低雜散光串擾型光纖傳像元件及其製備方法與流程

2023-05-30 19:37:16

本發明涉及一種光纖傳像元件，特別是涉及一種低雜散光串擾型光纖傳像元件及其製備方法。

背景技術：

光纖傳像元件是由成百上千萬根微米級光學纖維規則排列形成的光學元件，包括光纖面板、光纖倒像器、纖維光錐、光纖傳像束等。光纖傳像元件具有數值孔徑大、光學零厚度等特點，在光學傳像、光學耦合等領域有著重要應用。

光纖傳像元件內的光學纖維是由高折射率的芯與低折射率的皮構成的，滿足全反射條件的輸入光線可以在光纖內部由一端傳輸到另一端，而不滿足全反射條件的輸入光線則穿透皮層成為雜散光。雜散光是引起光纖傳像元件成像清晰度差的最重要因素。為了解決上述問題，通常採用在相鄰光學纖維的空隙處全部或部分填充光吸收玻璃的方式，在芯料和皮料的組合光學纖維之間存在很多空隙，通過在全部或部分的空隙處填充光吸收玻璃絲來提升對雜散光的吸收效果。目前國內外常使用的光吸收玻璃為圓形結構，其熱學性能與芯料、皮料組合體光學纖維相近，由於光吸收玻璃絲與芯皮組合體光學纖維接觸面積小，只能保證入射到光吸收玻璃上的雜散光才能被吸收，而超出這一範圍的雜散光無法被吸收而形成串擾。因此，目前傳統光纖傳像元件普遍存在雜散光吸收效率低、成像不清晰的問題，無法滿足更高清晰度要求的光纖傳像元件的應用需求。

技術實現要素：

本發明的主要目的在於，提供一種新型低雜散光串擾型光纖傳像元件及其製備方法，所要解決的技術問題是降低光纖傳像元件的雜散光串擾，提升其成像清晰度，從而更加適於實用。

本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的一種低雜散光串擾型光纖傳像元件，其包括：至少三根圓柱形單光學纖維緊密平行堆積，任意三根所述單光學纖維兩兩相切處所包圍的空間構成光吸收玻璃插孔，所述的光吸收玻璃插孔被光吸收玻璃填充滿；所述的單光學纖維由高折射率的圓柱形纖芯玻璃棒及包覆在高折射率的圓柱形纖芯玻璃外面的低折射率的皮料玻璃管構成。

本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。

優選的，前述的低雜散光串擾型光纖傳像元件，其中所述的高折射率的圓柱形纖芯玻璃棒為矽酸鹽玻璃，折射率為1.65-1.95，軟化溫度700-800℃，膨脹係數為(60-80)×10-7/℃。

優選的，前述的低雜散光串擾型光纖傳像元件，其中所述的低折射率的皮料玻璃管為矽酸鹽玻璃，折射率為1.45-1.65，軟化溫度650-750℃，膨脹係數為(60-80)×10-7/℃；所述的光吸收玻璃為含有氧化鈷、氧化鎳和氧化錳中的至少一種的矽酸鹽玻璃；所述的光吸收玻璃的軟化溫度為500-650℃，膨脹係數為(85-100)×10-7/℃。

優選的，前述的低雜散光串擾型光纖傳像元件，其中所述的光吸收玻璃組分(按重量百分比計)為：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，Fe2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。

優選的，前述的低雜散光串擾型光纖傳像元件，其中所述的圓柱形單光學纖維的圓形截面的直徑為4-10微米。

本發明的目的及解決其技術問題還採用以下的技術方案來實現。依據本發明提出的一種低雜散光串擾型光纖傳像元件的製備方法，其包括以下步驟：

(1)分別將高折射率的纖芯玻璃、低折射率的皮料玻璃和光吸收玻璃加工成圓柱形纖芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；將所述纖芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管內，加熱拉製成圓柱形單光學纖維；其中纖芯玻璃棒和皮料玻璃管緊密相貼；將所述的光吸收玻璃棒加熱拉製成光吸收玻璃絲；

(2)將所述的單光學纖維平行排列，並且置於排棒模具中緊密堆積成多層，在單光學纖維之間的空隙內插入所述的光吸收玻璃絲，得到光學纖維束，將所述光學纖維束綑紮並從排棒模具中取出，得到光纖預製棒；

