通过使高粘性液体聚束制造光纤维的方法

专利名称：通过使高粘性液体聚束制造光纤维的方法
技术领域：
本申请通常涉及由高粘性液体材料生产细长导线束的领域，特别是涉及利用流体聚束技术由熔融玻璃形成光纤维。
背景技术：
光纤维是细导线束材料，例如玻璃或聚合物，它能够在很长的距离上以很低的损耗传输包含大量信息的光信号。(见美国专利6128429；6098428；6057034和这些专利中分别引用的公开文件和专利)。基于玻璃光纤维的光通信系统允许在长距离上以低衰减并极高的数据速率或带宽容量来传输通信信号。该容量导致在低损耗玻璃窗中位于近红外线波长的单模光信号的传播。由于掺铒光纤放大器(EDFA)的引入，最近十年的历史表明由于玻璃光纤维的出现，它用作广域网(WANs)的标准数据传输介质。
传统的光纤维典型的是通过构造适当成分的光纤维预制坯并将该预制坯拉成纤维来制造。(见美国专利6053012和它引用的专利与公开文件)，典型的预制坯是具有约1米长度和20-200mm外径的同心玻璃棒。棒的内芯是高纯度、低损耗的玻璃，例如具有约1-5mm直径的锗硅酸盐玻璃。被称为包层的同心外圆柱体是具有比内芯的折射率低的折射率的一层玻璃。
在传统制造光纤维时，预制坯下降至RF感应炉的绝缘接受器中，在此它被加热到高的拉拔温度。(见美国专利5741384；5698124和这些专利中引用的专利和公开文件)。玻璃的流股从预制坯的加热部分以一定张力和速率拖拉以便拉拔成所需直径的纤维。该传统工艺的其中一个主要的困难是来自感应炉的材料对纤维的污染。来自绝缘或接受器的即使很小的微粒在纤维中会产生局部弱点，最终导致断裂或其它形式的缺陷。美国专利4440556描述了解决该污染问题的一种早期尝试，它通过在预制坯上轴向引导等离子体焰炬，并在该等离子体焰炬内穿过中央通道轴向拉拔纤维。该方法的困难是为了到达中央通道，拉拔纤维必须穿过等离子火球。但等离子形状众所周知很难控制，即使其形状的微小起伏也可使脆弱的拉拔纤维承受剧烈的温度波动。
另一个困难源于使用逐渐增大直径的预制坯。对于较大直径的预制坯，很难产生足够大的等离子火球，以覆盖预制坯的整个直径。结果是在拉拔区加热不均匀。类似的方法例如在美国专利5672192中描述的方法，提及这些方法中固有的一些问题，但仍需要使用等离子体焰炬，这样在使用时具有许多固有的限制。
在通信主干中单模玻璃光纤的成功产生光网络的概念。这些网络用来在全部光系统中将数据流集成为通信信号，以便通信信号从光域网WANs下行至较小的局域网(LANs)，并最终通过纤维至桌面到终端用户。大部分基于最近互联网和全球网的爆破式发展和使用，光网络的使用不断增加，这要求在短期和中期应用中具有很高的带宽性能。
这样，在本领域中需要改进制造玻璃光纤维的方法以满足消费者不断增长的使用要求。另外，对更好的光纤维包括单模和多模光纤维的需求不断增长。

发明内容
本发明涉及利用流体物理学制造光纤维。本方法提供或者直接由熔融液体或者由预制坯，并利用包围和聚束高粘生液流或预制坯的流体(例如加热的气体或液体)，对高粘性材料例如熔融锗硅酸盐玻璃聚束挤压，来制造均匀形状的细长纤维。本发明还提供制造光预制坯的方法和装置，该光预制坯可利用传统的技术或利用这里公开的拉拔方法来拉拔。
在公开文件例如2000年9月12日公开的美国专利6115516；2001年9月13日公开的6187214；2001年3月6日公开的6197835；和2001年3月6日公开的6196525中，描述了应用低粘性流体的流体物理方法。然而，这些公开文件涉及低粘性流体的挤压。低粘性流体意味着流体具有较高的雷诺(Reynolds)数，例如约10或更大的雷诺数。在利用流体的粘度不占优势而是流体的质量或其密度占优势的力的条件下实施低粘性流体的挤压。用类推的方法，在最低程度上，为了克服在不同部件之间存在的摩擦阻力，汽车发动机主要利用发动机的功率使汽车向前移，以便对汽车的质量产生作用。然而，如果例如采用汽车的紧急制动来实质上增加摩擦力，为了使汽车向前运动，那么摩擦力成为必须克服的主要力。在该类推中，摩擦力与流体的粘度相关。
这里提供的公开文件涉及描述由高粘性流体制造流体流和纤维的方法。术语“高粘性流体”包含雷诺数较低的流体，特别是雷诺数约为1或更小。更具体的是，很低粘性的流体中雷诺数小于约0.1。对于高粘性流体，如同紧急制动的汽车，根据为了使流体向前移动，粘性必须由作用力克服，因此，流体的粘度成为主要的因素，正象为了使汽车向前移动，汽车发动机必须克服紧急制动力，因此，紧急制动所产生的摩擦阻力成为主要因素一样。
下面一段内容包括名为“数学公式”。该段内容包括本领域的普通技术人员通过阅读该公开文件所理解的方程，该方程可应用于由高粘性流体例如熔融石英玻璃高粘性流体与加热玻璃预制坯的高粘性流体来制造流体流和纤维，加热玻璃预制坯用于制造用来光传输信息的纤维。
在第一实施例中，通过使粘性液流承受周围的聚束流体，从而直接由高粘性液体例如熔融硅酸盐玻璃来制造细长纤维例如光纤维。这允许无需制造预制坯来制造纤维，并且还允许同时挤制多根纤维。这种挤制是特别有利的，因为在使纤维挤压离开本发明的装置时，纤维流不接触孔口的表面，因为挤制纤维完全由可以是气体的聚束流体包围和聚束。这有可能降低纤维的污染，并基本上防止装置孔口的堵塞。制造的细长纤维可具有任意所需的直径，但最好是200微米或更小的直径，并可以是从1微米至50微米的直径。
在另一个实施例中，利用周围流体的聚束性质，光纤维预制坯的直径降低，且长度增加。光纤维的前身(即预制坯)加热到一定温度，该温度允许预制坯材料保持预制坯的基本结构元件，同时允许预制坯可延展，或者特别是拉伸到所需长度和横向尺寸，即，使光纤维前身可延展并允许纤维保持预制坯的横向关系的温度。聚束加工可以重复，以提供纤维的所需直径和/或长度，聚束流体和较细的结构通过重复暴露在聚束流体中可进一步变细。
在制造中空纤维的另一个实施例中，中空纤维由包括两个同心定位的管的起源挤制。中心管挤压气体例如空气或高纯度惰性气体，周围的同心管挤压熔融的硅酸盐玻璃。挤压的硅酸盐玻璃形成中空管，并通过在压力室内的周围的气流聚束成射流。多个中空纤维可同时被挤压，并在固化前连接在一起，例如形成光子带隙结构。
本发明的一个优点是周围的聚束流体产生的聚束压力在挤压的粘性液体或预制坯上存在压力分布，该压力分布可进行算术计算，以表明在任何纤维拉拔粘度前它抑制不稳定性，从而指明生产率理论上可无限增加。
