解決大變比光纖錐制作的難點問題

王曉會

（山西長城微光器材股份有限公司，山西 太原 030012）

0 引 言

光纖錐即光學(xué)纖維錐是將一段長度大于其橫截面的光纖面扳坯棒在溫控狀態(tài)下均勻加熱并保持在軟化溫度時對其進行拉制,然后再用標準的玻璃研磨、拋光等設(shè)備進行加工制成光纖錐。其輸出端面的圖象相對于輸入端面具有放大、縮小或變形的作用。與常規(guī)的光纖面板一樣，這里提到的面扳坯棒是由數(shù)千萬根規(guī)則的光學(xué)纖維復(fù)合絲緊密排列再經(jīng)過熔壓、切割等工序加工制成，只是長度遠大于面板厚度。由于光纖錐具有放大、縮小像面形狀及像面影像多樣化，具有高效率的耦合特性等傳像特征，因此作為關(guān)鍵器件光纖錐被廣泛應(yīng)用于微光攝像機、微光夜視儀、CCD耦合、電視成像、醫(yī)療診斷等軍事、航天及民用市場領(lǐng)域。

光纖錐的廣泛應(yīng)用，也使得市場對產(chǎn)品的規(guī)格、品質(zhì)、形狀，尤其是放大比這一關(guān)鍵指標都提出了更多、更高的要求。然而，由于構(gòu)成光纖錐的材料及工藝都非常復(fù)雜，受材料粘度等性能制約以及對產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)的高標準要求，使得光纖錐的變比、形狀一直以來都被局限在一定的范圍內(nèi)。我公司生產(chǎn)的光纖錐品種多、規(guī)格全，在國內(nèi)外有著非常可觀的市場份額及影響。然而近年來特別是自2010年以來眾多垂詢的客戶中對變比增大的要求越來越多，比如 32光錐放大比6：1、57光錐放大比8：1等，同時這些產(chǎn)品的其他技術(shù)指標需要確保，這對常規(guī)的技術(shù)工藝提出了很大的挑戰(zhàn)[1]。

1 技術(shù)要求

圖1 常規(guī)光纖錐

圖2 大變比光纖錐

我們現(xiàn)有的制作技術(shù)是基于長時間大量的研發(fā)試制及生產(chǎn)基礎(chǔ)，常規(guī)光纖錐已有大批量、多種規(guī)格的生產(chǎn)制作能力。表1列舉出 21光纖錐的主要技術(shù)指標，事實上除此之外還有：數(shù)值孔徑、分辨率、傳函、平面度等數(shù)十種指標要求。與常規(guī)光纖錐相比，在變比增大的同時這些指標同樣需要滿足。常規(guī)光纖錐的放大比一般在5：1以內(nèi)，長度大于或接近于大端口徑如圖1所示，大變比光纖錐是指放大比大于5：1，且長度接近甚至小于大端口徑（如圖2），其他技術(shù)指標類似。

通過對大變比光纖錐與常規(guī)光纖錐的分析比較，將其技術(shù)要求及制作難點總結(jié)如下：1）在規(guī)定長度內(nèi)將坯棒拉得更細以符合大變比的指標要求；2）在滿足大變比及長度要求的同時，要確保光纖錐傳像的本質(zhì)要求并達到各項技術(shù)指標，比如透過率、畸變等；3）光纖維的主要技術(shù)指標見表1。

表1 光纖錐的主要技術(shù)指標

2 設(shè)計開發(fā)

光纖錐制作過程：設(shè)計制作坯棒—加熱拉制成錐—外形加工。本文討論的難點是前兩個階段，即坯棒制作和拉制成錐。

2.1 坯棒設(shè)計

2.1.1 光學(xué)纖維傳像理論基礎(chǔ)

拉制光纖錐用坯棒是由數(shù)以萬計的光學(xué)纖維規(guī)則排列并加熱熔合而成的,其中每一根光學(xué)纖維均由高折射率的芯玻璃和低折射率的包皮玻璃構(gòu)成，芯玻璃是光的通路,包皮玻璃起界面全反射作用，光線在纖維內(nèi)按照全反射定理從輸入端傳至輸出端。由于光線在纖維內(nèi)經(jīng)受了多次反射,一條纖維能傳遞的空間信息細節(jié)不會比其芯體直徑更細小，這樣每一根光纖就是傳遞信息的一個單元。因而確定的材料中纖維徑以及芯皮界面的性狀、質(zhì)量等便成為傳像品質(zhì)的關(guān)鍵。這里涉及到的關(guān)鍵是纖維徑及芯/皮比例的確定。

2.1.2 坯棒成錐過程中纖維的變化

受熱拉制過程中纖維伸長變細從而使皮層厚度變薄,特別是邊緣區(qū)域皮層變薄程度更大,加重了光泄漏,也加重了全反射損失的程度。拉細變錐的同時纖維數(shù)值孔徑降低,光纖的光通量及光掠出角隨之減少,從而使芯皮界面全反射遭受不同程度的損失，光纖間的串光程度會隨之加重，另外受熱拉制后板坯中的EMA若使用不當會引發(fā)著色離子擴散,使光泄漏增加,甚至擴散滲透進入纖芯增加光吸收,因此光纖錐的數(shù)值孔徑、光通量和對比度也隨之降低。

2.1.3 大變比光纖錐坯棒的設(shè)計分析

變比幾乎成倍增大的大變比錐與常規(guī)錐相比在受熱拉制過程中上述問題將更為突出，因此必須設(shè)計增大纖維徑及皮料厚度，然而由此卻會帶來分辨率即分辨圖像細節(jié)能力的下降。因而對纖維尺寸、包層厚度、吸收材料及熔壓工藝的設(shè)計是坯棒設(shè)計制作的關(guān)鍵。關(guān)于這一點，在理論計算的基礎(chǔ)上要充分依靠實際試制中的測試結(jié)果并結(jié)合常規(guī)產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗來確定。這也是纖維光學(xué)產(chǎn)品設(shè)計的特點和難點。

