用于制造光纤的方法和设备与流程

1.本发明涉及一种用于制造光纤的方法。其还涉及一种用于制造光纤的设备。


背景技术：

2.现今，光纤传输性能的极限是由色散损耗决定的。
3.自近20年前问世以来，空芯光纤经历了惊人的增长。这一进步基于其制造技术和传输性能，以及其生产后出现的应用，涵盖多种多样的领域，例如电信、非线性光学、激光、微加工、冷原子物理学或高分辨率光谱学和传感器。
4.在该背景下，根据纤维类型和光谱范围，对于常规固体纤维，现有技术的传输损耗在1550nm处近似为0.1db/km，而对于中空纤维，现有技术的传输损耗近似为2至10db/km。
5.本发明的目的是提出一种用于制造光纤的方法和设备，以相对于现有技术改进所述光纤的传输性能和/或降低损耗。


技术实现要素：

6.这一目的是通过一种用于制造光纤的方法实现的，其中：
7.‑
将预制件插入到熔炉中，
8.‑
经由熔炉的出口拉伸预制件，以及
9.‑
将至少一个激光束施加到如此拉伸的预制件的工作区，每个激光束根据调制频率进行功率调制。
10.优选地，熔炉使预制件的温度升高，并且工作区优选相对于熔炉定位，使得预制件的工作区处于粘弹性相。
11.调制频率优选大于10hz和/或小于10khz。
12.每个激光束优选在最大功率至最小功率之间调制。优选地，最小功率值为最大功率的95％至最大功率的0％。
13.每个激光束能够在最大功率至该最大功率的至少50％的间隔内进行频率调制。
14.每个激光束能够在最大功率至该最大功率的至少10％的间隔内进行频率调制。
15.每个激光束优选根据大于100hz的调制频率进行功率调制。
16.每个激光束优选根据小于1000hz的调制频率进行功率调制。
17.至少一个激光束优选包括在工作区上彼此交叉的几个激光束。
18.每个激光束优选具有大于200nm和/或小于12μm的波长。
19.每个激光束优选具有大于10w的功率。
20.每个激光束优选被准直到工作区上。
21.预制件优选为玻璃预制件。
22.被拉伸的预制件的工作区优选包括由厚度小于10μm、优选小于3μm、优选小于1μm的壁组成的结构。
23.与工作区接触的每个激光束的波前部分优选在每个给定时刻具有最大值至该最
大值的80％的空间功率密度。
24.工作区优选定位在熔炉外部。
25.熔炉优选包括：
26.‑
包围区域，其中，预制件穿过该包围区域，以及
27.‑
热源，其设置在包围区域中并使包围区域内部的温度升高，工作区定位在距热源小于10cm的距离处。
28.工作区的温度优选高于构成预制件的材料的软化或玻璃化转变温度，优选高于700℃，优选高于1000℃，优选高于1500℃。
29.根据本发明的另一方面，提出了一种用于制造光纤的设备，包括：
30.‑
熔炉，
31.‑
用于将预制件插入到熔炉中的入口，
32.‑
用于经由熔炉的出口拉伸预制件的装置，以及
33.‑
发射装置，其被设置成将至少一个激光束施加到如此拉伸的预制件的工作区，以及调制装置，其被设置成根据调制频率对每个激光束进行功率调制。
34.调制频率优选大于10hz和/或小于10khz。
35.调制装置优选被设置成使得每个激光束在最大功率至最小功率之间进行调制。最小功率值优选为最大功率的95％至最大功率的0％。
36.调制装置优选被设置成使得每个激光束在最大功率至该最大功率的至少50％的间隔内进行频率调制。
37.调制装置优选被设置成使得每个激光束在最大功率至该最大功率的至少10％的间隔内进行频率调制。
38.调制装置优选被设置成使得每个激光束根据大于10hz的调制频率进行功率调制。
39.调制装置优选被设置成使得每个激光束根据小于1000hz的调制频率进行功率调制。
40.发射装置优选被设置成使得至少一个激光束包括在工作区上彼此交叉的几个激光束。
41.发射装置优选被设置成使得每个激光束具有大于200nm和/或小于12μm的波长。
42.发射装置优选被设置成使得每个激光束具有大于10w的功率。
43.发射装置优选被设置成使得每个激光束准直到工作区上。
