专利名称：一种制备硫系玻璃套管的设备及方法
技术领域：
本发明涉及一种制备硫系玻璃套管的设备及方法，特别是涉及采用棒管法制备光纤时所需的外层套管的制备工艺及制备硫系玻璃光子晶体光纤时所需的空心管的制备工 艺。
背景技术：
硫系玻璃光纤在中远红外光波的广生、调制和传输中具有重要的应用，如用硫系玻璃光纤排成的传像束可用于中远红外图像的传输及变换；用稀土离子掺杂的硫系玻璃光纤可用于中远红外光纤放大器及激光器。目前普通玻璃光纤的制备方法主要有棒管法和双坩埚法。一般来说，制备普通的具有芯包结构的光纤，棒管法相较于双坩埚法可以更好的控制芯包比及丝径大小，其形成的芯包界面及外表面亦优于双坩埚法，因此用棒管法制备的光纤的损耗及机械性能更优异。硫系玻璃光子晶体光纤是不同于普通光纤的一类新型光纤，该光纤先由空心管拉制出空心毛细管，再由毛细管按特殊结构排列成具有光子带隙的微结构光纤。不管是用棒管法制备普通硫系玻璃光纤，还是制备硫系玻璃光子晶体光纤，都需要首先制备出硫系玻璃套管，但是由于硫系玻璃的特殊性，传统氧化物玻璃套管采用的钻孔法和浇铸法等皆不适用于硫系玻璃，目前硫系玻璃套管制备技术一直无法有效解决，严重限制了高性能硫系玻璃光纤的发展。
发明内容
本发明提供了一种制备硫系玻璃套管的设备及方法，解决了硫系玻璃套管的制备难题，使应用棒管法制备高性能的硫系玻璃光纤和制备硫系玻璃光子晶体光纤成为可能。本发明的技术解决方案是一种制备硫系玻璃套管的设备，其特殊之处在于包括电热炉、用于放置制备硫系玻璃原料的石英管、摇摆控制电机、旋转控制电机以及用于固定石英管的一套夹持部件；所述石英管位于电热炉内，夹持部件固定安装于旋转控制电机轴端，夹持部件与旋转控制电机转轴同轴；电热炉与摇摆控制电机相连、由摇摆控制电机拖动摇摆。当旋转控制电机控制石英管旋转时，石英管处于水平状态。当摇摆控制电机拖动摇摆电热炉时，使得位于电热炉内的石英管同时摇摆，因而放置于石英管内的制备硫系玻璃原料在摇摆控制电机的控制下混合均匀。上述设备还包括导轨，所述电热炉包括上、下两部分，分别固定在导轨上，电热炉的上、下两部分能够沿导轨背向移动分离，石英管位于所述上、下两部分的电热炉之间，导轨的下部通过连接杆与摇摆控制电机相连，旋转控制电机与导轨相连。电热炉的上、下两部分能够沿导轨背向移动分离后，便于对经过电热炉加热的石英管进行冷却。上述导轨的下部通过连接杆与摇摆控制电机的偏心轮相连。上述导轨与石英管之间垂直。
上述的夹持部件是锥形固定槽，石英管的两端分别置于锥形固定槽内。一种采用上述设备制备硫系玻璃套管的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤(I)选用羟基含量低于IOppm的石英管，用超声波清洗10 30分钟，用去离子水漂洗干净，置于真空干燥箱中，抽真空，在100 300°C下烘12 24小时，缓慢降至室温，真空干燥箱中充入高纯氮气，取出石英管并立即用封口膜封口，备用；(2)选用纯度为99. 99%以上的单质原料，把原料和经过步骤(I)处理过的石英管一同置于氮气保护的手套箱中，在手套箱中根据玻璃的制作配方精确称量原料，并置于石英管中；(3)将装有原料的石英管从手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，当真空度达到9 X KT3Pa时，把石英管置于120°C 200°C的马弗炉中加热除水，除水时间为30 90分钟，之后对石英管进行熔封；(4)将封好口的石英管置于电热炉中，并用夹持部件固定好石英管，然后用电热炉加热，升温至600 950°C，同时启动摇摆控制电机(4)，所述设备摇摆，频率5 15次/分钟，熔制8 24小时，当石英管内的原料熔制均匀后，停止摇摆控制电机，并控制摇摆控制电机(4)使石英管处于水平状态，开启旋转控制电机(3)，转速200 400rad/分钟，石英管中的玻璃溶液(6)由于离心效果而均匀附着于石英管壁上，然后将电热炉(2)沿导轨(I)分别上下移开，用压缩空气急速冷却石英管(5)，之后停止旋转，把石英管迅速转移至温度为材料退火温度的马弗炉中退火，最后用氢氟酸将石英管腐蚀溶解或将石英管敲开，得到硫系玻璃套管。