慢。模具6中的粘滞度从1Pa.s至5Pa.s。
在另一未示出的变化形式中，系统1变化为包括一具有X轴的附加活动管，以获得具有多折射率阶跃的光纤。
图2是根据本发明方法的第二实施例用于形成和拉制例如具有连续渐变折射率的预制件的第二系统1’沿轴平面X的截面示意图。
与第一系统的方式类似，第二系统1’包括(沿同样的中轴X)一密封的上壳5，两同心管2、3和一锥形件4，锥形件4后有一包括活动壳部件61的模具6。壳5包括一入口51和一中央孔52，入口51横向卸放到外管2上。
类似地，在中央孔中的装置(未示出)，如压缩中性气体注入装置或活塞，在系统1’中产生一受控压力。
在填充期间，区域Z1隔开芯组成物13与包层组成物12。
模具6限定一校准区域Z6，其给出所得渐变折射率光纤的直径大小的所需数量级。
第二系统1’还包括一探针7，用于传递20000Hz数量级的超声频率的机械振动。通过一把电能转变成机械振动的换能器8而使探针7振动。
在填充阶段期间，外管2用作包层组成物12的存储箱，而较高折射率的芯组成物13放置在中心管3和锥形件4中。
通过沿箭头A方向(如虚线所表示的)收回中心管3，使组成物12、13接触并形成具有特定组成物分布的液态预制件(未显示)。
启动换能器8和探针7，产生包层和芯组成物12、13的超声振动，调整它们在整个区域Z1上的径向分布，该区域Z1变为连续渐变折射率预制件的成形区域。而且，设置在外管2周围的去耦件91、92限制其振动。根据本发明，获得一种没有沿系统1’流动的的芯和包层组成物的预制件。通过调节预制件的制作时间，产生一种更加受控的梯度。
在收回壳部件61并对第二系统1’施加受控压力，典型的压强为0.5bar-5bar之后，预制件(未示出)流入到锥形件4的区域Z4中，直到它到达模具6。在较小直径的预制件中保持组成物浓度的变化。
在一种改型中，为了在填充期间获得组成物的所需粘滞度，例如是1-5Pa.s，可以通过围绕外管2和中心管3设置隔热件(未示出)来加热芯和包层组成物13、12。这样便于执行根据本发明的方法，因为粘滞度的此范围给出相对液态组成物，更好地响应超声振动。
图3是根据第一或第二实施例，用于在拉制之后用于执行渐变折射率塑料光纤的制作方法的部件的示意图。
这些部件是紫外光(UV)源20、绞盘30和线轴40。
在模具的出口，利用UV源20使渐变折射率塑料光纤F1通过交联而硬化，产生一种具有交联结构的塑料光纤F2。然后利用绞盘30把该塑料光纤缠绕到线轴40上。光纤的直径由模具设置，但可以按照绞盘施加的牵引力被加细。塑料光纤F1或F2都可以是按照本发明方法的最终产品。
交联的优点在于它几乎完全固定塑料光纤的成分并且因此确保得到塑料光纤的改进物理和热稳定性以及折射率梯度。
交联起动剂例如是一种光起动剂，它是一种启动所需交联反应例如热或通过辐射的组成物。
交联过程也可以选自电子轰击和热处理。
通过本发明的方法获得的塑料光纤的优点在于：它可以用于从可见光到近红外的光谱范围，而在整个范围上具有低的衰减(小于1dB/m)。
通过本发明的方法获得的光纤的另一优点在于，由于其制造材料的性质和其交联结构所导致的热稳定性，光纤可用于高温(至少高达125℃)。
获得的光纤的直径一般在100μm-1mm。
当然，根据本发明的塑料光纤的制作方法不限于具有代表性的上述实例。例如，在一种改型中，至少一种涂层可沉积到前述获得的一种塑料光纤上，以保护光纤免受外界环境的影响并提高其机械强度。
根据本发明，形成所需折射率梯度的步骤和减小渐变折射率预制件直径的步骤也可以同时进行，并且没有流动，即没有连续地拉制。

Claims (11)

1.一种渐变折射率塑料光纤(F1，F2)的制作方法，该种光纤的折射率在其中心到其外围之间变化，所述方法包括下列工艺步骤：
制备至少两种不同折射率的液态组成物(12，13)，每种组成物包括至少一种聚合物，一适用于改变存在于至少一种该组成物中的折射率的物质和一存在于至少一种所述组成物中的交联起动剂，
用所述组成物填充一预制成形系统(1’，1’)，
在所述系统中制作一液态预制件，所述预制件的折射率具有给定的梯度，和
拉制所述预制件，以获得渐变折射率塑料光纤(F1，F2)，
所述方法的特征在于该预制件的制作包括所述组成物沿所述系统基本上不流动的步骤。
2.如权利要求1所述的渐变折射率塑料光纤(F1，F2)的制作方法，其特征在于，所述基本上不流动的步骤包括获得与所述拉制相配的预制件直径的步骤。
3.如权利要求1所述的渐变折射率塑料光纤(F1，F2)的制作方法，其特征在于，预制件的制作包括在所述基本上不流动的步骤之后是一获得与所述拉制相配的预制件的径向尺寸的步骤。
4.如权利要求1至3任一所述的渐变折射率塑料光纤(F1，F2)的制作方法，其特征在于，该填充步骤使得该组成物在该预制成形系统(1)中被分开，并且其特征在于，不连续渐变折射率(阶跃型折射率)预制件的制作包括使该组成物接触。
5.如权利要求1至3任一所述的渐变折射率塑料光纤(F1，F2)的制作方法，其特征在于，连续渐变折射率预制件的制作包括通过优选选自旋转和振动的机械处理改变至少一种该组成物的至少一种组分在该预制件中心和外围之间的分布。
6.如权利要求1至5任一所述的渐变折射率塑料光纤(F1，F2)的制作方法，其特征在于，通过对该预制成形系统受控施压来进行拉制，既可以通过把压缩中性气体注入到该系统中，也可以通过在该系统中启动活塞。
7.一种实施根据权利要求1至6任一的渐变折射率塑料光纤(F1，F2)的制作方法的预制成形系统(1，1’)，该系统包括一用于在所述填充期间隔离该组成物的第一区(Z1)和一用于该渐变折射率预制件成形的第二区(Z1)，所述系统的特征在于该第一区和该第二区具有至少一个公共部分。
8.如权利要求7所述的预制成形系统(1，1’)，其特征在于，它包括与被注入组成物一样多的具有给定轴和给定内尺寸的同心壳，外壳(2)通过一具有变化内尺寸的部件而轴向延伸，内壳(3)是活动的并且比该外壳长。
9.如权利要求7或权利要求8所述的预制成形系统(1’)，其特征在于，其包括对所述组成物实施机械处理的的装置，该装置选自振动装置和旋转装置。
10.如权利要求9所述的预制成形系统(1’)，其特征在于，该振动装置包括一连结到探针的超声换能器(8)。
11.如权利要求7至10任一所述的预制成形系统(1，1’)，其特征在于，其包括与被注入组成物一样多的具有给定轴和给定内尺寸的同心壳，外壳(2)通过一具有变化内尺寸的部件(4)而轴向延伸，且内壳(3)是活动的并且比该外壳长，其特征在于，它包括一轴向接收具有变化内尺寸的所述部件(4)的拉制件(6)，并且其特征在于，所述拉制件包括一活动壳部件(61)。
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