專利名稱：由石英玻璃制造光學(xué)元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由石英玻璃制造的光學(xué)元件的方法，其中在垂直方向上提供共軸結(jié)構(gòu)至加熱區(qū)，所述共軸結(jié)構(gòu)包括由具有可抽真空內(nèi)孔的石英玻璃罩管環(huán)繞的芯棒，該共軸結(jié)構(gòu)在加熱區(qū)中逐區(qū)(zonewise)加熱并且形成拉伸球管，經(jīng)拉長而獲得石英玻璃元件。
用于光學(xué)纖維的中間產(chǎn)品(預(yù)成型或者簡單實(shí)心圓筒)形式的光學(xué)元件或本身呈光學(xué)纖維形式的最終產(chǎn)品是通過壓扁和拉長共軸結(jié)構(gòu)而制造的，所述共軸結(jié)構(gòu)由包括石英玻璃芯棒和環(huán)繞芯棒的石英玻璃的外罩管組成。
US 6,460,378 B1公開了上述類型的方法。在該方法中，在拉長過程中，芯棒同時(shí)用垂直排列的內(nèi)罩管和外罩管包覆。芯棒在其上端與石英玻璃夾持器熔合。為了在外罩管的內(nèi)孔中固定芯棒，該罩管在其下端區(qū)域中具有收縮部分。該收縮部分用作夾持環(huán)的支承物，在外罩管垂直定向的條件下，將該夾持環(huán)自上引入到罩管的內(nèi)孔中。夾持環(huán)的外徑小于外罩管的內(nèi)徑，但略大于收縮部分的內(nèi)徑，以便夾持環(huán)在收縮部分的區(qū)域上從上方安置下來。芯棒的圓錐形下端的一部分貫穿夾持環(huán)的中心孔，以便夾持環(huán)形成用于芯棒的中心固定和軸向止動。而且，第一內(nèi)罩管安置在夾持環(huán)上的前側(cè)。
彼此間通過夾持環(huán)固定的石英玻璃元件然后在其上端彼此熔合，抽真空并且在外罩管的內(nèi)孔中保持該真空。為此，石英玻璃環(huán)需要密封內(nèi)外罩管間的間隙，石英玻璃環(huán)還有助于在該結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域內(nèi)彼此地固定該元件。需要附加的加熱工序以熔合上部元件端；這可能難以校正隨后發(fā)生的與所需的幾何形狀間的偏差。
光學(xué)優(yōu)質(zhì)元件的可復(fù)現(xiàn)的生產(chǎn)要求在制造和工藝流程的時(shí)間方面付出相當(dāng)?shù)呐?，以確保精確的共軸結(jié)構(gòu)和芯棒與罩管彼此之間的固定，然后進(jìn)行拉長過程。
然而發(fā)現(xiàn)在拉長過程期間上部芯棒端的固定導(dǎo)向和裝配難以保持(observe)待被抽出的元件的所需幾何形狀。使上部芯棒端能夠在一定程度上移動的裝配可在拉長過程期間的自動定心，所述自動定心需要所要制造的元件有更好的尺寸穩(wěn)定性。然而，這種工藝流程的一個(gè)缺點(diǎn)是呈松態(tài)排列于內(nèi)孔中的芯棒由于其重量造成的在拉長過程期間向下壓并且使拉伸球管軟化石英玻璃塊變形或者甚至使所述石英玻璃塊斷裂。此外，由于向下壓芯棒，與套材料相比，相對富集了芯棒材料，這導(dǎo)致了所謂“b/a比值”(套直徑與芯直徑之比)的變化。這是光學(xué)纖維和預(yù)成型品特別重要的參數(shù)，通常僅允許與所需值有極小的偏差。
盡管在罩管的內(nèi)孔中施加負(fù)壓可以抵消芯棒的下垂，但是當(dāng)大氣壓在外部施加于拉伸球管時(shí)，相對于內(nèi)孔中的壓力出現(xiàn)1巴的最大壓差。取決于芯棒材料的比重和拉伸球管的具體形狀，長度在約3米以上的芯棒就不能在1巴的最大壓差下再被安全地夾持。然而，為了改善制造方法的經(jīng)濟(jì)性，要求使用更長的芯棒。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種簡單和廉價(jià)的方法，其能通過拉長由芯棒和罩管組成的共軸結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)地制造優(yōu)質(zhì)的光學(xué)元件。
依上述方法，本發(fā)明的目的是在內(nèi)孔中使用一種芯棒，所述芯棒包括至少兩個(gè)芯棒段(section)，其松散地一個(gè)排列于另一個(gè)之上，上芯棒段的重量負(fù)載在拉伸球管之上所提供的罩管的夾持或支承部分中。
本發(fā)明方法的特征在以下方面1.能夠使用盡可能長的芯棒而沒有任何明顯的拉伸球管變型和“b/a比值”的變化，該兩個(gè)措施是不可缺少的。一方面，使用縱向分開的芯棒。所述棒在內(nèi)孔段中包括至少兩段(segment)(芯棒段)，一個(gè)排列于另一個(gè)之上，其間可以保持間隙。由此可以在除拉伸球管以外的某一位置，即在罩管上負(fù)載至少一個(gè)上芯棒段的重量。為此，罩管包括拉伸球管之上的夾持或支承部分。上芯棒段被直接或間接支承在支承部分上，或者其直接或間接地懸吊于夾持部分。
