一种硫系玻璃光纤的制备方法

摘要

本发明公开了一种硫系玻璃光纤的制备方法，特点是包括采用红外硫系玻璃体系并利用真空摇摆熔融淬冷法制备芯层和包层玻璃的步骤；将包层玻璃棒固定在带刻度二维精密光学位移台上打孔，然后依次进行退火、抛光、清洗和烘干处理得到内孔光滑的玻璃包层套管的步骤；最后将芯层玻璃棒采用拉丝塔制备玻璃芯棒，将玻璃芯棒插入玻璃包层套管，通过拉丝塔拉制成带有芯包结构的硫系玻璃光纤，优点是制备出的光纤芯包比可控、芯包层界面接触紧密、无气泡等缺陷、芯包层同心度高、光学损耗低。

权利要求

1.一种硫系玻璃光纤的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)芯层和包层玻璃制备

A.将包层硫系玻璃原料和芯层硫系玻璃原料准确称量后分别放入石英管中，对两个石英管分别进行抽真空处理，真空度达到3×10-4-6×10-4Pa后，用氢氧火焰对石英管进行封接；将封接好的石英管放入到摇摆熔炉中于900-950℃下摇摆熔制6-8小时，将摇摆熔炉的温度降至650-700℃后，将石英管从摇摆炉中取出进行猝冷降温直到玻璃熔体表面与石英管内壁分离；

B.将包层玻璃熔体立即放入低于包层玻璃转变温度10-30℃的精密退火炉中保温4-6小时后按5-10℃/h降温速度降至常温，取出硫系玻璃棒进行切削打磨抛光得到包层玻璃棒；同时，将芯层玻璃熔体立即放入低于芯层玻璃转变温度10-30℃的精密退火炉中保温4-

6小时后按5-10℃/h降温速度降至常温，取出硫系玻璃棒进行切削打磨抛光得到芯层玻璃棒；

(2)包层打孔制备

将步骤(1)中得到的包层玻璃棒固定在带刻度二维精密光学位移台上，用可调高速台钻上的金刚砂麻花钻头和细金刚砂空心钻依次对包层玻璃棒打孔，然后将获得的多孔包层玻璃棒放入低于包层玻璃转变温度10-30℃的精密退火炉中保温2-5小时，然后按5-15℃/小时的速率降温至室温，再依次进行抛光、清洗和烘干处理，即得到内孔光滑的玻璃包层套管；其中所述的抛光过程具体为：先用1000目的砂纸粗抛10～20min，然后用2000目的砂纸细抛10～30min；或者采用500～1000目抛光粉调制成抛光膏对内孔进行抛光20～40min；

(3)芯棒及光纤拉制

将步骤(1)中得到芯层玻璃棒在光纤拉丝塔上拉成直径小于玻璃包层套管的孔直径

0.01～0.1mm的玻璃芯棒；将玻璃芯棒精确插入步骤(2)得到的玻璃包层套管的孔中，然后在光纤拉丝塔上气氛保护下拉丝并进行涂敷保护，即得到硫系玻璃光纤。

2.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的包层硫系玻璃原料为硫基玻璃、硒基玻璃和碲基玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的芯层硫系玻璃包括无源的硫系玻璃和稀土离子、纳米金属离子、过渡金属离子、量子点及微晶颗粒掺杂的有源玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的石英管的长度为400～800mm，口径为5～50mm。

5.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的可调高速台钻的钻速为400～6000rpm，所述的可调高速台钻的钻头的下钻速度为1～

3mm/min，钻头的直径为0.8～20mm，钻头长度为50～100mm。

6.根据权利要求5所述的一种硫系玻璃光纤的制备方法，其特征在于：所述的金刚砂麻花钻头的直径小于所述的细金刚砂空心钻的直径0.2～2mm。

7.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的清洗和烘干过程具体为：在超声波清洗器中对多孔包层玻璃棒清洗4-6小时，然后放入温度为大于100℃且小于包层玻璃转变温度的烘箱里烘干。

说明书

一种硫系玻璃光纤的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种特种光纤制备技术领域，，尤其是涉及一种硫系玻璃光纤的制备方法。

