專利名稱：通過使高粘性液體聚束制造光纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請通常涉及由高粘性液體材料生產(chǎn)細長導(dǎo)線束的領(lǐng)域，特別是涉及利用流體聚束技術(shù)由熔融玻璃形成光纖維。
背景技術(shù)：
光纖維是細導(dǎo)線束材料，例如玻璃或聚合物，它能夠在很長的距離上以很低的損耗傳輸包含大量信息的光信號。(見美國專利6128429；6098428；6057034和這些專利中分別引用的公開文件和專利)?；诓ＡЧ饫w維的光通信系統(tǒng)允許在長距離上以低衰減并極高的數(shù)據(jù)速率或帶寬容量來傳輸通信信號。該容量導(dǎo)致在低損耗玻璃窗中位于近紅外線波長的單模光信號的傳播。由于摻鉺光纖放大器(EDFA)的引入，最近十年的歷史表明由于玻璃光纖維的出現(xiàn)，它用作廣域網(wǎng)(WANs)的標準數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。
傳統(tǒng)的光纖維典型的是通過構(gòu)造適當(dāng)成分的光纖維預(yù)制坯并將該預(yù)制坯拉成纖維來制造。(見美國專利6053012和它引用的專利與公開文件)，典型的預(yù)制坯是具有約1米長度和20-200mm外徑的同心玻璃棒。棒的內(nèi)芯是高純度、低損耗的玻璃，例如具有約1-5mm直徑的鍺硅酸鹽玻璃。被稱為包層的同心外圓柱體是具有比內(nèi)芯的折射率低的折射率的一層玻璃。
在傳統(tǒng)制造光纖維時，預(yù)制坯下降至RF感應(yīng)爐的絕緣接受器中，在此它被加熱到高的拉拔溫度。(見美國專利5741384；5698124和這些專利中引用的專利和公開文件)。玻璃的流股從預(yù)制坯的加熱部分以一定張力和速率拖拉以便拉拔成所需直徑的纖維。該傳統(tǒng)工藝的其中一個主要的困難是來自感應(yīng)爐的材料對纖維的污染。來自絕緣或接受器的即使很小的微粒在纖維中會產(chǎn)生局部弱點，最終導(dǎo)致斷裂或其它形式的缺陷。美國專利4440556描述了解決該污染問題的一種早期嘗試，它通過在預(yù)制坯上軸向引導(dǎo)等離子體焰炬，并在該等離子體焰炬內(nèi)穿過中央通道軸向拉拔纖維。該方法的困難是為了到達中央通道，拉拔纖維必須穿過等離子火球。但等離子形狀眾所周知很難控制，即使其形狀的微小起伏也可使脆弱的拉拔纖維承受劇烈的溫度波動。
另一個困難源于使用逐漸增大直徑的預(yù)制坯。對于較大直徑的預(yù)制坯，很難產(chǎn)生足夠大的等離子火球，以覆蓋預(yù)制坯的整個直徑。結(jié)果是在拉拔區(qū)加熱不均勻。類似的方法例如在美國專利5672192中描述的方法，提及這些方法中固有的一些問題，但仍需要使用等離子體焰炬，這樣在使用時具有許多固有的限制。
在通信主干中單模玻璃光纖的成功產(chǎn)生光網(wǎng)絡(luò)的概念。這些網(wǎng)絡(luò)用來在全部光系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)流集成為通信信號，以便通信信號從光域網(wǎng)WANs下行至較小的局域網(wǎng)(LANs)，并最終通過纖維至桌面到終端用戶。大部分基于最近互聯(lián)網(wǎng)和全球網(wǎng)的爆破式發(fā)展和使用，光網(wǎng)絡(luò)的使用不斷增加，這要求在短期和中期應(yīng)用中具有很高的帶寬性能。
這樣，在本領(lǐng)域中需要改進制造玻璃光纖維的方法以滿足消費者不斷增長的使用要求。另外，對更好的光纖維包括單模和多模光纖維的需求不斷增長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及利用流體物理學(xué)制造光纖維。本方法提供或者直接由熔融液體或者由預(yù)制坯，并利用包圍和聚束高粘生液流或預(yù)制坯的流體(例如加熱的氣體或液體)，對高粘性材料例如熔融鍺硅酸鹽玻璃聚束擠壓，來制造均勻形狀的細長纖維。本發(fā)明還提供制造光預(yù)制坯的方法和裝置，該光預(yù)制坯可利用傳統(tǒng)的技術(shù)或利用這里公開的拉拔方法來拉拔。
在公開文件例如2000年9月12日公開的美國專利6115516；2001年9月13日公開的6187214；2001年3月6日公開的6197835；和2001年3月6日公開的6196525中，描述了應(yīng)用低粘性流體的流體物理方法。然而，這些公開文件涉及低粘性流體的擠壓。低粘性流體意味著流體具有較高的雷諾(Reynolds)數(shù)，例如約10或更大的雷諾數(shù)。在利用流體的粘度不占優(yōu)勢而是流體的質(zhì)量或其密度占優(yōu)勢的力的條件下實施低粘性流體的擠壓。用類推的方法，在最低程度上，為了克服在不同部件之間存在的摩擦阻力，汽車發(fā)動機主要利用發(fā)動機的功率使汽車向前移，以便對汽車的質(zhì)量產(chǎn)生作用。然而，如果例如采用汽車的緊急制動來實質(zhì)上增加摩擦力，為了使汽車向前運動，那么摩擦力成為必須克服的主要力。在該類推中，摩擦力與流體的粘度相關(guān)。
這里提供的公開文件涉及描述由高粘性流體制造流體流和纖維的方法。術(shù)語“高粘性流體”包含雷諾數(shù)較低的流體，特別是雷諾數(shù)約為1或更小。更具體的是，很低粘性的流體中雷諾數(shù)小于約0.1。對于高粘性流體，如同緊急制動的汽車，根據(jù)為了使流體向前移動，粘性必須由作用力克服，因此，流體的粘度成為主要的因素，正象為了使汽車向前移動，汽車發(fā)動機必須克服緊急制動力，因此，緊急制動所產(chǎn)生的摩擦阻力成為主要因素一樣。
下面一段內(nèi)容包括名為“數(shù)學(xué)公式”。該段內(nèi)容包括本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通過閱讀該公開文件所理解的方程，該方程可應(yīng)用于由高粘性流體例如熔融石英玻璃高粘性流體與加熱玻璃預(yù)制坯的高粘性流體來制造流體流和纖維，加熱玻璃預(yù)制坯用于制造用來光傳輸信息的纖維。
在第一實施例中，通過使粘性液流承受周圍的聚束流體，從而直接由高粘性液體例如熔融硅酸鹽玻璃來制造細長纖維例如光纖維。這允許無需制造預(yù)制坯來制造纖維，并且還允許同時擠制多根纖維。這種擠制是特別有利的，因為在使纖維擠壓離開本發(fā)明的裝置時，纖維流不接觸孔口的表面，因為擠制纖維完全由可以是氣體的聚束流體包圍和聚束。這有可能降低纖維的污染，并基本上防止裝置孔口的堵塞。制造的細長纖維可具有任意所需的直徑，但最好是200微米或更小的直徑，并可以是從1微米至50微米的直徑。
在另一個實施例中，利用周圍流體的聚束性質(zhì)，光纖維預(yù)制坯的直徑降低，且長度增加。光纖維的前身(即預(yù)制坯)加熱到一定溫度，該溫度允許預(yù)制坯材料保持預(yù)制坯的基本結(jié)構(gòu)元件，同時允許預(yù)制坯可延展，或者特別是拉伸到所需長度和橫向尺寸，即，使光纖維前身可延展并允許纖維保持預(yù)制坯的橫向關(guān)系的溫度。聚束加工可以重復(fù)，以提供纖維的所需直徑和/或長度，聚束流體和較細的結(jié)構(gòu)通過重復(fù)暴露在聚束流體中可進一步變細。