芯棒被分成縱向的段。從拉長過程開始起，下芯棒段因此要求其自身固定以防從罩管的內(nèi)孔中的任何落下。
單個(gè)芯棒段的長度尺寸是這樣的，如果夾持或支承部分各自在拉長過程中被熔化，則由于內(nèi)孔中所產(chǎn)生的負(fù)壓而也可以使得芯棒段的重量被安全地夾持。通過將芯棒分成若干段具有其它優(yōu)點(diǎn)。一方面，更短的芯棒段的制造可以比更大的芯棒段更容易和經(jīng)濟(jì)，還可以使用經(jīng)選擇的剩余段(piece)，并且考慮到與理想的圓筒在稱和尺寸公差上的不可避免的偏差，向罩管中插入更短的芯棒段是較容易的并且因而能夠保持較小的間隙。
因?yàn)椴糠中景糁亓控?fù)載在罩管上，在本發(fā)明方法中由芯棒和罩管構(gòu)成的結(jié)構(gòu)可以大體上是由現(xiàn)有技術(shù)中所能實(shí)現(xiàn)的長度的數(shù)倍。
2.此外，芯棒呈松態(tài)排列在罩管的內(nèi)孔中。這意味著芯棒段在某種程度上是可傾斜的或可軸向轉(zhuǎn)動的或者是可橫向移動的，該移動可在拉長過程中實(shí)現(xiàn)自動對心。
在共軸結(jié)構(gòu)中，芯棒由一個(gè)或多個(gè)套管環(huán)繞。罩管是指這種套管，其中上芯棒段的重量最后負(fù)載在該套管上，即該管包括本發(fā)明意義內(nèi)的夾持或支承部分。罩管直接環(huán)繞芯棒，或者將一個(gè)或若干個(gè)其它套管置于罩管和芯棒之間。必要的是該罩管未將其重量置于拉伸球管上。
芯棒排列在罩管的內(nèi)孔中。內(nèi)孔是可抽真空的，真空裝置的連接位置與按本發(fā)明所述的成功與否沒有關(guān)聯(lián)，因此其還可以位于罩管的內(nèi)孔以外。
本發(fā)明的上芯棒段是其重量負(fù)載在罩管的夾持或支承部分上的芯棒段，并且置于其它下芯棒段上面。這是芯棒的最上面的芯棒段或者排列在最上面的芯棒段下面的芯棒段。
本發(fā)明的方法能夠通過使用大長度的芯棒和罩管可復(fù)現(xiàn)地制造尺寸上穩(wěn)定的光學(xué)元件(棒、預(yù)成型品、纖維)并且具有較高的產(chǎn)率。
在本方法的第一優(yōu)選方案中，上芯棒段懸吊于夾持或支承部分。
被懸吊的夾持使得更容易地將上芯棒段的預(yù)定位置保持在內(nèi)孔中。夾持或支承部分通常如此排列在上芯棒段的上端，以使在共軸結(jié)構(gòu)逐區(qū)熔化時(shí)能長時(shí)間保持其夾持功能。
優(yōu)選地，上芯棒段在其上端具有置于罩管的上表面上的凸輥環(huán)。
夾持或支承部分由罩管的上表面形成，上芯棒段間接地經(jīng)由其它元件支承或直接地支承在罩管的上表面上。這里上芯棒段具有夾緊罩管表面的凸輥環(huán)。為了確保在內(nèi)孔中、特別地在芯棒和罩管的環(huán)隙中施加和維持負(fù)壓，凸輥環(huán)宜包括氣體通口。
作為替代方案并且同樣是優(yōu)選的，支承在罩管壁中的夾持體與上芯棒段的上端嚙合。
夾持體與上芯棒段的上端熔合，它被嵌入其中，或者它貫穿芯棒段的孔。重要的是要支承在罩管上。在最簡單的情況下，它是貫穿罩管壁和貫穿芯棒的石英玻璃針。
本方法的兩種方案不需要或僅需要少量對付上芯棒段或罩管的熱變形措施。形成適于石英玻璃針的通道的孔可以在冷態(tài)下發(fā)生(無熱變形)。上芯棒段還可以保持一定的移動自由度，使得能夠在拉長期間可自動對心。
作為懸吊裝配的替代方案或者補(bǔ)充，當(dāng)上芯棒段是支承在夾持或支承部分上時(shí)，其結(jié)果也是有利的。
懸吊裝配的弱點(diǎn)是待夾持在芯棒段中的上端的機(jī)械強(qiáng)度。由于支承裝配，排除了上芯棒段的斷裂。
當(dāng)以罩管內(nèi)孔的頸的形式構(gòu)成夾持或支承部分時(shí)，上芯棒段直接或間接地安置在內(nèi)孔的頸上是有益的。
罩管由一段構(gòu)成，或者它由兩段或更多段罩管段組成。重要的是提供至少一個(gè)罩管內(nèi)孔的頸。該頸用作本發(fā)明中的夾持或支承部分。其結(jié)構(gòu)使上芯棒段直接或間接地經(jīng)由排列在罩管的內(nèi)孔中的其它元件安置于其上。因此，上部芯棒部分的重量經(jīng)由頸負(fù)載在罩管上，以便該重量不作用于在拉長期間逐漸形成的拉伸球管。該頸例如是通過內(nèi)孔的階梯形或圓錐形錐體或者通過凸出罩管壁而進(jìn)入內(nèi)孔的支承體來實(shí)現(xiàn)。下芯棒段或其部分在頸的下面延伸。
在頸的區(qū)域內(nèi)，芯棒被分成上和下芯棒段。雖然上芯棒段被支承在頸上，但是頸可以同時(shí)用作下芯棒段的鄰接以防漂浮，如將在下文中更詳細(xì)地闡述。
本方法方案特別有益的是，其中頸結(jié)構(gòu)成罩管的環(huán)繞內(nèi)卷邊的形式。
環(huán)繞內(nèi)卷邊在機(jī)械上是特別穩(wěn)定的，并且防止直接或間接地安置在其上的芯棒段的滑動。不存在有關(guān)內(nèi)孔密封性的問題。
