一种获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统及表面处理方法与流程

1.本发明属于传能光纤预制棒生产设备领域，涉及一种处理传能光纤预制棒的装置系统，尤其涉及一种获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统及表面处理方法。


背景技术：

2.光纤以其抗干扰能力强、损耗低、信息容量大等特点在军事及民用通信与传感领域受到普遍重视，被广泛应用。
3.其中，大芯径的传能光纤可在三维复杂空间中灵活、安全地传输高功率激光，可在保证光纤不被破坏的情况下传输较高的激光能量，从而达到应用需求。激光器具有转换效率高、增益系数大、输出功率大等优点，除了广泛应用在材料表面热处理、焊接、切割等工业加工领域之外，还在眼科、皮肤科手术及体内手术等医疗、卫生领域得到了广泛应用。因此用于传输大功率光辐射激光的传能光纤的研究也就变得越来越重要。
4.光纤的强度和损耗是其主要性能参数，光纤强度的优劣直接影响光纤所在系统的可靠性；特别是在光纤用于军事领域时，由于光纤的工作环境恶劣，承受应力较大，存放周期较长，对光纤强度的要求十分苛刻，因此必须选用高强度光纤，高强度光纤可以用于特殊环境和恶劣条件下工作的有线制导、军用海缆、野战光缆等应用场合。要实现光纤通信和光纤激光或放大，需要尽可能地降低光纤的损耗，光纤损耗的高低直接影响通信应用中传输距离或中继站间隔距离的远近，以及激光器应用中的激光效率。因此，降低光纤的损耗有着重大的现实意义。
5.光纤预制棒是制造石英系列光纤的核心原材料，预制棒一般直径为几毫米至几十毫米，光纤的内部结构就是在预制棒中形成的，预制棒的制作是光纤工艺中最重要的部分，从20世纪70年代末期开始规模生产光纤以来，对光纤预制棒制造技术的研究和完善改进就从来没有间断过。
6.光棒的制作有多种方法，常用的制作工艺是气相氧化法。在气相氧化法中，高纯度金属卤化物的蒸汽和氧气发生反应，形成一些氧化物微粒，这些氧化物微粒会沉积在玻璃或者石英体的表面上(或管状体的内壁)，然后通过烧结形成透明的玻璃棒。
7.cn 205528425u公开了一种光纤预制棒处理装置，所述装置包括车床平台，车床平台的两端分别安设有座架，至少有一个座架为移动座架，两个座架的内侧分别对应安设同轴线的旋转夹头，在车床平台上设置移动滑台，移动滑台上设置燃烧喷灯，在车床平台或移动滑台上设置有校正装置。所述装置可以对光纤预制棒进行轴向校正和表面抛光，提高其强度与强度稳定性。
8.cn 103663988a公开了一种光纤预制棒表面处理的混酸及处理方法，所述所采取的表面处理方法为：先用混酸在一定温度范围内处理掉细磨预制棒表面的凹陷层和微裂纹层，然后对预制棒进行抛光处理，最后再用稀释的混酸对抛光后的预制棒进行处理。所述处理方法可以去除光纤预制棒表面的微裂纹以及杂质离子。
9.cn 109553295a公开了一种大尺寸低损耗的光纤预制棒及其制造方法，所述制造方法为：利用vad工艺制备光纤芯棒，光纤芯棒内到外依次是芯层和内包层；利用ovd工艺在光纤芯棒外部沉积阻挡层疏松体，然后进行烧结处理，得到合成芯棒；利用ric工艺将合成芯棒与连熔套管组合成大尺寸低损耗光纤预制棒。
10.上述方法对光纤预制棒的强度、耐损耗进行了处理，但是并没有提出制备各种尺寸传能光纤预制棒的方法。
11.为了获得指定传能几何尺寸传能光纤预制棒，通常需要对预制棒外表面研磨处理，而研磨处理往往伴随着研磨均匀度差，预制棒不同位置研磨量均匀度不一、易偏心等缺点，导致拉制光纤芯径均匀度差，甚至产生芯径不合格光纤带来直接损失；可能崩裂；精度控制困难，研磨控制的精度难以达到10微米的控制水平；在线监测困难，由于研磨过程会同时产生石英废料，处理过程中对外表面几何尺寸的实时监测较复杂。
12.因此，针对现有研磨处理技术中处理后预制棒外表面几何尺寸均匀度差，可能崩裂，精度控制困难，难以在线监测的问题进行改进，且产生石英固态废料问题，提出一种处理方法克服上述缺点，已经是本领域亟需解决的问题之一。


技术实现要素：