在制造中空纖維的另一個實施例中，中空纖維由包括兩個同心定位的管的起源擠制。中心管擠壓氣體例如空氣或高純度惰性氣體，周圍的同心管擠壓熔融的硅酸鹽玻璃。擠壓的硅酸鹽玻璃形成中空管，并通過在壓力室內(nèi)的周圍的氣流聚束成射流。多個中空纖維可同時被擠壓，并在固化前連接在一起，例如形成光子帶隙結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是周圍的聚束流體產(chǎn)生的聚束壓力在擠壓的粘性液體或預(yù)制坯上存在壓力分布，該壓力分布可進行算術(shù)計算，以表明在任何纖維拉拔粘度前它抑制不穩(wěn)定性，從而指明生產(chǎn)率理論上可無限增加。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是在由擠壓粘性材料制造的纖維上的剪應(yīng)力可降低到最小程度，因此允許有控制地生產(chǎn)包括中空纖維的復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)，將中空纖維結(jié)合以制造任何所需構(gòu)造的光子帶隙結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的又一個優(yōu)點是沿噴嘴的氣體溫度分布非常迅速地傳遞到拉拔的纖維材料上，從而提供對纖維溫度曲線圖的簡單和加速控制的裝置，并提供穩(wěn)固和簡單的方式來控制纖維淬火工藝和并提高纖維質(zhì)量。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是形成的光纖維沿其長度的尺寸和形狀均勻，并且纖維用較少的能量制造。
本發(fā)明的又一個優(yōu)點是它允許同時進行多纖維擠壓，這樣允許纖維擠壓成束。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是利用本發(fā)明的裝置中的同心針，纖維可擠壓成涂層纖維。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是光纖維可無污染地制造，并生產(chǎn)沒有因這種污染產(chǎn)生的纖維中的局部弱點的光纖維。
本發(fā)明的又一個優(yōu)點是利用適當(dāng)?shù)耐饧訅毫Ψ植?，可改善利用本發(fā)明的制造方法形成的纖維和穩(wěn)定性。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，由于聚束氣體或液體包圍的玻璃的擠壓，可避免玻璃與固體接觸，因此，通過本發(fā)明的裝置的擠壓，纖維應(yīng)力可顯著降低。
本發(fā)明的又一個優(yōu)點是本發(fā)明的裝置具有最小的污染和/或纖維擠壓的堵塞，因為出口永不接觸流體或預(yù)制坯。
另一個優(yōu)點是由于共流動的氣體膨脹，通過快速的纖維淬火可提高纖維的質(zhì)量。
本發(fā)明的又一個優(yōu)點是與傳統(tǒng)技術(shù)相比，通過本發(fā)明的方法的徑向粘性應(yīng)力的顯著降低，可形成復(fù)雜的纖維同心結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是當(dāng)使用預(yù)制坯時，它們不承受基于聚束過程產(chǎn)生的形狀的波動，這樣，拉拔的纖維不承受與使用等離子火球一樣的劇烈的溫度波動。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是擠壓方法可設(shè)計成用基于擠壓的取向的離散的功能元件來制造纖維。這允許在傳統(tǒng)長度的纖維中制造特殊的纖維結(jié)構(gòu)，例如光子帶隙結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是本發(fā)明的方法可用于具有很明顯區(qū)別的結(jié)構(gòu)元件的預(yù)制坯，因為在聚束過程中保持了結(jié)構(gòu)元件的關(guān)系的整體性。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是本發(fā)明的方法可用于較大直徑的預(yù)制坯。
對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，結(jié)合附圖并參考本公開文件，本發(fā)明的這些和其它方面、目的、特點和優(yōu)點將更清楚。


圖1是本發(fā)明的實施例的橫截面示意圖，其中原材料是在爐中加熱并通過噴嘴擠制的玻璃預(yù)制坯；圖2是根據(jù)本發(fā)明在由高粘性流體制造流體流和纖維中使用的噴嘴部件的特定構(gòu)造的橫截面視圖；圖3包括圖表3A、3B、3C，其中圖表3A表明當(dāng)擠壓高粘性流體時，為了提供穩(wěn)定流體流和纖維，在給定λ時構(gòu)造不同的噴嘴形狀，圖表3B表明λ＝2時的噴嘴形狀，和圖表3C表示當(dāng)λ＝6時的噴嘴形狀；以及圖4是表示對于基于不同的λ值的不同的噴嘴形狀，為了獲得穩(wěn)定的射流所需要的壓力的圖表。
具體實施例方式
在描述本發(fā)明的纖維擠壓裝置和方法之前，首先應(yīng)理解本發(fā)明并不限于所述的特定的部件和步驟，它們當(dāng)然可以變化。還可以理解這里所用的術(shù)語僅是為了描述特定的實施例，它不希望限制，因為本發(fā)明的范圍僅由附加的權(quán)利要求書所限制。
必須注意如這里所使用和附后的權(quán)利要求書所述，單數(shù)“一個”、“和”和“該”包括復(fù)數(shù)對象，除非其內(nèi)容清楚顯示除外。這樣，例如，作為參考，“一種摻雜物”包括若干摻雜物，作為參考，“該流體”包括流體的混合物，和本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員公知的等效物等。
除非定義，否則，這里使用的全部技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本領(lǐng)域的其中一個普通技術(shù)人員所通常理解的相同含義。盡管在此與所述類似或等效的任何方法和材料可用于本發(fā)明的實踐或?qū)嶒炛?，現(xiàn)在描述優(yōu)選的方法和材料。這里提出的全部公開文件在這里采用作為參考，以公開和描述與所指出的公開文件相聯(lián)系的方法和/或材料。
這里討論的公開文件僅提供作為在本申請的申請日之前的公開文件。這里沒有允許本發(fā)明未經(jīng)授權(quán)借助現(xiàn)有的發(fā)明提早公開文件的日期。而且，提供的公開文件的日期可以與實際的
公開日期不同，這可能需要單獨地確認。
定義這里使用的涉及某些材料的術(shù)語“可延展的”指材料處于一種允許其拉拔成束的相態(tài)。這里使用的可延展材料最好指制造光纖維或預(yù)制坯的材料，該材料在室溫下固定(例如硅酸鹽玻璃)但在升高溫度下更容易成形或拉拔成細長纖維。這里使用的術(shù)語包括可流動或可延展或加熱(或相反處理)形式的材料。
這里使用的術(shù)語“拉拔”和“已拉拔”指使材料流拉長以產(chǎn)生細長纖維的工藝。利用流體物理學(xué)拉拔產(chǎn)生尺寸協(xié)調(diào)(沿其長度的橫截面的尺寸和形狀)的纖維，該纖維具有與用來拉拔的原始液流或預(yù)制坯相比顯著降低的橫向尺寸(橫截面)。在拉拔工藝中，在固體圓柱體的中心的材料拉拔離開圓柱體，從而與圓柱體相比獲得更細的直徑。長度增加而直徑減小。
術(shù)語“聚束流體”是用來使液流或預(yù)制坯聚束的流體。該流體最好是加熱氣體，盡管該流體還可以是與液流或可延展預(yù)制坯不可融合的液體(與正在聚束的液流相比具有相同或較低的密度)。
這里使用的術(shù)語“預(yù)制坯”指光纖維前身的結(jié)構(gòu)例如石英玻璃的固體圓柱體。預(yù)制坯具有光纖維的基本結(jié)構(gòu)元件(但具有較大的直徑)，通常加熱該光纖維并拉拔至較細的細長構(gòu)造。預(yù)制坯可由本領(lǐng)域所公知的大量的不同材料制成，包括玻璃(例如硅酸鹽)、塑料、石墨等。在一個優(yōu)選的實施例中，預(yù)制坯可包括一個或多個光子帶隙結(jié)構(gòu)(例如一組中空圓柱體)，它允許光穿過由光子帶隙結(jié)構(gòu)包圍的纖維的中空部分。
術(shù)語“高粘性流體”和“高粘性液體”指一種可流動的材料，它具有基本上大于水的粘度，即水的5倍或更高倍數(shù)的粘度。特別是，術(shù)語“高粘性液體”包含雷諾數(shù)較小的流體，雷諾數(shù)特別是約1或更小，更好的是0.1或更小。優(yōu)選的高粘性流體包括熔融石英玻璃和以各種摻雜質(zhì)形式的熔融玻璃，它們用來制造纖維，以便傳輸光信息。