背景技术

[0002] 光纤制备技术的发展对社会发展和人们的生活产生了深刻的影响；其中，无源光纤在光通信中的应用使通信技术发生了革命性的变化，由高耗能低带宽的电缆到低耗能远距离大容量的光纤通信；有源光纤在激光领域结束了固体激光器的统治地位，满足了从通信、医疗、传感领域的高稳定性低功率要求到工业生产切割、焊接及军事等领域的高功率要求。随着大数据时代的到来通信系统需要更高的带宽，生物医疗中及军事应用中需要更长波段的激光；然而，目前主要应用的石英光纤受基质本身特性的影响传输及输出激光不可能超过2.2μm；可应用于近红外的ZBLAN光纤室温下也只能工作在3μm以内。因此，迫切需要能够工作在3μm以上的光纤材料，其中具有低声子能量的重金属硫系玻璃光纤是目前最具潜力的中远红外光纤。

[0003] 硫系玻璃是以元素周期表中的第VIA族元素中除氧和钋以外的硫、硒、碲三种元素和其它元素（砷、锑、锗等）或它们自己相互组合构成的玻璃。早在1870年，Schulz Sellack 等发现硫元素可以单独形成玻璃，并且发现硫化砷和硒化砷也能形成稳定的玻璃，以此为开端，人们开始了对硫系玻璃的大量研究。硫系玻璃主要由重元素组成，键强较弱，因此声子能量较低红外透过能力强。但同时玻璃在原料提纯和制备上比较困难，且一些物理性能较差，如硬度、玻璃转变和软化温度低、热膨胀系数高等，这使得玻璃本身及光纤拉制都非常困难(如容易碎裂、析晶)。

[0004] 目前主要的硫系玻璃预制棒及光纤制备技术有双坩埚法、浇筑法和管棒法。传统的双坩埚法制作的硫系玻璃光纤，具有芯包界面接触紧密、无杂质损耗等优点，其缺点是芯径难以控制，制备出的光纤模式损耗较大，并且容易造成光纤析晶。浇筑法制备的硫系光纤具有芯包界面好、无杂质二次污染等优点，其缺点是由于液体自身的流动特性，使芯子直径成锥形分布，芯包比很难控制。传统的管棒法分为旋管法制备包层和打孔法制备包层，旋管法具有光滑的内表面，但由于硫系玻璃大膨胀系数及高蒸汽压使得旋管法制备的孔的内径都非常大，不能满足单模的要求；普通打孔法可以很容易控制芯包的比列，但内孔粗糙度较大光学质量上也难以满足实际使用要求造成光纤损耗变大。申请号为201110261860.7的中国发明专利申请《一种单模硫系玻璃光纤及其制作方法》的说明书中公开了一种采用管棒法来制备单模硫系玻璃光纤的方法，它采用二次管棒法制备单模光纤。由于硫系玻璃热稳定性相对都比较低，二次管棒法拉丝中存在的两次加热过程，容易使光纤析晶造成损耗高或者失透现象，同时由于硫系玻璃本身非常大的蒸汽压石英管中玻璃料容量有限，再者硫系玻璃本身具有非常大的热膨胀系数，综合这两点真空密封旋转法只能制备大孔径的包层套管，无法制备占空比较小的包层套管。其他常见的适用于石英光纤预制棒制备的方法(MCVD、PCVD、OVD、VAD等)，不适用于普遍具有折射率高、熔点低、膨胀系数高的硫系玻璃。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤芯包比可控、芯包层界面接触紧密、光纤损耗低以及生产效率高的硫系玻璃光纤的制备方法。

[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种硫系玻璃光纤的制备方法，具体步骤如下：

[0007] （1）芯层和包层玻璃制备

[0008] A．将包层硫系玻璃原料和芯层硫系玻璃原料准确称量后分别放入石英管中，对两个石英管分别进行抽真空处理，真空度达到3×10-4-6×10-4pa后，用氢氧火焰对石英管进行封接；将封接好的石英管放入到摇摆熔炉中于900-950℃下摇摆熔制6-8 小时，将摇摆熔炉的温度降至650-700℃后，将石英管从摇摆炉中取出进行猝冷降温直到玻璃熔体表面与石英管内壁分离；

