專利名稱：拉伸和收縮石英玻璃坯體的方法
技術領域：
本發明涉及一種通過拉伸同軸組合體以制備石英玻璃光學構件的方法，該同軸組合體包括具有內孔的可機械加工到最終尺寸的石英玻璃空心圓柱體和在所述內孔中安置的芯桿，該同軸組合體以預定的送料送入加熱區，并在其中按區段軟化和由軟化區拉出光學構件，這時在芯桿和空心圓柱體之間存在的環隙收縮。
此外，本發明還涉及一種包括芯體和包封該芯體的殼的光學構件。
通過收縮和拉伸由芯桿和至少一層殼管組成的同軸組合體通常可制備光學纖維的坯體。也已知在該纖維拉伸時殼管會收縮到芯桿上，該最后提到的方法稱為“ODD法”(Overclad-During-Drawing，拉伸包殼法)。
在EP-A 598349中描述了用于制備適于光學纖維的大容積坯體的厚壁石英玻璃圓柱體。該厚壁圓柱體在拉伸時收縮到芯桿上。這種方法稱為“RIC法”(Rod-In-Cylinder，圓柱體包桿法)。為制備石英玻璃圓柱體提出了多種處理方法。其中一種處理方法是制備圓柱形的石英玻璃坯體，用空心鉆對坯體進行機械鉆孔或對坯體進行熱鍛加工，以產生孔。在第二種處理方法情況下，按已知的0VD法在耐熱的載體上淀積出多孔硅酸煙黑，接著去除該載體，并對所得的煙黑體進行脫水和使其玻璃化。
由DE10214029 A1已知開頭所提及類別的方法和光學纖維。其中描述了一種方法，該方法中首先制備由合成的石英玻璃制成的管，這時通過SiCl4的火焰水解制備煙黑體，該煙黑體經玻璃化成石英玻璃塊，接著該石英玻璃塊經空心鉆打孔。為了所得管的精密整飾工序，建議用搪磨機對管內壁進行后加工，并接著應用細度等級為#800的磨料拋光。為消除表面張力和通過表面加工除去缺陷，對經加工過的管進行氫氟酸浸蝕處理。
此外，制備所謂的芯桿，其具有由以二氧化鍺摻雜的SiO2組成的芯體區和由未經摻雜的SiO2組成的包封該芯體區的殼區。
為制備光學纖維，將玻璃芯桿插入石英玻璃空心圓柱體的內孔中，并將其固定于其中以形成同軸組合體。將該組合體以其下瑞開始按給定的送料速度由上面送入電加熱的纖維拉伸爐中，在爐中經加熱到約2180℃，并進行按區段軟化。以給定的拉伸速度由軟化區拉出外徑為125μm的光學纖維。當由石英玻璃空心圓柱體和芯桿組成的復合體在爐中軟化時，在芯桿和石英玻璃空心圓柱體之間的環隙閉合，這時在空隙中保持負壓。
從US 4820322 A中已知一種類似的方法以在拉伸相應的同軸組合體下用于制備光學纖維或用于以殼管包封芯桿。該方法中制備具有給定光學特性和幾何尺寸的芯桿和玻璃殼管，并將芯桿插入殼管的內孔中，其保留的環隙應盡可能小。接著將由芯桿和殼管組成的復合體在環狀加熱裝置中按區段軟化，這時在環隙中保持負壓。出于經濟的原因力求盡可能快的收縮，因此該負壓應可達約7cm/min。
已表明，按已知的方法制備的坯體在芯桿和空心圓柱體之間的界面上常含有氣泡。由這種坯體拉制的纖維也常具有差的品質。特別是要注意沿芯體和殼之間的界面拉長的氣泡，該氣泡會導致差的纖維強度和特別是在拼接纖維時會引起問題。
本發明的目的在于提供一種經濟的方法，借此方法通過收縮和拉伸由空心圓柱體和芯桿組成的同軸組合體可制備光學構件，該構件的特征是在拉制纖維時破損率低。
此外，本發明的目的還在于提供一種按該方法制備的具有高品質的光學構件，特別是在其芯桿和空心圓柱體之間的界面上無缺陷的光學構件。