一般的裝置參見圖1，它表示本發(fā)明的橫截面示意圖。在該特定構(gòu)造中，高粘性流體的來源1是玻璃預(yù)制坯。至少預(yù)制坯1的端部2包括在爐3內(nèi)，或預(yù)制坯的端部被加熱。而且，聚束流體例如空氣或更優(yōu)選的加熱惰性氣體被供給到該爐，以便提供壓力P0。在壓力爐中聚束流體的唯一出口是離開噴嘴5產(chǎn)生的開口4。當(dāng)爐內(nèi)氣體通過噴嘴5涌出開口4，高粘性流體穿過噴嘴5最終離開開口4受拉，并產(chǎn)生細長纖維6。該特定的實施例是示意性實施例，僅提供作為典型示例，以便傳輸本發(fā)明的實質(zhì)，就是利用聚束流體拉拔高粘性液體來形成穩(wěn)定的纖維。閱讀到該公開文件的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會理解可變性包括如下因素，例如爐3的溫度和壓力、噴嘴5的形狀，噴嘴的長度和穿過噴嘴擠壓的高粘性流體的粘度。
在一個替代實施例中，預(yù)制坯用中空管替代，該中空管最好是金屬管，給它連續(xù)供應(yīng)高粘性流體例如熔融石英玻璃。這兩個實施例，即預(yù)制坯實施例和由管開口供應(yīng)的熔融液體可以變化，使得能夠制造中空纖維。特別是，預(yù)制坯可以是如圖1所示的固體預(yù)制坯，但也可以是包括細長中空管的預(yù)制坯，該中空管利用與離開開口4擠壓的最終纖維即中空纖維相同的方法擠壓。當(dāng)熔融石英由其內(nèi)具有同心布置的第二管的圓形管供應(yīng)時，它提供最好是加熱惰性氣體的氣體。加熱惰性氣體必須以足夠高的壓力提供，這樣中空纖維不會在爐3內(nèi)皺縮。這樣，使中空管內(nèi)的壓力平衡，因此，它基本上等于爐3內(nèi)的壓力，從而，中空管不會皺縮，而是擠壓離開開口4，以便形成中空纖維。在全部實施例中，最好爐內(nèi)的壓力P0足夠高，且噴嘴的形狀使得擠壓離開開口4的氣體是超音速的，即比聲音的速度快。
現(xiàn)在參見圖2，它表示本發(fā)明的噴嘴的一種橫截面示意圖。為了獲得所需的結(jié)果，噴嘴的特定形狀是重要的，特別是包括以一種穩(wěn)定的方式使纖維擠壓離開開口4，因此纖維不會擺動或者更過分地導(dǎo)致擠壓的纖維材料的斷裂或不均勻。噴嘴5的內(nèi)表面7的幾何形狀可由下列公式確定P(x)＝P0e-λxP0是爐3內(nèi)的內(nèi)部壓力；λ是常數(shù)，其中λ大于0.635，以便獲得超音速延伸，x是函數(shù)。
如圖2所示，所示的形狀λ是5.65；P0大于或等于0.325，所有E大于或等于0。根據(jù)下列方程，這將導(dǎo)致拉拔高粘性流體的絕對穩(wěn)定P0≥μ1V1L]]>在上述公式中μ1是高粘性液體的粘度；V1是噴嘴內(nèi)部的纖維的速度，該速度基本上大于從預(yù)制坯的端部或管擠壓離開的纖維的速度V0；而L是噴嘴的長度，因此，在該長度上，聚束流體例如氣體提供基本的能量來拖拉纖維，強制或拉拔它向前離開開口4。
現(xiàn)在參見圖3，它包括圖表3A，3B和3C，可以看到不同的λ提供不同的噴嘴形狀，這導(dǎo)致拉拔離開噴嘴的開口4的纖維的絕對穩(wěn)定性。具體地，圖3A表示λ＝2、4、6和10時的拉拔曲線。在圖3B內(nèi)，表示λ＝2時的噴嘴形狀，在圖3C內(nèi)，表示λ＝6時的噴嘴形狀。
現(xiàn)在參見圖4，附加參數(shù)是需要考慮的壓力。對于在X軸上繪制的給定的λ，圖4中的圖表表示在爐入口處為了獲得穩(wěn)定的射流需要的壓力量。
對高粘性流體施加的力制造玻璃纖維的模型考慮許多不同的參數(shù)。使用的參數(shù)窗(即一組性能的特定值例如使用的流速、供應(yīng)針直徑、孔口直徑、壓力比、等)應(yīng)足夠大，以便與實際上任何所需的粘性液體或預(yù)制坯一致(在10-4至1kgm-1s-1的范圍內(nèi)的動態(tài)粘度)。
當(dāng)形成預(yù)制坯-流體界面時，從供應(yīng)點的出口出現(xiàn)的預(yù)制坯同心撤回至噴嘴內(nèi)。在預(yù)制坯從出口出現(xiàn)后，它通過在其表面上流動的聚束流體(例如氣流)施加的切向掃除力加速，這逐漸降低預(yù)制坯橫截面尺寸。與規(guī)定不同的是氣流作為透鏡，且當(dāng)預(yù)制坯向前移動進入壓力室的出口中時使預(yù)制坯聚束。這在圖1中示意性示出。
在預(yù)制坯表面上的流體流作用的力應(yīng)該足夠穩(wěn)定，以防止不規(guī)則的表面顫動。因此，在氣體運動時的任何紊流應(yīng)避免；即使氣體速度高，孔口的特性尺寸應(yīng)確保氣體運動分層(類似于在射流上和噴嘴或孔的內(nèi)表面上形成的邊界層)。
本發(fā)明的其中一個優(yōu)點是當(dāng)纖維離開噴嘴5的開口4時，在纖維6的表面上可獲得所需的冷卻效果。特別是，當(dāng)氣體離開噴嘴的開口4時，氣體快速膨脹，使得能夠吸收纖維6的表面上的能量或熱。這使得可能快速冷卻纖維，當(dāng)纖維離開開口4時，它可以處于基本上熔融狀態(tài)。然后冷卻的纖維被固化，并能夠移動到存儲中。如圖1所示，爐承受壓力P0，并具有帶一個單一開口4的單個噴嘴。然而，本發(fā)明設(shè)想該實施例中爐或受壓區(qū)域包括多個噴嘴5，它具有多個開口4，每個開口由不同的高粘性供應(yīng)源供應(yīng)，且每個供應(yīng)源布置在每個噴嘴5的開口4的上游。在這種構(gòu)造中，僅需要單一爐或加熱元件。而且，由于爐或壓力室內(nèi)的氣體或壓力充分聚束，并使纖維穿過噴嘴移動，噴嘴的精確定位不是至關(guān)重要的，只要通到外界大氣的噴嘴和其開口布置在高粘性流體流動的大致下游。
利用圖1所示的實施例，通過在爐3內(nèi)涂覆一種材料有可能提供涂層纖維。只要是高粘性流體，氣體或其它聚束流體材料可包含任何所需的涂層或包層材料。而且，在高粘性流體通過管供給到爐的實施例中，管包含擠壓氣體的同心定位的管，該氣體包括可用來對制造的纖維的內(nèi)部進行涂層或包層的涂層材料或包層材料。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將設(shè)想到不同的材料最好涂覆在纖維的內(nèi)部和/或外部，以便提供所制造的纖維的所需的光特征或其它特征。
光纖維預(yù)制坯光纖維典型地通過構(gòu)造適當(dāng)成分的光纖維預(yù)制坯并由預(yù)制坯拉拔纖維來制造。預(yù)制坯構(gòu)造成然后承受高溫拉拔過程，在此固體預(yù)制坯的中心拉出，以增加纖維的長度，同時減少纖維的橫向尺寸。典型的預(yù)制坯是具有約1米長度和20-200mm外徑的同心玻璃棒。棒的內(nèi)芯是具有約1-5mm直徑的高純度、低損耗玻璃，玻璃可選擇地摻雜，以便增加光學(xué)性能。被稱為包層的同心圓柱體是具有比內(nèi)芯低的折射率的一層玻璃。
在一個特定的實施例中，本發(fā)明可用來形成元件(管和棒)，以便形成光纖維和/或光纖維預(yù)制坯。本發(fā)明可用來形成具有內(nèi)芯和外包層芯的單根棒。芯例如可包括用鍺或磷的氧化物摻雜的石英，或者可替代地，纖維可包括聚合物粘土石英玻璃芯。包層可以是純或摻雜的硅酸鹽例如氟硅酸鹽，有機硅氧烷例如聚二甲基硅氧烷，或氟化丙烯酸類聚合物。參見例如美國專利6014488。纖維還可以包含第三外涂層，例如具有包含顏料的樹脂的涂層，以允許纖維具有彩色涂層。
兩層(或多層)棒通過同心針擠壓成圓柱形管，最好用加熱氣體例如加熱空氣或加熱惰性氣體聚束。在微射流不穩(wěn)定之前將棒擠壓到固化的環(huán)境中。根據(jù)光纖維的所需的長度和帶寬，制造的纖維可直接使用或拉拔成較長、較細的纖維。這樣，聚束技術(shù)可制造長而細的光纖維，以便直接用于光纜中，最好，在用于光纜之前，制造的纖維可進一步拉拔。