本发明的另一个优点是在由挤压粘性材料制造的纤维上的剪应力可降低到最小程度，因此允许有控制地生产包括中空纤维的复杂纤维结构，将中空纤维结合以制造任何所需构造的光子带隙结构。
本发明的又一个优点是沿喷嘴的气体温度分布非常迅速地传递到拉拔的纤维材料上，从而提供对纤维温度曲线图的简单和加速控制的装置，并提供稳固和简单的方式来控制纤维淬火工艺和并提高纤维质量。
本发明的一个优点是形成的光纤维沿其长度的尺寸和形状均匀，并且纤维用较少的能量制造。
本发明的又一个优点是它允许同时进行多纤维挤压，这样允许纤维挤压成束。
本发明的另一个优点是利用本发明的装置中的同心针，纤维可挤压成涂层纤维。
本发明的另一个优点是光纤维可无污染地制造，并生产没有因这种污染产生的纤维中的局部弱点的光纤维。
本发明的又一个优点是利用适当的外加压力分布，可改善利用本发明的制造方法形成的纤维和稳定性。
本发明的另一个优点是，由于聚束气体或液体包围的玻璃的挤压，可避免玻璃与固体接触，因此，通过本发明的装置的挤压，纤维应力可显著降低。
本发明的又一个优点是本发明的装置具有最小的污染和/或纤维挤压的堵塞，因为出口永不接触流体或预制坯。
另一个优点是由于共流动的气体膨胀，通过快速的纤维淬火可提高纤维的质量。
本发明的又一个优点是与传统技术相比，通过本发明的方法的径向粘性应力的显著降低，可形成复杂的纤维同心结构。
本发明的另一个优点是当使用预制坯时，它们不承受基于聚束过程产生的形状的波动，这样，拉拔的纤维不承受与使用等离子火球一样的剧烈的温度波动。
本发明的另一个优点是挤压方法可设计成用基于挤压的取向的离散的功能元件来制造纤维。这允许在传统长度的纤维中制造特殊的纤维结构，例如光子带隙结构。
本发明的另一个优点是本发明的方法可用于具有很明显区别的结构元件的预制坯，因为在聚束过程中保持了结构元件的关系的整体性。
本发明的另一个优点是本发明的方法可用于较大直径的预制坯。
对本领域的普通技术人员来说，结合附图并参考本公开文件，本发明的这些和其它方面、目的、特点和优点将更清楚。


图1是本发明的实施例的横截面示意图，其中原材料是在炉中加热并通过喷嘴挤制的玻璃预制坯；图2是根据本发明在由高粘性流体制造流体流和纤维中使用的喷嘴部件的特定构造的横截面视图；图3包括图表3A、3B、3C，其中图表3A表明当挤压高粘性流体时，为了提供稳定流体流和纤维，在给定λ时构造不同的喷嘴形状，图表3B表明λ＝2时的喷嘴形状，和图表3C表示当λ＝6时的喷嘴形状；以及图4是表示对于基于不同的λ值的不同的喷嘴形状，为了获得稳定的射流所需要的压力的图表。
具体实施例方式
在描述本发明的纤维挤压装置和方法之前，首先应理解本发明并不限于所述的特定的部件和步骤，它们当然可以变化。还可以理解这里所用的术语仅是为了描述特定的实施例，它不希望限制，因为本发明的范围仅由附加的权利要求书所限制。
必须注意如这里所使用和附后的权利要求书所述，单数“一个”、“和”和“该”包括复数对象，除非其内容清楚显示除外。这样，例如，作为参考，“一种掺杂物”包括若干掺杂物，作为参考，“该流体”包括流体的混合物，和本领域的普通技术人员公知的等效物等。
除非定义，否则，这里使用的全部技术和科学术语具有与本领域的其中一个普通技术人员所通常理解的相同含义。尽管在此与所述类似或等效的任何方法和材料可用于本发明的实践或实验中，现在描述优选的方法和材料。这里提出的全部公开文件在这里采用作为参考，以公开和描述与所指出的公开文件相联系的方法和/或材料。
这里讨论的公开文件仅提供作为在本申请的申请日之前的公开文件。这里没有允许本发明未经授权借助现有的发明提早公开文件的日期。而且，提供的公开文件的日期可以与实际的
公开日期不同，这可能需要单独地确认。
定义这里使用的涉及某些材料的术语“可延展的”指材料处于一种允许其拉拔成束的相态。这里使用的可延展材料最好指制造光纤维或预制坯的材料，该材料在室温下固定(例如硅酸盐玻璃)但在升高温度下更容易成形或拉拔成细长纤维。这里使用的术语包括可流动或可延展或加热(或相反处理)形式的材料。
这里使用的术语“拉拔”和“已拉拔”指使材料流拉长以产生细长纤维的工艺。利用流体物理学拉拔产生尺寸协调(沿其长度的横截面的尺寸和形状)的纤维，该纤维具有与用来拉拔的原始液流或预制坯相比显著降低的横向尺寸(横截面)。在拉拔工艺中，在固体圆柱体的中心的材料拉拔离开圆柱体，从而与圆柱体相比获得更细的直径。长度增加而直径减小。
术语“聚束流体”是用来使液流或预制坯聚束的流体。该流体最好是加热气体，尽管该流体还可以是与液流或可延展预制坯不可融合的液体(与正在聚束的液流相比具有相同或较低的密度)。
这里使用的术语“预制坯”指光纤维前身的结构例如石英玻璃的固体圆柱体。预制坯具有光纤维的基本结构元件(但具有较大的直径)，通常加热该光纤维并拉拔至较细的细长构造。预制坯可由本领域所公知的大量的不同材料制成，包括玻璃(例如硅酸盐)、塑料、石墨等。在一个优选的实施例中，预制坯可包括一个或多个光子带隙结构(例如一组中空圆柱体)，它允许光穿过由光子带隙结构包围的纤维的中空部分。
术语“高粘性流体”和“高粘性液体”指一种可流动的材料，它具有基本上大于水的粘度，即水的5倍或更高倍数的粘度。特别是，术语“高粘性液体”包含雷诺数较小的流体，雷诺数特别是约1或更小，更好的是0.1或更小。优选的高粘性流体包括熔融石英玻璃和以各种掺杂质形式的熔融玻璃，它们用来制造纤维，以便传输光信息。
一般的装置参见图1，它表示本发明的横截面示意图。在该特定构造中，高粘性流体的来源1是玻璃预制坯。至少预制坯1的端部2包括在炉3内，或预制坯的端部被加热。而且，聚束流体例如空气或更优选的加热惰性气体被供给到该炉，以便提供压力P0。在压力炉中聚束流体的唯一出口是离开喷嘴5产生的开口4。当炉内气体通过喷嘴5涌出开口4，高粘性流体穿过喷嘴5最终离开开口4受拉，并产生细长纤维6。该特定的实施例是示意性实施例，仅提供作为典型示例，以便传输本发明的实质，就是利用聚束流体拉拔高粘性液体来形成稳定的纤维。阅读到该公开文件的本领域普通技术人员将会理解可变性包括如下因素，例如炉3的温度和压力、喷嘴5的形状，喷嘴的长度和穿过喷嘴挤压的高粘性流体的粘度。
