軟玻璃光纖預制棒制作裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及軟玻璃光纖，又稱多組分玻璃光纖的制作技術，具體是一種基于雙坩禍層流漏注的軟玻璃光纖預制棒制作裝置及方法。
【背景技術】
[0002]軟玻璃光纖是指非石英基的多組分玻璃光纖，它具有一些獨特的光學和光譜學性質(zhì)。比如高稀土子子溶解度、寬增益光譜、高非線性等?？蓮V泛應用于單頻激光器、超短脈沖激光器和拉曼激光器等。一些軟玻璃光纖在中紅外可透過，可廣泛應用于中紅外波段的光纖激光器件。這是石英光纖所完全不能替代的重要應用。中紅外激光光源在國防、生物醫(yī)學和先端科學研究等領域都有重要應用。
[0003]迄今為止，軟玻璃光纖的損耗均較高。高損耗是制約軟玻璃光纖廣泛應用的一個主要因素。光纖的損耗主要取決于預制棒的質(zhì)量。由于成分復雜，且缺少對應的氣態(tài)化合物，軟玻璃光纖預制棒不能象石英光纖預制棒一樣采用氣相沉積法。常用的方法有管棒法和吸注法等方法。
[0004]管棒法是應用最普遍的預制棒制作方法。其主要特點是分別制作芯棒和包層玻璃管，將管和棒套在一起，即可形成預制棒。管棒法存在著難以克服的缺陷。在機械加工管或棒時，管棒表面很容易被拋光物料和環(huán)境中的雜質(zhì)微粒所污染。在拉光纖時，管的內(nèi)表面和芯棒的表面實際上是暴露在環(huán)境中的，很容易受環(huán)境雜質(zhì)的污染。因此，管棒法對制作環(huán)境的要求非常嚴格。此外，由于材料表面能的存在，玻璃在軟化時容易在表面析晶，所以，管的內(nèi)表面和芯棒表面也容易在加熱軟化時析晶。對于有些軟玻璃，這種析晶會比較嚴重，致使光纖損耗很大。
[0005]吸注法制作預制棒時。將模具置于底板上，底板和模具均已事先預熱。將熔制好的包層玻璃液澆注至模具中，然后將芯層玻璃液澆注在包層玻璃液之上。向上迅速提起模具使少量包層玻璃液從模具底端漏出。由于玻璃液與模具接觸的界面的溫度低粘度大、中心的溫度高粘度小，包層玻璃液因重力而向下流動的過程主要發(fā)生在液柱中心部位，因而可形成芯一一包層結構。
[0006]吸注法的最大優(yōu)勢是，不再需要象管棒法那樣加工套管和芯棒，因而也不存在管棒法所帶來的芯包層界面損耗增加的問題。吸注法可以獲得優(yōu)良的芯包層界面質(zhì)量。但是這種方法的缺點也是十分明顯的。首先，提起模具的時機和提升高度很難精確把握，難度大，穩(wěn)定性和一致性差；其次，吸注的芯料常常呈現(xiàn)出錐形，難于獲得芯層直徑恒定的預制棒；另外，吸注法所采用的澆注方式，決定了其很難制作出光學均勻性優(yōu)良的高質(zhì)量的玻璃棒材。
[0007]綜上所述，目前沒有一種合適的預制棒制作設備和技術，可以制作出芯包層界面封閉、縱向尺寸恒定、光學均勻性好的軟玻璃光纖預制棒。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明是一種新的光纖預制棒制作設備及其使用技術。本發(fā)明是為了解決目前光纖預制棒制作技術存在的問題而提出。本設備采用雙坩禍層流漏注方式制作預制棒，基于該設備的制棒技術可解決目前管棒法和吸注法所難于克服的技術難題。
[0009]本發(fā)明的技術解決方案如下:
[0010]一種基于雙坩禍層流漏注的軟玻璃光纖預制棒制作裝置，其特點在于，包括同軸的內(nèi)坩禍和外坩禍，所述外坩禍比所述內(nèi)層坩禍長，以能夠在熔封后完全包圍所述內(nèi)坩禍，在內(nèi)坩禍和外坩禍內(nèi)分別設置有攪拌裝置，在所述的內(nèi)坩禍的下部具有與模具相連通的出口，所述的模具內(nèi)置有活塞及其電驅(qū)動機構，所述的內(nèi)坩禍和外坩禍放置在高溫爐中，所述的模具放置在發(fā)熱體中，所述的模具及電驅(qū)動機構放置在升降平臺上；所述的內(nèi)坩禍、外坩禍、攪拌裝置、高溫爐、發(fā)熱體和升降平臺分別安裝在塔架上。
[0011]所述的內(nèi)坩禍和外坩禍均為鉑金材質(zhì)，外坩禍的容積為2.5L，下端出口直徑3cm，內(nèi)坩禍的容積0.8L，下端出口直徑1cm。
