本发明属于光纤预制棒制备，尤其涉及一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法及装置。
背景技术：
1、氟化物玻璃具有低的声子能量、优异的中红外透过性能、高的稀土离子溶解度等优点，是重要的中红外光纤前驱体玻璃材料。根据氟化物玻璃光纤组成不同，目前主要有氟锆玻璃光纤、氟铟玻璃光纤和氟铝玻璃光纤三大类：
2、(1)氟锆玻璃光纤以zrf4为主要成分，其红外吸收边可达7μm，具有很高的红外透过性能。zrf4本身并不能形成玻璃，但在加入了baf2作为玻璃网络改性剂，加入稀土元素(la)、碱金属元素(如na)和少量alf3作为玻璃稳定剂后即可以形成稳定的玻璃体。氟锆玻璃光纤的经典组分为：53zrf4-20baf2-4laf3-3alf3-20naf，即zblan玻璃光纤。研究表明zblan玻璃光纤具有低的声子能量(550cm-1)、高的稀土溶解度、高的激光损伤阈值、较高的断裂韧性、较好的化学和热稳定性，掺杂稀土后可作为中红外光纤激光器的增益介质。
3、(2)氟铟玻璃光纤以inf3为主要成分，组分相对复杂，涉及多种重金属氟化物和稀土元素，可以形成三元、四元、五元、六元乃至更多元的玻璃体系，原子折合质量大，形成玻璃的健强较弱。因此，氟铟玻璃光纤具有目前氟化物玻璃光纤中最低的声子能量(510cm-1)，红外截止边＞8μm。但是，氟铟玻璃由于较为松散的玻璃结构，相对于zblan玻璃更容易受到水的侵蚀，并且更容易析晶。
4、(3)氟铝玻璃光纤以alf3为主要成分，经典组分为ayf(alf3-mgf2-caf2-srf2-baf2-yf3)，具有低声子能量(630cm-1)和低折射率的特点，红外截止边可达6μm，玻璃化转变温度高，化学稳定性优异，远优于zblan玻璃。但是，氟铝玻璃的料性相较于zblan玻璃和氟铟玻璃更短，制备过程中更容易析晶。
5、对于氟化物玻璃光纤来说，损耗是其最重要的关键指标之一。光纤预制棒的质量好坏对于光纤损耗大小起着重要作用，影响光纤预制棒质量的因素主要有芯包层界面、氧化物杂质颗粒、氟化物微晶、气泡、羟基吸收、杂质金属离子等。其中氧化物杂质颗粒主要为zro2，来自zrf4水合物在高温下形成的非化学计量的氟氧化锆；氟化物微晶来自于玻璃析晶，主要与玻璃元素组成、成型工艺、杂质析晶中心等有关；羟基吸收是由于原材料和气氛中的水在熔制、浇铸、拉制光纤等步骤中引入，从而导致2.7μm处强的吸收；杂质金属离子主要通过原料引入，具有特定吸收峰的金属杂质会极大增加光纤的吸收损耗。由于氟化物玻璃成分复杂，影响因素众多，且缺少对应的气态化合物，氟化物玻璃光纤预制棒不能同石英光纤预制棒一样采用气相沉积法进行制备，目前制备氟化物玻璃光纤的方法主要有管棒法、吸注法、旋转浇注法和双坩埚法。
6、管棒法是一种应用较为普遍的光纤预制棒制作方法。其主要特点是采用光学研磨抛光的方法分别制作芯棒和包层玻璃管，将包层玻璃管和芯棒套在一起，即可形成光纤预制棒。管棒法易于控制芯包直径比例，但是对包层管内表面和芯棒外表面的光学加工质量要求极高,管棒表面很容易存在微小的划痕和凹坑等缺陷，同时容易被抛光物料和环境中的杂质微粒所污染。在光纤拉制过程种中，包层管内表面和芯棒外表面之间存在空气间隙，容易出现空气无法排除干净，且容易受环境杂质的污染，造成界面损耗高的问题。此外，由于材料表面能的存在，玻璃在软化时更容易在表面析晶，所以包层管的内表面和芯棒外表面也很容易在加热软化时析晶。对氟化物玻璃光纤来说，这种析晶会更加严重，致使光纤的界面损耗大。
7、吸注法是利用氟化物玻璃在冷却过程中的体积收缩产生的吸力制作光纤预制棒的方法。制作预制棒时，将模具与用于产生收缩吸力的余料腔装配好，余料腔和模具需事先预热。将熔制好的包层玻璃液浇注至模具中，然后将芯层玻璃液浇注在包层玻璃液之上。随着玻璃液的冷却，模具与下方余料腔内的玻璃液体积收缩，由于玻璃液与模具接触的界面的温度低粘度大、中心的温度高粘度小，包层玻璃液因余料腔内的玻璃液体积收缩而向下流动的过程主要发生在液柱中心部位，因而可形成芯包层结构。吸注法的最大优势是，不同于管棒法要加工套管和芯棒，因而也不存在管棒法所带来的芯包层界面损耗增加的问题。吸注法可以获得优良的芯包层界面质量。但是这种方法的缺点也是十分明显。首先，玻璃液浇注的时机和温度很难精确把握，稳定性和一致性差；其次，吸注的芯料通常呈现出锥形，难以获得纤芯直径均匀的预制棒；另外,吸注法所采用的浇注方式,决定了其很难制作出光学均匀性优良的高质量玻璃光纤预制棒。