44.发射装置优选被设置成使得与工作区接触的每个激光束的波前部分在每个给定时刻具有最大值至该最大值的80％的空间功率密度。
45.工作区优选定位在熔炉外部。
46.熔炉优选包括：
47.‑
包围区域，其中，预制件穿过该包围区域，以及
48.‑
热源，其定位在包围区域中，且被设置成使包围区域内部的温度升高，工作区定位在距热源小于10 cm的距离处。
49.发射装置和熔炉优选被设置成使得工作区的温度高于构成预制件的材料的软化或玻璃化转变温度，优选高于1000℃，优选高于1500℃。
50.根据本发明的另一方面，提出了一种通过根据本发明的方法或者通过根据们发明
的设备获得的(基于预制件的)光纤。
51.附图说明和具体实施方式
52.本发明的其他优点和特征将在阅读非限制性的实施方式和实施例的详细描述之后以及从以下附图中变得显而易见：
53.[图1]图1是根据本发明的设备101的第一实施例的示意性横截面剖面图，预制件1穿过该设备，
[0054]
[图2]图2是预制件1在工作区4的水平面处的示意性横截面俯视图，
[0055]
[图3]图3是预制件1在工作区4的水平面处的示意性剖面图，
[0056]
[图4]图4是图3中的部分10的放大图，并且是预制件1的壁7在工作区4的水平面处的示意性横截面剖面图，其中使用(图4a)和不使用(图4b)根据本发明的方法的实施方式，
[0057]
[图5]图5是在根据本发明的方法的变型中的预制件1在工作区4的水平面处的示意性剖面图，以及
[0058]
[图6]图6是在液体或粘弹性介质与气体介质之间的界面处的毛细波的示意图。
[0059]
由于这些实施例是非限制性的，因此本发明的变型尤其能够被认为仅包括对下文描述或图示的特征的选择，这些特征与所描述或图示的其它特征分离(即使该选择是在包括这些其他特征的短语中被分离的)，只要该特征的选择足以提供技术优点或将本发明与现有技术的现状区分开。该选择包括至少一个优选功能性特征，其不具有结构细节，和/或仅具有部分结构细节，只要该部分单独足以提供技术优点或者将本发明与现有技术的现状区分开。
[0060]
首先，参考图1至图5，将描述根据本发明的用于制造光纤的设备101的第一实施例。
[0061]
设备101包括熔炉2。熔炉2例如是nextrom的光纤拉伸工业炉。
[0062]
熔炉2包括入口21，其被设置成用于将预制件1(通常为玻璃棒)插入到熔炉2中。设备101还在入口21的一侧包括保持装置(未示出)，该保持装置被设置成将预制件1的第一端保持在入口21的一侧。这些保持装置例如由放置在平移台上的卡盘构成。
[0063]
设备101包括用于沿拉伸方向30经由熔炉2的出口3拉伸预制件1的装置。这些装置(未显示)通常包括两个彼此面对的皮带，其被设置在熔炉2的出口3的一侧，其中被拉伸的光纤放置在两个皮带之间，以用于以可调节的速度进行拉伸。
[0064]
入口21和出口3定位在熔炉2沿方向30的两个相对端处。
[0065]
设备101包括发射装置，其被设置成在熔炉2的出口3之后，将至少一个激光束5施加到如此拉伸的预制件1的工作区4。这些发射装置通常包括一个或更多个激光源，以及可选地用于使至少一个激光束5中的一个或更多个成形，和/或将激光束5中的一个或更多个分离和/或分组的互补光学装置。
[0066]
发射装置被设置成使得至少一个激光束5包括多个在工作区4上彼此交叉的多个激光束5。
[0067]
发射装置被设置成使得每个激光束具有大于200nm和/或小于12μm的波长。
[0068]
发射装置被设置成使得每个激光束具有大于10w的最大功率6。
[0069]
发射装置被设置成使得每个激光束准直到工作区4上。
[0070]
发射装置被设置成使得与被拉伸的光纤1(更准确地是与工作区4)接触的每个激
光束5的波前的所有部分8在每个给定时刻具有该时刻t的最大值至该最大值的80％的空间功率密度。
[0071]
因此，在每个时刻t，每个激光束5具有在被拉伸的光纤1上(更准确地是在工作区4上)基本空间上均匀的空间功率密度。
[0072]
在图1所示的示例中，使用了来自ipg参考yrl的四个连续激光源，其被设置成发射四个激光束51、52、53、54。