在一个替代实施例中，预制坯用中空管替代，该中空管最好是金属管，给它连续供应高粘性流体例如熔融石英玻璃。这两个实施例，即预制坯实施例和由管开口供应的熔融液体可以变化，使得能够制造中空纤维。特别是，预制坯可以是如图1所示的固体预制坯，但也可以是包括细长中空管的预制坯，该中空管利用与离开开口4挤压的最终纤维即中空纤维相同的方法挤压。当熔融石英由其内具有同心布置的第二管的圆形管供应时，它提供最好是加热惰性气体的气体。加热惰性气体必须以足够高的压力提供，这样中空纤维不会在炉3内皱缩。这样，使中空管内的压力平衡，因此，它基本上等于炉3内的压力，从而，中空管不会皱缩，而是挤压离开开口4，以便形成中空纤维。在全部实施例中，最好炉内的压力P0足够高，且喷嘴的形状使得挤压离开开口4的气体是超音速的，即比声音的速度快。
现在参见图2，它表示本发明的喷嘴的一种横截面示意图。为了获得所需的结果，喷嘴的特定形状是重要的，特别是包括以一种稳定的方式使纤维挤压离开开口4，因此纤维不会摆动或者更过分地导致挤压的纤维材料的断裂或不均匀。喷嘴5的内表面7的几何形状可由下列公式确定P(x)＝P0e-λxP0是炉3内的内部压力；λ是常数，其中λ大于0.635，以便获得超音速延伸，x是函数。
如图2所示，所示的形状λ是5.65；P0大于或等于0.325，所有E大于或等于0。根据下列方程，这将导致拉拔高粘性流体的绝对稳定P0≥μ1V1L]]>在上述公式中μ1是高粘性液体的粘度；V1是喷嘴内部的纤维的速度，该速度基本上大于从预制坯的端部或管挤压离开的纤维的速度V0；而L是喷嘴的长度，因此，在该长度上，聚束流体例如气体提供基本的能量来拖拉纤维，强制或拉拔它向前离开开口4。
现在参见图3，它包括图表3A，3B和3C，可以看到不同的λ提供不同的喷嘴形状，这导致拉拔离开喷嘴的开口4的纤维的绝对稳定性。具体地，图3A表示λ＝2、4、6和10时的拉拔曲线。在图3B内，表示λ＝2时的喷嘴形状，在图3C内，表示λ＝6时的喷嘴形状。
现在参见图4，附加参数是需要考虑的压力。对于在X轴上绘制的给定的λ，图4中的图表表示在炉入口处为了获得稳定的射流需要的压力量。
对高粘性流体施加的力制造玻璃纤维的模型考虑许多不同的参数。使用的参数窗(即一组性能的特定值例如使用的流速、供应针直径、孔口直径、压力比、等)应足够大，以便与实际上任何所需的粘性液体或预制坯一致(在10-4至1kgm-1s-1的范围内的动态粘度)。
当形成预制坯-流体界面时，从供应点的出口出现的预制坯同心撤回至喷嘴内。在预制坯从出口出现后，它通过在其表面上流动的聚束流体(例如气流)施加的切向扫除力加速，这逐渐降低预制坯横截面尺寸。与规定不同的是气流作为透镜，且当预制坯向前移动进入压力室的出口中时使预制坯聚束。这在图1中示意性示出。
在预制坯表面上的流体流作用的力应该足够稳定，以防止不规则的表面颤动。因此，在气体运动时的任何紊流应避免；即使气体速度高，孔口的特性尺寸应确保气体运动分层(类似于在射流上和喷嘴或孔的内表面上形成的边界层)。
本发明的其中一个优点是当纤维离开喷嘴5的开口4时，在纤维6的表面上可获得所需的冷却效果。特别是，当气体离开喷嘴的开口4时，气体快速膨胀，使得能够吸收纤维6的表面上的能量或热。这使得可能快速冷却纤维，当纤维离开开口4时，它可以处于基本上熔融状态。然后冷却的纤维被固化，并能够移动到存储中。如图1所示，炉承受压力P0，并具有带一个单一开口4的单个喷嘴。然而，本发明设想该实施例中炉或受压区域包括多个喷嘴5，它具有多个开口4，每个开口由不同的高粘性供应源供应，且每个供应源布置在每个喷嘴5的开口4的上游。在这种构造中，仅需要单一炉或加热元件。而且，由于炉或压力室内的气体或压力充分聚束，并使纤维穿过喷嘴移动，喷嘴的精确定位不是至关重要的，只要通到外界大气的喷嘴和其开口布置在高粘性流体流动的大致下游。
利用图1所示的实施例，通过在炉3内涂覆一种材料有可能提供涂层纤维。只要是高粘性流体，气体或其它聚束流体材料可包含任何所需的涂层或包层材料。而且，在高粘性流体通过管供给到炉的实施例中，管包含挤压气体的同心定位的管，该气体包括可用来对制造的纤维的内部进行涂层或包层的涂层材料或包层材料。本领域的普通技术人员将设想到不同的材料最好涂覆在纤维的内部和/或外部，以便提供所制造的纤维的所需的光特征或其它特征。
光纤维预制坯光纤维典型地通过构造适当成分的光纤维预制坯并由预制坯拉拔纤维来制造。预制坯构造成然后承受高温拉拔过程，在此固体预制坯的中心拉出，以增加纤维的长度，同时减少纤维的横向尺寸。典型的预制坯是具有约1米长度和20-200mm外径的同心玻璃棒。棒的内芯是具有约1-5mm直径的高纯度、低损耗玻璃，玻璃可选择地掺杂，以便增加光学性能。被称为包层的同心圆柱体是具有比内芯低的折射率的一层玻璃。
在一个特定的实施例中，本发明可用来形成元件(管和棒)，以便形成光纤维和/或光纤维预制坯。本发明可用来形成具有内芯和外包层芯的单根棒。芯例如可包括用锗或磷的氧化物掺杂的石英，或者可替代地，纤维可包括聚合物粘土石英玻璃芯。包层可以是纯或掺杂的硅酸盐例如氟硅酸盐，有机硅氧烷例如聚二甲基硅氧烷，或氟化丙烯酸类聚合物。参见例如美国专利6014488。纤维还可以包含第三外涂层，例如具有包含颜料的树脂的涂层，以允许纤维具有彩色涂层。
两层(或多层)棒通过同心针挤压成圆柱形管，最好用加热气体例如加热空气或加热惰性气体聚束。在微射流不稳定之前将棒挤压到固化的环境中。根据光纤维的所需的长度和带宽，制造的纤维可直接使用或拉拔成较长、较细的纤维。这样，聚束技术可制造长而细的光纤维，以便直接用于光缆中，最好，在用于光缆之前，制造的纤维可进一步拉拔。
在一个特定的优选实施例中，本发明的方法用来制造基于光子带隙结构的光纤维的预制坯。光子晶体是在空间内在一个或多个尺寸上结构元件重复的结构。由于多次反射，一些波长不能在这些结构中传播，如果该结构反射在空间内以任何角度入射的波长，据说该结构具有“光子带隙”。参见Joannopoulos，J.D.等人的Photonic crystalsmoldingthe flow of light，Princeton University Press(1995)；和Cassagne D.等人的Phys.Rev.B52R2216-R2220(1995)。
初始，考虑到需要在折射率上有大的对比，以获得光子带隙。这种对比的一个例子是在空气和半导体之间的折射率，即折射率n大于3。现在经研究表明，只要光具有平行于棒的方向移动的成分，利用空气和石英之间的折射率(n＝1.5)的适当的对比，有可能制造二维光子带隙。参见Binks等人的Electron.Lett.31，1941-1943(1995)。通常由石英吸收的波长可通过空气传输更长的距离。在中等光强度下，由于空气不易受在石英中出现的非线性效应的影响，利用光子带隙结构可传输更高的光强度。这样，通过材料形态学的波长标度循环微结构，光子带隙结构使传统的材料具有设计新的光学性能的能力。
