专利名称：实体空心波导的制备装置的制作方法
技术领域：
本实用新型有关一种空腔波导，用于传输激光器的电磁辐射，主要应用在医疗，工业和军事方面。
背景技术：
CO2激光器广泛应用于医学，工业和军事，大量的光纤和空心波导被用作激光的传输介质。相对于以往用于通信的石英光纤，对于波长比较大的高能量CO2激光，空腔波导被证实具有优异的传输特性，具有巨大的商业优势。用来传输电磁波的具有电介质涂层的空心波导早在1950年开始就有所研究。但是直到1983年，用来传输红外光波段的CO2激光具有电介质层的空心波导才得以研制成功。(M.Miygi等在1983年的《应用物理快报》杂志上发表了题为“Fabrication of Germanium-coatedNickel Hollow Waveguides for Infrared Transmission，，的文章)。从此，其他科研人员相继提出各种空心波导的制造方法。空心波导现在广泛用于医疗，工业加工及光传输等各个领域。尤其是波长在 10. 6 μ m和0. 6328 μ m的激光特别适合在空心波导中传输。硬空心波导由不锈钢和在不锈钢内壁上铝陶瓷管组成，已广泛用于在硬内窥镜内传输CO2激光(参考美国专利N0: 4，917，083)。这些波导，受制于长度和承受功率，当激光光源非正常的入射到波导中时，容易局部过热或者融化。并且，由于陶瓷管缺乏内延展性而不易弯曲，因此不宜在柔性波导中应用。一些熟知的金属空心波导由于没有足够的柔韧性，易局部过热，限制了他们的最大输入功率。另一种塑料型柔性空心波导的内径较大，但是功率传输效率非常低。以下美国专利曾公布了空心波导和激光器的光管N0 4, 652，083、NO 4，688，892、NO :4，805, 987、NO :4，913，505 和 NO :4，930, 863，这些专利作为参考。发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种实体空心波导及其制备装置，本实用新型的实体、空心的柔性波导和硬波导，应用面广，能用来传输红外和可见光辐射。本实用新型所采用的技术方案是实体空心波导，包括实体空心管，实体空心管的内壁还设有增反电介质薄膜，所述实体空心管可采用银、金、钡、铬、铜、钼、镍、锡、钨、铅、 锌、铁中的任何一种，当实体空心管采用银时，增反电介质薄膜采用氟化银、氯化银、溴化银或碘化银中的任何一种。所述的实体空心波导的制备装置，包括让抛光液在实体空心管中流动的装置，该装置包括第一分液漏斗、第一管接头和第一烧杯，第一分液漏斗通过第一阀门和第一管接头相连，实体空心管接至第一管接头的另一端，实体空心管的下端设有第一烧杯。所述的实体空心波导的制备装置，包括用去离子水清洗的超声波清洗装置，该装置包括第二烧杯、第一超声波清洗机和支架，第二烧杯通过支架夹持，第二烧杯还安放在第一超声波清洗机内，第二烧杯内设有去离子水，实体空心管浸入去离子水中。所述的实体空心波导的制备装置，包括让NH4OH溶液在实体空心管中流动的装置，该装置包括第二分液漏斗、第二管接头和第二烧杯，第二分液漏斗依次通过第二阀门和第三阀门接至第二管接头上，第二管接头的另一端接至实体空心管，实体空心管之下设有第二烧杯。所述的实体空心波导的制备装置，包括用NH4OH溶液清洗的超声波清洗装置，该装置包括第三烧杯、第二超声波清洗机和支架，第三烧杯通过支架夹持，第三烧杯还安放在第二超声波清洗机内，第三烧杯内设有NH4OH溶液，实体空心管浸入NH4OH溶液中。所述的实体空心波导的制备装置，包括让NH4OH溶液在实体空心管中流动的装置， 该装置包括第一泵浦装置、第一耦合器和第四烧杯，第一泵浦装置包含两个端口，其两端口间设有第一减压阀，第一泵浦装置的入口端接有吸管，第一泵浦装置的出口端接有第一耦合器，第一耦合器的另一端夹持实体空心管，第四烧杯内设有NH4OH溶液，吸管的入口和实体空心管的一端开口均浸入NH4OH溶液中。