此外，內(nèi)卷邊可以以特別容易的方式形成，特別是當(dāng)，如在本方法的優(yōu)選方案中，通過對頭焊接管狀段而制造罩管，并且在連接點(diǎn)區(qū)域內(nèi)在焊接期間同時(shí)形成頸(優(yōu)選地以內(nèi)卷邊的形式)。
在本方法的特別優(yōu)選的方案中，上芯棒段直接或間接地安置在下芯棒段上，下芯棒段的重量負(fù)載在夾持或支承部分上。
在這種情況下，夾持和支承段同時(shí)用來裝配或夾持下芯棒段和上芯棒段，這降低了生產(chǎn)成本。上芯棒段直接或間接地安置在下芯棒段上，并且不必為此以特殊的方式處理。
當(dāng)下芯棒段懸吊于夾持或支承部分時(shí)，結(jié)果是特別有利的。
夾持或支承部分例如呈罩管的上表面的形式構(gòu)成，所述罩管由下芯棒段的凸輥環(huán)夾緊，或者下芯棒段懸吊于支承體，所述支承體貫穿罩管壁并且嚙合于下芯棒段的上端。在拉長過程中的結(jié)構(gòu)的逐區(qū)軟化期間，所述部分將僅在以下時(shí)刻軟化下芯棒段是短的并因此下芯棒段的剩余重量是低的。重要的是上芯棒段可以安置在下芯棒段上，而沒有使全部兩個(gè)芯棒段的重量落在拉伸球管上。
在上芯棒段呈松態(tài)排列在罩管的內(nèi)孔中的情況下，“漂浮”會在拉長過程期間發(fā)生。個(gè)芯棒段在與拉伸方向呈相反方向上的向上運(yùn)動意指漂浮。只要當(dāng)前被軟化的芯棒段顯示了低重量和在向上方向的小作用，漂浮就可能出現(xiàn)。這種作用導(dǎo)致在拉伸球管中相對缺少芯棒材料，這同時(shí)導(dǎo)致被抽出的元件在“b/a比值”方面的變化。
為防止這種情況，在本發(fā)明方法中提供了至少一種方法來防止在拉長期間的芯棒段的漂浮。
當(dāng)用于防止漂浮的方法是由內(nèi)孔的頸形成時(shí)，結(jié)果是特別有益的。
在這種情況下，罩管內(nèi)孔的頸同時(shí)用作上芯棒段的支承并且作為防止排列在頸下面的其它芯棒段的漂浮的鄰接，在這種情況下，所述芯棒段完全位于頸的下面。
在本發(fā)明方法的特別優(yōu)選的方案中，共軸結(jié)構(gòu)包括內(nèi)圓筒和外圓筒，所述內(nèi)圓筒環(huán)繞芯棒并且形成具有夾持或支承部分的罩管，而所述外圓筒環(huán)繞內(nèi)圓筒。
在這種情況下，內(nèi)圓筒具有用于上芯棒段的夾持或支承部分，并且它包括其自身的裝配。通常，內(nèi)圓筒的壁厚小于外圓筒的壁厚，這簡化了夾持或支承部分的形成，例如通過玻璃吹制加工。
在這方面，當(dāng)內(nèi)圓筒包括頸時(shí)，結(jié)果是特別有利的。
至少一個(gè)頸，例如以內(nèi)卷邊形式，可更易用較薄壁的內(nèi)圓筒形成，并且同形成外圓筒的情況相比，成本更低，所述外圓筒通常以厚壁的空心圓筒的形式存在。
此外，當(dāng)上芯棒段懸吊于內(nèi)圓筒的夾持或支承部分時(shí)，結(jié)果是有利的。
如以上所述，因此，例如上芯棒段具有夾緊內(nèi)圓筒表面的邊輥環(huán)?；蛘咛峁┝酥辽僖粋€(gè)夾持裝置，其夾持上芯棒段并且被支承在內(nèi)圓筒上。在最簡單的情況中，該夾持裝置是石英玻璃針形式的夾持體，其貫穿內(nèi)圓筒并且貫穿芯棒。
在另一個(gè)其共軸結(jié)構(gòu)包括環(huán)繞芯棒的內(nèi)圓筒和環(huán)繞內(nèi)圓筒的外圓筒的方法中，外圓筒形成具有夾持或支承部分的罩管。
不僅上部芯棒部分的重量負(fù)載在外圓筒上，而且內(nèi)圓筒的重量或其部分也負(fù)載在外圓筒上。
芯棒是用于待制造的光學(xué)元件的芯區(qū)的石英玻璃，就時(shí)間、材料和因而成本而言，其的制造是特別費(fèi)事的。因此在芯棒已被制造后，會改變光學(xué)性質(zhì)或者甚至導(dǎo)致芯棒損失的精加工處理、特別是熱處理必須盡可能地避免。在方法的優(yōu)選方案中，在內(nèi)圓筒中沒有任何棘手處理措施的情況下，可以通過內(nèi)圓筒固定上芯棒段，所述內(nèi)圓筒由至少一個(gè)下縱向段和一個(gè)上縱向段構(gòu)成，所述上縱向段其下端包括窄的內(nèi)孔，上芯棒段被置于窄的內(nèi)孔上。
在本方法中，提供了內(nèi)圓筒，其類似于芯棒由呈松態(tài)疊置的縱向段組成。所述縱向段中的至少之一還用來夾持且固定芯棒段，其中其內(nèi)孔包括頸，所述頸的內(nèi)徑小于安置在頸上的芯棒段的外徑，或者對于經(jīng)由中段在頸上的芯棒的間接支承，所述頸的內(nèi)徑小于所述中段的外徑。內(nèi)孔的頸可易于在通常是薄壁的內(nèi)圓筒中形成。內(nèi)孔的上述頸例如還適于最底下的芯棒段的最初固定。
所討論的縱向段被支承在罩管(外圓筒)的夾持或支承部分上，或者其懸吊于所述位置。
優(yōu)選是夾持或支承部分以外圓筒的內(nèi)孔的頸的形式成形，內(nèi)圓筒的上縱向段以其下端置于所述外圓筒之上。