在一個特定的優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的方法用來制造基于光子帶隙結(jié)構(gòu)的光纖維的預(yù)制坯。光子晶體是在空間內(nèi)在一個或多個尺寸上結(jié)構(gòu)元件重復(fù)的結(jié)構(gòu)。由于多次反射，一些波長不能在這些結(jié)構(gòu)中傳播，如果該結(jié)構(gòu)反射在空間內(nèi)以任何角度入射的波長，據(jù)說該結(jié)構(gòu)具有“光子帶隙”。參見Joannopoulos，J.D.等人的Photonic crystalsmoldingthe flow of light，Princeton University Press(1995)；和Cassagne D.等人的Phys.Rev.B52R2216-R2220(1995)。
初始，考慮到需要在折射率上有大的對比，以獲得光子帶隙。這種對比的一個例子是在空氣和半導(dǎo)體之間的折射率，即折射率n大于3。現(xiàn)在經(jīng)研究表明，只要光具有平行于棒的方向移動的成分，利用空氣和石英之間的折射率(n＝1.5)的適當(dāng)?shù)膶Ρ?，有可能制造二維光子帶隙。參見Binks等人的Electron.Lett.31，1941-1943(1995)。通常由石英吸收的波長可通過空氣傳輸更長的距離。在中等光強度下，由于空氣不易受在石英中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)的影響，利用光子帶隙結(jié)構(gòu)可傳輸更高的光強度。這樣，通過材料形態(tài)學(xué)的波長標度循環(huán)微結(jié)構(gòu)，光子帶隙結(jié)構(gòu)使傳統(tǒng)的材料具有設(shè)計新的光學(xué)性能的能力。
這種類型的光纖維預(yù)制坯通常利用多個棒和/或管制成，該棒和/或管疊置以制造所需的結(jié)構(gòu)。參見例如Cregan等人的Science 2851537-1539(1999)和Knight等人的Science 2851476-1478。這種管可由任何材料形成，以允許制造光子帶隙結(jié)構(gòu)，該材料包括但不限于石英，玻璃，石墨，塑料和類似物。參見Cregan等人的上述內(nèi)容和F.Gadot等人的Appl.Phys.Lett.711780(1997)。該結(jié)構(gòu)基于蜂巢形格子內(nèi)設(shè)置的氣孔的一個其它的循環(huán)陣列的缺陷。
例如，許多恒定直徑的固體石英棒可水平疊置，以形成多邊形橫截面結(jié)構(gòu)。為了制造在結(jié)構(gòu)內(nèi)的波導(dǎo)芯，“缺陷”必須引入到晶體結(jié)構(gòu)中，即局部區(qū)域具有與完全循環(huán)結(jié)構(gòu)不同的光學(xué)性能。該芯由“包層”包覆，在完全循環(huán)區(qū)域的情況下，并將光限制在該芯內(nèi)。最好，在預(yù)制坯的中心留下較大的空間，以允許引導(dǎo)光在中央芯內(nèi)行進。將額外的氣孔引入該結(jié)構(gòu)內(nèi)還允許在帶隙內(nèi)出現(xiàn)局部導(dǎo)模。
光子帶隙結(jié)構(gòu)在光頻下存在兩種反射光的原則性方式，即總內(nèi)反射(TIR)和來自循環(huán)電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的反射。當(dāng)在界面的兩側(cè)上不可能同時與頻率和相位匹配時，TIR發(fā)生于兩個電介質(zhì)之間的界面上。當(dāng)光從高電介質(zhì)材料入射時，它全部反射回到材料內(nèi)。這僅發(fā)生在如果入射角度大于臨界角時。光還在均勻電介質(zhì)和循環(huán)電介質(zhì)之間的界面反射。這發(fā)生于在循環(huán)介質(zhì)破壞性界面中的多個散射波時，因而防止在循環(huán)介質(zhì)內(nèi)部的傳播。
現(xiàn)在玻璃與光的相互作用限制了用傳統(tǒng)的玻璃光纖維傳輸?shù)淖畲髲姸龋@取決于TIR。由于沒有固體材料具有小于1的折射率，因此不可能具有取決于TIR的纖維中空芯，因為芯必須具有比包層大的折射率。
光子晶體是在空間內(nèi)在一個或多個尺寸上結(jié)構(gòu)元件重復(fù)的結(jié)構(gòu)。由于多次折射，一些波長不能在這些結(jié)構(gòu)中傳播，如果該結(jié)構(gòu)反射在空間內(nèi)以任何角度入射的波長，據(jù)說該結(jié)構(gòu)具有“光子帶隙”(PBG)。參見Joannopoulos，J.D.等人的Photonic crystalsmolding the flowof light，Princeton University Press(1995)；和Cassagne D.等人的Phys.Rev.B52R2216-R2220(1995)。具有這種光子晶體的結(jié)構(gòu)和具有的PBGs可用做光纖維，因為它們有能力引導(dǎo)光穿過結(jié)構(gòu)的中空部分，該中空部分由具有適當(dāng)?shù)墓庾訋兜牟牧习鼑?br> 在一個實施例中，本發(fā)明的方法可用于制造由PBG結(jié)構(gòu)組成的光纖維。如上所述，這些結(jié)構(gòu)允許光穿過中空芯傳播，而對利用TIR的纖維無任何限制，例如要求包層具有較高的折射率。使用空氣作為介質(zhì)，光經(jīng)過該介質(zhì)傳播還防止吸收由傳統(tǒng)的光纖維的芯材料(例如玻璃)吸收的一些波長。有可能利用本發(fā)明的方法來制造PBG結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許光沿纖維的中空結(jié)構(gòu)單模傳輸。
初始，考慮到需要在折射率上有大的對比，以獲得光子帶隙。這種對比的一個例子是在空氣和半導(dǎo)體之間的折射率，即折射率n大于3?，F(xiàn)在經(jīng)研究表明，只要光具有平行于棒的方向移動的分量，利用空氣和石英之間的折射率(n＝1.5)的適當(dāng)?shù)膶Ρ?，有可能產(chǎn)生二維光子帶隙。參見Binks等人的Electron.Lett.31，1941-1943(1995)。通常由石英吸收的波長可通過空氣傳輸更長的距離，而在中等光強度下，由于空氣不易受在石英中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)的影響，利用光子帶隙結(jié)構(gòu)可傳輸更高的光強度。這樣，通過材料形態(tài)學(xué)的波長標度循環(huán)微結(jié)構(gòu)，光子帶隙結(jié)構(gòu)使傳統(tǒng)的材料具有設(shè)計新的光學(xué)性能的能力。
光纖維預(yù)制坯的構(gòu)造各種光纖維是公知的，每個這些纖維可由特定的預(yù)制坯制造。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，光纖維預(yù)制坯由包含產(chǎn)生PBGs的循環(huán)區(qū)域的光子晶體組成。這種類型的光纖維預(yù)制坯通常利用多個棒和/或管構(gòu)成，它們疊置以制造所需的結(jié)構(gòu)。參見例如Cregan等人的Science 2851537-1539(1999)和Knight等人的Science 2851476-1478(1998)。這類管可由任何材料形成，以允許制造光子帶隙結(jié)構(gòu)，包括但不限于石英、玻璃、石墨、塑料等。參見Cregan等人的上述內(nèi)容和F.Gadot等人的Appl.Phys.Lett.711780(1997)。該結(jié)構(gòu)基于蜂巢形格子內(nèi)設(shè)置的氣孔的另外的循環(huán)陣列的缺陷。