[0012]所述的模具為耐熱不銹鋼材料，呈三瓣式，長度為2.5m，內(nèi)徑為3cm，外徑為5cm。
[0013]所述的高溫爐的爐體采用氧化鋁或氧化鎂材料，發(fā)熱組件采用硅鉬棒，最高溫度為1500度，控溫精度±0.5度。
[0014]所述的發(fā)熱體為圓柱狀，將模具包圍，發(fā)熱體的保溫爐體分開為兩部分，方便取出模具，發(fā)熱體的發(fā)熱組件采用電阻絲材質(zhì)，保溫材料為耐火磚，最高溫度為800度。
[0015]所述的活塞可將坩禍出口封住，且在模具中上下移動，行程2m，與模具裝配間
[0016]隙小于0.3mm。
[0017]所述的升降平臺的行程為0.3m，最大承重為200kg。
[0018]利用所述的軟玻璃光纖預制棒制作裝置制作軟玻璃光纖預制棒的方法，其特點征在于，該方法包括如下步驟:
[0019]①升溫高溫爐，將芯玻璃料和包層玻璃料分別在內(nèi)、外坩禍內(nèi)熔制；
[0020]②預熱發(fā)熱體，待芯與包層玻璃液熔制好以后，使活塞下移，將玻璃液漏注至模具內(nèi)形成預制棒；
[0021]③按照退火溫度流程將發(fā)熱體降溫至室溫，降下升降平臺，取出模具，得到預制棒。
[0022]所述的步驟②中活塞下移速度決定了漏注速率，通過控制玻璃液的粘度和漏注速率，控制漏注過程的雷諾數(shù)，以確保漏注過程為層流。
[0023]本發(fā)明所述的光纖預制棒制作設備，其使用過程為，升溫高溫爐，將包層和芯玻璃料分別在兩個坩禍內(nèi)熔制。預熱發(fā)熱體，待芯與包層玻璃液熔制好以后，活塞下移，將玻璃液漏注至模具內(nèi)形成預制棒。活塞下移速度決定了漏注速率。通過控制玻璃液的粘度和漏注速率，可控制漏注過程的雷諾數(shù)，以確保漏注過程為層流。按照退火溫度流程使發(fā)熱體降溫到室溫，降下升降底座，取出模具，得到預制棒?？筛鶕?jù)需要對預制棒表面進行機械加工，如磨細、拋光等等(由于機械加工的外表面遠離芯與包層的界面，不會增加光纖損耗)。
[0024]本發(fā)明的技術原理:
[0025]流體流動時，如果流體質(zhì)點的軌跡是有規(guī)則的光滑曲線(最簡單的情形是直線)，這種流動叫層流。沒有這種性質(zhì)的流動叫湍流。湍流是流體的不規(guī)則運動，流場中各種量隨時間和空間坐標發(fā)生紊亂的變化。
[0026]流體究意是處于層流還是瑞流，可以根據(jù)雷諾數(shù)（Reynolds number，簡記為Re)來判斷：
[0027]Re = P vd/ y (1)
[0028](1)式中，p為流體密度，v為流速，d為流體所處的管的直徑，y為流體粘度。
[0029]雷諾數(shù)是判別粘性流體流動狀態(tài)的一個無因次數(shù)。雷諾數(shù)較小時，粘滯力對流場的影響大于慣性力，流動過程中如果發(fā)生小的隨機擾動，隨著時間的增長擾動會因粘滯力而逐漸衰減下去，因而流體流動穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數(shù)較大時，慣性力對流場的影響大于粘滯力，流體流動不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強，形成紊亂、不規(guī)則的紊流流場。在管流中，雷諾數(shù)小于2300的流動是層流，雷諾數(shù)介于2300?4000時為過渡狀態(tài)，雷諾數(shù)大于4000時的是湍流。
[0030]若通過溫度控制玻璃液的粘度，并且控制活塞下移的速度，就可以把雷諾數(shù)控制在一個較低的范圍內(nèi)，從而獲得良好的層流效果，這樣就可以保證良好的芯包層界面。同時，良好的層流效果也可以使芯層和包層玻璃液的均勻性接近于其處在坩禍時的均化狀態(tài)，使最后獲得的預制棒具有很好的光學均勻性。
[0031]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果