CN1938236A - 一种生产光学组件的方法 - Google Patents

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Abstract

根据已知的用合成石英玻璃生产光组件的方法，包括外套管、设有内孔的内套管、底面靠在内孔中止推座的芯杆、的同轴组件垂直输送到加热区，在加热区逐区软化并伸长，得到石英玻璃元件。为了得到基于所述方法的更简单和便宜的方法，以能够重复生产制造出高质量的光组件，止推座设置成使内套管内孔缩小的收缩件。

Description

一种生产光学组件的方法
技术领域
本发明涉及一种用合成石英玻璃生产光学组件的方法，包括外套管、设有内孔的内套管、下表面端靠在内孔中对接件的芯杆、的同轴机构垂直输送到加热区，芯杆在加热区逐区加热而软化并伸长，得到石英玻璃元件。
背景技术
光学纤维的中间产品形式的光学组件(预成型或单独实心圆柱体)或者光学纤维，通过压扁和拉伸包括芯杆和复盖在芯杆上的多个套管的同轴组件进行生产。该方法的所有变化都强调同轴引导和芯杆和套管的相对固定务求准确。
美国专利6,460,378 B1公开了一种上面提到类型的方法，其中在拉伸工艺中垂直设置的芯杆同时覆盖有内套管和外套管。为了固定芯杆，外套管在芯杆的下端部区设置了缩小部分。缩小部分用作保持环的对接件，保持环在外套管处于垂直状态时从上面进入套管的内孔。保持环的外径小于外套管的内径，但稍大于缩小部分的内径，所以保持环可从上面落到缩小部分。芯杆的锥形下端部拉伸通过中心孔，形成对芯杆的止动。此外，第一内套管的前侧靠在保持环上。在这个方法中，必须设置缩小部分，以相对固定组件(芯杆和两个套管)。形成缩小部分要求采用非常复杂的热成型步骤，尤其是在外套管一般具有非常大截面的情况下，因此要进行大量加热。此外，要求适合于缩小部分和成型为保持环形式的易损石英玻璃件。建议的各组件的相对固定形式要求精确水平定位所述保持环，这是很困难的，这是由于缩小部分通过玻璃吹制技术制造，具有公知的涉及尺寸稳定的局限性。
通过保持环互相固定的组件然后在上端进行熔凝，在外套管的内孔中产生并保持真空。为此，需要设置密封环以密封内和外套管之间的间隙，密封环还有助于在组件的上部区互相固定部件。还需要另外的加热步骤来熔化上端，但保证后来不偏离希望的几何形状是不可能的。
光学高质量组件的可重复生产性要求对制造方面作出很大努力，要花费大量时间，以保证拉伸前的准确同轴设置，芯杆和套管的相对固定。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种简单和便宜的生产方法，可通过对同轴设置的芯杆和多个套管进行拉伸，得到高质量的光学组件。
基于上面提到的方法，本发明实现了这个目的，对接件设置成内套管的内孔的收缩件。
与已知的方法比较，保持环和外套管的内径的收缩部分都不必与芯杆固定。
保持环可以免除，所以不需要制造保持环，上面提到的由于水平定位保持环及固定芯杆和内套管导致的问题也不再存在。
一般地，内套管的质量小于外套管的质量。因此内套管的内径的收缩部分的结构不会带来问题。形成预先确定的几何形状在技术上变得容易。
因此，根据本发明的方法重复制造尺寸稳定的光学组件(杆，预成型件，纤维)变得容易。
外套管可包括一个或多个套管。基本上对光学组件的光导没有影响。因此，对外套管的石英玻璃的光学性能的要求比较低。因此与内套管所用的石英玻璃相比，所需的石英玻璃可以很低成本生产。这是高价的内套管制造得尽可能薄的原因，但是也可以制造得尽可能厚。一般地，内套管的壁厚在5毫米到20毫米的范围。在此光学组件，外套管的石英玻璃的体积分数为80％或更高。
由于收缩件，内套管的内孔可完全封闭或部分封闭。在最后提到的变化的方法中，收缩件设置了轴向连续的孔，允许气体吹扫内孔，直到在拉伸过程中内孔完全破裂。这种变化的方法是优选的。
已经证明，芯杆设有芯部区是有用的，具有外径dK的芯部区被外径dM的玻璃复层包围，dM和dK之比的范围在2到4，最好在2.5到3.5。
出于成本的原因，靠近芯部的非常复杂难以生产的最里面的玻璃复层的体积分数保持尽可能小，而内套管的其余套管材料可以非常低的成本制造。