[0009] B．将包层玻璃熔体立即放入低于包层玻璃转变温度（Tg ）10-30℃的精密退火炉中保温4-6 小时后按5-10℃/h降温速度降至常温，取出硫系玻璃棒进行切削打磨抛光得到包层玻璃棒；同时，将芯层玻璃熔体立即放入低于芯层玻璃转变温度（Tg ）10-30℃的精密退火炉中保温4-6 小时后按5-10℃/h降温速度降至常温，取出硫系玻璃棒进行切削打磨抛光得到芯层玻璃棒；

[0010] （2）包层打孔制备

[0011]  将步骤（1）中得到的包层玻璃棒固定在带刻度二维精密光学位移台上，用可调高速台钻上的金刚砂麻花钻头和细金刚砂空心钻依次对包层玻璃棒打孔，然后将获得的多孔包层玻璃棒放入低于包层玻璃转变温度（Tg）10-30℃的精密退火炉中保温2-5小时，然后按5-15℃/小时的速率降温至室温，再依次进行抛光、清洗和烘干处理，即得到内孔光滑的玻璃包层套管；

[0012] （3）芯棒及光纤拉制

[0013] 将步骤（1）中得到芯层玻璃棒在光纤拉丝塔上拉成直径小于玻璃包层套管的孔直径0.01 0.1mm的玻璃芯棒；将玻璃芯棒精确插入步骤（2）得到的玻璃包层套管的孔中，然后~在光纤拉丝塔上气氛保护下拉丝并进行涂敷保护，即得到硫系玻璃光纤。

[0014] 步骤（1）中所述的包层硫系玻璃原料为硫基玻璃、硒基玻璃和碲基玻璃。

[0015] 步骤（1）中所述的芯层硫系玻璃包括无源的硫系玻璃和稀土离子、纳米金属离子、过渡金属离子、量子点及微晶颗粒掺杂的有源玻璃。

[0016] 步骤（1）中所述的石英管的长度为400 800mm，口径为5 50mm。~ ~

[0017] 步骤（2）中所述的可调高速台钻的钻速为400 6000rpm，所述的可调高速台钻的钻~头的下钻速度为1 3mm/min ，钻头的直径为0.8 20mm，钻头长度为50 100mm。
~ ~ ~

[0018] 所述的金刚砂麻花钻头的直径小于所述的细金刚砂空心钻的直径0.2 2mm。~

[0019] 步骤（2）中所述的抛光过程具体为：先用1000目的砂纸粗抛10 20min，然后用2000~目的砂纸细抛10 30min；或者采用500 1000目抛光粉调制成抛光膏对内孔进行抛光20~ ~ ~
40min，使内孔表面光洁度达到12级。

[0020] 步骤（2）中所述的清洗和烘干过程具体为：在超声波清洗器中对多孔包层玻璃棒清洗4-6小时，然后放入温度为大于100℃且小于包层玻璃转变温度（Tg）的烘箱里烘干。

[0021] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种硫系玻璃光纤的制备方法，其包层及芯层均采用红外硫系玻璃体系；在制备光纤预制棒过程中，采用分步打孔及抛光法制备玻璃包层套管，采用拉丝塔制备玻璃芯棒，将玻璃芯棒插入玻璃包层套管，通过拉丝塔拉制成带有芯包结构的光纤。通过调整包层玻璃孔径的占空比，可方便制得不同芯包比的硫系玻璃光纤，其优点是制备出的光纤芯包比可控、芯包层界面接触紧密、无气泡等缺陷、芯包层同心度高、光学损耗低，具有操作简单，光纤损耗低、生产效率高等优点。同时，本发明的分步打孔加内抛光法制备的外包层套管占空比可以很小，能够一次性制备出单模光纤避免了多次拉丝造成的工艺复杂、损耗增加及析晶等问题。高速钻台配合两种钻头减小了内孔划痕的深度，并解决了一般钻孔过程中玻璃容易碎裂的问题；后期结合粗抛和细抛过程，使内孔的光洁度达到12级，减小了光纤芯包界面的缺陷降低了光纤的损耗。两种钻头打孔法不仅适用于小孔还适用于大孔，因此可以制备出单模和多模光纤，芯包比可以比较容易的调节。

