CN115784599A - 一种低串扰的传像光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤技术领域，公开了一种低串扰的传像光纤及其制备方法。本发明首先制备多种类型的芯丝，不同类型的芯丝具有不同的数值孔径且具有相同的外径；然后以多种类型的芯丝填充石英玻璃管，填充时使任一芯丝的数值孔径与相邻芯丝的数值孔径不同；之后对填充后的石英玻璃管进行熔缩拉丝得到传像光纤。本发明制备得到的传像光纤包括若干具有相同外径的纤芯，任一纤芯的数值孔径与相邻纤芯的数值孔径不同，能够减少纤芯间的耦合，降低串扰。相对于降低传像光纤纤芯串扰的其他方案，本发明能够降低制备难度和成本。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种低串扰的传像光纤及其制备方法。
背景技术
传像光纤(束)在生物学和医学中经常使用，是内窥镜、毛细探测器等器件的关键光学元器件，可以实现显微镜检查、组织的快速成像和手术观察，降低诊断过程中对组织入侵造成的损伤。同时还因为传像光纤具有清晰度高、体积小、重量轻、易弯曲、耐高温、抗干扰、无源等优点，在工业、科研、航天等领域也有应用。
传像光纤是由大量导光纤芯排列组成，每个导光纤芯视为一个像素，图像元通过纤芯传输，最终所有的纤芯构成图像，传像光纤的纤芯数量越多，图像的分辨率就越高，图像越清晰，但随着纤芯数量的增多，纤芯排列越发紧密，一个纤芯中的光更容易耦合到相邻的纤芯中形成串扰，进而干扰最终的图像传输效果。
部分现有研究通过增加纤芯的数值孔径(NA)降低纤芯串扰，但高NA的会带来制造工艺和成本的急剧上升。有研究使用多种尺寸的纤芯随机排列制备传像光纤以在一定程度上降低串扰，但随机排列时有可能出现相邻光纤尺寸相同的情况，从而形成串扰，此外，基于不同纤芯尺寸形成光纤后，像素不规则，拉丝和图像处理难度大。
发明内容
本发明通过提供一种低串扰的传像光纤及其制备方法，解决降低传像光纤纤芯串扰的现有方案制备难度较大、成本较高的问题。
本发明提供一种低串扰的传像光纤的制备方法，包括以下步骤：
制备多种类型的芯丝，不同类型的芯丝具有不同的数值孔径且具有相同的外径；
以多种类型的芯丝填充石英玻璃管，填充时使任一芯丝的数值孔径与相邻芯丝的数值孔径不同；
对填充后的石英玻璃管进行熔缩拉丝，得到传像光纤。
优选的，采用化学气相沉积法制备多种类型的芯棒，对多种类型的芯棒进行拉制得到多种类型的芯丝；所述芯棒的类型为3-10种，所述芯棒的外径为10-50mm。
优选的，多种类型的芯丝的数值孔径的取值范围均在0.2-0.5之间，不同类型的芯丝的数值孔径的差值在0.02-0.1之间，不同类型的芯丝对应有不同标记。
优选的，所述芯丝的外径为0.1-5mm，所述芯丝的长度为800-1100mm。
优选的，所述石英玻璃管的内径为20-100mm，壁厚为1-2mm，所述石英玻璃管的长度与所述芯丝的长度相同，所述石英玻璃管内填充的所述芯丝为100-50000根。
优选的，将填充后的石英玻璃管放置于拉丝塔上，对所述石英玻璃管的两端进行夹持并抽真空，加热熔缩后得到实心预制棒，对所述实心预制棒进行拉丝，得到传像光纤；
或者，对填充后的石英玻璃管的一端进行加热熔缩形成尖锥形，将尖锥形的一端夹持在拉丝塔上进行拉丝，拉丝过程中夹持部分保持负压，得到传像光纤。
优选的，所述低串扰的传像光纤的制备方法还包括：
将上一次熔缩拉丝后得到的传像光纤作为一个传像单元，将若干所述传像单元填充至另一石英玻璃管中，对该石英玻璃管进行熔缩拉丝，得到具有更大芯数的传像光纤；
重复执行上述操作，直至制备出目标芯数的传像光纤。
另一方面，本发明提供一种低串扰的传像光纤，包括若干具有相同外径的纤芯，任一纤芯的数值孔径与相邻纤芯的数值孔径不同；
所述低串扰的传像光纤采用上述的低串扰的传像光纤的制备方法制备得到。
优选的，若干所述纤芯共具有三种不同的数值孔径；若干所述纤芯规律排布，并采用两相邻不重复的排列方式。