这种类型的光纤维预制坯通常利用多个棒和/或管制成，该棒和/或管叠置以制造所需的结构。参见例如Cregan等人的Science 2851537-1539(1999)和Knight等人的Science 2851476-1478。这种管可由任何材料形成，以允许制造光子带隙结构，该材料包括但不限于石英，玻璃，石墨，塑料和类似物。参见Cregan等人的上述内容和F.Gadot等人的Appl.Phys.Lett.711780(1997)。该结构基于蜂巢形格子内设置的气孔的一个其它的循环阵列的缺陷。
例如，许多恒定直径的固体石英棒可水平叠置，以形成多边形横截面结构。为了制造在结构内的波导芯，“缺陷”必须引入到晶体结构中，即局部区域具有与完全循环结构不同的光学性能。该芯由“包层”包覆，在完全循环区域的情况下，并将光限制在该芯内。最好，在预制坯的中心留下较大的空间，以允许引导光在中央芯内行进。将额外的气孔引入该结构内还允许在带隙内出现局部导模。
光子带隙结构在光频下存在两种反射光的原则性方式，即总内反射(TIR)和来自循环电介质结构的反射。当在界面的两侧上不可能同时与频率和相位匹配时，TIR发生于两个电介质之间的界面上。当光从高电介质材料入射时，它全部反射回到材料内。这仅发生在如果入射角度大于临界角时。光还在均匀电介质和循环电介质之间的界面反射。这发生于在循环介质破坏性界面中的多个散射波时，因而防止在循环介质内部的传播。
现在玻璃与光的相互作用限制了用传统的玻璃光纤维传输的最大强度，这取决于TIR。由于没有固体材料具有小于1的折射率，因此不可能具有取决于TIR的纤维中空芯，因为芯必须具有比包层大的折射率。
光子晶体是在空间内在一个或多个尺寸上结构元件重复的结构。由于多次折射，一些波长不能在这些结构中传播，如果该结构反射在空间内以任何角度入射的波长，据说该结构具有“光子带隙”(PBG)。参见Joannopoulos，J.D.等人的Photonic crystalsmolding the flowof light，Princeton University Press(1995)；和Cassagne D.等人的Phys.Rev.B52R2216-R2220(1995)。具有这种光子晶体的结构和具有的PBGs可用做光纤维，因为它们有能力引导光穿过结构的中空部分，该中空部分由具有适当的光子带隙的材料包围。
在一个实施例中，本发明的方法可用于制造由PBG结构组成的光纤维。如上所述，这些结构允许光穿过中空芯传播，而对利用TIR的纤维无任何限制，例如要求包层具有较高的折射率。使用空气作为介质，光经过该介质传播还防止吸收由传统的光纤维的芯材料(例如玻璃)吸收的一些波长。有可能利用本发明的方法来制造PBG结构，该结构允许光沿纤维的中空结构单模传输。
初始，考虑到需要在折射率上有大的对比，以获得光子带隙。这种对比的一个例子是在空气和半导体之间的折射率，即折射率n大于3。现在经研究表明，只要光具有平行于棒的方向移动的分量，利用空气和石英之间的折射率(n＝1.5)的适当的对比，有可能产生二维光子带隙。参见Binks等人的Electron.Lett.31，1941-1943(1995)。通常由石英吸收的波长可通过空气传输更长的距离，而在中等光强度下，由于空气不易受在石英中出现的非线性效应的影响，利用光子带隙结构可传输更高的光强度。这样，通过材料形态学的波长标度循环微结构，光子带隙结构使传统的材料具有设计新的光学性能的能力。
光纤维预制坯的构造各种光纤维是公知的，每个这些纤维可由特定的预制坯制造。在本发明的一个优选实施例中，光纤维预制坯由包含产生PBGs的循环区域的光子晶体组成。这种类型的光纤维预制坯通常利用多个棒和/或管构成，它们叠置以制造所需的结构。参见例如Cregan等人的Science 2851537-1539(1999)和Knight等人的Science 2851476-1478(1998)。这类管可由任何材料形成，以允许制造光子带隙结构，包括但不限于石英、玻璃、石墨、塑料等。参见Cregan等人的上述内容和F.Gadot等人的Appl.Phys.Lett.711780(1997)。该结构基于蜂巢形格子内设置的气孔的另外的循环阵列的缺陷。
例如，许多恒定直径的固体石英棒可水平叠置，以形成多边形横截面结构。为了制造在结构内的波导芯，“缺陷”(或中空段)必须引入，以实现光学性能与完全循环结构的不同。该芯由作为“包层”的完全循环区域包覆，并将光限制在芯内。最好，在预制坯的中心留有空间，以允许引导光在中央芯内行进。另一方案是，在该循环结构内留有多个中空空间，以允许光沿多个通道行进。将额外的气孔引入结构内还允许在带隙内出现局部导模。
在另一个实例中，典型的单模光纤维包括中心为10μm直径的芯、包围芯的125μm直径的包层和由树脂覆盖包层形成的保护套。光纤维玻璃预制坯最终还包括内芯部分和包层涂层。该光纤维玻璃预制坯本身传统上是通过转换烟灰体，以便在透明玻璃中形成光纤维多孔玻璃预制坯而形成。
制造光纤维多孔玻璃预制坯的传统方法包括OVD方法(外沉积型CVD方法)和VAD方法。用于本发明的预制坯可利用制造本领域普通技术人员所公知的预制坯的这些或其它方法制造。
例如，利用VAD方法制造光纤维多孔玻璃预制坯的一般方法涉及制备籽晶杆(以后称为“目标杆”)，并将目标杆放在反应容器内，反应容器的一端从上侧悬置，以便目标杆围绕其纵向中心轴线旋转。氧气、氢气和其它燃烧气体和SiCl4玻璃微粒材料(如果需要包括掺杂物例如GeCl4)供给到氢氧燃烧器，氢氧火焰由该氢氧燃烧器产生。在由燃烧器产生的燃烧气体形成的氢氧火焰中，氢氧火焰中的潮气和SiCl4经过水解反应，这如下列反应公式所示，并形成SiO2，SiO2是玻璃微粒的主要成分
这些玻璃微粒喷涂到旋转目标杆的下部并沉积在其上，以形成光纤维烟灰体。
然后，通过VAD方法形成的光纤维烟灰体转换成透明玻璃，以形成光纤维多孔玻璃预制坯，它用于制造光纤维。应注意如果需要的话，转换成透明玻璃的光纤维烟灰体也具有围绕其沉积的玻璃微粒。在这种情况下，在玻璃微粒沉积后，烟灰体再次转换成透明玻璃，以形成光纤维玻璃预制坯。