鑒于該方法，本發明的目的是如此實現的，即使與空心圓柱體的外徑D[單位mm]相關的送料V[單位mm/min]保持在滿足下列的限定規則的區間內Vmin＝3000×(2/D)2和Vmax＝16000×(2/D)2RIC方法的結果是一種呈纖維或坯體形式的光學構件，在該構件中起初存在的環隙已收縮和閉合。該送料(下面也稱為“送料速度”)決定了收縮過程的速度。已表明，特別是在由經濟原因而常力求的快速收縮過程的情況下，在空心圓柱體和玻璃芯桿之間的界面上產生差的品質。因此按本發明，在同軸組合體的收縮和拉伸時的送料速度可選擇成足夠慢。這有利于空心圓柱體的內表面在與芯桿相遇前可充分熔融。由此經機械加工到最終尺寸的空心圓柱體的表面被磨光。另一方面不僅從經濟角度考慮不利于慢速進行收縮過程，而且還已表明，在長時間的收縮過程中會發生芯桿和空心圓柱體的變形并從而導致由此制備的構件會出現幾何誤差。
因此按上述限定規則給定的適于送料的范圍的特征一方面在于具有一個下限(最小的送料Vmin)，低于此值時由于太慢的收縮過程會產生該組合體的明顯塑性變形，另一方面在于通過一個足夠低的上限(最大的送料Vmax)確保與空心圓柱體的外徑有關的該空心圓柱體的內壁有足夠的熔融，并且該上限包括與現有技術相比的特別低的送料速度。
要求盡可能低的送料速度是歸因于空心圓柱體的機械整飾工序，這在下面將詳細闡明。
至今對于在RIC方法中應用的空心圓柱體的適宜性的決定性準則是源自于其內壁范圍的表面粗糙度。因此該機械加工的結果常用粗糙度描述，如在EP 0309027 A1中所述，其中描述了一種為制備光學單模纖維的在大體積坯體中應用的石英玻璃圓柱體的制備。
但已表明，這種觀點僅不充分地描述了實際情況。當應用具有特別小的粗糙度的空心圓柱體時，按RIC方法制備的坯體在其芯桿和空心圓柱體之間的界面上也出現開頭所提及的氣泡。在該空心圓柱體的內壁粗糙度與按RIC方法所制得的坯體中所得的界面的品質或由此所拉制的纖維的品質之間的明確相關性不能予以證實。
通過機械加工(特別是鉆孔、搪磨和研磨)，在應用已知的搪磨工藝和研磨工藝和適用于此的商業上通用的設備條件下，可制備外徑大于100mm和長為2m或更長的完全呈具有準確圓形截面和小尺寸偏差在1/100mm范圍內直圓柱體形式的石英玻璃坯體。然而實驗已經表明，由于空心圓柱體的機械加工，在近表面區域不可避免地會產生裂紋(皮下裂紋)，該裂紋是封閉的，用通常的粗糙度測量方法不可發現。按現有技術，該空心圓柱體在應用前直接用氫氟酸凈化，這時打開了皮下的裂紋。該通過酸凈化而展寬的裂紋在接著的收縮過程中會在芯桿和空心圓柱體之間的界面范圍導致缺陷。
這種裂紋的深度驚人地大，甚至當經預先的磨蝕工藝所產生的受損層通過其后的加工階段而逐漸縮小和在最后的加工階段在表面上施以小的力和施以小的磨蝕時也是這樣。
經機械加工的空心圓柱體的這類表面缺陷在本發明方法中通過將送料按上述限定規則調節到低于給定的最大送料速度Vmax的值來加以消除。由此確保該經機械加工的表面有足夠的熔融時間，以使存在的裂紋閉合。
適于空心圓柱體的內表面熔融的合適送料與空心圓柱體的壁厚或要加熱透的總體積有關，該體積在徑向橫截面中由芯桿加上空心圓柱體的壁組成。在適于送料的合適范圍呈一級近似地按空心圓柱體的外徑推算的上述公式中，由于簡化而忽略了芯桿和空心圓柱體之間所保留的環隙。在考慮物理單位時上述限定規則表示為Vmin[mm/min]＝3000[mm3/min]×(2/D)2[mm-2]和Vmax[mm/min]＝16000[mm3/min]×(2/D)2[mm-2]下面所引用公式的參數也以此物理單位為基礎，當由于簡化而略去這些參數時也是如此。