[0073]
设备101还包括调制装置，其被设置成根据调制频率对每个激光束5进行功率调制。这些调制装置或者已经在激光器中提供，或者由强度调制器经由电光路径和/或声光路径提供，和/或通过旋转齿轮提供。
[0074]
调制频率为：
[0075]
‑
大于10hz，优选大于100hz，以及
[0076]
‑
小于10hz，优选小于1000hz。
[0077]
因此，每个激光束5：
[0078]
‑
在所讨论的每个时刻t，在被拉伸的光纤1上(更准确地是在工作区4上)的功率密度在空间上是均匀的或基本均匀的，即在所讨论的每个时刻t，在被拉伸的光纤1上(更准确地是在工作区4上)具有最大值(特定于该时刻t)至该最大值的80％的空间功率密度。
[0079]
‑
但是是根据调制频率进行的临时功率调制。
[0080]
调制装置被设置成使得每个激光束5在最大功率6至最小功率之间进行调制，使得最小功率值为最大功率的95％至最大功率的0％，优选为最大功率的95％至最大功率的10％。更准确地，调制装置被设置成使得每个激光束在最大功率6至该最大功率的50％或更少的间隔9上频率调制。更准确地，调制装置被设置成使得每个激光束在最大功率6至该最大功率的10％或更少的间隔9上进行频率调制。
[0081]
工作区4定位在熔炉2的外部。
[0082]
工作区4定位在熔炉2的出口3的一侧。
[0083]
熔炉2包括：
[0084]
‑
包围区域31，其中，预制件穿过该包围区域，以及
[0085]
‑
热源32，其定位在包围区域31中，并被设置成使包围区域31内部的温度升高。
[0086]
工作区4定位在沿方向30测量的距离热源32通常小于10cm的距离43处。
[0087]
激光工作区4(zl)和加热炉加热区32(zf)之间的距离被设置成使得被拉伸的预制件的温度显示出高于预制件1的软化温度的温度，即，使得预制件1在工作区4的水平面处是粘弹性的。对于在1800至2000℃的温度下运行的加热炉以及10至100m/min的拉伸速度，该距离通常可以为5cm至10cm。
[0088]
每个激光束5被放置为使得被拉伸的预制件在工作区4的水平面处为粘弹性相。换句话说，激光与熔炉(此处熔炉被定义为加热区)之间的距离必须足够近，以便在区域4的水平面处，预制件(即玻璃)尚未冷却到固化点，且距离熔炉足够远，以确保最佳操作(即温度分布和振幅与标准熔炉相当)。
[0089]
熔炉使预制件的温度升高，工作区4相对于熔炉定位，使得预制件的工作区为粘弹性相。
[0090]
每个激光束5都不会在预制件上产生材料缺陷。
[0091]
发射装置和熔炉2，尤其是通过熔炉2与至少一个束5的相对位置，设置成使得工作区4的温度高于构成预制件1的材料的软化或玻璃化转变温度，优选高于1000℃，优选高于1500℃。
[0092]
玻璃化转变温度例如：
[0093]
‑
对于硫系gesbte为150℃，
[0094]
‑
对于硫系asgesete为245℃，
[0095]
‑
对于氟玻璃zblan为235℃，
[0096]
‑
对于二氧化碲为280℃，
[0097]
‑
对于氟铝酸盐为400℃，
[0098]
‑
对于熔融石英为1200℃。
[0099]
因此，本发明是一种方法和光热工业炉设备，使得可以通过光吸收效应减少由于玻璃密度的不均匀性而引起的色散效应。
[0100]
预制件1在热熔炉2中进行回火，该热熔炉通常为电阻炉或感应炉。预制件1的一部分首先穿过熔炉2的加热区31，然后通过流动效应进入到光学部分中，其中预制件1的加热部分4由至少一个激光束5激发。
[0101]
现在将参考图1至图5描述由设备101实现的根据本发明的方法的第一实施例。
[0102]
在用于制造光纤的方法的本实施例中：
[0103]
‑
将预制件1插入到熔炉2中，
[0104]
‑
经由熔炉2的出口3拉伸预制件1，以及
[0105]
‑
在熔炉2的出口3之后，将至少一个激光束5施加到如此拉伸的预制件1的工作区4，每个激光束5根据调制频率进行功率调制。
[0106]
调制频率为：
[0107]
‑