制造传统的光纤维预制坯的其它方法在美国专利4224046；4419116；4421540；5320660；5397372和5672192中有描述。
涂覆光纤维用于传输光信号的包含若干光纤维的光纤维光缆也是公知的。这种光纤维光缆典型的包括可具有一个加强构件的芯，以便在光缆上承受轴向张力和轴向压力。也位于芯内的是一个或多个管。每个管典型的包括若干光纤维。在管内的光纤维可以单独绞合，或者可以设置在光纤维带内。设置一个套来封闭包括管和加强构件的芯。在这种光缆内包含的光纤维包括玻璃芯和一个或多个包层和/或涂层。
在制造玻璃光纤维的工艺中，玻璃纤维由预制坯拉拔成，然后用一个或多个涂层材料涂覆，该涂层材料典型为紫外光可养护材料。涂层材料包括例如聚合成分，并由一个或多个涂层敷涂器涂覆。纤维涂层的作用是保护玻璃光纤维的表面不会被机械刮坏和磨损，在随后的处理和使用中光纤维可能经受这种机械刮坏和磨损。一个或多个涂层还响应外部机械力和环境温度从而影响纤维的光学特性。
光纤维在其终端应用时几乎普遍为彩色标记。在大多数市场中可接受各种各样的颜色，通过将彩色纤维与附加颜色或环形条带结合做为“条带标记”，可能形成附加的识别。一种给光纤维着色的公知的方法是给光纤维涂上油墨层，该光纤维具有单数或复数涂层，因此，总复合光纤维包括具有一个最外油墨层的主和次涂层。油墨颜色层是薄的，典型为3至5微米厚，且典型的包括载体树脂和颜料系统。载体树脂典型的可以是可溶化的热塑材料或紫外线(UV)可养护树脂。在前者中，油墨通过染色或转移法涂覆，例如毡尖敷涂器或辊，载体树脂的溶剂由热分离，以便在纤维上保留着色树脂。在紫外线系统中，没有溶剂。液体树脂颜料通过紫外线能量养护到固体状态。任一种油墨涉及或者光纤维制造或制缆操作的单独步骤。
给纤维标记颜色的一种替代方法是直接在两涂层光纤维的第二(外)涂层上施加混合的颜色。第二涂层用作着色剂的载体树脂。
在一个实施例中，在聚束过程期间，利用所需的液体涂层作为周围的聚束流体来涂覆光纤维。例如，预制坯可加热并可利用由液体树脂颜料构成的外部液体来聚束。当预制坯聚束时，它还由液体树脂和颜料涂覆，并在抽出聚束的光缆时，它将保持聚束材料的外涂层。然后聚束的光纤维挤出到气体环境中，并利用紫外线能量马上养护到固体状态。
预制坯和纤维特性本发明的方法可用来制造预制坯，然后，该预制坯通过传统的拉拔技术用来制造纤维或可替换地，利用传统的技术制造的预制坯用来制造纤维，或者替换地，本发明用来制造根据在此所述的方法制造的预制坯来制造纤维。沿其长度具有恒定直径的预制坯可利用这里所述的技术来制造，特别是其中的直径沿纤维或预制坯的长度变化从±1％或小到±30％或更小。而且，可制造纤维，其中沿纤维长度的直径基本上恒定，例如石英玻璃的光纤维可制成具有约1微米的直径，沿纤维的长度的直径变化为±约10％或更小或更优选的是±约1％或更小。
本发明的方法提供纤维成形稳定性，该稳定性通过炉或压力室内提供的适当的外部压力分布来加强。纤维上的应力可以显著降低，因为通过周围的聚束流体或气罩可避免玻璃与固体的接触。与典型的挤压或拉拔技术相比，径向粘性应力显著降低，因此，可以形成复杂的纤维同心结构。由本发明的喷嘴挤压的熔融或半熔融/半固体纤维可结合在一起，以提供任何所需构造的光子带隙结构。不仅通过本发明的技术制造的这种光子带隙结构和纤维的特征，而且工艺本身导致希望的特征，例如由于周围的聚束流体可避免挤压装置的阻塞，并避免由于与这种固体物质的接触而使纤维材料污染。而且，纤维质量可通过快速纤维淬火而提高，淬火是由于排出喷嘴的气体的膨胀而发生。
实例提出下列实例是为了提供对本领域的普通技术人员来说完整的公开和描述如何制造和使用本发明，并非打算限制本发明的范围，也非打算体现下面的试验是全部或仅可实施的试验。我们试图努力确保相对于所使用的数字(例如数量、温度等)的准确性，但一些试验误差和偏差应予以考虑。除非特别指出，零件是以零件重量计，分子重量是平均分子重量，温度是摄氏度，而压力是大气压或接近大气压。这里描述的压力单位假定以帕斯卡为单位，粘度以千克每米每秒为单位，长度以米为单位，而速度以米每秒为单位。
实例1传统的光纤维预制坯的聚束通过制成适当成分的光纤维预制坯并由该预制坯拉拔成纤维来典型地制造光纤维。预制坯是具有约1米长度和20mm外径的同心玻璃棒。棒的内芯是高纯度、低损耗玻璃例如具有约3mm直径的锗硅酸盐玻璃。被称为包层的同心外圆柱体是具有比内芯低的折射率的一层玻璃。
拉拔该预制坯是利用图1所示的装置来实施的。简要地说，预制坯的端部用作传输源，它加热到允许预制坯材料变的易延展的温度。通常，高粘性液体纤维如石英需要在700-1000℃的温度范围(约1000至1300°K)内工作。粘度范围在1000000至1000000000cpoises。预制坯保持在加热环境内达足够的时间，以便变的易延展，然后从预制坯传输源引入到具有周围的聚束气体的压力室或炉内。通过利用重力打开预制坯传输源来将预制坯引入压力室，并可选择地使加热气体脉动进入传输源室内。聚束气体通过第二入口引入到压力室内。聚束气体还可以加热以便保持预制坯的延展性。
在炉3内的聚束流体或气体涌向喷嘴5的出口4，以便在预制坯和管的高粘性玻璃牵拉。这样，当预制坯向喷嘴5移动时，预制坯的圆柱形结构长度增加，而横截面尺寸减小。在喷嘴5内，附加的力沿喷嘴的长度“L”连续施加，直到纤维离开喷嘴5的开口4并通过气体的快速膨胀来冷却，该气体也离开开4达到大气压力Pa。当纤维7离开喷嘴5的开口4时，它以速度“V1”移动，该速度基本上比它在预制坯1的端部2处移动的速度“V0”快。而且，气体在λ＞0.635时超音速膨胀。
根据本发明，有可能如图1所示重复应用方法。特别是，离开开口4的纤维6开始相同的处理步骤，粘性材料的长度进入炉3’并进入喷嘴5’，以便进一步被拉伸，即纵向尺寸增加，而横截面尺寸降低，以便制造任何所需的长度或尺寸的纤维。
由于高粘性液体的不同的物理现象和换算定律，喷嘴最好设计成承受拉拔纤维6所需的极高压力，该拉拔是通过穿过200微米喷嘴的气体射流实施。例如，一些流体离开室时可呈现猛烈的颤动或“抖动”的不稳定性。这可说明装置的设计和消除流动的方式。例如，流动和纤维可排放到真空室内，以便纤维6瞬间冷却，并沿真空室承受有利的压力梯度。
示例2光子带隙光纤维预制坯的聚束由一种或多种光子带隙结构组成的光纤维可利用本发明的方法和装置拉拔。