(3)將所述光纖預製棒加熱拉絲，使光吸收玻璃絲完全填充到單光學纖維之間的空隙內，得到複合纖維；

(4)將所述複合纖維切割，緊密排列到模具中，綑紮成坯板，坯板經真空高溫熔壓、滾圓、切割、二次熱加工、拋光得到低雜散光串擾型光纖傳像元件；

其中，所述的單光學纖維的截面的直徑D1和所述的光吸收玻璃絲的截面的直徑D2有如下關係：

本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。

優選的，前述的低雜散光串擾型光纖傳像元件的製備方法，其中所述的高折射率的纖芯玻璃為矽酸鹽玻璃，折射率為1.65-1.95，軟化溫度700-800℃，膨脹係數為(60-80)×10-7/℃；所述的低折射率的皮料玻璃為矽酸鹽玻璃，折射率為1.45-1.65，軟化溫度650-750℃，膨脹係數為(60-80)×10-7/℃。

優選的，前述的低雜散光串擾型光纖傳像元件的製備方法，其中所述的光吸收玻璃為含有氧化鈷、氧化鎳和氧化錳中的至少一種的矽酸鹽玻璃；所述的光吸收玻璃的軟化溫度為500-650℃，膨脹係數為(85-100)×10-7/℃。

優選的，前述的低雜散光串擾型光纖傳像元件的製備方法，其中所述的圓柱形單光學纖維的圓形截面的直徑為4-10微米。

優選的，前述的低雜散光串擾型光纖傳像元件的製備方法，其中所述的光吸收玻璃組分(按重量百分比計)為：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，Fe2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。

藉由上述技術方案，本發明低雜散光串擾型光纖傳像元件及其製備方法至少具有下列優點：

本發明的低雜散光串擾型光纖傳像元件中吸收玻璃完全填充滿堆積空間，降低光纖傳像元件的雜散光串擾，提升其成像清晰度。結合本發明的光吸收玻璃的成份及參數製備的光纖傳像元件成像清晰度高。

由於本發明中光吸收玻璃的軟化溫度較纖芯光學纖維的軟化溫度低100-150℃，而膨脹係數高20×10-7/℃。通常拉絲溫度要高於芯皮光學纖維的軟化溫度，因此在拉絲溫度下，光吸收玻璃率先軟化，且膨脹係數高，會自動填充到光學纖維之間的空隙處。最後，通過光纖預製棒的收縮，將芯料、皮層、光吸收玻璃三者融合成一根複合纖維，且光吸收玻璃完全填充滿芯、皮之間的空隙，使最終製備的光纖傳像元件的雜散光串擾降低，成像清晰度提升。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。

附圖說明

圖1是低雜散光串擾型光纖傳像元件示意圖。

具體實施方式

為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功效,以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的低雜散光串擾型光纖傳像元件及其製備方法其具體實施方式、特徵及其功效，詳細說明如後。在下述說明中，不同的「一實施例」或「實施例」指的不一定是同一實施例。此外，一或多個實施例中的特定特徵或特點可由任何合適形式組合。

如圖1所示，本發明的一個實施例提出的一種低雜散光串擾型光纖傳像元件，其包括：

至少三根圓柱形單光學纖維緊密平行堆積，任意三根所述單光學纖維兩兩相切處所包圍的空間構成光吸收玻璃插孔，所述的光吸收玻璃插孔被光吸收玻璃1填充滿；

所述的單光學纖維由高折射率的圓柱形纖芯玻璃棒2及包覆在高折射率的圓柱形纖芯玻璃外面的低折射率的皮料玻璃管3構成。

較佳的，本實施例的低雜散光串擾型光纖傳像元件中的高折射率的圓柱形纖芯玻璃棒為矽酸鹽玻璃，折射率為1.65-1.95，軟化溫度700-800℃，膨脹係數為(60-80)×10-7/℃。

較佳的，本實施例低雜散光串擾型光纖傳像元件中低折射率的皮料玻璃管為矽酸鹽玻璃，折射率為1.45-1.65，軟化溫度為650-750℃，膨脹係數為(60-80)×10-7/℃。

較佳的，本實施例的低雜散光串擾型光纖傳像元件中的光吸收玻璃為含有氧化鈷、氧化鎳和氧化錳中的至少一種的矽酸鹽玻璃；所述的光吸收玻璃的軟化溫度為500-650℃，膨脹係數為(85-100)×10-7/℃。

