一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置的製造方法

2023-05-08 20:55:32

專利名稱:一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置，裝置由光學平臺、兩個電動位移平臺、兩個光纖夾具、帶縫石英管和氣氛保護管式電阻爐組成。其中，氣氛保護管式電阻爐固定在光學平臺上；帶縫石英管固定在氣氛保護管式電阻爐內，且其軸線與爐體的軸線重合；兩個電動位移平臺分別位於氣氛保護管式電阻爐的兩側並固定在光學平臺上；兩個光纖夾具分別固定在兩個電動位移平臺的滑塊上，且光纖夾具的軸線與氣氛保護管式電阻爐的軸線重合。本實用新型裝置可實現在惰性氣氛保護下對硫系玻璃光纖進行拉錐，有效避免光纖表面氧化；對光纖周圍的控溫效果好，拉錐成功率高；可實現拉錐光纖的原位固定或封裝；操作簡單、成本低、效率高。
【專利說明】
一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種光纖拉錐裝置，尤其涉及一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐
目.0
【背景技術】
[0002]硫系玻璃拉錐光纖(CGTF)在生物/化學傳感、非線性光學、微納光學等領域有著廣泛的應用前景。例如，CGTF具有優異的紅外透光性和較大的倏逝場，因此它們被製作成生物/化學傳感器，用於分子的探測和識別；CGTF具有極高的三階非線性係數、可大幅調節的群速色散，且在光纖中易形成極高的光強，因此它們被應用於紅外非線性光學領域，如寬帶紅外超連續譜的產生、光信號的處理等;此外，由於其較大的倏逝場和較小的體積，CGTF常被用作光學微腔的耦合波導，在紅外微納光學領域扮演著重要的角色。
[0003]拉錐光纖的製備一般藉助光纖拉錐機對一段光纖進行局部加熱並沿軸向拉伸獲得。市場上現有的光纖拉錐機主要包括氫氧焰加熱型拉錐機、CO2雷射加熱型拉錐機和電極加熱型拉錐機，這些光纖拉錐機主要適用於對具有高軟化溫度的石英光纖進行拉錐，操作溫度高且無氣氛保護，無法適用於對具有低軟化溫度且易被氧化的硫系玻璃光纖進行拉錐。目前，市場上尚未見一款適用於硫系玻璃光纖拉錐的設備。儘管國內外一些研究人員採用自製的裝置實現了對硫系玻璃光纖的拉錐，但採用這些已報導的裝置進行光纖拉錐仍然存在拉錐過程中光纖易被氧化、拉錐成功率低、難以實現拉錐光纖的原位固定或封裝等問題，嚴重製約了硫系玻璃拉錐光纖在紅外光器件中的應用與發展。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型要解決的技術問題是克服現有光纖拉錐設備存在的拉錐過程中光纖易被氧化、拉錐成功率低、難以實現拉錐光纖的原位固定或封裝等問題，提供一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置。
[0005]為了解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是:一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置，包括光學平臺、兩個電動位移平臺、兩個光纖夾具、帶縫石英管和氣氛保護管式電阻爐;氣氛保護管式電阻爐固定在光學平臺上，爐體的軸線與光學平臺的表面平行;帶縫石英管通過孔徑可調節的光闌固定在氣氛保護管式電阻爐內，其兩端分別從電阻爐的爐口兩端伸出，且其軸線與爐體的軸線重合;兩個電動位移平臺分別位於氣氛保護管式電阻爐的兩側並固定在光學平臺上，且電動位移平臺的軌道方向與氣氛保護管式電阻爐的爐體軸線方向平行;兩個光纖夾具分別固定在兩個電動位移平臺的滑塊上，且光纖夾具的軸線與氣氛保護管式電阻爐的軸線重合。
[0006]進一步地，電動位移平臺由步進電機、軌道和滑塊組成，滑塊位於軌道上，可沿軌道方向移動，由步進電機牽引，牽引速度可控。
[0007]進一步地，光纖夾具由螺母、橡膠芯和空心螺紋杆組成;空心螺紋杆為前端帶有螺紋的中空金屬杆;橡膠芯為中空的橡膠管，其前端被加工成沿軸線切開的錐形，後端通過強力膠粘在空心螺紋杆內壁上;螺母的內壁前端為錐形，內壁後端帶有螺紋，螺母穿過橡膠芯前端旋進空芯螺紋杆前端的過程中，橡膠芯前端沿軸向切開的錐形閉合，實現光纖的夾緊。