所述的实体空心波导的制备装置，包括通过管子抽取去离子水的装置，该装置包括第二泵浦装置、过滤器、预滤器、第二耦合器和第五烧杯，第二泵浦装置包含两个端口，其两端口间设有第二减压阀，第二泵浦装置的出口端接有第二耦合器，第二耦合器的另一端夹持实体空心管，第二泵浦装置的入口端接至过滤器的出口端，过滤器的入口端接至预滤器，预滤器的另一端接至吸管，第五烧杯中盛有去离子水，吸管的入口和实体空心管的一端开口浸入去离子水中。本实用新型的优点本实用新型的实体、空心的柔性波导和硬波导，应用面广，能用来传输红外和可见光辐射。本实用新型还提供了低成本、高效率的化学抛光和清洁的装置，该装置能用于制备实体空心波导。
图1为本实用新型固体基材实体空心银管；图2为图1中实体空心管的横剖面；图3为本实用新型中有电介质涂层固体实体空心银波导结构；图4为图3中实体空心银波导的横剖面；图5为本实用新型中CO2激光(10.6μπι)单次反射的能量反射率随空心管内壁薄膜厚度的改变而变化。薄膜材料的复折射率实部Ii1 = 2. 2，虚部Ic1 = 0. 0，实体空心管的基材复折射率实部 =14. 4，虚部1 = 56. 9 ；图6为本实用新型中HeNe激光(0. 633 μ m)单次反射的能量反射率随空心管内壁薄膜厚度的改变而变化。薄膜材料的复折射率实部Ii1 = 2. 2，虚部Ic1 = 0. 0，实体空心管的基材复折射率实部 =14. 4，虚部1 = 56. 9 ；图7为本实用新型中CO2激光(10.6μπι)单次反射的能量反射率随空心管内壁薄膜厚度的改变而变化。薄膜材料的复折射率实部Ii1 = 1.35，虚部1^ = 0.0，实体空心管的基材复折射率实部 =26. 0，虚部1 = 67. 3 ；图8为本实用新型中CO2激光(10.6μπι)单次反射的能量反射率随空心管内壁薄膜厚度的改变而变化。薄膜材料的复折射率实部Ii1 = 1.95，虚部1^ = 0.0，实体空心管的基材复折射率实部 =14. 4，虚部1 = 56. 9 ；图9为本实用新型中CO2激光(10.6μπι)单次反射的能量反射率随空心管内壁薄膜厚度的改变而变化。薄膜材料的复折射率实部Ii1 = 4. 0，虚部Ic1 = 0. 0，实体空心管的基材复折射率实部 =8. 7，虚部k2 = 58. 2 ；图10为本实用新型中入射角(Φ)与反射次数随实体空心弯曲银波导(长度 50cm)曲率半径的改变而变化图，其中实体空心弯银管波导的内径为1mm，光束沿着导轴方向传输；图11为本实用新型中入射角(Φ)与反射次数随着实体空心弯曲银波导(长度 50cm)曲率半径的改变而变化图，其中实体空心弯银管波导的内径是变化的，光束沿着导轴方向传输；图12为本实用新型中光束在实体空心弯波导(长度50cm)中传输时反射次数随着曲率半径的改变而变化图，其中实体空心弯银管波导的内径是变化的，光束沿着导轴方向传输；图13为本实用新型中CO2激光(10.6μπι)的透过率随着实体空心弯曲银波导的曲率半径改变而变化图。薄膜材料是厚度为0. 85 μ m的AgBr，直接涂覆在长度为50cm内径为Imm的实体空心银管内表面上；图14a为本实用新型中一种通过银管流过抛光液的装置；图14b为本实用新型中利用超声波清洗机内去离子水清洗波导的实施案例；图14c为本实用新型中在管子中流入50%氢氧化胺溶液的装置；图14d为本实用新型中50%氢氧化胺溶液超声波清洗方法；图He为本实用新型中任选图14c或者图14d中装置来泵浦50%氢氧化胺溶液进入管子；图14f为泵浦去离子水的装置；图15为本实用新型中，CO2激光(10.6μπι)透过率随着实体空心弯曲银波导的曲率半径变化的实验结果。薄膜材料是0. 8 μ m厚度的AgBr，直接涂覆在长度为50cm内径为 Imm的实体空心银管内表面；图16为本实用新型中，通过溴和碘液相反应形成卤化银薄膜的装置；图17为氯气相反应形成卤化银的装置；图18为碘和溴汽相反应形成卤化银的装置；图19为本实用新型中硬波导示意图。