在這方面，參考上述有關(guān)一般形式的罩管相應(yīng)設(shè)計(jì)的說明，這些同樣地適用于外圓筒上的頸的結(jié)構(gòu)。特別地在外圓筒上形成頸的優(yōu)點(diǎn)是，在最簡單的情況下，芯棒和內(nèi)圓筒都不需要任何機(jī)械處理或者玻璃吹制加工。
在特別合適的實(shí)施方案中，上芯棒段被固定在內(nèi)圓筒中，所述內(nèi)圓筒在其上端包括夾緊夾持或支承部分的凸輥環(huán)。
內(nèi)圓筒作為一個(gè)部件制造或者由多個(gè)縱向段組成。無論如何，環(huán)繞上芯棒段的內(nèi)圓筒部分包括具有邊輥環(huán)的上端，所述邊輥環(huán)夾緊形成在外圓筒上的夾持或支承部分，例如呈外圓筒上表面的形式。上芯(棒)被夾持在內(nèi)圓筒中。其重量因而經(jīng)由內(nèi)圓筒間接地傳送到外圓筒。上芯棒段被固定在內(nèi)圓筒中，例如通過以上措施(內(nèi)圓筒內(nèi)孔的頸、裝在貫穿內(nèi)孔的支承體上或者懸吊于該支承體，向上芯棒段的末端提供夾緊內(nèi)圓筒的邊輥環(huán))。內(nèi)圓筒的邊輥環(huán)有利地這樣結(jié)構(gòu)，使得其不妨礙在內(nèi)圓筒和外圓筒間的環(huán)形間隙中施加和維持負(fù)壓。
開始，必須防止下芯棒段從罩管的內(nèi)孔中脫落。一旦由于在拉長過程期間的軟化而不再需要相應(yīng)的夾持功能時(shí)，共軸結(jié)構(gòu)(或其余)的下芯棒段的重量將置于拉伸球管上。
優(yōu)選地，下芯棒段的重量負(fù)載于除夾持或支承部分以外的某一位置。
本方法的這種方案的優(yōu)點(diǎn)是，下和上芯棒段的重量負(fù)載在不同位置，以使相應(yīng)的夾持單元緊湊并且降低了由于很大重量造成的斷裂的危險(xiǎn)。
作為一種替代方案并且同樣優(yōu)選的是下芯棒段的重量負(fù)載在夾持或支承部分上。
本方法的這種方案的優(yōu)點(diǎn)是夾持單元的數(shù)量少和因而共軸結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)成本是低的。
此外，作為以上更詳細(xì)說明的方法的全部方案的補(bǔ)充，當(dāng)石英玻璃的中段(上芯棒段置于其上)排列在罩管的夾持或支承部分時(shí)，結(jié)果是特別有益的。
在夾持或支承部分的周圍區(qū)域中，共軸結(jié)構(gòu)的幾何形狀可以在軸向上是不規(guī)則的，并且此外可以與理想圓柱對稱有某種偏差。結(jié)果，該部分不適于制造優(yōu)質(zhì)光學(xué)元件并通常遭到拒絕。因?yàn)樾景籼貏e地由優(yōu)質(zhì)石英玻璃構(gòu)成，相關(guān)芯棒部分在所述部分中被以中段形式的較廉價(jià)的石英玻璃所代替。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，這同樣適用于內(nèi)圓筒，其中夾持或支承部分在外圓筒上。此外，中段可以具有適于上芯棒段的補(bǔ)充夾持或支承功能，并且必要時(shí)承擔(dān)內(nèi)圓筒的上述功能，因此簡化了夾持或支承部分的形成。作為例子應(yīng)當(dāng)提及的頸上的中段，并且在中段上支承有上芯棒段和內(nèi)圓筒。
為了確保在內(nèi)孔中施加和維持負(fù)壓，中段有利地具有氣體通口。
的確本發(fā)明方法要盡力形成罩管中合適的夾持或支承部分或者上芯棒段的合適結(jié)構(gòu)。然而，如果罩管的長度大于4米的話，這些額外努力通過產(chǎn)率的提高而得以補(bǔ)償。芯棒具有相當(dāng)大的長度。
參考實(shí)施方案和附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明的方法。附圖是示意圖，其中

圖1是用于實(shí)施本發(fā)明方法的共軸結(jié)構(gòu)的實(shí)施方案的總圖，所述共軸結(jié)構(gòu)由芯棒、內(nèi)套管和外套管組成；圖2是上芯棒段的圖1的放大詳圖，所述上芯棒段裝配在外套管的內(nèi)卷邊上；圖3是圖2所示裝配的第一改型；圖4是圖2所示裝配的其它改型；圖5是上芯棒段在下芯棒段上的支承裝配，所述下芯棒段被固定到單獨(dú)被夾持的內(nèi)套管上；圖6是在單獨(dú)被夾持的內(nèi)套管中裝配上芯棒段的其它實(shí)施方案；和圖7是在具有邊輥環(huán)的內(nèi)套管中裝配上芯棒段的實(shí)施方案。
圖1顯示由芯棒1、內(nèi)套管2和外套管3組成的石英玻璃結(jié)構(gòu)。所述元件的縱軸各自在與整體結(jié)構(gòu)的垂直定向的中心軸4呈共軸方向延伸。
芯棒1由高純度人造石英玻璃構(gòu)成并且包括上芯棒段1a和與其分離的下芯棒段1b。根據(jù)所謂的OVD方法，通過沉積SiO2顆粒制得芯棒段1a、1b，各自具有芯/套結(jié)構(gòu)。這意味著，當(dāng)在徑向上觀察時(shí)，其具有不均一的折射率分布。在內(nèi)套管2的內(nèi)孔中，芯棒段1a、1b以空間隔開的關(guān)系呈松態(tài)一個(gè)堆疊在另一個(gè)上。芯棒段的長度都約為3米，其外徑約為38mm，使得內(nèi)環(huán)形間隙5在套管2和芯棒1間的間隙寬度為約1mm。