上述步骤(3)中是用氢氧焰或乙炔焰对石英管进行封口的。上述单质原料为As和S，制得的硫系玻璃套管的组分为As2S3或单质原料为Ge、Sb和Se,制得的硫系玻璃套管的组分为Ge28Sb12Se6tl,或单质原料为As和Se,制得的硫系玻璃套管组分为As2Se3,或单质原料为As、Se和Te，制得的硫系玻璃套管组分为As3Se5Te2。本发明具有以下优点本发明提出了应用“旋转法”制备硫系玻璃套管的新技术，解决了硫系玻璃套管的制备难题。本发明制备的硫系玻璃套管壁厚均匀，尺寸精确可控，内壁光洁无损伤。
图I为本发明的结构示意图。附图标记I-导轨；2-电热炉；3_旋转控制电机；4_摇摆控制电机；5_石英管；6_石英管中的玻璃熔液；7_夹持部件；8_连接杆。
具体实施例方式如图I所示，本发明提供了一种制备硫系玻璃套管的设备，包括电热炉2、用于放置制备硫系玻璃原料的石英管5、摇摆控制电机4、旋转控制电机3以及用于固定石英管的一套夹持部件7 ;石英管位于电热炉内，夹持部件固定安装于旋转控制电机轴端，夹持部件与旋转控制电机转轴同轴；电热炉与摇摆控制电机相连、由摇摆控制电机拖动摇摆。
为了使制备的硫系玻璃套管厚度均匀、管壁光洁，当旋转控制电机控制石英管旋转时，石英管处于水平状态较好；为了使放置在石英管内的制备硫系玻璃原料混合均匀，将电热炉与摇摆控制电机相连、由摇摆控制电机拖动摇摆，由于石英管位于电热炉内，当摇摆控制电机拖动摇摆电热炉时，也将带动石英管摇摆。为了便于对石英管进行冷却，本发明的设备还包括导轨1，电热炉包括上、下两部分，分别固定在导轨上，电热炉的上、下两部分能够沿导轨背向移动分离。石英管位于所述上、下两部分的电热炉之间。导轨的下部通过连接杆8与摇摆控制电机相连，具体旋转控制电机与导轨相连。导轨与石英管之间垂直。为了使摇摆控制电机拖动摇摆电热炉，可以将导轨固定在一个轴上，导轨的下部通过连接杆与摇摆控制电机的偏心轮相连，当摇摆控制电机工作时，电热炉将会绕导轨所固定的轴在纸平面内旋转摇摆。其中，该设备的夹持部件可以采用固定槽，具体可以为锥形固定槽，当采用锥形固定槽时，石英管的两端分别置于锥形固定槽内。采用本发明的设备制备硫系玻璃套管的方法，包括以下步骤(I)选用羟基含量低于IOppm的石英管，用超声波清洗10 30分钟，用去离子水漂洗干净，置于真空干燥箱中，抽真空，在100 300°C下烘12 24小时，缓慢降至室温，真空干燥箱中充入高纯氮气，取出石英管并立即用封口膜封口，备用；(2)选用纯度为99. 99%以上的单质原料，把原料和经过步骤(I)处理过的石英管一同置于氮气保护的手套箱中，在手套箱中根据玻璃的制作配方精确称量原料，并置于石英管中；(3)将装有原料的石英管从手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，当真空度达到9 X KT3Pa时，把石英管置于120°C 200°C的马弗炉中加热除水，除水时间为30 90分钟，之后用氢氧焰或乙炔焰对石英管进行熔封；(4)将封好口的石英管置于电热炉中，并用夹持部件固定好石英管，然后用电热炉加热，升温至600 950°C，同时启动摇摆控制电机(4)，所述设备摇摆，频率5 15次/分钟，熔制8 24小时，当石英管内的原料熔制均匀后，停止摇摆控制电机，并控制摇摆控制电机(4)使石英管处于水平状态，开启旋转控制电机(3)，转速200 400rad/分钟，石英管中的玻璃溶液(6)由于离心效果而均匀附着于石英管壁上，然后将电热炉(2)沿导轨(I)分别上下移开，用压缩空气急速冷却石英管(5)，之后停止旋转，把石英管迅速转移至温度为材料退火温度的马弗炉中退火，最后用氢氟酸将石英管腐蚀溶解或将石英管敲开，得到硫系玻璃套管。其中，可以选用的单质原料为As和S，制得的硫系玻璃套管的组分为As2S3或单质原料为Ge、Sb和Se，制得的硫系玻璃套管的组分为Ge28Sb12Se6tl,或单质原料为As和Se，制得的硫系玻璃套管组分为As2Se3，或单质原料为As、Se和Te，制得的硫系玻璃套管组分为