較佳的，本實施例的低雜散光串擾型光纖傳像元件中的光吸收玻璃組分為(按重量百分比計)：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，Fe2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。

較佳的，本實施例的低雜散光串擾型光纖傳像元件中的光吸收玻璃的膨脹係數較對400-1000nm光線的吸收效果(0.3mm玻璃片，使用分光光度計測量)大於95％。

較佳的，本實施例的低雜散光串擾型光纖傳像元件中的圓柱形單光學纖維的圓形截面的直徑為4-10微米。

本發明的另一個實施例提出一種低雜散光串擾型光纖傳像元件的製備方法，其包括以下步驟：

(1)分別將高折射率的纖芯玻璃、低折射率的皮料玻璃和光吸收玻璃加工成圓柱形纖芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；將所述纖芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管內，加熱拉製成圓柱形單光學纖維；其中纖芯玻璃棒和皮料玻璃管緊密相貼；將所述的光吸收玻璃棒加熱拉製成光吸收玻璃絲；

(2)將所述的單光學纖維平行排列，並且緊密堆積成多層置於排棒模具中，在單光學纖維之間的空隙內插入所述的光吸收玻璃絲，得到光學纖維束，將所述光學纖維束綑紮並從排棒模具中取出，得到光纖預製棒；

(3)將所述光纖預製棒加熱拉絲，使光吸收玻璃絲完全填充到單光學纖維之間的空隙內，得到複合纖維；

(4)將所述複合纖維切割，緊密排列到模具中，綑紮成坯板，坯板經真空高溫熔壓、滾圓、切割、二次熱加工、拋光得到低雜散光串擾型光纖傳像元件；

其中，所述的單光學纖維的截面的直徑D1和所述的光吸收玻璃絲的截面的直徑D2有如下關係：滿足如上關係式，才能保證光吸收玻璃絲能夠插入三根光學纖維緊密堆積所形成的空隙。

將光纖預製棒在一定拉絲溫度下，拉製成一定尺寸的複合纖維。此過程中，由於光吸收玻璃軟化溫度較纖芯光學纖維的軟化溫度低100-150℃，而膨脹係數高20×10-7/℃。通常拉絲溫度要高於纖芯光學纖維的軟化溫度，因此在拉絲溫度下，光吸收玻璃率先軟化，且膨脹係數高，會自動填充到光學纖維之間的空隙處。最後，通過光纖預製棒的收縮，將芯料、皮層、光吸收玻璃三者融合成一根複合纖維，且光吸收玻璃完全填充滿芯、皮之間的空隙。

較佳的，本實施例的低雜散光串擾型光纖傳像元件的製備方法中的高折射率的纖芯玻璃為矽酸鹽玻璃，折射率為1.65-1.95，軟化溫度700-800℃，膨脹係數為(60-80)×10-7/℃；所述的低折射率的皮料玻璃為矽酸鹽玻璃，折射率為1.45-1.65，軟化溫度650-750℃，膨脹係數為(60-80)×10-7/℃。

較佳的，本實施例的低雜散光串擾型光纖傳像元件的製備方法中的光吸收玻璃為含有氧化鈷、氧化鎳和氧化錳中的至少一種的矽酸鹽玻璃；所述的光吸收玻璃的軟化溫度為500-650℃，膨脹係數為(85-100)×10-7/℃。

較佳的，本實施例的低雜散光串擾型光纖傳像元件的製備方法中的圓柱形單光學纖維的圓形截面的直徑為4-10微米。

為了使單光纖直徑達到所需的尺寸要求，有時還需要將複合纖維再次排列到形排棒模具中，形成複合纖維預製棒，然後將其拉制為一定尺寸的二次複合纖維。一般經過這一步驟後，二次複合纖維內的每一根光學纖維尺寸可達到4-10微米。

較佳的，本實施例的低雜散光串擾型光纖傳像元件的製備方法中的光吸收玻璃組分為(按重量百分比計)：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，Fe2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。

實施例1

(1)分別將折射率為1.65，軟化溫度為700℃，膨脹係數為70×10-7/℃的高折射率的纖芯玻璃、折射率在1.45，軟化溫度為670℃，膨脹係數為60×10-7/℃的低折射率的皮料玻璃和軟化溫度為550℃，膨脹係數為85×10-7/℃的光吸收玻璃加工成圓柱形纖芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；將所述纖芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管內，加熱拉製成圓柱形單光學纖維；其中纖芯玻璃棒和皮料玻璃管緊密相貼；將所述的光吸收玻璃棒加熱拉製成光吸收玻璃絲；其中，光吸收玻璃組分為(按重量百分比計)：SiO2:60％，B2O3：5％，∑(Na2O+K2O)：15％，∑(MgO+CaO+BaO)：10％，Fe2O3：1％，Co2O3：3％，Ni2O3：5％，MnO2：5％，Al2O3：1％。