如果該送料低于給定的最小送料速度Vmin，則會發生不容許的幾何變形。
本發明意義上的經機械加工到最終尺寸的圓柱體也是指其內表面經機械加工到最終尺寸且其任選地通過化學處理(經浸蝕)而被凈化的圓柱體，因為浸蝕過程不改變該空心圓柱體的最終幾何形狀(例如在橫截面中的曲率或橢圓率)。
本發明方法并不排除該芯桿除用以機械加工到最終尺寸的空心圓柱體外再用其它殼管包封，這時優選的殼管也是經機械加工到最終尺寸的殼管。
本發明的優選實施方案由從屬權利要求給出。
按本發明，該送料盡可能調小，但按要求也要大到能避免空心圓柱體和芯桿變形。鑒于這點，經證實特別有利的是該最大送料速度Vmax按如下限定規則調節Vmax＝8000×(2/D)2在本發明的一個特別優選的實施方案變型中，使用外徑D至少為150mm的空心圓柱體，這時將送料調至小于2.5mm/min，優選小于1.5mm/min。
通過使用外徑為至少150mm的大體積空心圓柱體，產生了成本上的優點和尺寸的穩定性提高。該成本上的優點是基于較大體積和由此產生的較大坯體長度或纖維長度，以致可實現低成本的批量生產。尺寸穩定性的提高是由于在拉伸時該空心圓柱體與理想的圓柱體對稱性的偏差按比例縮小到較小構件的直徑，從而比在較小的按比例減少時起到較小的決定作用。但在使用這類空心圓柱體時，在芯桿和空心圓柱體之間形成高品質表面的前提是在最大為2.5mm/min，優選低于1.5mm/min的慢送料條件下進行收縮。
一種特別適用的變型方案是該空心圓柱體的經機械加工包括研磨內孔的內壁并接著進行浸蝕處理，經研磨后所保留的皮下裂紋的裂紋深度達最大2mm。
通過研磨(也包括搪磨)而對內孔的內壁進行機械加工產生不可避免的裂紋。該裂紋深度可通過重復的研磨步驟、搪磨步驟和拋光步驟逐步減少，但它隨之造成大量的時間耗費和材料耗費。而本發明方法容許這類裂紋，只要該裂紋深度小于2mm，由此使得可應用由于內壁經較少耗費的機械加工而以相對較低成本制備的空心圓柱體。
關于芯桿和空心圓柱體之間的環隙寬度，兩種不同的措施證明是有利的。
在第一種變型方案中，芯桿和空心圓柱體之間的環隙寬度平均大于2mm，優選大于5mm。
通過大的環隙寬度可確保收縮的空心圓柱體的表面在與芯桿外壁接觸前發生充分熔融。但在大環隙寬度情況下，芯桿在空心圓柱體中的對中必須精密，以避免其后在纖維中的芯體偏心。在第二種和同樣有利的變型方案中，芯桿和空心圓柱體之間的環隙平均小于1mm，優選小于0.7mm。
在收縮時小環隙寬度會引起在徑向方向的相對較小的材料流動，從纖維芯體偏心方面看這有利于保持給定的幾何形狀。當對構件的幾何形狀有高要求和該圓柱體表面僅有易于熔融的小裂紋時，這種變型方案是特別優選的。
本發明方法特別在厚壁空心圓柱體情況下是特別有利的。這是因為空心圓柱體的壁厚在充分熔融方面起著重要作用。石英玻璃圓柱體的壁厚增加使要控制的送料降低而不是增加。從經濟角度看，優選應用內徑最大為70mm，優選最大為50mm的空心圓柱體。
空心圓柱體的外徑越大和內徑越小，則通過該空心圓柱體制備的石英玻璃體積越大，且該方法對千米纖維的生產成本和由此所得的纖維的尺寸穩定性會產生更有利的影響。