例如，許多恒定直徑的固體石英棒可水平疊置，以形成多邊形橫截面結(jié)構(gòu)。為了制造在結(jié)構(gòu)內(nèi)的波導(dǎo)芯，“缺陷”(或中空段)必須引入，以實現(xiàn)光學(xué)性能與完全循環(huán)結(jié)構(gòu)的不同。該芯由作為“包層”的完全循環(huán)區(qū)域包覆，并將光限制在芯內(nèi)。最好，在預(yù)制坯的中心留有空間，以允許引導(dǎo)光在中央芯內(nèi)行進。另一方案是，在該循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)留有多個中空空間，以允許光沿多個通道行進。將額外的氣孔引入結(jié)構(gòu)內(nèi)還允許在帶隙內(nèi)出現(xiàn)局部導(dǎo)模。
在另一個實例中，典型的單模光纖維包括中心為10μm直徑的芯、包圍芯的125μm直徑的包層和由樹脂覆蓋包層形成的保護套。光纖維玻璃預(yù)制坯最終還包括內(nèi)芯部分和包層涂層。該光纖維玻璃預(yù)制坯本身傳統(tǒng)上是通過轉(zhuǎn)換煙灰體，以便在透明玻璃中形成光纖維多孔玻璃預(yù)制坯而形成。
制造光纖維多孔玻璃預(yù)制坯的傳統(tǒng)方法包括OVD方法(外沉積型CVD方法)和VAD方法。用于本發(fā)明的預(yù)制坯可利用制造本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的預(yù)制坯的這些或其它方法制造。
例如，利用VAD方法制造光纖維多孔玻璃預(yù)制坯的一般方法涉及制備籽晶桿(以后稱為“目標桿”)，并將目標桿放在反應(yīng)容器內(nèi)，反應(yīng)容器的一端從上側(cè)懸置，以便目標桿圍繞其縱向中心軸線旋轉(zhuǎn)。氧氣、氫氣和其它燃燒氣體和SiCl4玻璃微粒材料(如果需要包括摻雜物例如GeCl4)供給到氫氧燃燒器，氫氧火焰由該氫氧燃燒器產(chǎn)生。在由燃燒器產(chǎn)生的燃燒氣體形成的氫氧火焰中，氫氧火焰中的潮氣和SiCl4經(jīng)過水解反應(yīng)，這如下列反應(yīng)公式所示，并形成SiO2，SiO2是玻璃微粒的主要成分
這些玻璃微粒噴涂到旋轉(zhuǎn)目標桿的下部并沉積在其上，以形成光纖維煙灰體。
然后，通過VAD方法形成的光纖維煙灰體轉(zhuǎn)換成透明玻璃，以形成光纖維多孔玻璃預(yù)制坯，它用于制造光纖維。應(yīng)注意如果需要的話，轉(zhuǎn)換成透明玻璃的光纖維煙灰體也具有圍繞其沉積的玻璃微粒。在這種情況下，在玻璃微粒沉積后，煙灰體再次轉(zhuǎn)換成透明玻璃，以形成光纖維玻璃預(yù)制坯。
制造傳統(tǒng)的光纖維預(yù)制坯的其它方法在美國專利4224046；4419116；4421540；5320660；5397372和5672192中有描述。
涂覆光纖維用于傳輸光信號的包含若干光纖維的光纖維光纜也是公知的。這種光纖維光纜典型的包括可具有一個加強構(gòu)件的芯，以便在光纜上承受軸向張力和軸向壓力。也位于芯內(nèi)的是一個或多個管。每個管典型的包括若干光纖維。在管內(nèi)的光纖維可以單獨絞合，或者可以設(shè)置在光纖維帶內(nèi)。設(shè)置一個套來封閉包括管和加強構(gòu)件的芯。在這種光纜內(nèi)包含的光纖維包括玻璃芯和一個或多個包層和/或涂層。
在制造玻璃光纖維的工藝中，玻璃纖維由預(yù)制坯拉拔成，然后用一個或多個涂層材料涂覆，該涂層材料典型為紫外光可養(yǎng)護材料。涂層材料包括例如聚合成分，并由一個或多個涂層敷涂器涂覆。纖維涂層的作用是保護玻璃光纖維的表面不會被機械刮壞和磨損，在隨后的處理和使用中光纖維可能經(jīng)受這種機械刮壞和磨損。一個或多個涂層還響應(yīng)外部機械力和環(huán)境溫度從而影響纖維的光學(xué)特性。
光纖維在其終端應(yīng)用時幾乎普遍為彩色標記。在大多數(shù)市場中可接受各種各樣的顏色，通過將彩色纖維與附加顏色或環(huán)形條帶結(jié)合做為“條帶標記”，可能形成附加的識別。一種給光纖維著色的公知的方法是給光纖維涂上油墨層，該光纖維具有單數(shù)或復(fù)數(shù)涂層，因此，總復(fù)合光纖維包括具有一個最外油墨層的主和次涂層。油墨顏色層是薄的，典型為3至5微米厚，且典型的包括載體樹脂和顏料系統(tǒng)。載體樹脂典型的可以是可溶化的熱塑材料或紫外線(UV)可養(yǎng)護樹脂。在前者中，油墨通過染色或轉(zhuǎn)移法涂覆，例如氈尖敷涂器或輥，載體樹脂的溶劑由熱分離，以便在纖維上保留著色樹脂。在紫外線系統(tǒng)中，沒有溶劑。液體樹脂顏料通過紫外線能量養(yǎng)護到固體狀態(tài)。任一種油墨涉及或者光纖維制造或制纜操作的單獨步驟。
給纖維標記顏色的一種替代方法是直接在兩涂層光纖維的第二(外)涂層上施加混合的顏色。第二涂層用作著色劑的載體樹脂。
在一個實施例中，在聚束過程期間，利用所需的液體涂層作為周圍的聚束流體來涂覆光纖維。例如，預(yù)制坯可加熱并可利用由液體樹脂顏料構(gòu)成的外部液體來聚束。當(dāng)預(yù)制坯聚束時，它還由液體樹脂和顏料涂覆，并在抽出聚束的光纜時，它將保持聚束材料的外涂層。然后聚束的光纖維擠出到氣體環(huán)境中，并利用紫外線能量馬上養(yǎng)護到固體狀態(tài)。
預(yù)制坯和纖維特性本發(fā)明的方法可用來制造預(yù)制坯，然后，該預(yù)制坯通過傳統(tǒng)的拉拔技術(shù)用來制造纖維或可替換地，利用傳統(tǒng)的技術(shù)制造的預(yù)制坯用來制造纖維，或者替換地，本發(fā)明用來制造根據(jù)在此所述的方法制造的預(yù)制坯來制造纖維。沿其長度具有恒定直徑的預(yù)制坯可利用這里所述的技術(shù)來制造，特別是其中的直徑沿纖維或預(yù)制坯的長度變化從±1％或小到±30％或更小。而且，可制造纖維，其中沿纖維長度的直徑基本上恒定，例如石英玻璃的光纖維可制成具有約1微米的直徑，沿纖維的長度的直徑變化為±約10％或更小或更優(yōu)選的是±約1％或更小。
本發(fā)明的方法提供纖維成形穩(wěn)定性，該穩(wěn)定性通過爐或壓力室內(nèi)提供的適當(dāng)?shù)耐獠繅毫Ψ植紒砑訌姟＠w維上的應(yīng)力可以顯著降低，因為通過周圍的聚束流體或氣罩可避免玻璃與固體的接觸。與典型的擠壓或拉拔技術(shù)相比，徑向粘性應(yīng)力顯著降低，因此，可以形成復(fù)雜的纖維同心結(jié)構(gòu)。由本發(fā)明的噴嘴擠壓的熔融或半熔融/半固體纖維可結(jié)合在一起，以提供任何所需構(gòu)造的光子帶隙結(jié)構(gòu)。不僅通過本發(fā)明的技術(shù)制造的這種光子帶隙結(jié)構(gòu)和纖維的特征，而且工藝本身導(dǎo)致希望的特征，例如由于周圍的聚束流體可避免擠壓裝置的阻塞，并避免由于與這種固體物質(zhì)的接觸而使纖維材料污染。而且，纖維質(zhì)量可通過快速纖維淬火而提高，淬火是由于排出噴嘴的氣體的膨脹而發(fā)生。
實例提出下列實例是為了提供對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說完整的公開和描述如何制造和使用本發(fā)明，并非打算限制本發(fā)明的范圍，也非打算體現(xiàn)下面的試驗是全部或僅可實施的試驗。我們試圖努力確保相對于所使用的數(shù)字(例如數(shù)量、溫度等)的準確性，但一些試驗誤差和偏差應(yīng)予以考慮。除非特別指出，零件是以零件重量計，分子重量是平均分子重量，溫度是攝氏度，而壓力是大氣壓或接近大氣壓。這里描述的壓力單位假定以帕斯卡為單位，粘度以千克每米每秒為單位，長度以米為單位，而速度以米每秒為單位。
實例1傳統(tǒng)的光纖維預(yù)制坯的聚束通過制成適當(dāng)成分的光纖維預(yù)制坯并由該預(yù)制坯拉拔成纖維來典型地制造光纖維。預(yù)制坯是具有約1米長度和20mm外徑的同心玻璃棒。棒的內(nèi)芯是高純度、低損耗玻璃例如具有約3mm直徑的鍺硅酸鹽玻璃。被稱為包層的同心外圓柱體是具有比內(nèi)芯低的折射率的一層玻璃。