附图说明

[0022] 图1 为本发明的实施例一得到预制棒端面结构图；

[0023] 图2 为本发明的实施例一得到光纤端面显微镜图；

[0024] 图3 为本发明的实施例二得到光纤端面显微镜图。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

[0026] 实施例一

[0027] 一种硫系玻璃光纤的制备方法，具体包括以下步骤：

[0028] （1）芯层和包层玻璃制备

[0029] A．将包层硫系玻璃原料和芯层硫系玻璃原料准确称量后分别放入石英管中，对两个石英管分别进行抽真空处理，真空度达到3×10-4pa后，用氢氧火焰对石英管进行封接；将封接好的石英管放入到摇摆熔炉中于900℃下摇摆熔制8 小时，摇摆熔炉的温度降至650℃后将石英管从摇摆炉中取出进行猝冷降温，直到玻璃熔体表面与石英管内壁分离；其中石英管的长度为400mm，放置包层硫系玻璃原料的石英管口径为30mm，放置芯层硫系玻璃原料的石英管口径为20mm；包层硫系玻璃原料为硫基玻璃、硒基玻璃和碲基玻璃；芯层硫系玻璃包括无源的硫系玻璃和稀土离子、纳米金属离子、过渡金属离子、量子点及微晶颗粒掺杂的有源玻璃；

[0030] B．将包层玻璃熔体立即放入低于包层玻璃转变温度（Tg ）10℃的精密退火炉中保温4 小时后按10℃/h降温速度降至常温，取出硫系玻璃棒进行切削打磨抛光得到包层玻璃棒；同时，将芯层玻璃熔体立即放入低于芯层玻璃转变温度（Tg ）10℃的精密退火炉中保温4 小时后按10℃/h降温速度降至常温，取出硫系玻璃棒进行切削打磨抛光得到芯层玻璃棒；

[0031] （2）包层打孔制备

[0032]  将步骤（1）中得到的30mm包层玻璃棒固定在带刻度二维精密光学位移台上，用可调高速台钻上的金刚砂麻花钻头和细金刚砂空心钻依次对包层玻璃棒打孔，然后将获得的多孔包层玻璃棒放入低于包层玻璃转变温度（Tg）10℃的精密退火炉中保温2小时，然后按15℃/小时的速率降温至室温，再依次进行抛光、清洗和烘干处理，即得到内孔光滑的玻璃包层套管；

[0033] 其中可调高速台钻的钻速为1000rpm，可调高速台钻的钻头的下钻速度为3mm/min ，钻头长度为50mm，金刚砂麻花钻头的直径1.8mm，细金刚砂空心钻的直径2mm；

[0034] 抛光过程具体为：先用1000目的砂纸粗抛10min，然后用2000目的砂纸细抛10min；清洗和烘干过程具体为：在超声波清洗器中对多孔包层玻璃棒清洗4-6小时，然后放入温度为大于100℃且小于包层玻璃转变温度（Tg）的烘箱里烘干；

[0035] （3）芯棒及光纤拉制

[0036] 将步骤（1）中得到20mm芯层玻璃棒在光纤拉丝塔上拉成直径小于玻璃包层套管的孔直径0.01mm的玻璃芯棒；将玻璃芯棒精确无碰撞损伤地插入步骤（2）得到的玻璃包层套管的孔中，得到预制棒，然后将预制棒在光纤拉丝塔上气氛保护下拉丝并进行涂敷保护，即得到芯包直径为20/300μm的硫系玻璃光纤。图1为实施例一得到预制棒端面结构图；图2为本发明的实施例一得到光纤端面显微镜图。对比两幅图可以发现，利用本发明的方法制备的光纤与预制棒具有完全一致的结构；光纤包层与芯层界面融合非常好，并且由于预制棒芯包层之间间隙控制得当芯子和包层都没有变形，保持了非常好的圆对称性。

