一种有序排列的高NA多芯成像光纤及其制备方法

一种有序排列的高na多芯成像光纤及其制备方法
技术领域:
1.本发明涉及光纤技术领域，尤其是涉及一种利用硅酸盐玻璃为原料，纤芯有序排列的多芯成像光纤及其拉制工艺。


背景技术：

2.成像光纤，又称多芯成像光纤、光纤束或光纤传像束，是一种利用全反射原理实现图像柔性、定向传输的被动无源光纤器件。多芯成像光纤具有柔性好、体积小、抗电磁干扰、图像传输过程较为灵活等优点，被广泛的应用于工业、国防以及生物医疗成像领域。在工业方面，常用于各种机械设备的内窥检查；在军事国防方面，被用于武器瞄准、潜望监视；而在生物医疗领域，结合新兴的基于多芯成像光纤的医学成像方法，可用于一系列临床病症和器官系统，包括胃肠道，泌尿科和呼吸道的内窥检查，对临床手术等具有重要的指导参考意义。
3.在常规的内窥镜成像系统中，成像光纤由成千上万的纤芯组成。成像光纤中的每个纤芯都充当一个“像素”，以沿着光纤的长度传输图像的一部分，而该图像可以在近端进行实时分析。要获得高分辨率图像，成像光纤的各个纤芯需要尽可能靠近在一起。然而，芯对芯的耦合限制了纤芯之间的最小间距，因此限制了成像光纤的分辨率。想要降低纤芯之间的耦合串扰，常用的方式是使用不同芯包比的堆叠毛细棒或者使用数值孔径(na)值更大的石英玻璃材料。采用芯棒掺锗或者包层掺氟的方式，最高可以将na提高到0.39。但是掺杂后的石英玻璃成本很高，且在光纤拉制过程中成品率不高，导致成本进一步增加。目前市面上的商用多芯成像光纤大多由日本的藤仓公司(fujikura)、住友(sumitomo)公司、美国的collimated holes公司和德国的肖特公司(schott)提供，价格十分昂贵。价格低廉、传像能力出色的多芯成像光纤的研发，国内目前还正处于起步阶段。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术问题，本发明提供了一种有序排列的高na多芯成像光纤及其制备方法。最终得到的多芯成像光纤由成本较低的硅酸盐玻璃材料制备而成，同时使得单个纤芯na较高，视场角增大。单根成像光纤包含的纤芯数量根据需求可以通过调整堆叠次数进行调控，纤芯之间的耦合得到有效抑制，串扰较低，能到得到较好的图像传输效果。
5.本发明的技术解决方案为：
6.一方面，本发明提供一种有序排列的高na多芯成像光纤，光纤中的成像部分由一个个独立的纤芯组成，经过多次堆叠拉制，一共包含了一万至数十万个纤芯，其特点在于：所述的纤芯至少有三个不同的尺寸，经过规律的排布，使任意一个纤芯的直径与相邻纤芯的直径不同，所述的纤芯由硅酸盐玻璃材料拉制而成，na值达到0.5以上。
7.所述纤芯的芯包比范围为0.5～0.72，纤芯部分与包层部分的折射率差值范围为0.115～0.120；最终的多芯成像光纤中单个纤芯尺寸范围为0.9um～1.3um，芯间距为1.5um～2.5um。
8.另一方面，本发明还提供一种有序排列的高na多芯成像光纤制备方法，其特点在于包括以下步骤：
9.将两种原料玻璃加工成至少三种直径尺寸不同的纤芯棒和套管若干，在纤芯棒、套管和石英延长管的一端，相同位置横向贯通一个小孔；
10.利用一段实芯玻璃小棒插入小孔，将加工好的纤芯棒与包层和石英延长管进行机械固定连接，并拉制得到毛细棒。
11.将所述的毛细棒，按一定的规律紧密排布成六边形结构，确保任意一根毛细棒与相邻的毛细棒具有不同的芯包比；