具体实施方式
有鉴于现有技术的缺点，本实用新型提供了一种方法，这种方法能将加强介质膜直接镀在固体基材的内表面形成实体空心管。由于在空心管的最后成型过程中会导致其内表面的一些缺陷，严重影响内表面的光学质量，使制造直接涂覆的这种空心波导成为一个难点。电介质薄膜涂层或多或少地加重了表面的粗糙度，严重影响波导的传输特性，尤其是短波长激光。本实用新型提供了在固态实体管的内表面直接生长一层薄膜的方法，使空心波导更商用化，延展性好，无论是红外和可见光都具有更高的功率传输效率。该本实用新型提供了一个低成本和高制造效率的方法。本实用新型还提供一种用来抛光和清洗空心波导内表面的方法，使在内表面形成一个增反电介质薄膜之前，改善内表面的光学平滑度。本实用新型提供一种低成本、高效率的化学抛光和清洁的方法和仪器。本实用新型提供一种低成本、高效率方法来制造商用的、实体的、空心的柔性波导和硬波导，用来传输红外和可见光辐射。本实用新型提供一种简单容易的方法来制造低成本、有商业价值的、实体的、空心的柔性波导和硬波导。即通过直接在固态基材实体空心管的内表面上形成单层电介质薄膜。以下金属可以用来制造这种管子银、铝、金、钡、铬、铜、钼、镍、锡、钨、铅、锌、铁及它们的合金。本实用新型提供获得高反射率电介质薄膜的一种方法，所述高反射率电介质薄膜对于可见光和红外光传输都具有最佳薄膜厚度。实体空心管的固体基材和化学反应物通过化学液相、气相或者汽相反应来生成电介质，即空心管材料本身也参与化学反应。本实用新型提供一种制造低成本、高效率空心波导的简单方法，来传输CO2激光和 HeNe激光。还包括通过化学反应在空心波导内表面镀上增反电介质薄膜的空心波导。本实用新型中，最佳的加强电介质薄膜是具有复折射率的材料，复折射率实部为Ii1约小于4. 5， 虚部为h。消光系数与薄膜吸收特性有关，接近0。本实用新型提供了计算金属卤化物和金属氧化物薄膜的最佳厚度的详细设计思路，此薄膜厚度有利于CO2激光和HeNe激光在实体空心波导内部的传输。薄膜在实体管内壁以非常小的内径生长，可以通过“重量增益”的方法来控制厚度。根据本实用新型，在实体空心管内表面形成一个电介质薄膜，光可以在这种有涂层的管内传输，例如(X)2激光和HeNe激光，本实用新型所用成本要比以前的方法少，当可见光在波导中传输时，这种波导比固体光纤和其他形式的空心波导更有优势。本实用新型提供一种方法，具体是通过抛光和内部清洁，使实体空心金属管内表面的光学平滑度达到镜面一样的光滑平整。此后，为了更有效的传输电磁辐射例如CO2激光和HeNe激光。金属管内壁将直接形成一个适宜的电介质薄膜。本实用新型提供一种高效的非接触化学抛光方法，来减少原来实体空心管内表面的粗糙程度，光洁度可提高100倍。本实用新型提供一种高效的非接触化学清洗方法，来清洁实体空心管的内壁，且在非接触化学抛光反应后不造成任何表面损伤。本实用新型还公布一种高效的抛光和清洗方法，来提高实体空心银管内壁光洁度，可比前人技术提高100倍。本实用新型中，实体空心管由金属和金属合金制造，例如银和标准纯银。这里的金属和金属合金最好具有高导热性、卓越的延展性和光特性(在可见光内的反射性能)。除此之外，金属和金属合金还应该可以同卤素反应，以形成一层薄的纯净金属卤化物薄膜。更好地，这种薄膜拥有统一的电介质涂层，具有好的红外特性和优良的粘附性。可供选择的还有金属氧化物薄膜，它也可以生成统一的电介质涂层。也有可能用到在任何传统的氧化剂作用下形成的相应金属氧化物。