2.2 大變比光纖維的拉制

實際拉制過程中，受材料粘度性能、溫度限制等條件制約，當纖維錐被拉到一定直徑后拉長的同時幾乎不再變細。因而要在有限的規(guī)定長度內(nèi)拉制出更大的變比，用現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)施及方法是無法完成的，要實現(xiàn)這樣的突破事實上非常困難。在經(jīng)歷了多次試制后我們得出了這樣的結(jié)論：解決這樣多組矛盾并存的方法是：必須將光、機、電多方面措施協(xié)同整合，而單方面的理論探討僅僅是參考。將大變比錐按拉制過程分段細化分析，從而要充分利用錐體成型的特征來解決這一難點。光纖維錐拉制機見圖3。

圖3 光纖錐拉制機示意圖

2.2.1 形體特征

按圖2我們將大變比錐按照其外形特征劃分為三個階段：陡變曲線部分、平滑曲線部分、平緩近直柱部分，這三個部分同時代表了拉制過程起始、中間、結(jié)束三個階段。各個階段對溫度環(huán)境、溫度梯度分布等溫度制度的要求各不相同。

2.2.2 拉制對關(guān)鍵指標的影響

除上述提到的情況外，變比增大對光纖錐的枕/桶畸變、透過率均勻性等指標的確保也帶來了很大的困難。特別是前者，枕與桶互為反向，但枕大桶大都是不符合要求的。事實上有效控制錐體形狀也是解決上述問題的關(guān)鍵。

3 實施方案

綜合以上討論及闡述，我們采用了以下幾方面的措施，結(jié)合常規(guī)工藝使大變比光纖錐的制作難點得以突破，生產(chǎn)出符合要求的6：1甚至更大變比的光纖錐。

3.1 坯棒的設(shè)計方案

對6：1以上大變比光纖錐我們設(shè)計坯棒纖維尺寸在10μm～50μm之間，芯/皮比在70/30～50/50之間,具體數(shù)值、熔壓工藝參數(shù)的設(shè)計以及吸收絲的確定視具體情況定。這樣的坯棒拉制出的大變比光纖錐能夠滿足傳像要求并各項技術(shù)指標。實際研發(fā)試制中的多組統(tǒng)計數(shù)據(jù)也證實了這一結(jié)論.。

3.2 制錐工藝方案

根據(jù)大變比錐成型過程中三個階段的不同特點，在不同階段采用不同的溫度制度，同時配合對加熱溫區(qū)環(huán)境的調(diào)整，拉制過程全程采用程序控溫，視具體的產(chǎn)品規(guī)格及要求坯棒加工工藝、拉力、卡具等其他參數(shù)也可以做相應(yīng)的調(diào)整。需要提到的是：所有的設(shè)計包括最細微的部分都需要建立在多組甚至大量試驗的基礎(chǔ)上才可以真正完成，而單純的理論推導(dǎo)在實際中卻常常使矛盾走向?qū)αⅰ?/p>

3.2.1 設(shè)定溫控程序

拉制全過程采用程序控溫，程序的設(shè)定大體上分為三個階段：升溫階段、拉制階段及降溫階段，各階段再細化成幾個步驟，其中最關(guān)鍵的拉制階段就是根據(jù)上述特征，依次分別采取高溫、逐漸降溫及快速降溫三個步驟，這樣使拉制過程不再是在恒溫狀態(tài)下進行，從而充分利用了錐體成型的特征最大限度確保在不改變材料性能的情況下拉制出更大變比的錐體。

3.2.2 調(diào)溫擋板的設(shè)計

在加熱爐體上配裝了調(diào)溫擋板來實現(xiàn)對加熱溫區(qū)環(huán)境的調(diào)整，調(diào)溫擋板由金屬及保溫材料組成，結(jié)構(gòu)上充分考慮裝拆方便，在爐體兩端殼體上掛扣固定。增設(shè)調(diào)溫擋板，對提高熱效率、節(jié)約能耗也有一定的作用。

3.2.3 其他

包括坯棒加工工藝、拉力、卡具等其它參數(shù)也可以做相應(yīng)的調(diào)整，這要視具體的產(chǎn)品規(guī)格及要求確定。

4 結(jié)束語

纖維光學(xué)是一門實踐性非常強的學(xué)科，理論和實際間似乎隔著很遠的距離。對于光纖錐產(chǎn)品因其制造工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大、工藝穩(wěn)定困難，同時受環(huán)境因素制約，因而在實際生產(chǎn)過程中，如何能通過簡單、可行的操作手段最經(jīng)濟卻能最大程度地實現(xiàn)產(chǎn)品各項性能指標的要求，遠比做單純的理論探討要困難得多。本文試圖通過解決制作大變比光纖錐技術(shù)難點問題這一實踐過程來分享這樣的觀點：一些大的難點問題的解決未必一定要應(yīng)用到多么復(fù)雜的理論和技術(shù)；而多方面知識技術(shù)相互融合貫通卻可以化難為易，用簡單的方法使復(fù)雜的難點問題得以解決。目前我們已制作出大端直徑 32 mm、變比為6：1，大端直徑 57 mm，變比為12.3：1等規(guī)格的大變比光纖錐,其各項技術(shù)指標均符合要求。

[1]W.B.艾倫.纖維光學(xué)[M].北京：輕工業(yè)出版社，1981.

[2] 李蘭，賈金五，劉輝，等.超窄高溫區(qū)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的研究[G]//第四屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集.北京：中國儀器儀表學(xué)術(shù)委員會，2011：1825-1828.