該空心圓柱體的壁厚在本發明方法的變形和經濟性方面起到重要的作用。優選應用空心圓柱體的徑向橫截面積CSA(C)和芯桿的徑向橫截面積CSA(R)的比CSA(C)/CSA(R)為5-100，優選為10-80的空心圓柱體和芯桿。
空心圓柱體的壁厚越大，則在此外均相同的收縮條件下所預計的變形越小。大的壁厚要求較強的“熱透”，以確保空心圓柱體內壁的充分熔融。更確切地說這相應于較慢的送料。隨增加壁厚提高了光學構件的制造精度，因為在拉伸時較大地降低了絕對幾何誤差(其與石英玻璃圓柱體的壁厚和外徑無關)。
已證明按所謂OVD法制備的空心圓柱體是特別有利的。
在這種外部淀積方法下制得一種管形體，其依制備條件具有準確的內孔，該內孔在玻璃化后僅還需少量的機械加工。
下面將用實施例和專利附圖詳述本發明。該單張附圖為
圖1示出在應用具有不同外徑的空心圓柱體和改變送料情況下的RIC實驗結果圖。
在下面所描述的實驗中，按RIC法通過用石英玻璃空心圓柱體包封芯桿和拉伸該復合體而制備坯體和光學纖維。該坯體和纖維具有由內玻璃層殼和外玻璃層殼包封的芯體區。芯體區由均勻摻雜有5重量％的二氧化鍺的石英玻璃組成。玻璃層殼由未經摻雜的石英玻璃組成，其中一部分通過芯桿的殼提供，一部分通過經機械加工的石英玻璃空心圓柱體提供。
制備芯桿和空心圓柱體下面按實施例詳述芯桿和石英玻璃空心圓柱體的制備芯桿按OVD法制備，該方法中通過來回移動的淀積燃燒器在繞縱軸旋轉的載體上按層淀積煙黑顆粒，這時將SiCl4和GeCl4加到淀積燃燒器中，并在有氧存在下于燃燒器火焰中水解成SiO2和GeO2。在內層淀積時調節SiCl4和GeCl4的比，以使通過這部分煙黑管的壁厚產生給定的5重量％的均勻GeO2濃度。一旦形成芯桿的芯體區的該煙黑層經淀積，就停止將GeCl4加到淀積燃燒器中，并由未經摻雜的SiO2在該芯體區上淀積第一內玻璃層殼。
結束淀積工藝和去除載體后得到煙黑管，使該煙黑管經受脫水處理以去除由制備條件引入的羥基。為此將該煙黑管呈垂直地送入脫水爐中，并首先在850℃-約1000℃下于含氯氣氛中處理。處理時間約為6小時。由此羥基濃度達到小于100重量ppb。
使經如此處理過的煙黑管在玻璃化爐中于約1350℃下玻璃化并由此收縮內孔，以產生具有所需折射率分布的芯桿。
以這類方法制備了具有表1中所示尺寸的芯桿，其中各芯體直徑如此與其相關的空心圓柱體適配，以使在外徑為125μm的光學纖維中總是產生直徑約為8.5μm的中心“芯體區”。
類似于上述的芯桿制備，通過按OVD法的外淀積制備多孔煙黑體，但不添加摻雜劑。去除載體后該煙黑管總是經上述的脫水處理并接著經玻璃化。該由合成石英玻璃如此制備的管形石英玻璃坯體的兩端區經切除，并且該外壁經裝有#80磨石的圓周研磨機粗研磨，由此基本達到所給定的標稱外徑。然后該管的外表面再經NC圓周研磨機研磨。所得管的內孔全部經裝有#80搪磨嵌條的搪磨機搪磨，這時拋光度經逐步精細化，并用#800搪磨嵌條進行最終處理。在確認制成其壁厚在給定的公差范圍內的管后，該管經30％的氟氫酸浸蝕液浸蝕。經浸蝕后最大表面粗糙度Rmax在內壁區為3.5μm，在外壁區為77μm。由合成石英玻璃如此制成的空心圓柱體的尺寸也列于表1。
在單獨的實驗中總是測定一段空心圓柱體上的仍存在的皮下表面裂紋的深度。為此在68％的氫氟酸中浸蝕該管段，直到該裂紋基部可以光學法或借助于表面粗糙度測量儀測出。由此測量時各得到的最大裂紋深度約為0.5mm。