拉拔該預(yù)制坯是利用圖1所示的裝置來實施的。簡要地說，預(yù)制坯的端部用作傳輸源，它加熱到允許預(yù)制坯材料變的易延展的溫度。通常，高粘性液體纖維如石英需要在700-1000℃的溫度范圍(約1000至1300°K)內(nèi)工作。粘度范圍在1000000至1000000000cpoises。預(yù)制坯保持在加熱環(huán)境內(nèi)達足夠的時間，以便變的易延展，然后從預(yù)制坯傳輸源引入到具有周圍的聚束氣體的壓力室或爐內(nèi)。通過利用重力打開預(yù)制坯傳輸源來將預(yù)制坯引入壓力室，并可選擇地使加熱氣體脈動進入傳輸源室內(nèi)。聚束氣體通過第二入口引入到壓力室內(nèi)。聚束氣體還可以加熱以便保持預(yù)制坯的延展性。
在爐3內(nèi)的聚束流體或氣體涌向噴嘴5的出口4，以便在預(yù)制坯和管的高粘性玻璃牽拉。這樣，當(dāng)預(yù)制坯向噴嘴5移動時，預(yù)制坯的圓柱形結(jié)構(gòu)長度增加，而橫截面尺寸減小。在噴嘴5內(nèi)，附加的力沿噴嘴的長度“L”連續(xù)施加，直到纖維離開噴嘴5的開口4并通過氣體的快速膨脹來冷卻，該氣體也離開開4達到大氣壓力Pa。當(dāng)纖維7離開噴嘴5的開口4時，它以速度“V1”移動，該速度基本上比它在預(yù)制坯1的端部2處移動的速度“V0”快。而且，氣體在λ＞0.635時超音速膨脹。
根據(jù)本發(fā)明，有可能如圖1所示重復(fù)應(yīng)用方法。特別是，離開開口4的纖維6開始相同的處理步驟，粘性材料的長度進入爐3’并進入噴嘴5’，以便進一步被拉伸，即縱向尺寸增加，而橫截面尺寸降低，以便制造任何所需的長度或尺寸的纖維。
由于高粘性液體的不同的物理現(xiàn)象和換算定律，噴嘴最好設(shè)計成承受拉拔纖維6所需的極高壓力，該拉拔是通過穿過200微米噴嘴的氣體射流實施。例如，一些流體離開室時可呈現(xiàn)猛烈的顫動或“抖動”的不穩(wěn)定性。這可說明裝置的設(shè)計和消除流動的方式。例如，流動和纖維可排放到真空室內(nèi)，以便纖維6瞬間冷卻，并沿真空室承受有利的壓力梯度。
示例2光子帶隙光纖維預(yù)制坯的聚束由一種或多種光子帶隙結(jié)構(gòu)組成的光纖維可利用本發(fā)明的方法和裝置拉拔。
最近描述了本領(lǐng)域的基于光子帶隙結(jié)構(gòu)的光纖維。這些結(jié)構(gòu)具有與包層相同的光子帶隙結(jié)構(gòu)，它迫使光保持在中空芯內(nèi)。該結(jié)構(gòu)由石英管和棒制成，石英和空氣之間的對比度(1.46比1)表明足以制造適合本發(fā)明目的的帶隙。參見Cregan等人的上述內(nèi)容和Knight等人的上述內(nèi)容。產(chǎn)生的帶隙取決于預(yù)制坯的幾何布置，改變結(jié)構(gòu)方面例如孔、孔的尺寸和孔之間的距離也將改變產(chǎn)生的帶隙。用作光纖維的PBG結(jié)構(gòu)最好是在中心具有大量空氣的結(jié)構(gòu)，例如從約25-45％，最好接近30％。
所有纖維利用兩種基本不同的方法制造。根據(jù)預(yù)制坯1(如圖1所示)可以是中空圓柱體。根據(jù)一個替代的構(gòu)造，熔融石英玻璃通過擠壓熔融石英由管提供，該管圍繞一第二管同心布置，該第二管同時擠壓氣體，并使氣體保持基本上等于爐或壓力室3內(nèi)的壓力“P0”的壓力。有可能使圖1所示的若干部件對齊，因此，它們同時擠壓相互接觸并呈半固體狀態(tài)的中空半固體管。然后該管相互熔合，并且當(dāng)不同管以本領(lǐng)域公知的方式正確定位時形成光子帶隙結(jié)構(gòu)。
實例3光子帶隙光纖維預(yù)制坯的元件的聚束除了實例2的聚束之外或與其結(jié)合，光纖維PBG預(yù)制坯的前身元件可在預(yù)制坯的構(gòu)造和/或熔合之前聚束。PBG預(yù)制坯利用棒和/或管制成，它們被捆扎以便產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔的某些均勻空間。
提供中空石英或塑料棒，然后利用本發(fā)明的聚束方法更改。利用本發(fā)明的方法，這些管聚束成非常特殊和小的直徑。聚束管可用來制造由這些管構(gòu)成的光纖維預(yù)制坯。然后，液流通過氣體狀外流體聚束成微射流，且管排放到氣體環(huán)境中，在此他們固化并收集。
為了制造預(yù)制坯，幾百個中空聚束管捆扎成六角形陣列。用來制造預(yù)制坯的管的直徑取決于帶隙內(nèi)的孔的所需尺寸，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說這是明然的。管的直徑控制管和由預(yù)制坯制成的光纖維內(nèi)的生成的循環(huán)空間之間的空間。一旦管疊置，適當(dāng)數(shù)量的管(例如5-50個管)移走，以提供光可運行的一個或多個中空芯。
隨著該構(gòu)造，預(yù)制坯可熔合并制備以便拉拔成纖維。作為替換，未熔合的預(yù)制坯可承受實例1中描述的細長情況，并在所述情況后也熔合。
數(shù)學(xué)公式化假定軸對稱結(jié)構(gòu)(下面描述不對稱效果)，我們來考慮經(jīng)過長度為L的收斂-發(fā)散的微噴嘴同心拉拔并由如圖1描繪的高速氣流包圍的牛頓粘性液體。目的是獲得在給定速度V1時最終半徑α＜＜L的纖維。我們定義無量綱變量x、f、v和p分別代表軸向坐標、纖維半徑、液體速度和液體壓力，它們與L、α、V1和3μ0V1/L一樣無量綱，這里的μ0是參考液體粘度。而且，由于在液體和氣體的微粒的停留時間的不一致，可以考慮對于任何非穩(wěn)定液體運動(包括約為纖維直徑量級的波長的運動)氣體具穩(wěn)定性。在問題中，氣體壓力和溫度被認為是穩(wěn)定的變量，它僅是軸向坐標的函數(shù)。
為了一般性，我們可假定液體粘度與溫度的非線性相關(guān)μ＝μ(T1)，這里T1是液體溫度。利用在接近“拉拔”點的給定為T0的溫度下的粘性液體，其中液體粘度是μ0(在許多實際情況下μ0＝105Pa·s)，粘度和溫度之間的關(guān)系非常適合定律μ＝μ010-k(Tl/To-1)，這里k是無量綱常數(shù)(在光纖維中使用一般玻璃的情況下，T0～1000K，k約10至15)。然后，一旦定義無量綱速度ξ＝μ/μ0。這樣，與更大的粘度和壓力相比，忽略重力、液體加速度和表面張力，人們可寫下液體的公知的質(zhì)量和動量轉(zhuǎn)換方程t(yī)f2+x(f2v)＝0；xp＝x(ξf2xv)f2+fs(1)邊界條件為(i)p＝p0＝(LP0)/(3μV1)，f＝E1/2，和在x＝0時，v＝E-1，和(ii)在x＝1時，v＝1，這里E＝V0/V1，V0是吸入液體速度(或者在玻璃纖維拉拔時玻璃預(yù)制坯速度)，fs＝Fs/(3μV-1/L2)，這里Fs～τ/α是由于在表面上的粘性應(yīng)力的每單位體積的軸向合力，τ是由于氣流在液體表面上作用的粘性應(yīng)力。假定高粘性液體，纖維徑向速度曲線幾乎完全平坦，因為粘性擴散時間tv～ρα2μ-1是比流體動力時間t0～LV1-1(即，μL(ρV1α2)-1＜＜1)小許多數(shù)量級。
另一方面，氣流由公知的等熵的可壓縮的1-D，N-S方程控制氣體壓力和溫度分布分別由其不變值P0和T0和噴嘴幾何形狀穿過其局部橫截面面積A(x)，給定。在噴嘴內(nèi)的氣體膨脹引起氣體溫度沿噴嘴的變化，這是由下面給定T/T0＝1-ΔT/T0＝(1-ΔP/P0)(γ-1)/γ(2)在等熵假定中，這里γ＝Cp(g)/Cv(g)是絕熱氣體常數(shù)，Cp(g)和Cv(g)分別是在恒定壓力和密度下的常用的氣體熱系數(shù)，ΔP是在噴嘴從其入口至一定點的壓降。這可接近ΔT≌(γ-1)γ-1ΔPP0-1T0。
假定是細長的纖維，其局部溫度曲線T1由下式給出vxT1＝αr(rrT1)/r (3)其邊界條件T1(x；f)＝Ts(T1(x；0)≠∝)，和T1(0，r)＝To，這里Ts是在纖維表面的氣體溫度，r是徑向坐標(用α構(gòu)成的無量綱)和α＝K/(v1ρCρα2)。P、K和Cρ分別是液體密度、熱導(dǎo)率和熱容量。我們可以區(qū)分兩個限制問題1.α＞＞1在這種情況下，我們假定T1＝Ts，我們稱“有限氣體”(GL)的情況。
2.α＜＜1在這種情況下，我們假定T1＝T0，我們稱“等溫”(IT)限制。