[0008]進一步地，帶縫石英管的管壁上設有一條沿軸向方向的縫，便於保護氣體的進入。
[0009]進一步地，氣氛保護管式電阻爐包括石英材質的爐管、電阻加熱圈、熱電偶、用於固定熱電偶的金屬片和兩個孔徑可調節的光闌；爐管兩端各設有一個氣孔，用於保護氣體的輸入；電阻加熱圈位於爐管的中部，緊貼爐管外壁;熱電偶的測溫端位於爐管內，接線端通過金屬片的小孔伸出爐管外;金屬片通過強力膠粘在爐管的一埠，金屬片上遠離中心位置設一小孔，用於固定熱電偶;一個光闌粘在金屬片上，另一個光闌粘在爐管的另一埠上，兩個光闌的中心法線均與石英爐管的軸線重合。
[0010]一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置的使用方法，包括下述步驟:
[0011 ] I)取一段硫系玻璃光纖，將光纖放入帶縫石英管內，之後將帶縫石英管插入氣氛保護管式電阻爐的爐管中，保持帶縫石英管的縫朝上以防止光纖從縫滑落，調小光闌的孔徑以夾緊帶縫石英管，使其懸在爐管中間；
[0012]2)將硫系玻璃光纖兩端插入光纖夾具的橡膠芯內，然後將螺母旋進空芯螺紋杆將光纖夾緊；
[0013]3)調節兩個電動位移平臺的滑塊位置，使其位於軌道上距離氣氛保護管式電阻爐較近的一端，然後將兩個光纖夾具分別固定在滑塊上，微調滑塊在軌道上的位置將光纖拉緊，使光纖軸線與帶縫石英管的軸線重合；
[0014]4)將帶縫石英管伸出氣氛保護管式電阻爐的部分用生料帶纏緊，以儘可能避免空氣經管壁上的縫進入管內；
[0015]5)從氣氛保護管式電阻爐的爐管兩端的氣孔向爐內輸入高純保護氣體，使爐內保持微正壓，將爐管內空氣經帶縫石英管的兩端趕出；
[0016]6)通過電阻加熱圈對硫系玻璃光纖加熱，光纖受熱軟化後立即同時啟動兩個電動位移平臺的步進電機進行雙向牽引拉錐，當電動位移平臺的滑塊到達預定位置時，關閉兩個步進電機，並同時停止加熱；
[0017]7)待氣氛保護管式電阻爐的爐內溫度降至室溫後，停止向爐內輸入高純保護氣，向帶縫石英管兩端注入紫外固化膠，將拉錐光纖固定在帶縫石英管內；
[0018]8)取掉纏在帶縫石英管兩端的生料帶，鬆開兩個光纖夾具的螺母，將光纖夾具移開，鬆開氣氛保護管式電阻爐兩端的光闌，將固定有拉錐光纖的帶縫石英管從爐管中抽出，最後可根據需要對固定在帶縫石英管中的拉錐光纖進行測試或封存。
[0019]作為優選，所述高純保護氣體為純度不低於99.999%的氬氣或氮氣。
[0020]本實用新型的有益效果如下:
[0021]a)硫系玻璃光纖拉錐可在惰性氣體保護下進行，故拉錐時光纖不會被氧化，可有效避免光纖被氧化而造成傳輸性能惡化。
[0022]b)硫系玻璃光纖位於懸在氣氛保護電阻爐軸線上的帶縫石英管中，對帶縫石英管或光纖的加熱通過氣體對流實現，這樣不會造成帶縫石英管內光纖周圍溫度的驟升或驟降，在拉錐過程中光纖材料的粘度易控制，拉錐成功率高;假設沒有帶縫石英管的保護，由於爐管管壁的溫度顯著高於爐體中心的溫度，光纖一旦接觸爐管管壁就會粘在高溫處，導致拉錐失敗，同時粘在管壁上的光纖材料會汙染爐管。
[0023]c)容納硫系玻璃光纖的帶縫石英管屬於耗材，最終可以從氣氛保護管式電阻爐中抽出，因此可以通過向帶縫石英管兩端注入紫外固化膠實現硫系玻璃拉錐光纖的原位固定或封裝。
[0024]與現有光纖拉錐設備相比，本實用新型裝置的優點在於:可實現在惰性氣氛保護下進行光纖拉錐，有效避免光纖表面氧化;對光纖周圍的控溫效果好，拉錐成功率高；可實現拉錐光纖的原位固定或封裝;操作簡單、成本低、效率高。
【附圖說明】

[0025]圖1是本實用新型裝置的結構示意圖。
[0026 ]圖2是本實用新型電動位移平臺的結構示意圖。
[0027]圖3是本實用新型光纖夾具的結構示意圖。
[0028]圖4是本實用新型帶縫石英管的結構示意圖。
[0029]圖5是本實用新型氣氛保護管式電阻爐的結構示意圖。
[0030]1-光學平臺，2-電動位移平臺，3-光纖夾具，4-帶縫石英管，5-氣氛保護管式電阻爐，6-光纖，2.1-步進電機，2.2-軌道，2.3-滑塊，3.1-螺母，3.2-橡膠芯，3.3-空心螺紋杆，5.1-爐管，5.1.1-氣孔，5.2-電阻加熱圈，5.3-熱電偶，5.4-金屬片，5.5-光闌。