(2)將所述的單光學纖維平行排列，並且置於排棒模具中緊密堆積成多層，在單光學纖維之間的空隙內插入所述的光吸收玻璃絲，得到光學纖維束，將所述光學纖維束綑紮並從排棒模具中取出，得到光纖預製棒；

(3)將所述光纖預製棒加熱拉絲，使光吸收玻璃絲完全填充到單光學纖維之間的空隙內，得到複合纖維；

(4)將所述複合纖維切割，緊密排列到模具中，綑紮成坯板，坯板經真空高溫熔壓、滾圓、切割、二次熱加工、拋光得到低雜散光串擾型光纖傳像元件；

其中，所述的單光學纖維的截面的直徑為4微米。

實施例2

(1)分別將折射率為1.95，軟化溫度為750℃，膨脹係數為80×10-7/℃的高折射率的纖芯玻璃、折射率在1.65，軟化溫度為700℃，膨脹係數為80×10-7/℃的低折射率的皮料玻璃和軟化溫度為600℃，膨脹係數為100×10-7/℃的光吸收玻璃加工成圓柱形纖芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；將所述纖芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管內，加熱拉製成圓柱形單光學纖維；其中纖芯玻璃棒和皮料玻璃管緊密相貼；將所述的光吸收玻璃棒加熱拉製成光吸收玻璃絲；其中，光吸收玻璃組分為(按重量百分比計)：SiO2:70％，B2O3：2％，∑(Na2O+K2O)：10％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％，Fe2O3：2％，Co2O3：3％，Ni2O3：4％，MnO2：3％，Al2O3：1％。

(2)將所述的單光學纖維平行排列，並且置於排棒模具中緊密堆積成多層，在單光學纖維之間的空隙內插入所述的光吸收玻璃絲，得到光學纖維束，將所述光學纖維束綑紮並從排棒模具中取出，得到光纖預製棒；

(3)將所述光纖預製棒加熱拉絲，使光吸收玻璃絲完全填充到單光學纖維之間的空隙內，得到複合纖維；

(4)將所述複合纖維切割，緊密排列到模具中，綑紮成坯板，坯板經真空高溫熔壓、滾圓、切割、二次熱加工、拋光得到低雜散光串擾型光纖傳像元件；

其中，所述的單光學纖維的截面的直徑為10微米。

實施例3

(1)分別將折射率為1.85，軟化溫度為780℃，膨脹係數為68×10-7/℃的高折射率的纖芯玻璃、折射率在1.55，軟化溫度為740℃，膨脹係數為70×10-7/℃的低折射率的皮料玻璃和軟化溫度為650℃，膨脹係數為90×10-7/℃的光吸收玻璃加工成圓柱形纖芯玻璃棒、成皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；將所述纖芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管內，加熱拉製成圓柱形單光學纖維；其中纖芯玻璃棒和皮料玻璃管緊密相貼；將所述的光吸收玻璃棒加熱拉製成光吸收玻璃絲；其中，光吸收玻璃組分為(按重量百分比計)：SiO2:66％，∑(Na2O+K2O)：9％，∑(MgO+CaO+BaO)：10％，Fe2O3：3％，Co2O3：2％，Ni2O3：4％，MnO2：5％，Al2O3：1％。

(2)將所述的單光學纖維平行排列，並且緊密堆積成多層置於排棒模具中，在單光學纖維之間的空隙內插入所述的光吸收玻璃絲，得到光學纖維束，將所述光學纖維束綑紮並從排棒模具中取出，得到光纖預製棒；

(3)將所述光纖預製棒加熱拉絲，使光吸收玻璃絲完全填充到單光學纖維之間的空隙內，得到複合纖維；

(4)將所述複合纖維切割，緊密排列到模具中，綑紮成坯板，坯板經真空高溫熔壓、滾圓、切割、二次熱加工、拋光得到低雜散光串擾型光纖傳像元件；

其中，所述的單光學纖維的截面的直徑為8微米。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。