直接環(huán)繞芯棒1的內(nèi)套管2由高純度石英玻璃構(gòu)成，其根據(jù)所謂的OVD方法由外部沉積獲得。它包括上段2a和下段2b。各段在外套管3的內(nèi)孔中在軸向(中心軸4)上彼此分開并且呈松態(tài)一個(gè)堆疊在另一個(gè)上。各套管段2a和2b的長度分別相當(dāng)于嵌入其中的芯棒段1a和1b的長度，并因而在各自實(shí)施方案中也為約3米。套管段2a、2b的內(nèi)徑是40mm和它們的外徑是52mm。
環(huán)繞內(nèi)套管2同時(shí)留有外環(huán)隙7的外套管3由人造石英玻璃構(gòu)成。它由兩個(gè)彼此對頭焊接的圓柱形構(gòu)件3a、3b組成。在連接點(diǎn)處，形成環(huán)繞卷邊6(以下稱為“內(nèi)卷邊6”)，其延伸進(jìn)外環(huán)隙7約3mm。在焊接圓柱形構(gòu)件3a、3b期間形成內(nèi)卷邊6，其中面對連接點(diǎn)的兩個(gè)圓柱形構(gòu)件3a、3b的區(qū)域被軟化，并且在兩圓柱形構(gòu)件3a、3b被直接壓在一起前，借助于石墨工具使圓柱形構(gòu)件中的一個(gè)的內(nèi)緣向內(nèi)彎曲。外套管的外徑是195mm。在內(nèi)卷邊6的區(qū)域內(nèi)，內(nèi)徑約為48mm，否則約54mm。
具有通孔10的石英玻璃的上間隔盤9直接置于內(nèi)卷邊6上。上間隔盤9的外徑為52mm，厚為20mm。通孔10沿繞中心軸4的半徑延伸，其半徑大致相應(yīng)于內(nèi)環(huán)隙5的中心半徑。上芯棒段1a和上套管段2a位于在上間隔盤9上。因此，其重量經(jīng)由上間隔盤9傳送到內(nèi)卷邊6并因而傳送到外套管3。
石英玻璃的下間隔盤11具有相當(dāng)于上間隔盤9的幾何形狀，其在內(nèi)卷邊6的底部延伸。下間隔盤11定位于下芯棒段1b和下套管段2b的上表面上。通過使內(nèi)孔閉合的石英玻璃板12來防止這些元件從外套管3的內(nèi)孔中脫落，該板又用貫穿板12并且在穿過外套管3的壁兩側(cè)的銷釘13固定。
由較差質(zhì)量石英玻璃構(gòu)成的夾持圓柱14熔合到外套管3的上表面端。夾持圓柱14具有環(huán)繞的矩形凹槽15并用作夾具的接收器(未示于附圖中)，通過所述夾具外套管3被夾持和移動。該夾具是裝在萬向支架上的，使得外套管3可在拉伸方向(指向箭頭16)的橫向方向裝配的萬向支架附近軸向轉(zhuǎn)動，這有助于在拉長過程期間自動對心。
夾持圓柱14的上端用蓋17封閉，氣體管線18通過蓋17，經(jīng)由氣體管線18，外套管3的內(nèi)孔和同樣內(nèi)套管2的內(nèi)孔是可抽真空的，并且通過氣體管線18可以引入吹掃氣。
另一石英玻璃板19置于上芯棒段1a和上套管段2a的上表面上。石英玻璃板19還包括用于將真空通過其傳到內(nèi)套管2的內(nèi)孔上的孔。防止上芯棒段1a在拉長過程期間漂浮的支承棒20在石英玻璃板19和蓋17間延伸。
在圖2至8的范圍內(nèi)，使用與圖1相同的附圖標(biāo)號，這些將表示為通過實(shí)例并參考結(jié)構(gòu)說明如上所述的結(jié)構(gòu)上同一或等同的元件和部件。
圖2示出尺寸放大了的圖1的區(qū)域A。間隔盤9和11的外徑大致相當(dāng)于內(nèi)套管2的外徑，以便其上下段可以被支承在各自的間隔盤9和11上。另一方面，間隔盤9和11的直徑大于在內(nèi)卷邊6的區(qū)域內(nèi)的內(nèi)孔的內(nèi)徑，以使間隔盤9和11分別自上和自下安置在內(nèi)卷邊上。
圖3和4示出用于通過在外套管3的內(nèi)卷邊6的支承在區(qū)域A中固定上芯棒段1a的替換實(shí)施方案。
在根據(jù)圖3的實(shí)施方案中，內(nèi)套管2的上段2a具有向下成錐形的錐體下端30，形成開口寬度約25mm的內(nèi)套管2的內(nèi)孔的頸。上芯棒段1a安置在所述頸上。這里可以省略間隔盤中的一個(gè)，使得同圖2的實(shí)施方案相比，芯棒段1a、1b間的距離較小。然而，內(nèi)套管2a的圓錐形下端30可以在這里延伸至低于內(nèi)卷邊6的位置，使得間隔環(huán)31可用于防止同間隔盤11的接觸。
在根據(jù)圖4的實(shí)施方案中，可以省略兩個(gè)間隔盤。同樣在這種情況下，內(nèi)套管2的上段2a具有向下成錐形的錐體下端40，形成開口寬度約25mm的內(nèi)套管2的內(nèi)孔5的頸40，而上芯棒段1a安置在所述頸上。內(nèi)套管2的下段2b包括具有向外取向的輥環(huán)41的上端，所述輥環(huán)41夾緊內(nèi)卷邊6。