8、旋转浇注法是利用模具高速旋转产生的离心力制作光纤预制棒的方法。首先将包层玻璃液浇入模具中并开始高速旋转，待包层玻璃凝固后打开模具，浇入纤芯，即可形成光纤预制棒。该方法利用离心力使玻璃液均匀分布并消除气泡和夹杂物，无需进行另外的加工，避免了管棒法需要机械钻孔容易导致玻璃崩裂等问题，而且包层管内壁光滑，没有引起外部污染。可以通过改变模具的尺寸或改变浇注到模具中玻璃液的体积,就可以方便地制备出不同外径和内径尺寸的包层玻璃管。然而，旋转浇注法制得的光纤预制棒在纤芯-包层界面非常容易出现较多的气泡缺陷。
9、中国专利cn201510478413.5公开了一种基于层流效应的双坩埚法制备光纤预制棒，该方法利用内外双坩埚熔融玻璃料，通过活塞下移速度控制漏注速率,通过控制玻璃液的粘度和漏注速率,控制漏注过程的雷诺数，以确保漏注过程为层流。其最大优势是，不同于管棒法要加工套管和芯棒，也不同于吸注法难以获得纤芯层直径均匀的预制棒。双坩埚层流漏注法可以获得优良的芯包层界面质量和恒定的纤芯直径。但氟化物玻璃熔融时不可避免地会在坩埚底部出现沉淀物和高附着力的气泡，这是因为氟化物玻璃对于空气水分的高度敏感以及zrf4水合物在高温下形成的非化学计量的氟氧化锆所导致的，采用双坩埚层流漏注法会使得沉淀物和气泡通过层流效应分布于预制棒内部。
10、综上所述，现有的氟化物玻璃光纤预制棒制备方法中，管棒法加工难度大，内外表面缺陷多，易受外界环境污染；吸注法稳定性和一致性差，纤芯形状呈锥形，难以获得纤芯直径均匀的预制棒；旋转浇注法容易在纤芯-包层界面出现气泡缺陷；双坩埚法不可避免地受到坩埚底部沉淀物和高附着力气泡的影响。
11、因此，需要设计一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法及装置以解决上述问题。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法及装置，以解决上述问题，达到制备纤芯-包层界面质量好、坩埚杂质污染少、纤芯直径均匀和制备工艺简单的氟化物玻璃光纤预制棒的目的。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法，包括以下步骤
3、s1、加热融化外包层、内包层和纤芯的玻璃原料；
4、s2、吸取制备外包层；
5、s3、在外包层内部吸取制备内包层；
6、s4、在内包层内部吸取制备纤芯；
7、s5、对外包层、内包层和纤芯进行退火处理，得到预制棒成品。
8、优选的，s1中，将外包层、内包层和纤芯的玻璃原料分别放入铂金坩埚内，将铂金坩埚放置在700℃-900℃的熔炉中，保温1h-2h，使玻璃原料全部熔化。
9、优选的，s2中，将盛有熔化原料的铂金坩埚从熔炉中取出，并放置在移动平台上，使用红外测温监控熔化原料的温度，熔化原料温度降低至450℃-550℃时，将石英管插入外包层熔化原料中，通过负压吸取熔化原料，吸取完成后保压5s-30s，解除负压，排出多余原料，完成外包层制备。
10、优选的，s3中，通过移动平台将盛有内包层熔化原料的铂金坩埚移动至石英管下方，将带有外包层的石英管插入内包层熔化原料中，通过负压吸取熔化原料，吸取完成后保压5s-10s，解除负压，排出多余原料，完成内包层制备。
11、优选的，s4中，通过移动平台将盛有纤芯熔化原料的铂金坩埚移动至石英管下方，将带有外包层和内包层的石英管插入纤芯熔化原料中，通过负压吸取熔化原料，吸取完成后保压10s-30s，纤芯原料固化后，解除负压。
12、优选的，s5中，将带有外包层、内包层和纤芯的石英管放入退火炉内进行退火，退火温度比玻璃转变温度高10℃-20℃，退火保温时间为2h-4h，保温结束后以10℃/h的速率降至室温，得到预制棒成品。
13、优选的，还能够制备单包层的预制棒成品。
14、一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法所使用的装置，包括移动平台，铂金坩埚放置在所述移动平台顶端，所述移动平台一侧设置有升降立柱，所述升降立柱通过支架固定连接有阀体，所述阀体固定连通有石英管，所述石英管位于所述铂金坩埚上方，所述阀体还固定连通有两个软管，其中一个所述软管固定连通有吸取器，另一个所述软管通过快接口固定连通有放气阀。