13.本发明的目的在于提供一种获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统及表面处理方法。本发明通过对光纤预制棒的表面分段定量处理可改善现有研磨处理技术几何尺寸均匀度差问题；没有对棒体施加应力解决崩裂问题；在线监测预制棒外径改善控制精度，同时不产生固态废料。
14.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
15.第一方面，本发明提供了一种获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统，所述装置系统包括机床加工单元以及光纤预制棒待处理单元；
16.所述光纤预制棒待处理单元包括预制棒组合套筒以及三爪套筒密封圈组合装置；
17.所述机床加工单元包括玻璃加工车床、直径控制装置以及尾气抽风装置。
18.本发明所述装置系统通过设计由三爪套筒密封圈组合固定装置、玻璃基管、玻璃加工车床、包括有加热电炉和工业相机的直径控制系统、尾气抽风系统装置构成的组合系统实现光纤预制棒的表面定量蚀刻处理。
19.优选地，所述预制棒组合套筒包括光纤预制棒以及玻璃基管。
20.优选地，所述玻璃基管环套在光纤预制棒的外面。
21.优选地，所述玻璃基管的材质包括石英。
22.本发明所述玻璃基管选用耐高温厚壁透明石英套筒，可作为密封主材及刻蚀反应腔体。
23.优选地，所述三爪套筒密封圈组合装置设置于预制棒组合套筒的两端。
24.优选地，所述三爪套筒密封圈组合装置用于固定预制棒组合套筒。
25.优选地，所述三爪套筒密封圈组合装置包括三爪套筒以及密封圈。
26.优选地，所述三爪套筒设置于光纤预制棒与密封圈之间。
27.优选地，所述密封圈设置于三爪套筒与玻璃基管之间。
28.优选地，所述密封圈的材质包括聚四氟乙烯或全氟醚橡胶。
29.本发明所述光纤预制棒与玻璃基管通过三爪套筒密封圈组合装置组合为一个整体。光纤预制棒与玻璃基管可以实现同轴、同步旋转。
30.优选地，所述玻璃加工车床的中间位置设置有轨道。
31.优选地，所述轨道上设置有滑台。
32.优选地，所述滑台上设置有直径控制装置。
33.优选地，所述直径控制装置包括加热电炉以及工业相机。
34.优选地，所述加热电炉包括电阻炉。
35.优选地，所述工业相机设置于加热电炉的安装平台上。
36.本发明所述直径控制装置通过滑台做往复运动，位于机床上方，直径控制系统接收、处理工业相机监测数据，实现预制棒外表面尺寸的在线监测，通过监测值人工调节加热电炉的温度、走行速度，实现预制棒外表面分段定量刻蚀。
37.优选地，所述玻璃加工车床的两端分别设置有卡盘。
38.优选地，所述卡盘用于固定光纤预制棒待处理单元。
39.优选地，所述尾气抽风装置设置于玻璃加工车床的尾部。
40.优选地，所述尾气抽风装置包括依次安装设置的尾压表、过滤器以及抽风装置。
41.本发明所述尾压表用于检测光纤预制棒待处理单元内部的压力，过滤器用于过滤废料，避免有害废料不经处理排入外界，影响操作人员身体健康。
42.第二方面，本发明提供了一种采用第一方面提供的装置系统进行表面处理的方法，所述表面处理方法包括如下步骤：
43.(1)将光纤预制棒待处理单元安装在玻璃加工车床上，旋转并加热后，得到处理后的光纤预制棒；
44.(2)刻蚀步骤(1)所得处理后的光纤预制棒，得到指定几何尺寸的传能光纤预制棒以及反应废气；
45.所述刻蚀过程中采用工业相机对所述处理后的光纤预制棒进行外径实时监测。
46.本发明所述表面处理前，还包括对光纤预制棒清洁、干燥的过程，以免造成刻蚀精度、均匀度变差以及影响预制棒表面洁净度。
47.优选地，步骤(1)所述旋转的转速为10-20r/min，例如可以是10r/min、11r/min、12r/min、13r/min、14r/min、15r/min、16r/min、17r/min、18r/min、19r/min或20r/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