在全部上述本發(fā)明的實(shí)施方案中，上芯棒段1a和內(nèi)套管2的上段2a的重量直接或間接地經(jīng)由內(nèi)卷邊6負(fù)載在外套管3上。
為了防止芯棒1a、1b和內(nèi)套管50在拉長過程期間漂浮，提供了如圖1所示實(shí)施方案中的類似裝置。所述裝置包括蓋17，其牢固地連接到夾持圓柱14。支承棒20在蓋17和位于上芯棒段1a上的支承盤19間延伸。經(jīng)由通過蓋17的氣體管線，至少環(huán)形間隙5是可抽真空的。
圖5顯示了本發(fā)明方法相似的實(shí)施方案，然而其中，上芯棒段1a的重量負(fù)載在內(nèi)套管2上。
內(nèi)套管52和外套管53各自長度為6米并且被焊接在一起，自長度為3米的段上沒有任何明顯的接縫。下芯棒段1b的上端具有通孔，石英玻璃銷釘54穿過通孔延伸，借此所述芯棒段1b被夾持懸吊以在某種程度上在內(nèi)套管52的壁上是可軸向轉(zhuǎn)動和可替換的。芯棒段1b的孔可以在冷態(tài)中形成(無熱變形)。
上芯棒段1a直接安置在下芯棒段1b的上表面上。接觸點(diǎn)在圖5中用附圖標(biāo)號55表示。這里可以省略間隔盤。通過單獨(dú)的夾持器來支承內(nèi)套管52(未示于圖5中)。為防止在拉長過程期間上芯棒段1a的漂浮，如圖1中所示的實(shí)施方案，提供了類似裝置，其中上芯棒段1a經(jīng)由支承盤和支承棒安置在閉合蓋上。
圖6和7示意地顯示了本發(fā)明的其他實(shí)施方案，其中上芯棒段1a的重量負(fù)載在內(nèi)套管2上。
在根據(jù)圖6的實(shí)施方案中，外套管3和內(nèi)套管60各自對頭連接在一起，自兩個(gè)長度為3米的段上沒有任何明顯的接縫。內(nèi)套管60在大致其中心處具有錐體61，上芯棒段1a置于錐體61上。在連接套管段期間形成錐體61。下芯棒段1b在錐體61的下面延伸，在芯棒段1a、1b之間保持窄間隙63。通過與外套管3分開的石英玻璃的夾持器62(和作用于其上并且裝配在萬向支架上的夾具)來夾持內(nèi)套管60。為此，石英玻璃夾持器62熔合到內(nèi)套管60的上端。
與圖6不同，根據(jù)圖7的實(shí)施方案示出上芯棒段1a懸吊裝配在內(nèi)套管70上。所述管還被制造成一體部件，自兩個(gè)長度為3米的連接段上沒有任何明顯的接縫，通過熔合到其上表面的石英玻璃的夾持器71(和通過作用于其上的夾具)將所述管夾持。通過石英玻璃銷釘72實(shí)現(xiàn)上芯棒段1a的懸吊裝配，所述石英玻璃銷釘72在內(nèi)套管70的上端延伸穿過其壁和芯棒段1a的上端。為此，在冷態(tài)中上芯棒段1a具有裝配孔，確保一定的繞銷釘軸的樞轉(zhuǎn)性。下芯棒段1b安置在另一石英玻璃銷釘74上，所述石英玻璃銷釘74在內(nèi)套管70的下端延伸穿過其壁。小間隙73保持在芯棒段1a、1b之間。通過外套管3確保內(nèi)套管70的內(nèi)孔的真空密封性。
在根據(jù)圖8的本發(fā)明實(shí)施方案中，內(nèi)套管的上段2a具有上端，其具有邊輥環(huán)80，所述邊輥環(huán)80安置在外套管83的上表面86上。此外，內(nèi)套管的上段2a的下端具有錐體81，上芯棒段1a被置于錐體81上。上芯棒段1a的重量因而經(jīng)由內(nèi)套管2負(fù)載在外套管83的上表面86上。安置在下套管段2b的頸85上的下芯棒段1b排列在上芯棒段1a的下面。外套管83的下端向下逐漸減小成圓錐形。下套管段2b與固定在其中的下芯棒段1b一起安置在所述錐體84上。
為了防止芯棒1a、1b和內(nèi)套管2a、2b在拉長過程期間漂浮，提供了如圖1所示實(shí)施方案中的類似裝置。所述裝置包括蓋17，其牢固地與夾持圓柱14和支承棒20熔合。支承棒20支承在具有通孔的支承板19上，其被置于上芯棒段1a和邊輥環(huán)80上。經(jīng)由導(dǎo)向穿過蓋17的氣體管線，外套管83的內(nèi)孔是可抽真空的。
現(xiàn)將參考圖1更詳細(xì)地說明代表本發(fā)明方法且用于制造光學(xué)纖維的程序。
首先根據(jù)OVD方法制造芯棒段2。為此，通過軸向沉積中心GeO2-摻雜的芯層和環(huán)繞其的無摻雜的SiO2層而在旋轉(zhuǎn)支承體上制造炭黑(soot)體，該炭黑體隨后在含氯大氣中進(jìn)行脫水處理并且在溫度約1350℃下在玻璃化熔爐中玻璃化，以便獲得外徑38mm和所需折射率分布的芯棒2。在待制造的外徑為125μm的光學(xué)纖維中，芯棒1的芯形成直徑約8.5μm的芯區(qū)。
作為以上所述根據(jù)OVD方法的芯棒生產(chǎn)方法的替換方案，也可以根據(jù)已知的MCVD、VAD、PCVD或FCVD(熔爐化學(xué)蒸氣沉積)方法來制造。
以套管2和3的形式提供用于形成纖維的外罩玻璃層的其它套材料，所述套管2和3在纖維拉伸期間被直接地壓扁到芯棒1上。借助于標(biāo)準(zhǔn)OVD方法，制造未添加摻雜物的套管段2a、2b、3a和3b。
外套管的段3a和3b經(jīng)彼此熔合，借助于模塑工具制造內(nèi)卷邊6。此外，將夾持器14熔合到外套管3的上端。