15、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
16、1、纤芯-包层界面质量好：制备的包层管内壁是由玻璃液自然形成的表面，不存在光学加工引起的缺陷和污染；另外，纤芯采用从下往上的方式平稳吸取，也无需进行芯棒的光学加工，可获得质量极好的芯包界面，避免管棒法中芯包界面存在的缺陷、污染和析晶等因素对光纤拉制带来的负面影响，大大降低光纤界面损耗。
17、2、杂质污染少：氟化物玻璃在熔制时原料易挥发，往往在坩埚内壁附着大量颗粒物杂质，若将玻璃液直接从坩埚内倾倒出来则不可避免地会对玻璃液造成污染。本发明在操作过程中将石英玻璃管直接插入包层或纤芯玻璃液，取用坩埚内部玻璃液，可以完全避免坩埚内壁杂质对玻璃液的污染，降低光纤的杂质散射损耗。
18、3、纤芯直径均匀：吸注法虽然也能够获得良好的芯包界面，但是其获得的纤芯形状呈现锥形结构，无法获得纤芯直径均匀的长光纤，利用本发明获得的光纤预制棒具有良好的纤芯直径均匀性。
19、4、制备工艺简单：由于氟化物玻璃与石英的热膨胀系数相差较大，在冷却后预制棒和石英管会出现不同程度的收缩，使得预制棒与石英管内壁自然分离，得到的预制棒外表面平滑光洁无需抛光，整体制备工艺简单。
1.一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法，其特征在于，包括以下步骤
2.根据权利要求1所述的一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法，其特征在于，s1中，将外包层、内包层和纤芯的玻璃原料分别放入铂金坩埚(2)内，将铂金坩埚(2)放置在700℃-900℃的熔炉中，保温1h-2h，使玻璃原料全部熔化。
3.根据权利要求2所述的一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法，其特征在于，s2中，将盛有熔化原料的铂金坩埚(2)从熔炉中取出，并放置在移动平台(1)上，使用红外测温监控熔化原料的温度，熔化原料温度降低至450℃-550℃时，将石英管(3)插入外包层熔化原料中，通过负压吸取熔化原料，吸取完成后保压5s-30s，解除负压，排出多余原料，完成外包层制备。
4.根据权利要求3所述的一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法，其特征在于，s3中，通过移动平台(1)将盛有内包层熔化原料的铂金坩埚(2)移动至石英管(3)下方，将带有外包层的石英管(3)插入内包层熔化原料中，通过负压吸取熔化原料，吸取完成后保压5s-10s，解除负压，排出多余原料，完成内包层制备。
5.根据权利要求4所述的一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法，其特征在于，s4中，通过移动平台(1)将盛有纤芯熔化原料的铂金坩埚(2)移动至石英管(3)下方，将带有外包层和内包层的石英管(3)插入纤芯熔化原料中，通过负压吸取熔化原料，吸取完成后保压10s-30s，纤芯原料固化后，解除负压。
6.根据权利要求5所述的一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法，其特征在于，s5中，将带有外包层、内包层和纤芯的石英管(3)放入退火炉内进行退火，退火温度比玻璃转变温度高10℃-20℃，退火保温时间为2h-4h，保温结束后以10℃/h的速率降至室温，得到预制棒成品。
7.根据权利要求1所述的一种管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法，其特征在于，还能够制备单包层的预制棒成品。
8.一种权利要求1-7任一项所述的管吸法制备氟化物玻璃光纤预制棒的方法所使用的装置，其特征在于，包括移动平台(1)，铂金坩埚(2)放置在所述移动平台(1)顶端，所述移动平台(1)一侧设置有升降立柱(6)，所述升降立柱(6)通过支架(4)固定连接有阀体(5)，所述阀体(5)固定连通有石英管(3)，所述石英管(3)位于所述铂金坩埚(2)上方，所述阀体(5)还固定连通有两个软管(9)，其中一个所述软管(9)固定连通有吸取器(10)，另一个所述软管(9)通过快接口(7)固定连通有放气阀(8)。