【具體實施方式】
[0031]以下結合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。
[0032]如圖1所示，一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置，由一個光學平臺1、兩個電動位移平臺2、兩個光纖夾具3、一根帶縫石英管4和一個氣氛保護管式電阻爐5組成。其中，氣氛保護管式電阻爐5通過支架被固定在光學平臺I上，爐體的軸線與光學平臺的表面平行；帶縫石英管4通過孔徑可調節的光闌固定在氣氛保護管式電阻爐5內，其兩端分別從電阻爐的爐口兩端伸出，其軸線與爐體的軸線重合;兩個電動位移平臺2分別位於氣氛保護管式電阻爐5的兩側，它們通過螺絲固定在光學平臺I上，且電動位移平臺2的軌道方向與氣氛保護管式電阻爐5的爐體軸線方向平行;兩個光纖夾具3通過支架分別固定在兩個電動位移平臺2的滑塊上，且光纖夾具3的軸線與氣氛保護管式電阻爐5的軸線重合。
[0033]如圖2所示，電動位移平臺2由步進電機2.1、軌道2.2和滑塊2.3組成。滑塊2.3位於軌道2.2上，可沿軌道方向移動，由步進電機2.1牽引，牽引速度可控。
[0034]如圖3所示，光纖夾具3由螺母3.1、橡膠芯3.2和空心螺紋杆3.3組成。空心螺紋杆
3.3為前端帶有螺紋的中空金屬杆;橡膠芯3.2為中空的橡膠管，其前端被加工成沿軸線切開的錐形，後端通過強力膠粘在空心螺紋杆3.3內壁上;螺母3.1的內壁前端為錐形，內壁後端帶有螺紋，螺母3.1穿過橡膠芯3.2前端旋進空芯螺紋杆3.3前端的過程中，橡膠芯3.2前端沿軸向切開的錐形閉合，實現光纖的夾緊。
[0035]如圖4所示，帶縫石英管4的管壁上設有一條沿軸向方向的縫，便於保護氣體的進入。
[0036]如圖5所示，氣氛保護管式電阻爐5由一根石英材質的爐管5.1、一個電阻加熱圈
5.2、一個熱電偶5.3、一個用於固定熱電偶的金屬片5.4和兩個孔徑可調節的光闌5.5組成。爐管兩端各設有一個氣孔5.1.1，用於保護氣體的輸入；電阻加熱圈5.2位於爐管5.1的中部，緊貼爐管外壁;熱電偶5.3的測溫端位於爐管5.1內，接線端通過金屬片5.4的小孔伸出爐管5.1外；金屬片5.4通過強力膠粘在爐管5.1的一埠，金屬片上遠離中心位置設一小孔，用於固定熱電偶5.3; —個光闌5.5通過強力膠粘在金屬片5.4上，另一個光闌5.5通過強力膠粘在爐管5.1的另一埠上，兩個光闌的中心法線均與石英爐管5.1的軸線重合。
[0037]以下結合附圖1-5對本實用新型氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置的使用方法作具體描述。
[0038]待拉錐硫系玻璃光纖為直徑200 μπι的As2Se3裸光纖。如圖1所不，取一段長度40 cm的As2Se3光纖6，將其放入長度為24 cm、內外徑分別為5 mm和7 mm的帶縫石英管4內，之後將帶縫石英管4插入氣氛保護管式電阻爐的爐管5.1中，爐管5.1的長度為16 cm，內外徑分別為24 mm和28 mm，保持帶縫石英管4的縫朝上以防止光纖6從縫滑落，調小光闌5.3的孔徑以夾緊帶縫石英管4，使其懸在爐管5.1中間；將光纖6兩端插入光纖夾具3的橡膠芯3.2內，然後將螺母3.1旋進空芯螺紋杆3.3將光纖6夾緊;調節兩個電動位移平臺的滑塊2.3位置，使其位於軌道2.2上距離氣氛保護管式電阻爐5較近的一端，然後將兩個光纖夾具3分別固定在滑塊2.3上，微調滑塊2.3在軌道上的位置將光纖拉緊，使光纖軸線與帶縫石英管4的軸線重合;將帶縫石英管4伸出氣氛保護管式電阻爐5的部分用生料帶纏緊，以儘可能避免空氣經管壁上的縫進入管內；從氣氛保護管式電阻爐的爐管5.1兩端的氣孔向爐內輸入純度為99.999%的氮氣作為保護氣體，使爐內保持微正壓，將爐管內空氣經帶縫石英管4的兩端趕出；30分鐘後，通過電阻加熱圈5.2對光纖6加熱，在290°C時，光纖6受熱開始軟化，啟動兩個電動位移平臺的步進電機2.1以1.5 mm/s的速率進行雙向牽引拉錐，當電動位移平臺的滑塊2.2到達預定位置時，關閉兩個步進電機，並同時停止加熱;待氣氛保護管式電阻爐5的爐內溫度降至室溫後，停止向爐內輸入氮氣，向帶縫石英管4兩端注入紫外固化膠，將拉錐光纖固定在帶縫石英管內；取掉纏在帶縫石英管4兩端的生料帶，鬆開兩個光纖夾具的螺母3.1，將光纖夾具移開，鬆開氣氛保護管式電阻爐5兩端的光闌5.5，將固定有拉錐光纖的帶縫石英管4從爐管5.1中抽出，S卩得所需As2Se3拉錐光纖。重複上述操作6次，其中向爐內輸入的保護氣體分別為:2次99.999%純度的氮氣，2次99.999%純度的氬氣，2次不輸入氣體。