As^Sg^T Θ2 ο以下结合具体实施例对采用本设备制备硫系玻璃套管的方法做进一步的描述。实施例一以As2S3组分玻璃为例，包括如下具体步骤<1>选用轻基含量低于IOppm的石英管，内径20mm,长16mm,用超声波清洗10分钟，用去离子水漂洗干净，置于真空干燥箱中，抽真空，在200°C下烘24小时，缓慢降至室温，真空干燥箱中充入高纯氮气，取出石英管并立即用封口膜封口，备用；<2>选用纯度为99. 999%的As和S，把原料和经过步骤(I)处理过的石英管一同置于氮气保护的手套箱中，在手套箱中根据玻璃的制作配方精确称量原料，并置于石英管中；<3>将装有原料的石英管从手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，当真空度达到9X 10_3Pa时，把石英管置于120°C的马弗炉中加热除水，除水时间为50分钟，之后用氢氧焰对石英管进行熔封； <4>将封好口的石英管置于电热炉中，用石英管夹持部件固定好石英管，然后用电热炉加热，升温至700°C，同时启动摇摆控制电机，在摇摆控制电机的作用下本设备摇摆，摇摆频率15次/分钟，熔制8小时，目的是使玻璃熔液充分混合均匀，熔匀后停止摇摆控制电机，并控制摇摆控制电机使石英管处于水平状态，开启旋转控制电机，转速250rad/分钟，石英管中的玻璃溶液6由于离心效果而均匀附着于石英管壁上，然后将电热炉沿导轨分别上下移开，用压缩空气急速冷却石英管，之后停止旋转，把石英管迅速转移至190°C的马弗炉中退火，最后将石英管敲开，得到As2S3玻璃套管。实施例二 以Ge28Sb12Se6tl组分玻璃为例，包括如下具体步骤<1>选用轻基含量低于IOppm的石英管，内径20mm,长16mm,用超声波清洗10分钟，用去离子水漂洗干净，置于真空干燥箱中，抽真空，在200°C下烘24小时，缓慢降至室温，真空干燥箱中充入高纯氮气，取出石英管并立即用封口膜封口，备用；<2>选用纯度为99. 999%的Ge、Sb和Se，把原料和经过步骤(I)处理过的石英管一同置于氮气保护的手套箱中，在手套箱中根据玻璃的制作配方精确称量原料，并置于石英管中；<3>将装有原料的石英管从手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，当真空度达到9 X IO-3Pa时，把石英管置于180°C的马弗炉中加热除水，除水时间为80分钟，之后用氢氧焰对石英管进行熔封；<4>将封好口的石英管置于电热炉中，并用夹持部件固定好石英管，然后用电热炉加热，升温至900°C，同时启动摇摆控制电机，在摇摆控制电机的作用下本设备摇摆，摇摆频率10次/分钟，熔制15小时，目的是使玻璃熔液充分混合均匀，熔匀后停止摇摆控制电机，并控制摇摆控制电机使石英管处于水平状态，开启旋转控制电机，转速350rad/分钟，石英管中的玻璃溶液由于离心效果而均匀附着于石英管壁上，然后将电热炉沿导轨分别上下移开，用压缩空气急速冷却石英管，之后停止旋转，把石英管迅速转移至280°C的马弗炉中退火，最后将石英管敲开，得到Ge28Sb12Se6tl玻璃套管。