最近描述了本领域的基于光子带隙结构的光纤维。这些结构具有与包层相同的光子带隙结构，它迫使光保持在中空芯内。该结构由石英管和棒制成，石英和空气之间的对比度(1.46比1)表明足以制造适合本发明目的的带隙。参见Cregan等人的上述内容和Knight等人的上述内容。产生的带隙取决于预制坯的几何布置，改变结构方面例如孔、孔的尺寸和孔之间的距离也将改变产生的带隙。用作光纤维的PBG结构最好是在中心具有大量空气的结构，例如从约25-45％，最好接近30％。
所有纤维利用两种基本不同的方法制造。根据预制坯1(如图1所示)可以是中空圆柱体。根据一个替代的构造，熔融石英玻璃通过挤压熔融石英由管提供，该管围绕一第二管同心布置，该第二管同时挤压气体，并使气体保持基本上等于炉或压力室3内的压力“P0”的压力。有可能使图1所示的若干部件对齐，因此，它们同时挤压相互接触并呈半固体状态的中空半固体管。然后该管相互熔合，并且当不同管以本领域公知的方式正确定位时形成光子带隙结构。
实例3光子带隙光纤维预制坯的元件的聚束除了实例2的聚束之外或与其结合，光纤维PBG预制坯的前身元件可在预制坯的构造和/或熔合之前聚束。PBG预制坯利用棒和/或管制成，它们被捆扎以便产生结构内的孔的某些均匀空间。
提供中空石英或塑料棒，然后利用本发明的聚束方法更改。利用本发明的方法，这些管聚束成非常特殊和小的直径。聚束管可用来制造由这些管构成的光纤维预制坯。然后，液流通过气体状外流体聚束成微射流，且管排放到气体环境中，在此他们固化并收集。
为了制造预制坯，几百个中空聚束管捆扎成六角形阵列。用来制造预制坯的管的直径取决于带隙内的孔的所需尺寸，对本领域的普通技术人员来说这是明然的。管的直径控制管和由预制坯制成的光纤维内的生成的循环空间之间的空间。一旦管叠置，适当数量的管(例如5-50个管)移走，以提供光可运行的一个或多个中空芯。
随着该构造，预制坯可熔合并制备以便拉拔成纤维。作为替换，未熔合的预制坯可承受实例1中描述的细长情况，并在所述情况后也熔合。
数学公式化假定轴对称结构(下面描述不对称效果)，我们来考虑经过长度为L的收敛-发散的微喷嘴同心拉拔并由如图1描绘的高速气流包围的牛顿粘性液体。目的是获得在给定速度V1时最终半径α＜＜L的纤维。我们定义无量纲变量x、f、v和p分别代表轴向坐标、纤维半径、液体速度和液体压力，它们与L、α、V1和3μ0V1/L一样无量纲，这里的μ0是参考液体粘度。而且，由于在液体和气体的微粒的停留时间的不一致，可以考虑对于任何非稳定液体运动(包括约为纤维直径量级的波长的运动)气体具稳定性。在问题中，气体压力和温度被认为是稳定的变量，它仅是轴向坐标的函数。
为了一般性，我们可假定液体粘度与温度的非线性相关μ＝μ(T1)，这里T1是液体温度。利用在接近“拉拔”点的给定为T0的温度下的粘性液体，其中液体粘度是μ0(在许多实际情况下μ0＝105Pa·s)，粘度和温度之间的关系非常适合定律μ＝μ010-k(Tl/To-1)，这里k是无量纲常数(在光纤维中使用一般玻璃的情况下，T0～1000K，k约10至15)。然后，一旦定义无量纲速度ξ＝μ/μ0。这样，与更大的粘度和压力相比，忽略重力、液体加速度和表面张力，人们可写下液体的公知的质量和动量转换方程tf2+x(f2v)＝0；xp＝x(ξf2xv)f2+fs(1)边界条件为(i)p＝p0＝(LP0)/(3μV1)，f＝E1/2，和在x＝0时，v＝E-1，和(ii)在x＝1时，v＝1，这里E＝V0/V1，V0是吸入液体速度(或者在玻璃纤维拉拔时玻璃预制坯速度)，fs＝Fs/(3μV-1/L2)，这里Fs～τ/α是由于在表面上的粘性应力的每单位体积的轴向合力，τ是由于气流在液体表面上作用的粘性应力。假定高粘性液体，纤维径向速度曲线几乎完全平坦，因为粘性扩散时间tv～ρα2μ-1是比流体动力时间t0～LV1-1(即，μL(ρV1α2)-1＜＜1)小许多数量级。
另一方面，气流由公知的等熵的可压缩的1-D，N-S方程控制气体压力和温度分布分别由其不变值P0和T0和喷嘴几何形状穿过其局部横截面面积A(x)，给定。在喷嘴内的气体膨胀引起气体温度沿喷嘴的变化，这是由下面给定T/T0＝1-ΔT/T0＝(1-ΔP/P0)(γ-1)/γ(2)在等熵假定中，这里γ＝Cp(g)/Cv(g)是绝热气体常数，Cp(g)和Cv(g)分别是在恒定压力和密度下的常用的气体热系数，ΔP是在喷嘴从其入口至一定点的压降。这可接近ΔT≌(γ-1)γ-1ΔPP0-1T0。
假定是细长的纤维，其局部温度曲线T1由下式给出vxT1＝αr(rrT1)/r (3)其边界条件T1(x；f)＝Ts(T1(x；0)≠∝)，和T1(0，r)＝To，这里Ts是在纤维表面的气体温度，r是径向坐标(用α构成的无量纲)和α＝K/(v1ρCρα2)。P、K和Cρ分别是液体密度、热导率和热容量。我们可以区分两个限制问题1.α＞＞1在这种情况下，我们假定T1＝Ts，我们称“有限气体”(GL)的情况。
2.α＜＜1在这种情况下，我们假定T1＝T0，我们称“等温”(IT)限制。
在GL情况下，纤维在径向的温度曲线认为是均匀的，温度由气体经过其热分界层传热的能力来控制。在其它限制中，IT，在初值T0温度保持液体体积，因为液体热边界层不能排空液体热。
从纤维形状一致性和质量的观点来看，GL情况是最有利的一种，因为它涉及一个控制的温度(即材料淬火和提高无定形结构)和纤维粘度的实质增加(因此“机械阻力”增加)，此时它向喷嘴出口前进，其本身立即抑制大多数不稳定性，而不需要进一步工艺的改进，尽管它需要一种有限的生产速度，这由V1＜＜KL/(ρCρα2)给定。这些速度通过在一些情况下典型的简单热拉拔工艺实现，但在本工艺中温度控制严重受限制。
相反，IT情况具有挑战，因为它是最不稳定的，且难于控制，但其好处是大的生产率(大的E值)。因为如此，我们将聚焦于该特别的限制，在简单的拉拔的状态下Yarin等人(1999)也考虑到此情况。我们将说明使用共流动高速气流提供如下装置(i)完全稳定纤维，(ii)产生纤维一致性和/或形状控制，和(iii)控制纤维淬火。尽管我们对IT情况感兴趣，因为下面的一般性，我们将考虑到对于GL限制在液体中的温度变化。