例如在医学内窥镜等某些应用中，需要CO2气体吹洗波导中心。这里的气体净化用于阻止由于波导内在气压而喷射出的液体和残渣。但是在波导中的CO2气体会导致热透镜效应和其他传输损耗，将引起波导增温。而且弯曲(特别是弯曲得很紧时)会带来局部增温。本实用新型中的波导当在挺直情况下使用时传输损耗可以忽略不计，当弯曲到很小的曲率半径时，没有明显的传输损耗。此外，本实用新型中高热导性波导能消除由于弯曲过大带来的局部增温、在高功率下热透镜效应或者涂层损伤。因此，本实用新型避免了管内局部增温的隐患。本实用新型可以应用于医学领域，电介质涂层本质上不能溶于体液、生理盐水或者类似溶液。本实用新型提供传输电磁辐射的实体波导，主要包括固态实体空心管、和一层薄的原生的电介质薄膜，大约有20 μ m厚。其中的电介质薄膜在实体空心管的内壁生长，此薄膜有一个复折射率，实部为Ii1 (约小于4. 5)，虚部为Ic1 (基本上等于0)。此电介质薄膜可以由金属卤化物或者金属氧化物组成。管子可以由具有复折射率(实部n2> 2.0，虚部1 <85)的材料组成。此波导可以用于外科激光手术。除此之外，本实用新型中的波导可以用于工业领域，传统方式是镜面反射传输或者将激光装置直接安装在X-Y工作台上以定位光束传输，本实用新型中光在波导中传输会非常灵活。有鉴于此，本实用新型中的波导可以采用轻型X-Y工作台来定位。在实际应用中，激光需要安置在现有设备上，本实用新型中的波导可以用一种非常简单的方式进行添加。由波导控制的能量可以用作工业上的功率传输器件，用来切割、焊接、热处理、制造和其他工序。本实用新型中的波导还提供一种传统方法不可做到的焊接、切割、焊接和化合的方法。本实用新型可以提供一种方法，这种方法用来制造传输电磁辐射的实体空心波导，包括实体空心管内壁的抛光和清洁，在抛光和清洁过的实体空心管内壁形成达20 μ m 厚度的电介质薄膜。本实用新型还提供抛光和清洁步骤，具体可以如下之一接触机械清洗和抛光、非接触化学清洗和抛光、机械化学混合模式的清洗和抛光。为便于对本实用新型的结构及达到的效果有进一步的了解，现配合附图并举较佳实施例详细说明如下。如图1所示，是一种由均勻材料15组成的固体基材实体空心银管10，图2是图1 的横剖面。横剖面可以是多种几何构型，最好是圆形和矩形。本实用新型还包括，实体空心管10的内壁25光滑度极高，内壁25用来传输在特定波长内的电磁辐射20。例如，一个拥有接近完全光滑内壁的实体空心银管，用来传输HeNe激光(波长大约0. 6 μ m)，以非常小入射角Φ (大约75° )入射时，可以达到超过96%的功率传输效率。但是这种实体空心波导用作传输CO2激光功率(波长大约10.6 μ m)时效率不是很高。用作实体空心管的银大约 99%纯度，最好是商业级别银。本实用新型中的实体空心管也可以由以下一种或多种材料制作成金、钡、铬、铜、钼、镍、锡、钨、铅、锌、铁及它们的合金。如图3所示，增反电介质涂层的固体基材实体空心银波导30用来传输在红外和可见光波段的电磁辐射35。这里的实体空心波导30包括一个固体基材实体空心银管10，增反电介质薄膜40直接形成于实体银管10的内壁25上，这里管子10上的材料15作为化学反应物之一生成增反电介质薄膜40。45为增反电介质薄膜40的内壁。图4为图3的横剖面。相对于前人设计的拥有多层管和多层镀膜的空心波导来说，本实用新型效率非常高且经济效益好。