48.优选地，步骤(1)所述加热的温度为800-1100℃，例如可以是800℃、850℃、930℃、1000℃、1060℃或1100℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
49.优选地，步骤(2)所述刻蚀过程采用的气体包括含氟气体与氧气的混合气体。
50.优选地，所述含氟气体包括四氟化碳、六氟乙烷或三氟甲烷中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括四氟化碳和六氟乙烷的组合，六氟乙烷和三氟甲烷的组合，四氟化碳和三氟甲烷的组合，或四氟化碳、六氟乙烷和三氟甲烷的组合。
51.优选地，所述含氟气体的气体流速为30-50sccm，例如可以是30sccm、32sccm、34sccm、36sccm、38sccm、40sccm、42sccm、44sccm、46sccm、48sccm或50sccm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
52.优选地，所述氧气的气体流速为30-60sccm，例如可以是30sccm、33sccm、36sccm、39sccm、41sccm、44sccm、47sccm、50sccm、53sccm、56sccm或60sccm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
53.优选地，所述刻蚀过程中的压力为-10至-5pa，例如可以是-10pa、-9pa、-8pa、-7pa、-6pa或-5pa，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
54.本发明所述刻蚀的压力为-10至-5pa，压力过高会导致管内抽力过大而棒不圆度变差，过低会致使废料堆积影响刻蚀精度、均匀度。
55.优选地，所述方法还包括采用尾气抽风装置除去反应废气。
56.作为本发明第二方面所述表面处理方法的优选技术方案，本发明所述表面处理方法包括如下步骤：
57.(1)将光纤预制棒待处理单元安装在玻璃加工车床上，以10-20r/min的转速旋转并加热至800-1100℃后，得到处理后的光纤预制棒；
58.(2)在-10至-5pa的压力下刻蚀步骤(1)所得处理后的光纤预制棒，得到指定几何尺寸的传能光纤预制棒以及反应废气；所述刻蚀过程采用的气体包括含氟气体与氧气的混合气体；所述含氟气体的气体流速为30-50sccm；所述氧气的气体流速为30-60sccm；
59.(3)采用尾气抽风装置除去反应废气；
60.所述刻蚀过程中采用工业相机对所述处理后的光纤预制棒进行外径实时监测。
61.本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
62.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
63.(1)本发明提供的表面处理方法采用化学气相刻蚀的方法实现了传能光纤预制棒的表面分段定量处理；
64.(2)本发明提供的装置系统采用带有工业相机的直径控制系统实现了对传能光纤预制棒外径在线监控；
65.(3)本发明提供的装置系统采用耐高温厚壁透明的套筒作为密封主材及反应腔体，不污染外界空气，不影响操作人员身体健康；
66.(4)本发明采用电阻炉作为温控热源，可提供均匀、稳定的加热温度且易于控制温度。
附图说明
67.图1是本发明实施例1提供的光纤预制棒待处理单元的侧视图；
68.图2是本发明实施例1提供的光纤预制棒待处理单元的剖面图；
69.图3是本发明实施例1提供的机床加工单元的结构示意图。
70.其中，1为三爪套筒，2为光纤预制棒，3为密封圈；4为玻璃基管，5为玻璃加工车床，6为工业相机，7为加热电炉，8为尾压表，9为过滤器，10为抽风装置。
具体实施方式
71.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明
了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