[0039]6次操作均成功地對As2Se3光纖進行了拉錐並進行了原位固定。用高倍光學顯微鏡對6個固定在帶縫石英管中的拉錐光纖進行觀測發現:未向爐內輸入保護氣體條件下獲得的2根拉錐光纖的錐區表面較暗淡，有少量魚鱗狀暗斑，這表明光纖表面發生了氧化；向爐內輸入保護氣體條件下獲得的4根拉錐光纖的錐區表面光亮，未發現氧化現象。
【主權項】
1.一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置，其特徵在於:包括光學平臺(I)、兩個電動位移平臺(2)、兩個光纖夾具(3)、帶縫石英管(4)和氣氛保護管式電阻爐(5);氣氛保護管式電阻爐(5)固定在光學平臺(I)上，爐體的軸線與光學平臺的表面平行;帶縫石英管(4)通過孔徑可調節的光闌固定在氣氛保護管式電阻爐(5)內，其兩端分別從電阻爐的爐口兩端伸出，且其軸線與爐體的軸線重合;兩個電動位移平臺(2)分別位於氣氛保護管式電阻爐(5)的兩側並固定在光學平臺(I)上，且電動位移平臺(2)的軌道方向與氣氛保護管式電阻爐(5)的爐體軸線方向平行;兩個光纖夾具(3)分別固定在兩個電動位移平臺(2)的滑塊上，且光纖夾具(3)的軸線與氣氛保護管式電阻爐(5)的軸線重合。2.根據權利要求1所述的一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置，其特徵在於:所述電動位移平臺(2)由步進電機(2.1)、軌道(2.2)和滑塊(2.3)組成，滑塊(2.3)位於軌道(2.2)上，可沿軌道方向移動，由步進電機(2.1)牽引。3.根據權利要求1所述的一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置，其特徵在於:所述的光纖夾具(3)由螺母(3.1)、橡膠芯(3.2)和空心螺紋杆(3.3)組成，空心螺紋杆(3.3)為前端帶有螺紋的中空金屬杆;橡膠芯(3.2)為中空的橡膠管，其前端為沿軸線切開的錐形，後端粘在空心螺紋杆(3.3)內壁上；螺母(3.1)的內壁前端為錐形，內壁後端帶有螺紋，螺母(3.1)穿過橡膠芯(3.2)前端旋進空芯螺紋杆(3.3)前端的過程中，橡膠芯(3.2)前端沿軸向切開的錐形閉合，實現光纖的夾緊。4.根據權利要求1所述的一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置，其特徵在於:所述的帶縫石英管(4)的管壁上設有一條沿軸向方向的縫。5.根據權利要求1所述的一種氣氛保護型硫系玻璃光纖拉錐裝置，其特徵在於:所述的氣氛保護管式電阻爐(5)包括石英材質的爐管(5.1)、電阻加熱圈(5.2)、熱電偶(5.3)、用於固定熱電偶的金屬片(5.4)和兩個孔徑可調節的光闌(5.5);爐管兩端各設有一個氣孔，用於保護氣體的輸入；電阻加熱圈(5.2)位於爐管(5.1)的中部，緊貼爐管外壁;熱電偶(5.3)的測溫端位於爐管(5.1)內，接線端通過金屬片(5.4)的小孔伸出爐管(5.1)夕卜；金屬片(5.4)通過強力膠粘在爐管(5.1)的一埠，金屬片上遠離中心位置設一小孔，用於固定熱電偶(5.3); —個光闌(5.5)粘在金屬片(5.4)上，另一個光闌(5.5)粘在爐管(5.1)的另一埠上，兩個光闌的中心法線均與石英爐管(5.1)的軸線重合。
【文檔編號】C03B37/15GK205710433SQ201620366018
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】楊志勇, 任和, 李雷, 張斌, 楊安平, 唐定遠
【申請人】江蘇師範大學