软玻璃光纤预制棒制作装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及软玻璃光纤，又称多组分玻璃光纤的制作技术，具体是一种基于双坩祸层流漏注的软玻璃光纤预制棒制作装置及方法。
【背景技术】
[0002]软玻璃光纤是指非石英基的多组分玻璃光纤，它具有一些独特的光学和光谱学性质。比如高稀土子子溶解度、宽增益光谱、高非线性等。可广泛应用于单频激光器、超短脉冲激光器和拉曼激光器等。一些软玻璃光纤在中红外可透过，可广泛应用于中红外波段的光纤激光器件。这是石英光纤所完全不能替代的重要应用。中红外激光光源在国防、生物医学和先端科学研究等领域都有重要应用。
[0003]迄今为止，软玻璃光纤的损耗均较高。高损耗是制约软玻璃光纤广泛应用的一个主要因素。光纤的损耗主要取决于预制棒的质量。由于成分复杂，且缺少对应的气态化合物，软玻璃光纤预制棒不能象石英光纤预制棒一样采用气相沉积法。常用的方法有管棒法和吸注法等方法。
[0004]管棒法是应用最普遍的预制棒制作方法。其主要特点是分别制作芯棒和包层玻璃管，将管和棒套在一起，即可形成预制棒。管棒法存在着难以克服的缺陷。在机械加工管或棒时，管棒表面很容易被抛光物料和环境中的杂质微粒所污染。在拉光纤时，管的内表面和芯棒的表面实际上是暴露在环境中的，很容易受环境杂质的污染。因此，管棒法对制作环境的要求非常严格。此外，由于材料表面能的存在，玻璃在软化时容易在表面析晶，所以，管的内表面和芯棒表面也容易在加热软化时析晶。对于有些软玻璃，这种析晶会比较严重，致使光纤损耗很大。
[0005]吸注法制作预制棒时。将模具置于底板上，底板和模具均已事先预热。将熔制好的包层玻璃液浇注至模具中，然后将芯层玻璃液浇注在包层玻璃液之上。向上迅速提起模具使少量包层玻璃液从模具底端漏出。由于玻璃液与模具接触的界面的温度低粘度大、中心的温度高粘度小，包层玻璃液因重力而向下流动的过程主要发生在液柱中心部位，因而可形成芯一一包层结构。
[0006]吸注法的最大优势是，不再需要象管棒法那样加工套管和芯棒，因而也不存在管棒法所带来的芯包层界面损耗增加的问题。吸注法可以获得优良的芯包层界面质量。但是这种方法的缺点也是十分明显的。首先，提起模具的时机和提升高度很难精确把握，难度大，稳定性和一致性差；其次，吸注的芯料常常呈现出锥形，难于获得芯层直径恒定的预制棒；另外，吸注法所采用的浇注方式，决定了其很难制作出光学均匀性优良的高质量的玻璃棒材。
[0007]综上所述，目前没有一种合适的预制棒制作设备和技术，可以制作出芯包层界面封闭、纵向尺寸恒定、光学均匀性好的软玻璃光纤预制棒。
【发明内容】
[0008]本发明是一种新的光纤预制棒制作设备及其使用技术。本发明是为了解决目前光纤预制棒制作技术存在的问题而提出。本设备采用双坩祸层流漏注方式制作预制棒，基于该设备的制棒技术可解决目前管棒法和吸注法所难于克服的技术难题。
[0009]本发明的技术解决方案如下:
[0010]一种基于双坩祸层流漏注的软玻璃光纤预制棒制作装置，其特点在于，包括同轴的内坩祸和外坩祸，所述外坩祸比所述内层坩祸长，以能够在熔封后完全包围所述内坩祸，在内坩祸和外坩祸内分别设置有搅拌装置，在所述的内坩祸的下部具有与模具相连通的出口，所述的模具内置有活塞及其电驱动机构，所述的内坩祸和外坩祸放置在高温炉中，所述的模具放置在发热体中，所述的模具及电驱动机构放置在升降平台上；所述的内坩祸、外坩祸、搅拌装置、高温炉、发热体和升降平台分别安装在塔架上。