芯杆最好由对接的芯杆件形成。
为此，容易生产或以低成本生产的小尺寸芯杆可用于制造芯杆，或用选择的剩余芯杆件制造。芯杆件可互相熔接或者芯杆件松散地互相叠置。最好选择后一种方式，因为一方面芯杆件允许套管和芯杆之间存在很小的安全间隙，另一方面在拉伸过程中，端表面相对位移，即端表面是平面的，因此在内套管的内孔内可径向移动和自动对中。
这样的连接方式中，已经证明设置机械止动件是有用的，可防止芯杆相反于拉伸工艺的拉动方向向上移动。
在拉伸过程中，止动件防止了芯杆的浮动。当使用多个芯杆件时，这具有非常有效的作用。止动件可由保持销形成，其突出内套管的壁进入内孔，并可以抽出。
内环形间隙设置在芯杆和内套管之间，已经证明，当平均间隙宽度在0.5mm到1.5mm的范围是最有利的。
小间隙宽度有助于拉伸工艺，可得到光学部件的高度尺寸稳定性(具体是小椭圆度)和芯部不大的偏心度。
在这个方面，外环形间隙设置在内套管和外套管之间，还已经证明，外环形间隙的平均间隙宽度不超过2mm是有利的，最好不超过1mm。
在根据本发明的方法的最优选的设置中，内套管可保持沿横向移动。
由于内套管能够自由地沿着拉制方向的横向移动，在拉伸过程中可实现自对中。横向移动性是根据外套管上端部的安装类型产生的，例如，对于万向节安装，这种安装类型容许沿着拉制方向的横向移动或振动移动。
如果石英玻璃的夹持圆柱体被熔化到外套管的上端，证明是有益的。
夹持圆柱体包括质量不高的石英玻璃，成为外套管的夹持机构的一部分。这样可代替昂贵的石英玻璃并降低了这方面的材料损耗。在最简单的情况下，该夹持圆柱是中空的圆柱体，其横向尺寸与外套管的尺寸相同或类似。
夹持圆柱体设置用于与夹持件接合的周边槽证明是特别适于安装外套管。
在本发明的方法的第一个优选实施例中，第一夹持机构接合外套管的上端，第二夹持机构接合内套管的上端，第一和第二夹持机构在机械上是相互独立的。
在这个结构中，内套管及位于其中的芯杆和外套管能沿着拉伸方向和拉伸方向的横方向相互独立地移动。在拉伸工序中，这些另外的参数设置使得观察光学部件预先确定的几何形状更为方便。
在本发明方法的另一个同样优选的实施例中，第一夹持机构接合外套管上端，而内套管的上端夹持在外套管上，或在第一夹持机构上。
在这样的配置中，外套管同时起着引导和固定内套管及其中的的芯杆的作用。因而避免了设置单独的引导和固定内套管和芯杆的夹持机构。
在这个方面，一种变化的方法证明是特别简单的，在内套管上端或内套管的机械拉伸部分设置外套环，其可靠在外套管或其机械拉伸部分。
例如，外套环是内套管上端的向外凸缘或外伸扩展部分，必须保证，外套环延长到这样的程度，可靠着外套管的上侧面或外套管的拉伸部分(如通过上面介绍的夹持圆柱体)。
内套管的羟基平均含量最好是小于1wtppm。
内套管的羟基平均含量越低，特别是在内套管的内孔区域，光学组件中羟基(OH基)所产生的衰减百分率也就越小。
通过拉伸已机械加工到最终尺寸的中空圆柱体来制造内套管可实现另一个改进。
由于存在包括钻孔、研磨和珩磨的机械加工技术，精确尺寸的厚壁石英玻璃圆柱体首先通过使用已知研磨和珩磨方法和该方法适用的普通设备来制造。考虑到后来的拉伸工序，石英玻璃套管用厚壁圆柱来制造，套管的长度是圆柱长度的数倍，尤其是，特别光滑的内孔在熔体中制造。在随着芯杆熔化期间，所述光滑内表面产生缺陷特别少的接触面，这可对光学部件的质量产生有利的影响。
为了保证精确的尺寸，优先选择的工艺是，其中的外套管是已机械加工到最终尺寸的中空圆柱体。
本发明范围内的机械加工到最终尺寸的套管也是内表面已机械加工到最终尺寸的套管，并且接下来还通过腐蚀进行精制。均匀腐蚀工序不会使中空圆柱体的最终几何形状有任何实质变化(例如，弯曲或截面椭圆)。
外套管最好形成向下逐渐变小的下端。
与拉制灯泡相似，外套管下端的形状可使得拉伸工序的启动更容易。
附图说明
现在将参照实施例和附图详细地解释本发明的方法。附图是示意图，详见：
图1是拉伸工序前的装置的第一实施例，包括芯杆、内套管和外套管；
图2是所述装置的第二实施例。
具体实施方式
图1的装置显示出，芯杆1包括多个高纯度合成石英玻璃件2，其氢氧基平均含量小于1wtppm，各合成石英玻璃件在内套管3的内孔中松散地堆叠。