优选的，若干所述纤芯共具有四种不同的数值孔径；若干所述纤芯规律排布，并采用对位相同的排列方式。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明制备得到的传像光纤包括若干具有相同外径的纤芯，任一纤芯的数值孔径与相邻纤芯的数值孔径(NA)不同。即本发明采用不同NA实现相邻纤芯排列，在相邻纤芯几何尺寸不变的情况下形成光学差异，实现不同的波导，减少纤芯间的耦合，从而降低串扰。本发明提供了一种与现有技术不同的降低串扰的设计。
实现高NA一般需要通过芯棒高浓度掺杂或者多组分掺杂，无论是掺杂浓度的提高还是组分的增多，都会导致芯棒内的应力分布增加，因而需要复杂的工艺控制或者特殊的掺杂材料，使得制备难度大、制备成本高。相对于通过增加纤芯的NA来降低纤芯串扰的方案，本发明能够降低制备难度和制备成本。
若采用不同纤芯尺寸，在拉丝过程中则会导致受力情况有差异，进而会影响拉丝过程中的整体圆度的均匀性。相对于采用不同纤芯尺寸的方案，本发明形成的像素更规则，拉丝过程能够更好地进行控制，更利于保证拉丝过程中整体圆度的均匀性，提高成品率，且能够降低图像处理的难度。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种低串扰的传像光纤的制备方法中采用四种不同类型的芯丝进行对位排列的示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种低串扰的传像光纤的制备方法中填充后的石英玻璃管的端面示意图；
图3为本发明实施例1提供的一种低串扰的传像光纤的制备方法制备得到的传像光纤的局部端面示意图；
图4为本发明实施例2提供的一种低串扰的传像光纤的制备方法中采用三种不同类型的芯丝进行两相邻不重复排列的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种低串扰的传像光纤的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制备多种类型的芯丝，不同类型的芯丝具有不同的数值孔径且具有相同的外径。
具体的，可采用化学气相沉积法制备多种类型的芯棒，对多种类型的芯棒进行拉制得到多种类型的芯丝。
所述芯棒的类型为3-10种，优选制备3-4种。不同类型的芯棒具有相同的外径，所述芯棒的外径为10-50mm，优选为15-30mm。
所述芯棒的折射率为阶跃型或渐变型，所述芯棒包含芯层和包层，所述芯层和所述包层可以为纯二氧化硅制备，也可以为掺氟、掺氯、掺锗的二氧化硅材料制备，所述芯层和所述包层的材料有一定的成分差异，具有独立的波导结构。
多种类型的芯丝(或芯棒)的数值孔径的取值范围均在0.2-0.5之间，不同类型的芯丝的数值孔径的差值在0.02-0.1之间，优选差值在0.05-0.1之间。不同类型的芯丝对应有不同标记。
所述芯丝的外径为0.1-5mm，优选为0.2-2mm；所述芯丝的长度为800-1100mm。
步骤2、以多种类型的芯丝填充石英玻璃管，填充时使任一芯丝的数值孔径与相邻芯丝的数值孔径不同。
其中，所述石英玻璃管的内径为20-100mm，壁厚为1-2mm，所述石英玻璃管的长度与所述芯丝的长度相同，所述石英玻璃管内填充的所述芯丝为100-50000根，优选为5000-30000根。
具体的，将芯丝排列在长度相当的石英玻璃管中，按照相邻芯丝的数值孔径不相同的方法排列，填充满石英玻璃管，边缘处可用扇形、三角形、方形等非圆形的其他截面形状的芯丝填充，也可用不同直径的芯丝填充，芯丝可以是上述芯棒拉制出来的，也可以是纯二氧化硅芯棒拉制出来的。
步骤3、对填充后的石英玻璃管进行熔缩拉丝，得到传像光纤。
例如，可将填充后的石英玻璃管放置于拉丝塔上，对所述石英玻璃管的两端进行夹持并抽真空，加热熔缩后得到实心预制棒，对所述实心预制棒进行拉丝，得到传像光纤。
又例如，可对填充后的石英玻璃管的一端进行加热熔缩形成尖锥形，将尖锥形的一端夹持在拉丝塔上进行拉丝，拉丝过程中夹持部分保持负压，得到传像光纤。其中，拉丝过程中夹持部分保持负压，使在拉丝过程中均匀受管外气压收缩，各芯丝能紧密规则排列，避免形成气泡、气线，确保传像光纤形成均匀排列的多边形截面。
