傳能光纖預(yù)制棒在加熱爐中析晶現(xiàn)象分析

張 勇

(中國電子科技集團(tuán)公司第46研究所 天津300200)

傳能光纖預(yù)制棒在加熱爐中析晶現(xiàn)象分析

張 勇

(中國電子科技集團(tuán)公司第46研究所 天津300200)

在制備傳能光纖時(shí)，需要把摻氟石英玻璃預(yù)制棒放在 1,900～2,200,℃加熱爐中加熱熔化。為保障預(yù)制棒受熱均勻，同時(shí)保護(hù)加熱爐內(nèi)器件不被氧化，需鼓入惰性氣體氬氣。有時(shí)，由于上下爐口敞開較大或氬氣流波動(dòng)，石英預(yù)制棒表面會(huì)出現(xiàn)“析晶”現(xiàn)象，影響傳能光纖的各項(xiàng)參數(shù)。對(duì)析晶現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，可為后續(xù)拉絲工藝改進(jìn)提供參考。

傳能光纖 加熱爐 拉絲 析晶

0 引 言

大芯傳能光纖在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于軍事裝備、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研等領(lǐng)域，在紅外遙感、信號(hào)接收和傳輸、高能激光傳輸、激光告警、核子診斷等方面的應(yīng)用更加普遍。直徑1.05,mm以上的傳能光纖在制備過程中存在諸多問題，其中析晶對(duì)其強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)有一定的影響。針對(duì)析晶問題，本文提出了一些關(guān)鍵要素，可為大芯傳能光纖工藝技術(shù)水平的提高提供參考。

1 析晶現(xiàn)象

傳能光纖預(yù)制棒在加熱爐中的析晶現(xiàn)象主要包括2種，一種受溫度影響，另外一種受氣流影響。

1.1 溫度變化導(dǎo)致的析晶現(xiàn)象

在拉制傳能光纖預(yù)制棒時(shí)，需要把摻氟石英玻璃預(yù)制棒放在石墨爐中進(jìn)行加熱熔化，一般加熱溫度達(dá)到 1,900～2,200 ℃，預(yù)制棒前錐端處于一種由融流變狀態(tài)轉(zhuǎn)換為固態(tài)的階段，這個(gè)過程實(shí)際上是一個(gè)向玻璃態(tài)的變化過程。由于所拉制的光纖直徑較大(大于 0.8,mm)，在拉絲過程中往往會(huì)發(fā)生一些異常斷纖問題，同時(shí)摻氟石英預(yù)制棒的價(jià)格不菲，為了減少摻氟預(yù)制棒的損耗，一般會(huì)選擇把預(yù)制棒提升高度并適量降低石墨爐溫度。

由于需要重新進(jìn)行準(zhǔn)備工作，所以處理這個(gè)異常問題時(shí)間較長(zhǎng)，預(yù)制棒在石墨爐中存留而不拉絲的時(shí)間也會(huì)增加。如果在處理異常問題過程中對(duì)石墨爐的降溫幅度較大，再次升溫進(jìn)行預(yù)制棒熔融拉絲時(shí)可能出現(xiàn)光纖的絲徑變化劇烈，嚴(yán)重影響其強(qiáng)度。對(duì)石墨爐徹底降溫并把預(yù)制棒提出之后，發(fā)現(xiàn)在預(yù)制棒熔融變形區(qū)域產(chǎn)生一片非透明區(qū)域，嚴(yán)重時(shí)這些不透明的物質(zhì)還會(huì)發(fā)生龜裂。這種發(fā)白的物質(zhì)是石英玻璃的結(jié)晶態(tài)。處理異常問題時(shí)降低拉絲爐的溫度，如果恰好處于石英玻璃的析晶溫度，預(yù)制棒就會(huì)從玻璃表面開始結(jié)晶，這就是“析晶現(xiàn)象”，如圖1所示。

圖1 “析晶”現(xiàn)象Fig.1 The Crystallization Phenomenon

1.2 氣流變化導(dǎo)致的析晶現(xiàn)象

在拉制傳能光纖預(yù)制棒時(shí)，由于摻氟石英預(yù)制棒價(jià)格昂貴，為了盡量一次性拉完預(yù)制棒，避免二次墜纖，通常情況下將摻氟石英預(yù)制棒一端接一段直徑與摻氟棒相近的預(yù)制棒，以便摻氟石英棒能一次性消耗完，避免二次浪費(fèi)。同時(shí)，為保障預(yù)制棒受熱均勻，保護(hù)加熱爐內(nèi)器件不被氧化，需鼓入惰性氣體氬氣。其原理是在上下爐口形成氬氣氣簾，避免空氣進(jìn)入爐內(nèi)。如果此時(shí)上爐口的密封性不好，導(dǎo)致上爐口氣簾不穩(wěn)定，也會(huì)產(chǎn)生傳能光纖預(yù)制棒的析晶現(xiàn)象。上爐口的密封性越差，析晶現(xiàn)象越嚴(yán)重。通常情況的析晶現(xiàn)象都是由于上氣簾氣流密封性不好引起的。

2 避免析晶的方法

針對(duì)第1種情況的析晶現(xiàn)象，應(yīng)盡量減小爐內(nèi)的溫度變化，使?fàn)t內(nèi)溫度保持在 1,980 ℃以上進(jìn)行操作，通過對(duì)拉絲速度的控制達(dá)到預(yù)制棒的參數(shù)要求，盡量避免過大的溫度變化。

通常情況，產(chǎn)生析晶現(xiàn)象是由于第 2種情況：拉絲爐內(nèi)部氣流不穩(wěn)定，氣流波動(dòng)大，導(dǎo)致棒錐溫差驟變。因此，保證上氣簾的氣流穩(wěn)定及密封性，可以很大程度地降低析晶現(xiàn)象發(fā)生的概率?？刂坪美z爐上氣簾的氣流密封性，能保護(hù)預(yù)制棒的參數(shù)性能。上氣簾位置如圖2所示：

圖2 上氣簾位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the position of an upper gas curtain

3 結(jié) 論

析晶是石英玻璃的共同特性，在拉絲過程中如果處理不當(dāng)就會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象。在拉制大芯徑傳能光纖時(shí)如果發(fā)生“析晶”，造成的損失是非常嚴(yán)重的，因此要設(shè)法避免純石英摻氟預(yù)制棒發(fā)生析晶的現(xiàn)象。通過對(duì)拉絲工藝的實(shí)驗(yàn)和摸索，減小爐溫的變化，保持爐內(nèi)氣流穩(wěn)定，尤其是上氣流的穩(wěn)定，應(yīng)該能夠有效避免及控制析晶問題，這對(duì)大芯傳能光纖的量產(chǎn)起到關(guān)鍵作用。

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Analysis of the Crystallization Phenomenon of Energy Transfer Optical Fiber Preform in Furnace

ZHANG Yong
(No.46 Research institute of China Electronic Group Corporation，Tianjin 300200，China)

To prepare transmitting energy fibers，fluorine-doped silica glass fiber preform needs to melt in a 1,900 ～2,200 ℃ furnace，and argon，an inert gas，needs to be drummed into the furnace to ensure an even heating of the preform and prevent the device from oxidation．Sometimes，due to a large opening of upper or lower furnace mouth or the turbulence of argon gas，a layer of white substance will form on the surface of the quartz prefabricated rod．The so-called Crystallization Phenomenon will affect parameters of the optic fiber．This paper analyzes causes of the phenomenon to provide some reference to the improvement of the following wire drawing process.

optic fiber；furnace；wire drawing；crystallization

TN20

A

1006-8945(2016)01-0033-02

2015-12-14