芯杆2的端面是平面，这样在内套管3的内孔中的芯杆件能在一定程度上横向滑动，因此在拉伸工序中自对中。各芯杆件2包括外径dK为11mm的掺镓的石英玻璃芯区，芯区被外径dM为28mm的非掺杂石英玻璃内套管区围绕。因此dM与dK的比率为2.55。
内套管3的内径为30.0mm而外径为50mm，内套管被内径和外径分别为52mm和150mm的外套管围绕。
因此，内套管3和芯杆1之间有环形间隙12，其平均间隙宽度为1mm，外套管4和内套管3之间依然有环形间隙13，其平均间隙宽度为1mm。
内套管3包括高纯度合成石英玻璃，其氢氧基平均含量为0.3wtppm。套管3通过拉伸已机械加工到最终尺寸的中空圆柱体制造出，因此，在熔体中产生套管3的特别光滑内孔，而内孔的平均粗糙深度(Ra值)约为0.2μm 。
内套管3的下端有锥形的向下变细区，该区形成内套管3的内孔的缩小区6。内孔缩小区6使得开口宽度为10mm的连续开口7仍然保持相对内孔。
芯杆1的下端位于所述缩小区6。芯杆1的上侧由固定杆8形成，通过使销穿过内套管3的管壁并拉伸进入内孔，固定杆可防止拉伸工序出现“浮动”，下面将作进一步详细介绍。
外套管4机械加工到最终尺寸，其包含合成石英玻璃。外套管4的下端9是向下拉伸的锥形，在拉伸工序中便于进行拉伸。
外套管4通过熔凝的夹持圆柱体10向上拉伸，夹持圆柱体10含有质量差的石英玻璃。夹持圆柱体10设有环绕的矩形槽11，而环绕的矩形槽11用作第一夹持件(图中没有显示)的接收部分，通过该夹持件外套管被夹住进行移动。
夹持圆柱体10与外套管4的接合面和固定杆8与最上面的芯杆件2之间的接触点处于同一水平。
内套管3和其中的芯杆1被第二个夹持件(图中没有显示出)夹住和引导，所述夹持件可使内套管3与外套管4无关地移动。更具体地，安装内套管3的夹持件是带有万向接头的，这样，内套管3可以绕万向接头沿着拉伸方向(方向箭头5)的横方向枢轴转动，在拉伸工序中形成自对中。
图2使用与图1相同的标记，其代表的部件和零件与上面参考对装置的第一实施例的介绍所进行的详细说明的部件和零件结构相同或类似。
与图1装置相比，在图2装置中的内套管3没有被单独的夹持件夹持和引导，而是被外套管4夹持和引导。为此，内套管3上端设有靠着夹持圆柱体10上侧面的向外拉伸的套环16。
下面将参照图1详细地介绍本发明方法的典型流程。
首先用VAD法生产芯杆2。为此，通过轴向沉积中心的掺杂GeO2的芯层及其周围的未掺杂SiO2层，在旋转支架上产生炱体(sootbody)，接着，炱体将在含氯气氛下进行脱水处理，然后在约1350℃范围的温度下在玻璃化炉内进行玻璃化，以得到外径为28mm而折射率分布合乎要求的芯杆。
单个芯杆件的重量由其长度决定，重量会明显不同。在所生产的外径为125μm的光学纤维中，芯杆件2形成直径约为8.5μm的芯区。
作为代替上述用VAD方法生产芯杆的另一可选方法，这些芯杆还可以用已知的MCVD、OVD、PCVD或FCVD(炉中化学气相淀积)法生产。
在各种情况下，还为套管3、4形式的外复层玻璃提供了另外的套管材料，外复层玻璃在拉制纤维时被压制到芯杆1上。套管3、4可在标准OVD方法下生产，不必加掺杂剂。
所得到的石英玻璃管的外壁，通过采用较细颗粒和连续几次环形横向或纵向研磨步骤，磨到需要的外部尺寸。同样，内孔用钻孔机进行钻孔，并通过珩磨重复加工，对形状和表面状态进行了高精度的抛光加工。这将产生沿纵轴方向拉伸的并具有准确圆截面的直孔。为了降低表面张力和消除表面加工所造成的损坏，各石英玻璃管在HF浓度为5％到30％的氢氟酸池里进行短时间的腐蚀。
产生的石英玻璃管拉伸后的长度是其原长度的12倍，这样就得到具有以上尺寸的内套管3。内套管3的下端进行软化形成锥体6。
外套管4用类似的方法制造，而拉伸步骤和锥体的形成被省略。外套管4的锥形区9通过机械加工进行制造。配有周边槽11的夹持圆柱体10在外套管4的上端熔凝。
内套管3的内孔充填芯杆件2和固定杆8，芯杆2由于其长度短而更容易放入。然后，内套管3连接到与其上端接合的夹持件，然后插入外套管4。同样，外套管4用另一个与周边槽11接合的夹持件夹住。