实施例三以As2Se3组分玻璃为例,包括如下具体步骤<1>选用轻基含量低于IOppm的石英管，内径20mm,长16mm,用超声波清洗10分钟，用去离子水漂洗干净，置于真空干燥箱中，抽真空，在200°C下烘24小时，缓慢降至室温，真空干燥箱中充入高纯氮气，取出石英管并立即用封口膜封口，备用；〈2>选用纯度为99. 999%的As和Se，把原料和经过步骤(I)处理过的石英管一同置于氮气保护的手套箱中，在手套箱中根据玻璃的制作配方精确称量原料，并置于石英管中；<3>将装有原料的石英管从手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，当真空度达到9 X IO-3Pa时，把石英管置于180°C的马弗炉中加热除水，除水时间为80分钟，之后用氢氧焰对石英管进行熔封； <4>将封好口的石英管置于电热炉中，并用夹持部件固定好石英管，然后用电热炉加热，升温至750°C，同时启动摇摆控制电机，在摇摆控制电机的作用下本设备摇摆，摇摆频率15次/分钟，熔制8小时，目的是使玻璃熔液充分混合均匀，熔匀后停止摇摆控制电机，并控制摇摆控制电机使石英管处于水平状态，开启旋转控制电机，转速250rad/分钟，石英管中的玻璃溶液由于离心效果而均匀附着于石英管壁上，然后将电热炉沿导轨分别上下移开，用压缩空气急速冷却石英管，之后停止旋转，把石英管迅速转移至180°C的马弗炉中退火，最后将石英管敲开，得到As2Se3玻璃套管。实施例四以As3Se5Te2组分玻璃为例,包括如下具体步骤<1>选用轻基含量低于IOppm的石英管，内径20mm,长16mm,用超声波清洗10分钟，用去离子水漂洗干净，置于真空干燥箱中，抽真空，在200°C下烘24小时，缓慢降至室温，真空干燥箱中充入高纯氮气，取出石英管并立即用封口膜封口，备用；<2>选用纯度为99. 999%的As、Se和Te，把原料和经过步骤(I)处理过的石英管一同置于氮气保护的手套箱中，在手套箱中根据玻璃的制作配方精确称量原料，并置于石英管中；<3>将装有原料的石英管从手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，当真空度达到9 X IO-3Pa时，把石英管置于180°C的马弗炉中加热除水，除水时间为80分钟，之后用氢氧焰对石英管进行熔封；〈4>将封好口的石英管置于电热炉中，并用夹持部件固定好石英管，用电热炉加热，升温至800°C，同时启动摇摆控制电机，在摇摆控制电机的作用下本设备摇摆，摇摆频率10次/分钟，熔制15小时，目的是使玻璃熔液充分混合均匀，熔匀后停止摇摆控制电机，并控制摇摆控制电机使旋转炉处于水平状态，开启旋转控制电机，转速350rad/分钟，石英管中的玻璃溶液由于离心效果而均匀附着于石英管壁上，然后将电热炉沿导轨分别上下移开，用压缩空气急速冷却石英管，之后停止旋转，把石英管迅速转移至135°C的马弗炉中退火，最后将石英管敲开，得到As3Se5Te2玻璃套管。其中，石英管的具体尺寸规格，根据要制备的硫系玻璃套管的具体尺寸规格决定。上述四个实施例的步骤(3)中的也可以采用乙炔焰对石英管进行熔封，步骤(4)中经过石英管退火处理后，也可以用氢氟酸将石英管腐蚀，一般还是采用将石英管敲开的方法较好。以上实施例仅是对本发明技术方案的举例说明，不应视为对本发明权利要求保护范围的限制，本领域技术人员应当能够从本发明的基本方案中毫无疑义推断出，依据本发明的技术方案是可以实现本发明的目的。
权利要求
1.一种制备硫系玻璃套管的设备，其特征在于包括电热炉、用于放置制备硫系玻璃原料的石英管、摇摆控制电机、旋转控制电机以及用于固定石英管的一套夹持部件；所述石英管位于电热炉内，夹持部件固定安装于旋转控制电机轴端，夹持部件与旋转控制电机转轴同轴；电热炉与摇摆控制电机相连、由摇摆控制电机拖动摇摆。