12.将所述的毛细棒组成的堆叠单元拉制到一定尺寸，截取若干根，再紧密排布成六边形结构；
13.将最后一次堆叠单元放入用包层玻璃材料拉制得到的低折射率套管，周围再用不同尺寸的包层材料实芯小棒插满固定，填满外套管和堆叠单元之间的空隙，得到光纤预制棒；
14.拉制所述的光纤预制棒得到多芯成像光纤。
15.优选的，所述的加工好的纤芯棒外径为9mm～13mm；套管外径18mm，内径9mm～13mm，即单个毛细棒纤芯与包层尺寸的比例范围为0.5～0.72，在纤芯棒和套管的一端0.5cm处，横向贯通一个直径为3mm的小孔，将尺寸匹配的实芯石英小棒插入小孔，使得加工好的芯棒与套管和石英延长管进行机械固定连接。且在拉丝前，在650℃～750℃时保温5～10分钟。
16.优选的，所述的拉制得到的毛细棒直径为1mm～3mm，长度为1m。
17.优选的，所述的毛细棒截取的六边形结构的毛细棒，对角长度为1mm～3mm，长度为0.8m。
18.优选的，所述外套管是指利用占空比为0.7～0.8的低折射率玻璃管拉制而成。
19.优选的，所述的拉制得到的多芯成像光纤经过多次堆叠拉制得到，堆叠次数根据光纤设计可以调整，多芯成像光纤中包含了数万至数十万个独立的纤芯，其单个纤芯的直径尺寸范围为0.9um～1.3um，芯间距为1.5um～2.5um。
20.与现有技术相比，本发明的优点在于：
21.(1)采用硅酸盐玻璃作为拉制的原材料，相比于石英材料，纤芯无需掺锗，包层无需掺氟，即可以达到较大的数值孔径(na)值，且成本相较于掺杂后的石英玻璃管棒，十分低廉。
22.(2)在原料芯棒和套管的一端进行打孔贯穿，将其与延长管进行机械连接固定，使得较短的原料管棒也可以进行拉制，且使得原料的利用率大大提高。
23.(3)单个纤芯数值孔径(na)值较大，有利于降低纤芯之间的串扰，提升成像质量，且增大了光纤的视场角。
24.(4)采用了三种不同芯包比的毛细棒进行堆叠，且按一定规律排布，使得任意毛细棒与周围的毛细棒芯包比都不一样，芯间的耦合和串扰得到有效的抑制。
25.(5)整个制备工艺流程便捷，光纤通过多次堆叠拉制得到，光纤中包含的纤芯总数通过改变单次堆叠的毛细棒数量以及总的堆叠次数进行调控。
附图说明
26.图1是第一次堆叠单元中，三种不同芯包比毛细棒的有序排列示意图，任意毛细棒与周围毛细棒都具有不同的芯包比。
27.图2是拉制毛细棒时的芯棒套管与石英延长管的机械连接示意图
28.图3是光纤制备流程中多次堆叠拉制的示意图。
29.图4是包层玻璃与纤芯玻璃的折射率对比图。
30.图5是单个纤芯热处理前后损耗对比图。
31.图6是第一次堆叠单元的端面结构实际显微图样，三种不同芯包比的毛细棒按一定规律有序排布而成。
32.图7是第二次堆叠单元的端面结构实际显微图样，由第一次堆叠单元再次堆叠啮合拉制得到。
33.图8是利用本发明的拉制工艺制备得到的有序排列的高na多芯成像光纤的端面显微图样。图中：
34.1-三种毛细棒的包层结构2-最大芯包比毛细棒的纤芯3-中等芯包比毛细棒的纤芯4-最小芯包比毛细棒的纤芯
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
36.本发明提出的一种有序排列的高na多芯成像光纤及其制备工艺，其包括以下步骤：