通過RIC法制備光學纖維在空心圓柱體中總是插入表1所示尺寸的芯桿并將其固定于其中。這時改變該空心圓柱體的壁厚和與其相適配的芯桿直徑、送料和在空心圓柱體和芯桿之間的環隙寬度。
將由空心圓柱體和芯桿構成的復合體以給定的送料速度(見表1)送入電加熱的爐中，并在其中按區段加熱到2000-2400℃，這時由軟化區拉制光學纖維。拉伸速度均適配于送料，以使標稱纖維直徑保持為125μm±0.5μm。其余的工藝參數不變，特別是拉制溫度不變。在芯桿和空心圓柱體之間的環隙中總保持2kPa-10kPa的真空。
為按上述方法制備光學坯體，在相同的送料下，該拉伸速度與送料的適配應使該坯體的標稱直徑為85.0mm±0.5mm。
實驗評定在纖維芯體區和通過空心圓柱體所形成的殼玻璃之間的界面品質用顯微鏡作檢查。這時要特別注意在界面上的所謂的拉長氣泡。
此外，在徑向橫截面上抽樣以對坯體和纖維的圓柱體對稱性進行檢驗。
由此所得的品質結果列于表1的最后兩欄中，其中符號“++”為“非常好”，“+”為“好”，“-”為“差”。
表1
該結果表明，如果按本發明以特別慢的送料來實施RIC工藝可忽略由機械加工產生的空心圓柱體的和有時在經濟上未付出耗費的條件下要盡可能排除的表面缺陷。但極慢的送料會由于空心圓柱體和芯桿的塑性變形也可導致結果的惡化。
表1中第2和6欄的數據相對比地記載于圖1中，并且以mm/min單位表示的送料為y軸，以mm單位表示的空心圓柱體直徑為x軸。該纖維幾何形狀和品質至少經評定為良好(+)的實驗在圖上以圓表示，而對這方面呈不利結果的實驗用方塊表示。
由此表明，不良結果在快送料和慢送料時產生。當送料(與空心圓柱體直徑有關)處于下面由線1和上面由線2所限定的區間時可達最好的結果。該線1和線2以下列公式表示線1＝Vmin[mm/min]＝3000[mm3/min]×(2/D)2[mm-2]和線2＝Vmax[mm/min]＝16000[mm3/min]×(2/D)2[mm-2]在空心圓柱體和芯桿之間的環隙寬在RIC工藝中作用不太大。其趨勢是寬的環隙有利于界面的品質，而窄的環隙有利于坯體和由此所拉制的纖維的尺寸穩定性。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種用于通過拉伸同軸組合體以制備石英玻璃光學構件的方法，該同軸組合體包括具有內孔的、經機械加工到最終尺寸的石英玻璃空心圓柱體和設置于該內孔中的芯桿，該同軸組合體以預定的送料送入加熱區，并在其中按區段軟化和由軟化區拉出所述光學構件，這時在芯桿和空心圓柱體之間存在的環隙收縮，所述方法的特征在于，將與單位為毫米的空心圓柱體的外徑D相關的單位為毫米/分的送料V保持在滿足下列的限定規則的區間內Vmin＝3000×(2/D)2和Vmax＝16000×(2/D)2，其前提在于，使用外徑D至少為150mm的空心圓柱體，并且將所述送料調至小于2.5mm/min。
2.權利要求1的方法，其特征在于，所述最大送料按下列限定規則調節Vmax＝8000×(2/D)2。
3.權利要求1的方法，其特征在于，將送料調至小于1.5mm/min。
4.上述權利要求中任一項的方法，其特征在于，所述空心圓柱體的機械加工包括研磨內孔的內壁和接著的浸蝕處理，這時經研磨后保留的皮下裂紋的裂紋深度為0.2mm-2mm。
5.上述權利要求中任一項的方法，其特征在于，芯桿和空心圓柱體之間的環隙平均大于2mm，優選大于5mm。