大于10hz，优选大于100hz，以及
[0108]
‑
小于10hz，优选小于1000hz。
[0109]
每个激光束5在最大功率6至最小功率之间进行调制，使得最小功率值为最大功率的95％至最大功率的0％(或优选为10％)。优选地，每个激光束在最大功率6至该最大功率的50％或更少的间隔9上进行频率调制。优选地，每个激光束5在最大功率6至该最大功率的10％或更少的间隔9上进行频率调制。
[0110]
至少一个激光束5包括在工作区4上彼此交叉的几个激光束5。
[0111]
每个激光束5的具有大于200nm和/或小于12μm的波长。
[0112]
每个激光束5具有大于10w的最大功率6。
[0113]
每个激光束5被准直到工作区4上。
[0114]
优选地，至少一个光束5包括以2π/n(n为非负整数)的规则分离角在垂直于方向30的平面内围绕区域4分布的n个光束5。
[0115]
根据所讨论的变体，至少一个光束5可以因此包括：
[0116]
‑
单个光束5、51(图2)
[0117]
‑
优选彼此面对的两个光束51、52(图3)
[0118]
‑
优选以2π/3的规则角围绕区域4分布的三个光束51、52、53(图5)
[0119]
‑
优选以π/2的规则角围绕区域4分布的四个光束(图1)，
[0120]
‑
或者甚至更多的光束5，光束5的数量越多，区域4的照度的均匀性越好。
[0121]
预制件1是由例如二氧化硅型的玻璃制成的预制件。
[0122]
被拉伸的预制件1的工作区4是微结构光纤。
[0123]
被拉伸的预制件1的工作区4包括仅由壁7(玻璃壁，在图2和图5中的白色背景上显示为黑色)组成的结构(例如，kagome型)，其厚度小于10μm，优选小于3μm，优选小于1μm。
[0124]
与被拉伸的光纤1(更准确地是与工作区4)接触的每个激光束5的波前的所有部分8在每个给定时刻都具有该时刻t的最大值至该最大值的80％的空间功率密度。因此，在每个时刻t，每个激光束5具有在被拉伸的光纤1上(更准确地是在工作区4上)基本空间上均匀的空间功率密度。
[0125]
工作区4定位在熔炉2外部，在出口3的一侧。
[0126]
工作区4定位在距离热源32小于10cm的距离43处。
[0127]
工作区4的温度高于构成预制件1的材料的软化或玻璃化转变温度，优选高于1000℃，优选高于1500℃。
[0128]
本发明使得可以限制常规固体光纤的局部密度波动和空芯微结构光纤的表面粗糙度，这是由于在光纤的拉伸过程中的流体力学现象，这会由光色散导致损耗，从而限制了光纤的传输性能。
[0129]
在光纤制造过程中，将预制件1插入到熔炉2中并加热至一定温度，使得玻璃经历相变并变得粘弹性的。然后将这种“液体”玻璃拉伸成光纤。在该液相期间，玻璃是质量或密度波动的场所，可以表示为声子波的随机组合。在拉伸的过程中，玻璃经历了第二次相变，从液相转变为固相，并且上述波动被“冻结”。在常规固体光纤的情况下，这些冻结的波动在玻璃基质中采用纳米不均匀性的形式。后者会引起引导光的色散，并在1550nm处设置近似为0.1db/km的传输损耗边界，并随波长变化。在中空纤维(空芯引导光纤)的情况下，冻结的波动由表面波(其被称为毛细波)产生，并采用图4b所示的表面粗糙度的形式，未实施根据本发明的方法，即没有光束5。因此，这种粗糙度会引起光色散，其幅度与光在芯中的覆盖率、玻璃轮廓和表面粗糙度的振幅成正比。现今，这种色散是中空纤维现有技术的极限。
[0130]
另一方面，在实施了根据本发明的方法之后，如图4a所示，通过对相对于表面基准的折射率和质量进行调制，表面粗糙度降低，光束5激发待处理的表面或基质，从而通过光吸收效应对折射率和/或密度进行调制。
[0131]
图4a和图4b仅为示意图。实际上，相对于图4b，图4a中的粗糙度(即“凸起”)更低且“更平滑”或较不混乱。
[0132]
研究表明，对于kagome型或管式通过抑制耦合来引导的中空纤维，如果表面粗糙度显著降低，则从可见光到紫外线的光谱范围内的损耗可以低至10
‑2至10
‑3db/km。
[0133]