在GL情況下，纖維在徑向的溫度曲線認為是均勻的，溫度由氣體經(jīng)過其熱分界層傳熱的能力來控制。在其它限制中，IT，在初值T0溫度保持液體體積，因為液體熱邊界層不能排空液體熱。
從纖維形狀一致性和質(zhì)量的觀點來看，GL情況是最有利的一種，因為它涉及一個控制的溫度(即材料淬火和提高無定形結(jié)構(gòu))和纖維粘度的實質(zhì)增加(因此“機械阻力”增加)，此時它向噴嘴出口前進，其本身立即抑制大多數(shù)不穩(wěn)定性，而不需要進一步工藝的改進，盡管它需要一種有限的生產(chǎn)速度，這由V1＜＜KL/(ρCρα2)給定。這些速度通過在一些情況下典型的簡單熱拉拔工藝實現(xiàn)，但在本工藝中溫度控制嚴重受限制。
相反，IT情況具有挑戰(zhàn)，因為它是最不穩(wěn)定的，且難于控制，但其好處是大的生產(chǎn)率(大的E值)。因為如此，我們將聚焦于該特別的限制，在簡單的拉拔的狀態(tài)下Yarin等人(1999)也考慮到此情況。我們將說明使用共流動高速氣流提供如下裝置(i)完全穩(wěn)定纖維，(ii)產(chǎn)生纖維一致性和/或形狀控制，和(iii)控制纖維淬火。盡管我們對IT情況感興趣，因為下面的一般性，我們將考慮到對于GL限制在液體中的溫度變化。
氣體邊界層、粘性剪應(yīng)力和纖維表面上的熱傳導(dǎo)-在液體射流上的氣體邊界層具有約為δ～0((μgLp0-1)1/2(RgT0)1/4)的厚度，其中P0，T0和μg分別是在噴嘴入口的的不變氣體壓力和溫度，1g是氣體粘度，Rg＝Cp(g)-Cv(g)照常。然后，由于更快的氣流，作用在射流表面上的切向粘性應(yīng)力τ約為τ～0((μgL-1p0)1/2(RgT0)1/4)。比較在表面上的每單位體積粘性應(yīng)力的軸向合力Fs，約為Fs～τ/α，與粘性應(yīng)力的延伸(軸向)合力Fv，約為Fv～μV1/L2，由于P0～μV1/L，可以獲得Fs＝Fv～(μg/μ1)1/2(RgT0/V12)1/4L/α (4)我們探索生產(chǎn)速度V1大大地大于μgμ-1L2α-2(RgT0)1/2(在實際情況下約10-3至10-2m/s的數(shù)量級)，對此Fs＜＜Fv，相比約為P0L-1～μV1L-2法向壓應(yīng)力的軸向分量，表面應(yīng)力的貢獻是可忽略的。這樣，在(1)中的動量方程降低至xp＝x(ξf2xV)/f2。
由于氣體溫度變化可用方程(2)估算，考慮到一部分線流，由于通過氣體熱邊界層的熱轉(zhuǎn)換，其溫度變化(由于氣體普朗特數(shù)δ的ΔT1~LρCραV1k·ΔTδ]]>數(shù)量級為數(shù)量級1)的數(shù)量級為這里k0是在溫度T0下的氣體熱傳導(dǎo)率。在實際情況下，我們可具有L(ρCpαV1)-1k0δ-1＜＜1；然而，由于粘性與溫度的強的相關(guān)性，這些限制的液體溫度變化(實際上T0的約5％至20％)足以增加液體粘性的數(shù)量級，這是本身抑制大多數(shù)不穩(wěn)定性的機理。
這里應(yīng)該討論由于所需要的高P0值來驅(qū)動纖維，氣體承受其最大膨脹，結(jié)果剛好在噴嘴出口后其最大冷卻。在GL情況下，纖維足以硬化以保持不受膨脹影響。在IT限制時，噴嘴出口幾何形狀和出口后的纖維卷繞系統(tǒng)應(yīng)仔細設(shè)計，以避免纖維形狀不一致。
噴嘴幾何形狀-為了減少噴嘴幾何形狀對單參數(shù)的問題，在我們的預(yù)定任務(wù)中不損失一般性，我們已經(jīng)選擇了壓力分布的類型ρ(x)＝ρ0e-λx這里λ是自由參數(shù)，成組參數(shù){ρ0，λ}優(yōu)選以滿足在最小能量消耗(最小ρ0)未限制的纖維拉拔的要求(即纖維產(chǎn)量)。這樣，給定不變壓力ρ0，我們找尋λ值，對于任何(未限制)給定的“生產(chǎn)率”E值，在該值時拉拔是完全穩(wěn)定的。
纖維穩(wěn)定性、非對稱不穩(wěn)定的抑制(纖維抖動)-考慮數(shù)量級一致的ρ0值，對于λ＜0.635的值，除了在噴嘴出口處之外，獲得沿噴嘴的亞音速氣流。當(dāng)纖維承受小的偏離軸對稱結(jié)構(gòu)(我們稱之為氣流和液流時間不一致，氣流在穩(wěn)定區(qū)間計算)，計算在纖維上的壓力分布，獲得強烈的不穩(wěn)定效果。相反，當(dāng)λ值比0.635充分大，噴嘴流產(chǎn)生的超音速部分帶來了相反效果任何偏離基本的軸對稱構(gòu)造導(dǎo)致強的重新陣列方位角壓力分布，這抑制任何可能的初始的纖維抖動。
這樣，我們僅在分析時將考慮λ＞1值。
軸對稱非穩(wěn)定性的“拉拔共振”的抑制。IT情況下-考慮小的干擾問題，該問題如下產(chǎn)生F＝fe(1+αe^T)，v＝ve(1+βe^t)并由方程(1)控制，這里fe(x)和ve(x)是給定的邊界條件下的問題的穩(wěn)定值，α(x)和β(x)是與1相比自變量小的復(fù)雜函數(shù)，∧是復(fù)雜的干擾生長率。這樣，α和β由一組2個復(fù)雜ODEs控制，一致的邊界條件很容易由方程(1)獲得(為簡化問題在此沒有寫出，見[1])，這確定了本征值∧，其實數(shù)部分∧r及時給出了增長系數(shù)。我們將值∧r作為ρ0的函數(shù)，λ＝6，E＝120。
對于每個給定的E和λ值，具有一個對應(yīng)的ρ0值，在該值以上，軸對稱不穩(wěn)定受到抑制。在圖3A中，我們繪出曲線，將{E，ρ0}空間分成穩(wěn)定(曲線以上)和不穩(wěn)定(曲線以下)參數(shù)子空間，對于有實際影響的若干λ值。人們馬上注意到從該圖，對于每個給定的λ值，存在有可實現(xiàn)穩(wěn)定的特別限制的ρ0值，以便在該值上，纖維是對于任何E＞1的值是穩(wěn)定的。在圖4中，我們繪制這些限制的ρ0值作為λ的函數(shù)，并獲得壓力的普遍的最小值，在該壓力值之上，無論纖維生產(chǎn)率E多大，纖維絕對穩(wěn)定。
可以發(fā)現(xiàn)圍繞點λ≌5.65，對于單參數(shù)幾何形狀，約0.33的最小限制的ρ0值對應(yīng)優(yōu)選的噴嘴形狀，它具有顯著超音速的區(qū)域(從x＝0.112至x＝1)。在這種情況下，給定所需的纖維直徑和纖維生產(chǎn)速度V1，實現(xiàn)絕對穩(wěn)定性所必須的最小的氣體壓力P0由簡單的公式給出P0＝μV1/α (8)噴嘴形狀如圖2所示。
實際的情況-考慮鋁硅酸鹽玻璃制成的200微米直徑的纖維的173千米/天的生產(chǎn)率(在T0＝1500K時，μ0＝103Pa·s)。然后所需要的最小壓力是P0＝2×10Mpa，噴嘴出口壓力Ps＝P0×e-5.65＝70.3Kpa。假定噴嘴出口進入適配的壓力室，在Ts＝300K的溫度下，離開退出室(再循環(huán))的氣體等熵壓縮使溫度提高到所需要的T0≌1500K。液體分別具有密度，熱傳導(dǎo)率和熱容量ρ＝3000Kg·m-3，K＝1J(m·s·k)-1，且Cp＝1000m2(s2·K)。噴嘴設(shè)計應(yīng)使頸部纖維間隙最小，且不具有折衷的穩(wěn)定性。切實可行的解決方案是具有10mm長的噴嘴，在距離出口1.12mm處為1.3mm的頸部直徑，和1.28mm的出口直徑?？紤]到纖維的存在，該噴嘴具有0.32mm2的最小(音速)橫截面面積。由于V1＝2m·s-1＞＞KL/(ρCρα2)＝0.3m·s-1，纖維考慮為似等溫的(IT限制)。然后，工廠的最小理論功率消耗是W＝9.54KW，在Ps＝0.7巴時，氣流速率約為1l/s。直接按比例增大。
引入新的幾何形狀參數(shù)(最小ρ0值可進一步優(yōu)化)，噴嘴幾何形狀可進一步改進。這種改進不限制上述分析的一般性。
參見A.L.Yarin，P.Gospodinov，O.Gottlieb，M.D.Graham的Phys.Fluids 11，3201(1999)。