6.權利要求1-4中任一項的方法，其特征在于，芯桿和空心圓柱體之間的環隙平均小于1mm，優選小于0.7mm。
7.上述權利要求中任一項的方法，其特征在于，使用其內徑最大為70mm，優選最大為50mm的空心圓柱體。
8.上述權利要求中任一項的方法，其特征在于，使用空心圓柱體的徑向截面積CSA(C)和芯桿的徑向截面積CSA(R)之比CSA(C)/CSA(R)為5-100，優選為10-80的空心圓柱體和芯桿。
9.上述權利要求中任一項的方法，其特征在于，使用按OVD法制備的空心圓柱體。
權利要求
1.一種用于通過拉伸同軸組合體以制備石英玻璃光學構件的方法，該同軸組合體包括具有內孔的、以機械方式加工到最終尺寸的石英玻璃空心圓柱體和設置于該內孔中的芯桿，該同軸組合體以預定的送料送入加熱區，并在其中按區段軟化和由軟化區拉出該光學構件，這時在芯桿和空心圓柱體之間存在的環隙收縮，該方法的特征在于，與空心圓柱體的外徑D[單位mm]相關的送料V[單位mm/min]保持在滿足下列的限定規則的區間內Vmin＝3000×(2/D)2和Vmax＝16000×(2/D)2。
2.權利要求1的方法，其特征在于，最大送料按下列限定規則調節Vmax＝8000×(2/D)2。
3.權利要求1的方法，其特征在于，使用外徑D至少為150mm的空心圓柱體，并且將送料調至小于2.5mm/min，優選小于1.5mm/min。
4.上述權利要求中任一項的方法，其特征在于，所述空心圓柱體的機械加工包括研磨內孔的內壁和接著的浸蝕處理，這時經研磨后保留的皮下裂紋的裂紋深度為0.2mm-2mm。
5.上述權利要求中任一項的方法，其特征在于，芯桿和空心圓柱體之間的環隙平均大于2mm，優選大于5mm。
6.權利要求1-4中任一項的方法，其特征在于，芯桿和空心圓柱體之間的環隙平均小于1mm，優選小于0.7mm。
7.上述權利要求中任一項的方法，其特征在于，使用其內徑最大為70mm，優選最大為50mm的空心圓柱體。
8.上述權利要求中任一項的方法，其特征在于，使用空心圓柱體的徑向橫截面積CSA(C)和芯桿的徑向橫截面積CSA(R)之比CSA(C)/CSA(R)為5-100，優選為10-80的空心圓柱體和芯桿。
9.上述權利要求中任一項的方法，其特征在于，使用按OVD法制備的空心圓柱體。
10.一種含有芯體和包封該芯體的殼的光學構件，其特征在于，該構件是按權利要求1-9的方法得到的光學坯體。
11.一種含有芯體和包封該芯體的殼的光學構件，其特征在于，該構件是按權利要求1-9的方法得到的光學纖維。
全文摘要
本發明涉及一種通過拉伸同軸組合體以制備石英玻璃光學構件的方法，該同軸組合體包括具有內孔的可機加械工到最終尺寸的石英玻璃空心圓柱體和內孔中安置的芯桿，該同軸組合體以預定的送料送入加熱區，并在其中按區段軟化和由軟化區拉出該光學構件，這時在芯桿和空心圓柱體之間存在的環隙經收縮。由此提供一種經濟的方法，其可用于制備光學構件，并且其特征為在拉制纖維時有小的破損率，本發明建議，與空心圓柱體的外徑D[單位mm]相關的送料V[單位mm/min]保持在滿足下列的限定規則的區間內V
文檔編號C03B37/02GK1798707SQ200480015501
公開日2006年7月5日 申請日期2004年6月3日 優先權日2003年6月4日
發明者H·法比安 申請人:赫羅伊斯.坦尼沃有限責任公司