类似地，对于常规光纤(例如电信光纤)，降低密度波动可以将0.1db/km的最低电流损耗降低10倍。
[0134]
因此，本发明解决了空芯光纤或常规固体芯光纤的基本问题。
[0135]
在特定示例中：
[0136]
‑
预制件由空芯二氧化硅制成，其具有kagome类型的微结构包覆层，并且在入口21处具有40mm的外径
[0137]
‑
熔炉2的包围区域被加热至1900℃
[0138]
‑
工作区的温度高于1200℃
[0139]
‑
预制件1以15m/min的速度从出口3的一侧进行拉伸
[0140]
‑
每个激光束5具有1060nm的波长，在最大功率80w至最小功率30w之间的调制频率为220hz。
[0141]
所获得的光纤具有优秀的传输损耗。
[0142]
本发明使得可以获得比现有技术中的损耗更低的中空纤维，其将在诸如以下行业中实现日益广泛的应用：
[0143]
1.激光微加工：根据本发明获得的光纤允许高通量激光束的灵活和安全的路由。
[0144]
2.激光脉冲压缩：根据本发明获得的光纤使得可以通过对光纤长度的简单优化和对待引入到光纤芯中的气体进行选择来压缩激光脉冲。
[0145]
3.手术：根据本发明获得的光纤允许用于内窥镜或lasik型手术的激光束的灵活和安全的路由。
[0146]
4.细胞治疗：根据本发明获得的光纤允许用于靶向破坏癌细胞的超短激光束的灵活和安全路由，而不沉积热量。
[0147]
5.气体激光器：根据本发明获得的光纤，其芯填充有活性气体，允许将其用作激光熔覆介质。
[0148]
6.频率标准：根据本发明获得的光纤，其芯填充有气体(例如乙炔、rb或cs蒸气)，允许将其用作频率标准。
[0149]
7.太赫兹成像：根据本发明获得的太赫兹波导允许太赫兹辐射以及用于成像的太赫兹辐射收集的灵活和安全的路由。
[0150]
8.用于太赫兹和微波的波导：根据本发明获得的波导允许具有低传输损耗的单模太赫兹和/或微波波导。
[0151]
9.数据中心的低延迟电信。
[0152]
注意，在刚才描述的所有实施例中，每个光束5不是脉冲激光束，而是功率调制的连续激光束。
[0153]
每个激光束5的功率p通过以下公式给定为时间t的函数：
[0154]
p＝p0 p
m
sin(2πv
mod
t)
[0155]
在此，v
mod
是激光的功率的调制频率。
[0156]
p0表示直接或dc部分。
[0157]
p
m
是功率的调制部分。
[0158]
表达式p作为总(或最大)功率的函数也写成以下形式：
[0159][0160]
比率表示调制深度。
[0161]
光纤1中的传输受到由玻璃的密度中的波动引起的光色散的限制，该波动是由于当光纤1离开工业炉31时热波的“冻结”而引起的，其中构成光纤1的材料从工业炉31中的粘弹性相(类似于高粘性液体相)传递到外部的固体相。在此，热波是表面波，并且被称为毛细波(cw)。
[0162]
优选地，以下将缩写cw用于“毛细波”。
[0163]
这些冻结的cw是在空芯的光子晶体纤维(pcf)1(hcpcf)的壁上形成表面粗糙度的原因。hcpcf中的这种表面粗糙度是通过由表面色散造成的传输损耗的现象限制这些纤维传输的一个因素。
[0164]
因此，在本发明的本实施例中，通过重构毛细波的振幅、频率和阻尼，通过经由光弹性现象生成其他毛细波来控制毛细波。
[0165]
当光纤处于“液体”相时，激光用于激发光弹性现象，以便对热力学起源的毛细波产生破坏性干扰和/或根据所需轮廓重塑表面。
[0166]
图6用图解法示出了表面粗糙度。后者由毛细波引起的液体或粘弹性介质的高度海拔(作为限定平面的空间坐标x和z的函数)来表示：
[0167]
在此，h0是介质的静态高度，方程右手边的第二项表示多个毛细波的线性组合。每个cw由其振幅ζ
i
(x，z)、其振荡频率ωi、以及其在方向z上的波矢量q
i
确定。
[0168]
频率
[0169]
对于非常薄的膜h，脉冲ω(q)(振荡频率到最近的因子2π)和波矢量q通过以下色散方程链接：
[0170][0171]