盡管參考本發(fā)明的特定的實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不超出本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的前提下，應(yīng)該理解本發(fā)明可做不同的修改，其等效范圍可進行替換。另外，許多修改可使特定的情況、材料、物質(zhì)成分、方法、一個或多個方法步驟適應(yīng)本發(fā)明的目的、實質(zhì)和范圍。所有這些修改應(yīng)包含在附屬的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種由圓柱形預(yù)制坯制造纖維的方法，其步驟包括在壓力室內(nèi)提供圓柱形預(yù)制坯的第一端，其中該預(yù)制坯沿縱向軸線具有第一橫向尺寸；將該預(yù)制坯的第一端暴露處理，該處理允許該預(yù)制坯在其第一端延展；和通過沿預(yù)制坯的一部分使聚束流體流動來施加物理壓力，其中使該聚束流體沿該預(yù)制坯的方向流動并流向該預(yù)制坯的第一端，從而迫使可延展的該預(yù)制坯的第一端通過布置在聚束流體流的下游的壓力室的出口，從而使纖維離開壓力室的出口排出，相對于該預(yù)制坯的第一橫向尺寸，該纖維具有減小的橫向尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，可實現(xiàn)延展的處理包括加熱該預(yù)制坯。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該預(yù)制坯在加熱前是固體的，并在施加物理壓力之前加熱以提供延展性。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過加熱聚束流體來加熱該預(yù)制坯。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該預(yù)制坯包括石英玻璃。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該預(yù)制坯是包括石英的光纖維預(yù)制坯。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，罐蓋圓柱形預(yù)制坯是包括石英玻璃的固體圓柱，并經(jīng)過出口排出形成固體圓截面纖維。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該圓柱形預(yù)制坯是包括石英玻璃的中空圓柱體，并經(jīng)過出口排出形成中空圓截面纖維。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該聚束流體是氣體。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，該氣體是加熱的惰性氣體。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，該氣體以超音速離開壓力室的出口。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該可延展的預(yù)制坯經(jīng)過噴嘴拉拔，該噴嘴從壓力室內(nèi)的一個開口開始，并沿一個曲面伸展，在壓力室的出口處終止。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，噴嘴的曲面具有一個表面構(gòu)形，噴嘴參數(shù)幾何形狀由下列方程定義p(x)＝p0e-λx這里p(x)是繪制噴嘴幾何形狀的曲面定義函數(shù)，p0是當(dāng)聚束流體進入噴嘴時該聚束流體的內(nèi)部壓力，λ大于0.635，以獲得聚束流體的超音速，而x是函數(shù)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，λ為2.0或更大。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，λ約為5.65。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，采用方程P0≥μ1V1L]]>，P0是到壓力室的入口處的壓力，μ1是可延展預(yù)制坯的端部的粘度，V1是在噴嘴內(nèi)的纖維的速度，而L是噴嘴的長度。
17.一種由熔融粘性液體制造纖維的方法，其步驟包括以一種方式擠壓熔融粘性液體流，從而使其從供應(yīng)源流入壓力室內(nèi)，該流體流具有第一圓周；向壓力室提供聚束流體，由此，該流體通過壓力室的入口進入，并通過布置在熔融粘性液體流的流動的下游的壓力室的出口排出；其中，該聚束流體包圍熔融粘性液體流并壓縮第一圓周，以產(chǎn)生比第一圓周更細的較細的第二圓周流，該較細的流從壓力室的出口排出形成纖維。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該熔融粘性液體是熔融石英玻璃。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，該聚束流體是氣體。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，該氣體是加熱的惰性氣體。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，該氣體以超音速離開壓力室的出口。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，該熔融石英玻璃流流動經(jīng)過噴嘴，該噴嘴從壓力室內(nèi)的一個開口開始，并沿一個曲面伸展，在壓力室的出口處終止。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該噴嘴的曲面具有一個表面構(gòu)形，噴嘴參數(shù)幾何形狀由下列方程定義p(x)＝p0e-λx這里p(x)是繪制噴嘴幾何形狀的曲面定義函數(shù)，p0是當(dāng)聚束流體進入噴嘴時該聚束流體的內(nèi)部壓力，λ大于0.635，以獲得聚束流體的超音速，而x是函數(shù)。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，λ為2.0或更大。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，λ約為5.65。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，采用方程，P0≥μ1V1L]]>P0是到壓力室的入口處的壓力，μ1是可延展預(yù)制坯的端部的粘度，V1是在噴嘴內(nèi)的纖維的速度，而L是噴嘴的長度。
27.一種制造光纖維預(yù)制坯元件的方法，其步驟包括提供具有縱向軸線的中空管；施加物理壓力以迫使管通過供應(yīng)源，方式是使該預(yù)制坯以縱向方式從通道的出口排出；和迫使流體經(jīng)過壓力室，方式是使在預(yù)制坯從通道的出口排出的流道的前面，流體從出口孔離開壓力室；其中，流體圍繞所述預(yù)制坯，并以縱向方式使所述預(yù)制坯聚束，以便從所述壓力室排出光纖維。
28.一種制造纖維的裝置，其包括壓力室，該壓力室包括用于添加聚束流體的入口和用于排出粘性液體的出口；和布置在出口的噴嘴，該噴嘴包括曲面，該曲面的幾何形狀由下述方程定義p(x)＝p0e-λx這里p(x)是繪制噴嘴幾何形狀的曲面定義函數(shù)，p0是當(dāng)聚束流體進入噴嘴時該聚束流體的內(nèi)部壓力，λ大于0.635，以獲得聚束流體的超音速，而x是函數(shù)。
全文摘要
一種預(yù)制坯(1)插入到一個爐(3)內(nèi)。高壓熱流體使得纖維的端部(2)變形并流出一個噴嘴(5)。排出的玻璃為一纖維(6)的形式。
文檔編號C03B37/023GK1429181SQ01809295
公開日2003年7月9日 申請日期2001年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月10日
發(fā)明者A·M·加南－卡爾沃, D·L·德沃雷 申請人:流體聚焦公司