7[0065]图3和图4中，增反电介质薄膜40在实体空心银管10的内壁25上形成之前，内壁25必须经过抛光和清洗以提高空心银管10的内墙观的表面光滑度。通常情况下，实体银管10原样的内墙观最初的表面光滑度非常差。若在内墙观上直接形成增反电介质薄膜40，实质上加重了实体空心银管内壁的粗糙，还会导致严重的散射损耗。特别是当可见光通过空心波导30时，粗糙内壁的散射损耗可以导致薄膜的吸收损耗。本实用新型还突出的表现在，内墙观和实体空心银管10原样通过非接触化学方法来进行抛光和清洗，或者接触机械方法，例如管刷。抛光和清洗过程会改善激光在实体空心波导30中的传输特性。本实用新型中管内壁的抛光可以通过非接触化学抛光和清洁方法，使其达到理想状态。化学抛光溶液可以根据使用目的由不同材料兑取。本实用新型中一种可用于银管抛光的溶液包括100ml的去离子水(DI)、65g CrO3 和5ml的纯HCl。这种溶液是混合性酸溶液。本实用新型中，可用实体空心银管基材和卤元素作为化学反应物生成薄膜。由于在管子的拉拔加工过程中会导致其内表面的一些缺陷，这可能影响到波导性能，所以在镀膜时最好选用光滑平整的内壁。因此，对银管的抛光和清洗能够改善内壁的抛光性能。薄膜电介质涂层能改善在内壁反射的光的垂直极化分量和平行极化分量的传输特性。这种波导性能取决于实体空心管的内壁抛光、薄膜的厚度和薄膜的形态。有几种形成在银表面的卤化物，他们都拥有立方晶体结构，各向同性，具有非双折射性。各向同性性能非常重要，因为在薄膜上生长的双折射晶体会促使光过多的散射，这里的散射取决于晶体尺寸且与波长相关。金属卤化物薄膜一般具有粘附性，即使经过重复弯曲，也不会破裂、剥落或者裂成碎片。所以，这种方法非常适用于制作软波导和硬波导。例如金属氧化物薄膜等其他的薄膜，会沉积在经过抛光和清洗的实体空心银波导的内壁。本实用新型中的低成本实体空心银波导对传输不同波长的混合激光拥有更优异的性能，例如CO2激光(大约10. 6 μ m)和HeNe激光(大约0. 6 μ m)的混合激光，这两种激光广泛应用于外科手术、工业加工和军事应用等其他领域。为了得到一个最佳的传输10. 6 μ m 和0.6μπι波段激光的波导薄膜厚度，可以根据在实体反射金属(比如银管)表面的薄膜厚度来求解出平均偏振激光传输性能。这里的薄膜材料的复折射率实部Ii1 = 2. 2，虚部Ic1 = 0.0。实体空心管的基材复折射率n2= 14. 4，虚部1 = 56. 9，计算结果分别见图5和图6， 其中的计算模型为直接在实体空心银基底上形成的卤化银。薄膜的厚度与表面区域的单位面积重量相关。例如，在Imm内径的银管上生成的溴化银(AgBr)的所产生的质量增量ΔΜ 与AgBr厚度H的关系为//(/^) = 11.56103^^
L(cm)上式中，L为管子的长度。本实用新型中的低成本实体空心波导对(X)2激光和HeNe激光都具有非常高的传输效率，在“传输窗口，，相关波段内，通过控制形成于实体空心管内部的薄膜厚度来制作空心波导。测量管子内壁的薄膜厚度非常难，尤其是内径非常小的管子。目前市售的薄膜测量仪器都只为平坦表面且为可见光波长而设计。根据本实用新型的另一个实施案例，内径非常小的管子内壁的薄膜厚度可以通过“重量增益”的方式成功的测量，而且薄膜厚度可以精确地控制，参考图5和图6。[0074]本实用新型中的“重量增益”测量法可以包括以下步骤测量实体空心管的尺寸和重量；测量实体空心管在抛光和清洗之后的尺寸和重量；测量实体空心管内壁形成了增反电介质后的重量。根据本实用新型中不同薄膜材料在不同基材的管子的应用，图7、图8和图9是CO2 激光单次反射的反射率随薄膜厚度变化的图示。结果表明在20 μ m的薄膜厚度内存在很多 “薄膜厚度窗口”，在非常小的入射角Φ (约等于70° )的正常情况测得的平均极化的(X)2 激光的单次反射率可高达97. 5%，薄膜的复折射率实部Ii1小于4. 5，虚部Ic1约等于0，实体空心管的基底复折射率实部n2约大于2. 0，虚部1 约小于85。换句话说，用来传输电磁辐射的低成本和高效实体空心波导可以由直接形成各种固体基底上的增反电介质薄膜制成， 薄膜的复折射率实部约小于4. 5，虚部约等于0。某些实体空心金属或金属合金管的光学特性与银或银合金很类似，参考表1。表1实体空心管材料在10. 6 μ m波长时的传输特性参数