72.实施例1
73.本实施例提供了一种获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统，所述装置系统包括如图3所示的机床加工单元以及光纤预制棒待处理单元；所述光纤预制棒待处理单元包括预制棒组合套筒以及三爪套筒密封圈组合装置；所述机床加工单元包括玻璃加工车床5、直径控制装置以及尾气抽风装置。
74.所述光纤预制棒待处理单元的侧视图如图1所示，剖面图如图2所示。
75.所述预制棒组合套筒包括光纤预制棒2以及玻璃基管4；所述玻璃基管4环套在光纤预制棒2的外面；所述玻璃基管的材质为石英。
76.所述三爪套筒密封圈组合装置设置于预制棒组合套筒的两端；所述三爪套筒密封圈组合装置用于固定预制棒组合套筒。
77.所述三爪套筒密封圈组合装置包括三爪套筒1以及密封圈3；所述三爪套筒1设置于光纤预制棒2与密封圈3之间；所述密封圈3设置于三爪套筒1与玻璃基管4之间；所述密封圈3的材质为聚四氟乙烯。
78.所述玻璃加工车床5的中间位置设置有轨道；所述轨道上设置有滑台；所述滑台上设置有直径控制装置。
79.所述直径控制装置包括加热电炉7以及工业相机6；所述加热电炉7为电阻炉；所述工业相机6设置于加热电炉7的安装平台上。
80.所述玻璃加工车床5的两端分别设置有卡盘；所述卡盘用于固定光纤预制棒待处理单元。
81.所述尾气抽风装置设置于玻璃加工车床5的尾部；所述尾气抽风装置包括依次安装设置的尾压表8、过滤器9以及抽风装置10。
82.实施例2
83.本实施例提供了一种获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统，所述装置系统除将尾气抽风装置设置在玻璃加工车床5的头部，其余均与实施例1相同。
84.实施例3
85.本实施例提供了一种获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统，所述装置系统除省略过滤器9，其余均与实施例1相同。
86.应用例1
87.本应用例提供了一种采用实施例1提供的获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统进行表面处理的方法，所述表面处理方法包括如下步骤：
88.(1)将光纤预制棒待处理单元安装在玻璃加工车床上，以15r/min的转速旋转并加热至960℃后，得到处理后的光纤预制棒；
89.(2)在-7pa的压力下刻蚀步骤(1)所得处理后的光纤预制棒，得到指定几何尺寸的传能光纤预制棒以及反应废气；所述刻蚀过程采用的气体包括含氟气体与氧气的混合气体；所述含氟气体的气体流速为40sccm；所述氧气的气体流速为50sccm；
90.(3)采用尾气抽风装置除去反应废气；
91.所述刻蚀过程中采用工业相机对所述处理后的光纤预制棒进行外径实时监测。
92.应用例2
93.本应用例提供了一种采用实施例1提供的获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统进行表面处理的方法，所述表面处理方法包括如下步骤：
94.(1)将光纤预制棒待处理单元安装在玻璃加工车床上，以10r/min的转速旋转并加热至800℃后，得到处理后的光纤预制棒；
95.(2)在-5pa的压力下刻蚀步骤(1)所得处理后的光纤预制棒，得到指定几何尺寸的传能光纤预制棒以及反应废气；所述刻蚀过程采用的气体包括含氟气体与氧气的混合气体；所述含氟气体的气体流速为30sccm；所述氧气的气体流速为30sccm；
96.(3)采用尾气抽风装置除去反应废气；
97.所述刻蚀过程中采用工业相机对所述处理后的光纤预制棒进行外径实时监测。
98.应用例3
99.本应用例提供了一种采用实施例1提供的获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统进行表面处理的方法，所述表面处理方法包括如下步骤：
100.(1)将光纤预制棒待处理单元安装在玻璃加工车床上，以20r/min的转速旋转并加热至1100℃后，得到处理后的光纤预制棒；