然后，在温度约为2050℃的环形炉内，芯杆1、内套管3和外套管4的所述同轴组件从下端开始垂直地进行逐区软化，通过这个工艺，从软化区拉制出光学纤维。只要组件的下端还未软化和压扁，氮气吹扫气流将通过间隙12和间隙13，并通过内孔和开口7以防止杂质渗入。
拉制法开始时，芯杆件2靠着内套管3的缩小区6。芯杆件2，还有内套管3和外套管4可相互独立地沿着拉伸方向5的横向移动，这在拉伸工艺中将造成组件的自对中。
外径为125μm的光学纤维从软化和压扁区拉出。用相同的方法可对光学纤维的预成型。

Claims (18)

1.一种用合成石英玻璃生产光组件的方法，包括外套管、设有内孔的内套管、和底面端靠在内孔中对接件的芯杆，的同轴组件垂直输送到加热区，在加热区加热逐区软化并伸长，得到石英玻璃元件，其特征在于，所述对接件设置成内套管内孔的收缩件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收缩件设有轴向连续孔。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述芯杆包括具有外径dK的芯部区，其被具有外径dM的玻璃复层包围，dM和dK之比的范围在2到4，最好在2.5到3.5。
4.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述芯杆由对接的芯杆件形成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述芯杆件松散地互相叠置。
6.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，设有机械止动件，可防止芯杆反向于拉伸方向向上移动。
7.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，内环形间隙设置在芯杆和内套管之间，平均间隙宽度在0.5mm到1.5mm的范围。
8.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，外环形间隙设置在内套管和外套管之间，平均间隙宽度不超过2mm，最好不超过1mm。
9.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述内套管保持可横向移动。
10.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，石英玻璃保持筒体熔凝于外套管的顶端。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述保持筒体包括用于接合保持件的周边槽。
12.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，第一夹持机构接合外套管的上端，第二夹持机构接合内套管的上端，第一夹持机构和第二夹持机构互相机械独立。
13.根据权利要求1到11中任一项所述的方法，其特征在于，第一夹持机构接合外套管的上端，内套管的上端夹持在外套管或第一夹持机构。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，内套管的上端或内套管的机械拉伸部设置了外套环，其靠在外套管或外套管的机械拉伸部。
15.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，内套管的平均羟基含量小于1wtppm。
16.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，内套管通过对机械加工达到最后尺寸的中空筒体拉伸来制造。
17.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，外套管具有中空筒体的形式，筒体经过机械加工达到最后尺寸。
18.根据前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，外套管设有向下逐渐变小的下端部。
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