2.根据权利要求I所述的制备硫系玻璃套管的设备，其特征在于所述设备还包括导轨，所述电热炉包括上、下两部分，分别固定在导轨上，电热炉的上、下两部分能够沿导轨背向移动分离，石英管位于所述上、下两部分的电热炉之间，导轨的下部通过连接杆与摇摆控制电机相连，旋转控制电机与导轨相连。
3.根据权利要求2所述的制备硫系玻璃套管的设备，其特征在于所述导轨的下部通过连接杆与摇摆控制电机的偏心轮相连。
4.根据权利要求3所述的制备硫系玻璃套管的设备，其特征在于所述导轨与石英管之间垂直。
5.根据权利要求4所述的制备硫系玻璃套管的设备，其特征在于所述的夹持部件是锥形固定槽，石英管的两端分别置于锥形固定槽内。
6.一种采用权利要求5所述的设备制备硫系玻璃套管的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)选用羟基含量低于IOppm的石英管，用超声波清洗10 30分钟，用去离子水漂洗干净，置于真空干燥箱中，抽真空，在100 300°C下烘12 24小时，缓慢降至室温，真空干燥箱中充入高纯氮气，取出石英管并立即用封口膜封口，备用；(2)选用纯度为99.99%以上的单质原料，把原料和经过步骤(I)处理过的石英管一同置于氮气保护的手套箱中，在手套箱中根据玻璃的制作配方精确称量原料，并置于石英管中；(3)将装有原料的石英管从手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，当真空度达到9 X KT3Pa时，把石英管置于120°C 200°C的马弗炉中加热除水，除水时间为30 90分钟，之后对石英管进行熔封；(4)将封好口的石英管置于电热炉中，并用夹持部件固定好石英管，然后用电热炉加热，升温至600 950°C，同时启动摇摆控制电机(4)，所述设备摇摆，频率5 15次/分钟，熔制8 24小时，当石英管内的原料熔制均匀后，停止摇摆控制电机，并控制摇摆控制电机(4)使石英管处于水平状态，开启旋转控制电机(3)，转速200 400rad/分钟，石英管中的玻璃溶液(6)由于离心效果而均匀附着于石英管壁上，然后将电热炉(2)沿导轨(I)分别上下移开，用压缩空气急速冷却石英管(5)，之后停止旋转，把石英管迅速转移至温度为材料退火温度的马弗炉中退火，最后用氢氟酸将石英管腐蚀溶解或将石英管敲开，得到硫系玻璃套管。
7.根据权利要求6所述的制备硫系玻璃套管的方法，其特征在于所述步骤(3)中是用氢氧焰或乙炔焰对石英管进行封口的。
8.根据根据权利要求7所述的制备硫系玻璃套管的方法，其特征在于所述单质原料为As和S，制得的硫系玻璃套管的组分为As2S3或单质原料为Ge、Sb和Se,制得的硫系玻璃套管的组分为Ge28Sb12Se6tl,或单质原料为As和Se,制得的硫系玻璃套管组分为As2Se3,或单质原料为As、Se和Te，制得的硫系玻璃套管组分为As3Se5Te2。
全文摘要
本发明提供一种制备硫系玻璃套管的设备及方法，解决了硫系玻璃套管的制备难题，使应用棒管法制备高性能的硫系玻璃光纤和制备硫系玻璃光子晶体光纤成为可能。该制备硫系玻璃套管的设备包括电热炉、用于放置制备硫系玻璃原料的石英管、摇摆控制电机、旋转控制电机以及用于固定石英管的一套夹持部件；所述石英管位于电热炉内，夹持部件固定安装于旋转控制电机轴端，夹持部件与旋转控制电机转轴同轴；电热炉与摇摆控制电机相连、由摇摆控制电机拖动摇摆。本发明应用“旋转法”制备硫系玻璃套管的新技术，解决了硫系玻璃套管的制备难题。本发明制备的硫系玻璃套管壁厚均匀，尺寸精确可控，内壁光洁无损伤。
文档编号C03B37/025GK102936093SQ20121044779
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者郭海涛, 许彦涛, 彭波, 陆敏, 韦玮 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所