37.步骤1：将采用硅酸盐玻璃加工制备至少三种直径不同尺寸的芯棒，和相对应尺寸的套管若干，且在芯棒和套管的一端，贯通一个小孔。如图2所示，利用一段石英玻璃实芯小棒，将加工好的芯棒与套管和同样贯穿小孔的石英延长管进行机械固定连接。且在掉料之前，在一定温度下保温5～10分钟，完成对材料的热处理工艺，降低毛细棒表面的缺陷。
38.在此具体实施例中，利用熔点较高的纯石英管作为延长管使用，可以大大提高原料的利用率，且只包含了石英玻璃结构，不含金属等连接物，提高了安全系数；也可以采用热膨胀系数较低且熔点高于硅酸盐玻璃的绝缘材料充当延长管和小棒，起到固定以及保护的作用。
39.本实施例加工成外径为13mm、11mm、9mm的芯棒以及外径为18mm，内径13mm、11mm、9mm的套管。不同尺寸的芯棒和套管组合排列可以得到芯包比不一样的堆叠毛细棒。而在拉制之前的保温热处理可以有效降低毛细棒的损耗和其表面的缺陷。从图4可以看出，在不同的波长下，包层玻璃与纤芯玻璃的折射率差异范围为0.115～0.120，较大的折射率差异使得单个纤芯的na达到0.59左右，有利于减小光纤中纤芯之间的耦合和串扰，有效提高成像质量。从图5可以看出，加工后的管棒经过热处理之后，对比热处理前，在500nm～900nm的波段内，其损耗有一定程度的降低。
40.步骤2：将拉制得到三种不同尺寸的毛细棒，按一定的规律紧密排布成六边形结构，保证任意一根毛细棒与周围的毛细棒都具有不同的芯包比。在一端利用模具固定，再用生料带捆绑，防止毛细棒脱落，在拉丝时再依次去除生料带；在拉制堆叠单元时，要注意使
得六边形堆叠结构的两个相对的表面与光纤拉丝塔中的牵引轮皮带保持平行，防止堆叠单元在拉制过程中出现扭曲的情况，而且需要注意拉丝塔的测径仪显示的数据是六边形结构的对角长度，而不是对边长度。图6是毛细棒拉制之后堆叠单元的显微图样，经过一定规律排列的任意一个毛细棒与周围毛细棒都具有不一样的芯包比。
41.步骤3：将毛细棒组成的堆叠单元拉制到一定尺寸，依次截取再紧密排布成六边形结构。在一端利用模具固定，用生料带捆绑后，在拉丝时再依次取下生料带，在第一次堆叠单元和第二次堆叠单元拉制的时候，需要注意提高拉制温度，避免由于温度过低而出现二次掉料的情况。图7显示了截取的小棒堆叠拉制之后的显微图样。六边形的结构经过拉伸啮合在一起，还存在的少许空气空隙在最终拉制光纤时，通过调控预制棒内部的气压可以去除。
42.步骤4：将第二次堆叠单元再拉制到一定尺寸，依次截取若干根，再排布成六边形结构。经过石墨炉拉伸且热缩固定后，放入用包层玻璃材料拉制得到的外套管，周围再用不同尺寸的包层材料实芯小棒插满固定，填满外套管的空隙，得到最终的光纤预制棒。最终的外套管尺寸和热缩后的堆叠单元尺寸需要精确调控，误差控制在0.2mm～1mm，如果两者误差过大，一方面可能导致尺寸不匹配无法得到光纤预制棒，另一方面也可能导致最终的成像光纤中成像部分面积比例降低，导致光纤尺寸增大。
43.步骤5：对得到的光纤预制棒进行拉制，在整个过程中需要精确的调控拉丝系统的温度、气压、送棒和牵引速度，以保证得到预期的光纤尺寸。最终的多芯成像光纤端面包括了近似六边形的成像区域，其组成为一个个独立的单个实芯导光纤芯，以及用低折射率包层玻璃材料形成的外套管区域。单个纤芯的直径尺寸范围为0.9um～1.3um，芯间距在1.8um左右，图8是最后拉制得到的多芯成像光纤的端面显微图样。最后得到的裸光纤再经过涂覆模具，在其表面涂覆一层高分子材料，涂覆层厚度为50um～100um，再经过紫外固化装置，使其快速固化成为成品光纤。