权利要求1.实体空心波导的制备装置，其特征在于包括让抛光液在实体空心管(10)中流动的装置，该装置包括第一分液漏斗(60)、第一管接头(6 和第一烧杯(64)，第一分液漏斗 (60)通过第一阀门(61)和第一管接头(62)相连，实体空心管(10)接至第一管接头(62) 的另一端，实体空心管(10)的下端设有第一烧杯(64)。
2.根据权利要求1所述的实体空心波导的制备装置，其特征在于包括用去离子水清洗的超声波清洗装置，该装置包括第二烧杯(66)、第一超声波清洗机(68)和支架(116)，第二烧杯(66)通过支架(116)夹持，第二烧杯(66)还安放在第一超声波清洗机(68)内，第二烧杯(66)内设有去离子水，实体空心管(10)浸入去离子水中。
3.根据权利要求1所述的实体空心波导的制备装置，其特征在于包括让NH40H溶液在实体空心管(10)中流动的装置，该装置包括第二分液漏斗(70)、第二管接头m和第二烧杯(73)，第二分液漏斗(70)依次通过第二阀门(71)和第三阀门(117)接至第二管接头 (72)上，第二管接头(72)的另一端接至实体空心管(10)，实体空心管(10)之下设有第二烧杯(73)。
4.根据权利要求1所述的实体空心波导的制备装置，其特征在于包括用NH40H溶液清洗的超声波清洗装置，该装置包括第三烧杯(75)、第二超声波清洗机(76)和支架(116)， 第三烧杯(7 通过支架(116)夹持，第三烧杯(7 还安放在第二超声波清洗机(76)内， 第三烧杯(75)内设有NH40H溶液，实体空心管(10)浸入NH40H溶液中。
5.根据权利要求1所述的实体空心波导的制备装置，其特征在于包括让NH40H溶液在实体空心管(10)中流动的装置，该装置包括第一泵浦装置(77)、第一耦合器(79)和第四烧杯(81)，第一泵浦装置(77)包含两个端口，其两端口间设有第一减压阀(78)，第一泵浦装置(77)的入口端接有吸管(82)，第一泵浦装置(77)的出口端接有第一耦合器(79)， 第一耦合器(79)的另一端夹持实体空心管(10)，第四烧杯(81)内设有NH40H溶液，吸管 (82)的入口和实体空心管(10)的一端开口均浸入NH40H溶液中。
6.根据权利要求1所述的实体空心波导的制备装置，其特征在于包括通过管子抽取去离子水的装置，该装置包括第二泵浦装置(83)、过滤器(85)、预滤器(86)、第二耦合器(87)和第五烧杯(88)，第二泵浦装置(8 包含两个端口，其两端口间设有第二减压阀 (84)，第二泵浦装置(8 的出口端接有第二耦合器(87)，第二耦合器(87)的另一端夹持实体空心管(10)，第二泵浦装置(8 的入口端接至过滤器(8 的出口端，过滤器(8 的入口端接至预滤器(86)，预滤器(86)的另一端接至吸管(82)，第五烧杯(88)中盛有去离子水，吸管(82)的入口和实体空心管(10)的一端开口浸入去离子水中。
专利摘要本实用新型公开了一种实体空心波导及其制备装置，该波导包括实体空心管(10)，实体空心管(10)的内壁还设有增反电介质薄膜(40)，所述实体空心管(10)可采用银、金、钡、铬、铜、钼、镍、锡、钨、铅、锌、铁中的任何一种，当实体空心管(10)采用银时，增反电介质薄膜(40)采用氟化银、氯化银、溴化银或碘化银中的任何一种。本实用新型的实体、空心的柔性波导和硬波导，应用面广，能用来传输红外和可见光辐射。
文档编号G02B6/032GK202075448SQ20102064910
公开日2011年12月14日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者顾共恩 申请人:武汉奥新科技有限公司