气体边界层、粘性剪应力和纤维表面上的热传导-在液体射流上的气体边界层具有约为δ～0((μgLp0-1)1/2(RgT0)1/4)的厚度，其中P0，T0和μg分别是在喷嘴入口的的不变气体压力和温度，1g是气体粘度，Rg＝Cp(g)-Cv(g)照常。然后，由于更快的气流，作用在射流表面上的切向粘性应力τ约为τ～0((μgL-1p0)1/2(RgT0)1/4)。比较在表面上的每单位体积粘性应力的轴向合力Fs，约为Fs～τ/α，与粘性应力的延伸(轴向)合力Fv，约为Fv～μV1/L2，由于P0～μV1/L，可以获得Fs＝Fv～(μg/μ1)1/2(RgT0/V12)1/4L/α (4)我们探索生产速度V1大大地大于μgμ-1L2α-2(RgT0)1/2(在实际情况下约10-3至10-2m/s的数量级)，对此Fs＜＜Fv，相比约为P0L-1～μV1L-2法向压应力的轴向分量，表面应力的贡献是可忽略的。这样，在(1)中的动量方程降低至xp＝x(ξf2xV)/f2。
由于气体温度变化可用方程(2)估算，考虑到一部分线流，由于通过气体热边界层的热转换，其温度变化(由于气体普朗特数δ的ΔT1~LρCραV1k·ΔTδ]]>数量级为数量级1)的数量级为这里k0是在温度T0下的气体热传导率。在实际情况下，我们可具有L(ρCpαV1)-1k0δ-1＜＜1；然而，由于粘性与温度的强的相关性，这些限制的液体温度变化(实际上T0的约5％至20％)足以增加液体粘性的数量级，这是本身抑制大多数不稳定性的机理。
这里应该讨论由于所需要的高P0值来驱动纤维，气体承受其最大膨胀，结果刚好在喷嘴出口后其最大冷却。在GL情况下，纤维足以硬化以保持不受膨胀影响。在IT限制时，喷嘴出口几何形状和出口后的纤维卷绕系统应仔细设计，以避免纤维形状不一致。
喷嘴几何形状-为了减少喷嘴几何形状对单参数的问题，在我们的预定任务中不损失一般性，我们已经选择了压力分布的类型ρ(x)＝ρ0e-λx这里λ是自由参数，成组参数{ρ0，λ}优选以满足在最小能量消耗(最小ρ0)未限制的纤维拉拔的要求(即纤维产量)。这样，给定不变压力ρ0，我们找寻λ值，对于任何(未限制)给定的“生产率”E值，在该值时拉拔是完全稳定的。
纤维稳定性、非对称不稳定的抑制(纤维抖动)-考虑数量级一致的ρ0值，对于λ＜0.635的值，除了在喷嘴出口处之外，获得沿喷嘴的亚音速气流。当纤维承受小的偏离轴对称结构(我们称之为气流和液流时间不一致，气流在稳定区间计算)，计算在纤维上的压力分布，获得强烈的不稳定效果。相反，当λ值比0.635充分大，喷嘴流产生的超音速部分带来了相反效果任何偏离基本的轴对称构造导致强的重新阵列方位角压力分布，这抑制任何可能的初始的纤维抖动。
这样，我们仅在分析时将考虑λ＞1值。
轴对称非稳定性的“拉拔共振”的抑制。IT情况下-考虑小的干扰问题，该问题如下产生F＝fe(1+αe^T)，v＝ve(1+βe^t)并由方程(1)控制，这里fe(x)和ve(x)是给定的边界条件下的问题的稳定值，α(x)和β(x)是与1相比自变量小的复杂函数，∧是复杂的干扰生长率。这样，α和β由一组2个复杂ODEs控制，一致的边界条件很容易由方程(1)获得(为简化问题在此没有写出，见[1])，这确定了本征值∧，其实数部分∧r及时给出了增长系数。我们将值∧r作为ρ0的函数，λ＝6，E＝120。
对于每个给定的E和λ值，具有一个对应的ρ0值，在该值以上，轴对称不稳定受到抑制。在图3A中，我们绘出曲线，将{E，ρ0}空间分成稳定(曲线以上)和不稳定(曲线以下)参数子空间，对于有实际影响的若干λ值。人们马上注意到从该图，对于每个给定的λ值，存在有可实现稳定的特别限制的ρ0值，以便在该值上，纤维是对于任何E＞1的值是稳定的。在图4中，我们绘制这些限制的ρ0值作为λ的函数，并获得压力的普遍的最小值，在该压力值之上，无论纤维生产率E多大，纤维绝对稳定。
可以发现围绕点λ≌5.65，对于单参数几何形状，约0.33的最小限制的ρ0值对应优选的喷嘴形状，它具有显著超音速的区域(从x＝0.112至x＝1)。在这种情况下，给定所需的纤维直径和纤维生产速度V1，实现绝对稳定性所必须的最小的气体压力P0由简单的公式给出P0＝μV1/α (8)喷嘴形状如图2所示。
实际的情况-考虑铝硅酸盐玻璃制成的200微米直径的纤维的173千米/天的生产率(在T0＝1500K时，μ0＝103Pa·s)。然后所需要的最小压力是P0＝2×10Mpa，喷嘴出口压力Ps＝P0×e-5.65＝70.3Kpa。假定喷嘴出口进入适配的压力室，在Ts＝300K的温度下，离开退出室(再循环)的气体等熵压缩使温度提高到所需要的T0≌1500K。液体分别具有密度，热传导率和热容量ρ＝3000Kg·m-3，K＝1J(m·s·k)-1，且Cp＝1000m2(s2·K)。喷嘴设计应使颈部纤维间隙最小，且不具有折衷的稳定性。切实可行的解决方案是具有10mm长的喷嘴，在距离出口1.12mm处为1.3mm的颈部直径，和1.28mm的出口直径。考虑到纤维的存在，该喷嘴具有0.32mm2的最小(音速)横截面面积。由于V1＝2m·s-1＞＞KL/(ρCρα2)＝0.3m·s-1，纤维考虑为似等温的(IT限制)。然后，工厂的最小理论功率消耗是W＝9.54KW，在Ps＝0.7巴时，气流速率约为1l/s。直接按比例增大。
引入新的几何形状参数(最小ρ0值可进一步优化)，喷嘴几何形状可进一步改进。这种改进不限制上述分析的一般性。
参见A.L.Yarin，P.Gospodinov，O.Gottlieb，M.D.Graham的Phys.Fluids 11，3201(1999)。
尽管参考本发明的特定的实施例已经描述了本发明，对于本领域的普通技术人员来说，在不超出本发明的实质和范围的前提下，应该理解本发明可做不同的修改，其等效范围可进行替换。另外，许多修改可使特定的情况、材料、物质成分、方法、一个或多个方法步骤适应本发明的目的、实质和范围。所有这些修改应包含在附属的权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种由圆柱形预制坯制造纤维的方法，其步骤包括在压力室内提供圆柱形预制坯的第一端，其中该预制坯沿纵向轴线具有第一横向尺寸；将该预制坯的第一端暴露处理，该处理允许该预制坯在其第一端延展；和通过沿预制坯的一部分使聚束流体流动来施加物理压力，其中使该聚束流体沿该预制坯的方向流动并流向该预制坯的第一端，从而迫使可延展的该预制坯的第一端通过布置在聚束流体流的下游的压力室的出口，从而使纤维离开压力室的出口排出，相对于该预制坯的第一横向尺寸，该纤维具有减小的横向尺寸。