[0037] 上述芯层玻璃和包层玻璃，可以是同一种体系折射率微小差别的玻璃，也可以是折射率差较大的不同体系的玻璃。芯层和包层玻璃的制备采用真空摇摆熔融淬冷法制备，玻璃材料具有损耗低、条纹少、折射率差小的特性。带刻度二维精密光学位移台精度达到10-3mm，用于精确确定包层棒的中心。

[0038] 实施例二

[0039] 同上述实施例一，其区别在于：

[0040] 步骤（1）芯层和包层玻璃制备中：石英管真空度控制为6×10-4pa；封接好的石英管放入到摇摆熔炉中于950℃下摇摆熔制6小时，摇摆熔炉的温度降至700℃后将石英管从摇摆炉中取出进行猝冷降温；将包层玻璃熔体立即放入低于包层玻璃转变温度（Tg ）30℃的精密退火炉中保温6 小时后按5℃/h降温速度降至常温；将芯层玻璃熔体立即放入低于芯层玻璃转变温度（Tg ）30℃的精密退火炉中保温6 小时后按5℃/h降温速度降至常温；其中石英管的长度为800mm，放置包层硫系玻璃原料的石英管口径为40mm，放置芯层硫系玻璃原料的石英管口径为20mm；

[0041] 步骤（2）包层打孔制备中：将获得的多孔包层玻璃棒放入低于包层玻璃转变温度（Tg）30℃的精密退火炉中保温5小时，然后按5℃/小时的速率降温至室温；

[0042] 其中可调高速台钻的钻速为400rpm，可调高速台钻的钻头的下钻速度为1mm/min ，钻头长度为100mm，金刚砂麻花钻头的直径为10mm，细金刚砂空心钻的直径为12mm；

[0043] 步骤（3）芯棒及光纤拉制中：芯层玻璃棒在光纤拉丝塔上拉成直径小于玻璃包层套管的孔直径0.1mm的玻璃芯棒；将预制棒在光纤拉丝塔上气氛保护下拉丝并进行涂敷保护，得到芯包直径为120/240μm的光纤。

[0044] 图3为本发明的实施例二得到光纤端面显微镜图，从光纤端面可以看出光纤包层与芯层界面融合非常好，并且由于预制棒芯包层之间间隙控制得当芯子和包层都没有变形，保持了非常好的圆对称性。对比图3和图2可知本发明的方法制备的光纤芯包比覆盖很大的范围，能够满足单模和多模光纤的比例要求。

[0045] 实施例三

[0046] 同上述实施例一，其区别在于：

[0047] 步骤（1）芯层和包层玻璃制备中：石英管真空度控制为4.5×10-4pa；封接好的石英管放入到摇摆熔炉中于925℃下摇摆熔制7 小时，摇摆熔炉的温度降至675℃后将石英管从摇摆炉中取出进行猝冷降温；将包层玻璃熔体立即放入低于包层玻璃转变温度（Tg ）20℃的精密退火炉中保温5 小时后按7.5℃/h降温速度降至常温；将芯层玻璃熔体立即放入低于芯层玻璃转变温度（Tg ）20℃的精密退火炉中保温5小时后按7.5℃/h降温速度降至常温；其中石英管的长度为600mm，放置包层硫系玻璃原料的石英管口径为50mm，放置芯层硫系玻璃原料的石英管口径为5mm；

[0048] 步骤（2）包层打孔制备中：将获得的多孔包层玻璃棒放入低于包层玻璃转变温度（Tg）20℃的精密退火炉中保温4小时，然后按10℃/小时的速率降温至室温；其中可调高速台钻的钻速为6000rpm，可调高速台钻的钻头的下钻速度为1.5mm/min ，钻头的直径为0.8~20mm，钻头长度为75mm，其中金刚砂麻花钻头的直径小于细金刚砂空心钻的直径0.2 2mm；
~
采用500-1000目抛光粉调制成抛光膏对内孔进行抛光20-40min，使内孔表面光洁度达到12级；

[0049] 步骤（3）芯棒及光纤拉制中：芯层玻璃棒在光纤拉丝塔上拉成直径小于玻璃包层套管的孔直径0.05mm的玻璃芯棒。

[0050] 上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。