其中γ和ρ分别是膜的表面张力和密度。在此，我们忽略了气体(例如空气)的贡献，空气的密度和表面张力相对于膜的密度和表面张力相对较低。
[0172]
该表达式在细膜的情况下是有效的，在这种情况下可以忽略重力的影响而有利于考虑表面张力。因此，波矢量振幅属于以下不等式给出的间隔：
[0173][0174]
其中，γ为表面张力，g为重力加速度。在玻璃的情况下，对于1μm厚的玻璃膜，q
v
～271m
‑1(即波长λ
v
～2.3cm)和q
h
～106m
‑1(即由膜的厚度给出的波长λ
h
～1μm)。这给出了玻璃膜中cw的振荡频率的以下间隔：
[0175]
(2π)
×
8hz＜＜ω＜＜(2π)
×
2mhz
[0176]
当然，这种计算方法能够应用于其他材料。
[0177]
振幅
[0178]
关于cw的每个模式的振幅，由以下近似表达式给出，用于热力学激发(即由热力学温度波动引起)：
[0179][0180]
在二氧化硅的情况下，工作温度t为1734℃至2354℃。k
b
是玻尔兹曼常数。因此，cw的振幅位于以下间隔内：对于波矢量的下限，
[0181]
0.7pm＜＜<ζ
v
(q
v
，ω
v
)>＜＜0.8m
[0182]
以及对于波矢量的上限，
[0183]
0.002pm＜＜<ζ
h
(q
h
，ω
h
)>＜＜0.0003pm
[0184]
结果表明，低频模式的振幅最高。因此，为了具有由这些cw引起的给定点上的表面高程的数量级，有必要在间隔[q
v
，q
h
]的一部分上对ζ
i
(q
i
,ω
i
)进行积分。这给出了t＝1734℃的平均高程以及t＝2354℃的平均高程δh
cw
≈250pm。这些值是在hcpcf的表面上获得的典型测量值。
[0185]
当然，这种计算方法可以应用于其他材料。
[0186]
阻尼
[0187]
cw的另一个重要特性是其衰减率。事实上，根据激发的条件或边界条件，cw是传播的或纯消失的(无振荡)。在这两种情况下，cw以以下弛豫时间衰减：
[0188][0189]
在此，τη是介质(膜)的粘度。在熔融玻璃的情况下这取决于温度。例如，对于石英玻璃，t＝2354℃时η＝103pa.s，t＝1734℃时η＝10
6.2
pa.s。类似地，如下所示，针对τ
q
存在如下间隔：对于低频模式，
[0190]
0.02μs＜＜τ
v
＜＜30μs
[0191]
以及对于高频模式，
[0192]
1fs＜＜τ
h
＜＜2ps
[0193]
当然，这种计算方法可以应用于其他材料。
[0194]
根据cw的这些振幅间隔和弛豫时间间隔，低频模式在粗糙度的形成中占主导地位。因此，可以根据波长、频率、振幅和弛豫时间的典型值构建表格，将波矢量q的工作间隔设置为[q
v 100q
v
]：
[0195][0196]
通过采用下表中的热机械值，获得用于二氧化硅的上述值(当然，这可以针对其他材料进行重新计算)：
[0197][0198]
cw的动态是由热噪声产生的。如果应用了精心选择的(每个光束5的)外部激励，则可以对cw进行控制。这可以通过以下方程中所描述的激励f(t)存在时cw随时间的发展来表示：
[0199][0200]
在此，t(x，z)表示由上述热力学噪声引起的力。在这样的条件下，使得t(x，z)＜＜f(t)，该方程简化为受迫阻尼谐波的振动方程。在的激励下，通过正确选择f、脉冲ω和相位可以控制振荡运动以增加/减少其减速速度，显著降低其振幅或重构表面轮廓。
[0201]
是所讨论的材料(例如二氧化硅)的毛细波i的弛豫时间。
[0202]
类似地，cw的边界条件可以通过轮廓和外部激励的空间范围来控制或修改，从而给出特定轮廓的粗糙度。
[0203]
特别地，通过仔细确定激发的空间范围、振幅f及其调制频率，可以构造表面使得一个cw支配其余毛细波，并且激发的最终位置对应于主导cw的振幅的波谷。结果是生成比热力学噪声生成的表面更平坦的表面。
[0204]
这是本发明可以利用的两个控制杠杆，即激发的空间范围及其振幅和调制频率。
[0205]