[0011]所述的内坩祸和外坩祸均为铂金材质，外坩祸的容积为2.5L，下端出口直径3cm，内坩祸的容积0.8L，下端出口直径1cm。
[0012]所述的模具为耐热不锈钢材料，呈三瓣式，长度为2.5m，内径为3cm，外径为5cm。
[0013]所述的高温炉的炉体采用氧化铝或氧化镁材料，发热组件采用硅钼棒，最高温度为1500度，控温精度±0.5度。
[0014]所述的发热体为圆柱状，将模具包围，发热体的保温炉体分开为两部分，方便取出模具，发热体的发热组件采用电阻丝材质，保温材料为耐火砖，最高温度为800度。
[0015]所述的活塞可将坩祸出口封住，且在模具中上下移动，行程2m，与模具装配间
[0016]隙小于0.3mm。
[0017]所述的升降平台的行程为0.3m，最大承重为200kg。
[0018]利用所述的软玻璃光纤预制棒制作装置制作软玻璃光纤预制棒的方法，其特点征在于，该方法包括如下步骤:
[0019]①升温高温炉，将芯玻璃料和包层玻璃料分别在内、外坩祸内熔制；
[0020]②预热发热体，待芯与包层玻璃液熔制好以后，使活塞下移，将玻璃液漏注至模具内形成预制棒；
[0021]③按照退火温度流程将发热体降温至室温，降下升降平台，取出模具，得到预制棒。
[0022]所述的步骤②中活塞下移速度决定了漏注速率，通过控制玻璃液的粘度和漏注速率，控制漏注过程的雷诺数，以确保漏注过程为层流。
[0023]本发明所述的光纤预制棒制作设备，其使用过程为，升温高温炉，将包层和芯玻璃料分别在两个坩祸内熔制。预热发热体，待芯与包层玻璃液熔制好以后，活塞下移，将玻璃液漏注至模具内形成预制棒。活塞下移速度决定了漏注速率。通过控制玻璃液的粘度和漏注速率，可控制漏注过程的雷诺数，以确保漏注过程为层流。按照退火温度流程使发热体降温到室温，降下升降底座，取出模具，得到预制棒。可根据需要对预制棒表面进行机械加工，如磨细、抛光等等(由于机械加工的外表面远离芯与包层的界面，不会增加光纤损耗)。
[0024]本发明的技术原理:
[0025]流体流动时，如果流体质点的轨迹是有规则的光滑曲线(最简单的情形是直线)，这种流动叫层流。没有这种性质的流动叫湍流。湍流是流体的不规则运动，流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱的变化。
[0026]流体究意是处于层流还是瑞流，可以根据雷诺数（Reynolds number，简记为Re)来判断：
[0027]Re = P vd/ y (1)
[0028](1)式中，p为流体密度，v为流速，d为流体所处的管的直径，y为流体粘度。
[0029]雷诺数是判别粘性流体流动状态的一个无因次数。雷诺数较小时，粘滞力对流场的影响大于惯性力，流动过程中如果发生小的随机扰动，随着时间的增长扰动会因粘滞力而逐渐衰减下去，因而流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于粘滞力，流体流动不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。在管流中，雷诺数小于2300的流动是层流，雷诺数介于2300?4000时为过渡状态，雷诺数大于4000时的是湍流。
[0030]若通过温度控制玻璃液的粘度，并且控制活塞下移的速度，就可以把雷诺数控制在一个较低的范围内，从而获得良好的层流效果，这样就可以保证良好的芯包层界面。同时，良好的层流效果也可以使芯层和包层玻璃液的均匀性接近于其处在坩祸时的均化状态，使最后获得的预制棒具有很好的光学均匀性。
[0031]与现有技术相比，本发明的有益效果