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，可实现延展的处理包括加热该预制坯。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该预制坯在加热前是固体的，并在施加物理压力之前加热以提供延展性。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过加热聚束流体来加热该预制坯。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该预制坯包括石英玻璃。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该预制坯是包括石英的光纤维预制坯。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，罐盖圆柱形预制坯是包括石英玻璃的固体圆柱，并经过出口排出形成固体圆截面纤维。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该圆柱形预制坯是包括石英玻璃的中空圆柱体，并经过出口排出形成中空圆截面纤维。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该聚束流体是气体。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该气体是加热的惰性气体。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该气体以超音速离开压力室的出口。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该可延展的预制坯经过喷嘴拉拔，该喷嘴从压力室内的一个开口开始，并沿一个曲面伸展，在压力室的出口处终止。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，喷嘴的曲面具有一个表面构形，喷嘴参数几何形状由下列方程定义p(x)＝p0e-λx这里p(x)是绘制喷嘴几何形状的曲面定义函数，p0是当聚束流体进入喷嘴时该聚束流体的内部压力，λ大于0.635，以获得聚束流体的超音速，而x是函数。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，λ为2.0或更大。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，λ约为5.65。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，采用方程P0≥μ1V1L]]>，P0是到压力室的入口处的压力，μ1是可延展预制坯的端部的粘度，V1是在喷嘴内的纤维的速度，而L是喷嘴的长度。
17.一种由熔融粘性液体制造纤维的方法，其步骤包括以一种方式挤压熔融粘性液体流，从而使其从供应源流入压力室内，该流体流具有第一圆周；向压力室提供聚束流体，由此，该流体通过压力室的入口进入，并通过布置在熔融粘性液体流的流动的下游的压力室的出口排出；其中，该聚束流体包围熔融粘性液体流并压缩第一圆周，以产生比第一圆周更细的较细的第二圆周流，该较细的流从压力室的出口排出形成纤维。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该熔融粘性液体是熔融石英玻璃。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该聚束流体是气体。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该气体是加热的惰性气体。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该气体以超音速离开压力室的出口。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，该熔融石英玻璃流流动经过喷嘴，该喷嘴从压力室内的一个开口开始，并沿一个曲面伸展，在压力室的出口处终止。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，该喷嘴的曲面具有一个表面构形，喷嘴参数几何形状由下列方程定义p(x)＝p0e-λx这里p(x)是绘制喷嘴几何形状的曲面定义函数，p0是当聚束流体进入喷嘴时该聚束流体的内部压力，λ大于0.635，以获得聚束流体的超音速，而x是函数。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，λ为2.0或更大。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，λ约为5.65。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，采用方程，P0≥μ1V1L]]>P0是到压力室的入口处的压力，μ1是可延展预制坯的端部的粘度，V1是在喷嘴内的纤维的速度，而L是喷嘴的长度。
27.一种制造光纤维预制坯元件的方法，其步骤包括提供具有纵向轴线的中空管；施加物理压力以迫使管通过供应源，方式是使该预制坯以纵向方式从通道的出口排出；和迫使流体经过压力室，方式是使在预制坯从通道的出口排出的流道的前面，流体从出口孔离开压力室；其中，流体围绕所述预制坯，并以纵向方式使所述预制坯聚束，以便从所述压力室排出光纤维。
28.一种制造纤维的装置，其包括压力室，该压力室包括用于添加聚束流体的入口和用于排出粘性液体的出口；和布置在出口的喷嘴，该喷嘴包括曲面，该曲面的几何形状由下述方程定义p(x)＝p0e-λx这里p(x)是绘制喷嘴几何形状的曲面定义函数，p0是当聚束流体进入喷嘴时该聚束流体的内部压力，λ大于0.635，以获得聚束流体的超音速，而x是函数。
全文摘要
一种预制坯(1)插入到一个炉(3)内。高压热流体使得纤维的端部(2)变形并流出一个喷嘴(5)。排出的玻璃为一纤维(6)的形式。
文档编号C03B37/023GK1429181SQ01809295
公开日2003年7月9日 申请日期2001年3月9日 优先权日2000年3月10日
发明者A·M·加南－卡尔沃, D·L·德沃雷 申请人:流体聚焦公司