根据本发明，为了生成用于控制粘弹性介质内或其表面上的cw的外部激励，可以依赖两种物理现象的组合。第一个是光热效应，第二个是热弹性效应。注意，这些现象不同于与在光纤中刻写bragg光栅相关联的现象(例如光敏性)，这意味着电子重组。与光热现象和光弹性现象相比，后者不涉及介质的折射率变化或电子变化。例如，介质1必须显示出能够对cw进行所需控制的粘弹性水平；这是与布拉格光栅刻写技术的主要区别。
[0206]
光热效应涉及由光吸收引起的热力学温度波动。这种波动是由光的固有波动(即“散粒噪声”)引起的。同时，热弹性效应涉及由温度变化引起的几何变形(例如长度变化)，经由热弹性的现象，其本身由光吸收光热膨胀引起。换句话说，δh/h＝α
th
δt，其中α
th
是膨胀系数，δt是温度变化，并且δh/h是介质长度的相对变化。实际上，温度变化是一种温度调制，其可以通过功率调制的激光5的光吸收生成。这可以表示为长度变化的调制：δh/h
∝
α
th
p
abs
cos(2πν
mod
t)，其中p
abd
是被介质吸收的激光功率。
[0207]
在频率ν
mod
处进行功率调制且在表面上垂直入射的准直(非聚焦)激光的情况下，由光热效应引起的表面变形的振幅可以通过其响应函数(以长度为单位)进行量化，如下所示：
[0208][0209]
在此，量α
th
、κ和σ分别是介质(如玻璃)的膨胀系数、导热系数和泊松比。其中ρ和c分别是加热介质的密度和热容量，w0是激光5的有效半径。对于二氧化硅，该截止频率被写做即有效直径为200μm的激光的截止频率为2hz。<p
abs
>是被拉伸的预制件吸收的激光的平均功率。这由介质在激光波长处的吸收系数和上述参数p0、一起确定。在此，光吸收的特征时间更快，因为调制频率不受<p
abs
>的值的影响。如下所示：
[0210][0211]
注意，在最大调制深度的情况下(即p
o
＝0，且p
m
＝p
t
)，则而对于较小的调制则<p
abs
>＝α
abs
p0。因此，在非调制的情况下，存在恒定的“静态”变形
[0212][0213]
因此，这种变形不会主导cw引起的变形，令
[0214]
h0≥δh
cw
[0215]
该不等式对由公式给出的激光功率设置了限制。
[0216]
回到上面给出的二氧化硅玻璃膜的情况，发现对于100ppm的吸收系数，
[0217]
p0≥45w
[0218]
当激光以大于vc的频率进行功率调制时，变形写做
[0219][0220]
该表达式示出了频率v和调制深度在控制表面中的作用。最后，可以看出调制频率的值的影响由vc确定。
[0221]
频率νc与由光弹性现象引起的激励的热弛豫时间有关，或者甚至与热扩散的长度有关。
[0222]
τ
c
＝2πν
c
‑1[0223]
这给出了的二氧化硅的弛豫时间。该公式示出了激光束的大小在由光弹性生成的热波弛豫中的作用。应当注意的是，色散长度与w0无关，如下式所示：
[0224][0225]
色散长度l
th
只能由调制频率进行控制。对于1khz的调制频率，石英玻璃给出了l
th
～30μm，对于10hz的调制频率给出了l
th
～30μm。因此，调制频率可以用作用于控制l
th
(即所生成的cw的空间范围)的手段，而不影响毛细波的阻尼。
[0226]
下表给出了激光参数对表面结构的影响。
[0227][0228]
在一个点处(可以被概括为一个体积)，可以部署操作条件，以便塑造受到由热噪声引起的cw的玻璃的表面。可以通过在特征时间(即，等效方式是特征长度)与光子激发对其的控制之间建立层次来确定本发明的尺寸以构造表面，该特征时间与受到工业炉中的热噪声生成的cw的不同影响相关联。
[0229]
下表总结了特征时间
[0230][0231]
以下是不同的操作条件：
[0232]
[0233][0234]
当然，描述中的所有这些计算都可以针对其他材料进行重新计算。
[0235]
当然，本发明不限于已描述的示例，在不超出本发明的范围的情况下，可以对这些示例进行多种修改。
[0236]
在变型中，预制件1不是中空的或微结构化的，而可以是固体玻璃纤维。
[0237]
当然，本发明的各种特征、形式、变型和实施例能够以各种组合组合在一起，只要它们不是不相容或相互排斥的。