具有內(nèi)卷邊6的外套管3的內(nèi)孔自上用上間隔盤9、上套管段2a和上芯棒段1a填充。內(nèi)孔隨后自下在內(nèi)卷邊6的下面用相應(yīng)的元件(11、2b、1b和12)填充，并且這些由銷釘13固定，使得它們不能落下。
在本方法中，外套管3通過嚙合到圓周槽11中的夾具來夾緊，隨后呈垂直方向從下端開始向環(huán)形爐中提供全部共軸結(jié)構(gòu)(芯棒1、內(nèi)套管2和外套管3)，在其中逐區(qū)加熱至溫度約2050℃，光學(xué)纖維從軟化區(qū)域中抽出。只要該結(jié)構(gòu)下端沒有軟化和壓扁，就經(jīng)由氣體管線18引入氮?dú)獾拇祾邭饬鳎鰵饬鞣乐闺s質(zhì)滲透到外套管3的內(nèi)孔中。
一旦該結(jié)構(gòu)的下部已經(jīng)壓扁，經(jīng)由氣體管線18在套管2、3的內(nèi)孔中產(chǎn)生并維持約1000毫巴的負(fù)壓。由于從軟化區(qū)域中抽出玻璃物質(zhì)，在共軸結(jié)構(gòu)的下端形成拉伸球管。在拉伸過程開始時(shí)，經(jīng)由間隔盤9，將上套管段2a和上芯棒段1a置于內(nèi)卷邊6上，并因而沒有對拉伸球管施加任何負(fù)載。長度為3米的下芯棒段2b的重量可以由套管2、3的內(nèi)孔中的真空承擔(dān)。
外徑為125μm的光學(xué)纖維從該結(jié)構(gòu)的軟化和壓扁區(qū)域中抽出。以類似方式還可以制造光學(xué)纖維的預(yù)成型體。
權(quán)利要求
1.一種制造由石英玻璃制成的光學(xué)元件的方法，其中在垂直方向上提供共軸結(jié)構(gòu)至加熱區(qū)，所述共軸結(jié)構(gòu)包括由包括可抽真空內(nèi)孔的石英玻璃罩管(2)環(huán)繞的芯棒(1)，該共軸結(jié)構(gòu)在加熱區(qū)中逐區(qū)加熱并且形成拉伸球管，經(jīng)拉長而獲得石英玻璃元件，其特征為在內(nèi)孔(5、7)中使用芯棒(1、1a、1b)，所述芯棒(1、1a、1b)由至少兩個(gè)芯棒段(1a、1b)組成，其呈松態(tài)一個(gè)排列于另一個(gè)之上，上芯棒段(1a)的重量負(fù)載在拉伸球管之上所提供的罩管(2、2a、2b、3、3a、3b)的夾持或支承部分(6、54、61、72、86)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征為上芯棒段(1a)懸吊于夾持或支承部分(72)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征為上芯棒段在其上端具有安置在罩管的上表面上的邊輥環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征為支承在罩管(2、2a、2b、3、3a、3b)壁中的夾持體(72)嚙合上芯棒段(1a)的上端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征為上芯棒段(1a)支承在夾持或支承部分(6、54、61、86)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征為夾持或支承部分成形為罩管的內(nèi)孔(5、7)的頸(6、61)的形式，而且上芯棒段(1a)直接或間接地安置在內(nèi)孔(5、7)的頸(6、61)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征為頸結(jié)構(gòu)成罩管(2、2a、2b、3、3a、3b)的環(huán)繞內(nèi)卷邊(6)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，其特征為罩管(2、2a、2b、3、3a、3b)通過對頭焊接管段而制造，在焊接過程期間同時(shí)在連接區(qū)域內(nèi)形成頸(6、61)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征為上芯棒段(1a)直接或間接地安置在下芯棒段(1b)上，下芯棒段(1b)的重量負(fù)載在夾持或支承部分(54)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征為下芯棒段(1b)懸吊于支持或支承部分(54)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征為提供裝置(6、61、72、19、20、17)以防止芯棒段(1a、1b)在拉長過程期間漂浮。