101.(2)在-10pa的压力下刻蚀步骤(1)所得处理后的光纤预制棒，得到指定几何尺寸的传能光纤预制棒以及反应废气；所述刻蚀过程采用的气体包括含氟气体与氧气的混合气体；所述含氟气体的气体流速为50sccm；所述氧气的气体流速为60sccm；
102.(3)采用尾气抽风装置除去反应废气；
103.所述刻蚀过程中采用工业相机对所述处理后的光纤预制棒进行外径实时监测。
104.应用例4
105.本应用例提供了一种采用实施例1提供的获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统进行表面处理的方法，所述表面处理方法除将步骤(1)所述加热温度更改为1200℃，其余均与应用例1相同。
106.采用本应用例所述方法进行表面处理，得到的指定几何尺寸的传能光纤预制棒直径较要求直径偏细，由此可知，提高加热温度会使得单位时间刻蚀量增加，刻蚀精度变差，控制难度增加。
107.应用例5
108.本应用例提供了一种采用实施例1提供的获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统进行表面处理的方法，所述表面处理方法除将步骤(1)所述加热温度更改为750℃，其余均与应用例1相同。
109.采用本应用例所述方法进行表面处理，得到的指定几何尺寸的传能光纤预制棒加工时间增加，由此可知，降低加热温度会使得刻蚀反应所需时间增加，反应效率降低。
110.应用例6
111.本应用例提供了一种采用实施例1提供的获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统进行表面处理的方法，所述表面处理方法除将步骤(2)所述刻蚀的压力更改为-2pa，其余均与应用例1相同。
112.采用本应用例所述方法进行表面处理，得到的指定几何尺寸的传能光纤预制棒较指定尺寸偏差较大，原因为抽力不足致使反应废料堆积导致直径检测误差变大、管内废料分布不均致使刻蚀均匀度变差，由此可知，提高刻蚀压力会使得刻蚀精度、均匀度变差。
113.应用例7
114.本应用例提供了一种采用实施例1提供的获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统进行表面处理的方法，所述表面处理方法除将步骤(2)所述刻蚀的压力更改为-20pa，其余均与应用例1相同。
115.采用本应用例所述方法进行表面处理，得到的指定几何尺寸的传能光纤预制棒外径不圆度变差，由此可知，降低刻蚀压力会使得抽力变大而致使传能光纤预制棒直径不圆度变差。
116.应用例8
117.本应用例提供了一种采用实施例2提供的获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统进行表面处理的方法，所述表面处理方法与应用例1相同。
118.与应用例1相比，将尾气抽风装置设置在玻璃加工车床5的头部会使得刻蚀气体通入量不稳定，影响刻蚀均匀度。
119.应用例9
120.本应用例提供了一种采用实施例3提供的获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统进行表面处理的方法，所述表面处理方法与应用例1相同。
121.与应用例1相比，省略过滤器9会使得废料不经过滤处理直接排入外界空气中，污染空气及影响操作员工身体健康。
122.综上所述，本发明提供的获得指定几何尺寸传能光纤预制棒的处理装置系统通过设计由三爪套筒密封圈组合固定装置、玻璃基管、玻璃加工车床、包括有加热电炉和工业相机的直径控制系统、尾气抽风系统装置构成的组合系统实现光纤预制棒的表面定量蚀刻处理，得到指定几何尺寸传能光纤预制棒。本发明提供的装置系统通过对光纤预制棒的表面分段定量处理可改善现有研磨处理技术几何尺寸均匀度差问题；没有对棒体施加应力解决崩裂问题；在线监测预制棒外径改善控制精度，同时不产生固态废料，具有工业应用前景。
123.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。