12.根據(jù)權(quán)利要求11和權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)的方法，其特征為用于防止漂浮的裝置是由內(nèi)孔(5、7)的頸(6、61)形成的。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征為共軸結(jié)構(gòu)包括內(nèi)圓筒(2、2a、2b)和外圓筒(3、3a、3b)，所述內(nèi)圓筒(2、2a、2b)環(huán)繞芯棒(1、1a、1b)并且形成具有夾持或支承部分(54、61、72)的罩管，而所述外圓筒(3、3a、3b)環(huán)繞內(nèi)圓筒(2、2a、2b)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征為夾持或支承部分(61)以內(nèi)圓筒孔的頸的形式形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12或13和權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)的方法，其特征為上芯棒段(1a)懸吊于內(nèi)圓筒的夾持或支承部分(52、72)。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)的方法，其特征為共軸結(jié)構(gòu)包括內(nèi)圓筒(2、2a、2b)和外圓筒(3、3a、3b)，所述內(nèi)圓筒(2、2a、2b)環(huán)繞芯棒(1、1a、1b)，形成具有夾持或支承部分(6、86)的罩管，而所述外圓筒(3a、3a、3b)環(huán)繞所述內(nèi)圓筒(2、2a、2b)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其特征為內(nèi)圓筒(2、2a、2b)由至少一個(gè)下縱向段(2b)和上縱向段(2a)組成，所述上縱向段(2a)在其下端具有狹窄內(nèi)孔(7)，上芯棒段(1a)置于所述狹窄內(nèi)孔(7)上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征為夾持或支承部分以外圓筒(3、3a、3b)的內(nèi)孔(7)的頸(6、72)的形狀形成，上縱向段(2a)以其下端置于所述外圓筒(3、3a、3b)之上。
19.根據(jù)權(quán)利要求16或17的方法，其特征為上芯棒段(1a)被固定在內(nèi)圓筒(2、2a、2b)中，所述內(nèi)圓筒(2、2a、2b)在其上端具有邊輥環(huán)(80)，所述邊輥環(huán)(80)夾緊夾持或支承部分(86)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至8或11至19中任一項(xiàng)的方法，其特征為下芯棒段(1b)的重量負(fù)載于不同于支持或支承部分(6、54、61、72、86)的某一位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求5至14或16至19中任一項(xiàng)的方法，其特征為下芯棒段(1b)的重量負(fù)載在支持或支承部分(6、54、61、72、86)上。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征為在夾持或支承部分(6)的區(qū)域內(nèi)，石英玻璃的中段(9、11)排列于罩管(2、2a、2b、3、3a、3b)內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其特征為中段(9、11)具有氣體通口(10)。
24.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征為罩管(2、2a、2b、3、3a、3b)的長度大于4米。
全文摘要
在用于生產(chǎn)由石英玻璃制成的光學(xué)元件的常規(guī)方法中，在垂直方向上將共軸結(jié)構(gòu)引入加熱區(qū)，所述共軸結(jié)構(gòu)具有由包括可抽真空內(nèi)孔的石英玻璃罩管環(huán)繞的芯棒，該共軸結(jié)構(gòu)在其中按段加熱并且形成拉伸球管，被拉長而獲得石英玻璃元件。根據(jù)本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)基于以上的簡單和廉價(jià)的方法，該方法能夠通過拉長芯棒和罩管的共軸結(jié)構(gòu)而很經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)光學(xué)元件，其中使用了芯棒，在內(nèi)孔中包括至少兩個(gè)分開的芯棒，一個(gè)排列于另一個(gè)之上，并且上芯棒段的重量由拉伸球管之上提供的罩管的裝配或支承區(qū)域承擔(dān)。
文檔編號C03B37/012GK1976879SQ200580019071
公開日2007年6月6日 申請日期2005年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月11日
發(fā)明者R·薩特曼 申請人:赫羅伊斯·坦尼沃有限責(zé)任公司