除了采用上述操作，通过预制棒拉丝可直接制备传像光纤外，如需要更大芯数的传像光纤，可将上一步拉制得到的统一尺寸的光纤作为一个单元，再次排列在长度相当的石英玻璃管中，此次光纤的排列可以任意形式排列，经过再次熔缩拉丝，形成传像光纤。上述步骤可重复实施，直到制备出目标芯数的传像光纤。
即在步骤1至步骤3构成的方案的基础上，本发明还可以包括以下步骤：
步骤4、将上一次熔缩拉丝后得到的传像光纤作为一个传像单元，将若干所述传像单元填充至另一石英玻璃管中，对该石英玻璃管进行熔缩拉丝，得到具有更大芯数的传像光纤。
步骤5、重复执行步骤4中的操作，直至制备出目标芯数的传像光纤。
本发明还提供一种低串扰的传像光纤，包括若干具有相同外径的纤芯，任一纤芯的数值孔径与相邻纤芯的数值孔径不同；所述低串扰的传像光纤采用上述低串扰的传像光纤的制备方法制备得到，因此不再赘述。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供一种低串扰的传像光纤的制备方法，制备得到的传像光纤包括若干具有相同外径的纤芯，任一纤芯的数值孔径(NA)与相邻纤芯的数值孔径不同；若干所述纤芯共具有四种不同的数值孔径；若干所述纤芯规律排布，并采用对位相同的排列方式。
实施例1采用化学气相沉积法制备四种不同类型的芯棒，四种芯棒的NA分别为0.25、027、0.32、0.36，将这四中芯棒分别标记为A、B、C、D。
分别通过拉丝塔将A、B、C、D拉制成直径2mm的玻璃芯丝，并在拉制过程中按照950mm的长度截断，将A、B、C、D芯棒拉制得到对应的芯丝分别标记为a、b、c、d，然后将制备得到的芯丝经过表面腐蚀、清洗、干燥后备用，每种类型的芯丝各制备90根备用。
取内径为36mm、壁厚为1.5mm、长度为1000mm的石英玻璃管，对石英玻璃管进行腐蚀、清洗、干燥后，将之前制备得到的a、b、c、d芯丝按照图1所示的对位相同的方式进行排列，确保相邻芯丝具有不同的NA，直至填充满整个石英玻璃管，在石英玻璃管的边缘处，将具有不同NA的芯丝机加工成非完整圆柱型芯丝进行填充，所述石英玻璃管共填充芯丝240根，其端面结构如图2所示。其中，采用对位相同的排列方法，能够以较少的独立芯棒制备种类实现相对规律的数值孔径变化，减少串扰的同时，可简化后端图形处理的复杂度，实现紧密排列，避免纤芯移动。
将上述填充后的石英玻璃管放置于拉丝塔上，将石英玻璃管的两端夹持并抽真空，在1900℃下进行熔缩，形成外径为34mm的实心预制棒。
将上述实心预制棒通过拉丝塔拉丝制成直径2mm的传像光纤，根据使用需求截取长度并打磨端面，形成端面平整且成规则六边形排列的240芯的传像光纤，得到的传像光纤的局部端面示意图如图3所示。图3中的a、b、c、d表示由A、B、C、D四种NA的芯棒形成的六边形区域。
此外，上述形成的传像光纤还可作为传像单元进行二次复丝，形成芯数更大的传像光纤。
具体的，取上述制备的传像光纤135根，长度950mm，紧密堆积在直径为27mm、壁厚为2mm、长度1000mm的石英玻璃管中，二次复丝的过程中无需排列顺序，石英玻璃管的边缘处可用非完整圆柱型的芯丝进行填充，并经过熔缩，形成由135根传像单元构成的实心预制棒。然后将上述实心预制棒经过拉丝制备成直径2mm、芯数3.2万芯的传像光纤。
实施例2：
实施例2提供一种低串扰的传像光纤的制备方法，制备得到的传像光纤包括若干具有相同外径的纤芯，任一纤芯的数值孔径与相邻纤芯的数值孔径不同；若干所述纤芯共具有三种不同的数值孔径；若干所述纤芯规律排布，并采用两相邻不重复的排列方式。
实施例2采用化学气相沉积法制备三种不同类型的芯棒，不同类型的芯棒的NA分别为0.25、0.31、0.37，并标记为A，B，C。
分别通过拉丝塔将A、B、C拉制成直径1.4mm的玻璃芯丝，并在拉制过程中按照800mm的长度截断，将A、B、C芯棒拉制对应的芯丝分别标记为a、b、c，然后将制备的芯丝经过表面腐蚀、清洗、干燥后备用。
取内径为80mm、壁厚为2mm、长度为800mm的石英玻璃管，石英玻璃管经腐蚀、清洗、干燥处理后，将之前制备得到的a、b、c芯丝进行两相邻不重复排列，确保相邻芯丝有不同的NA，如图4所示，石英玻璃管的边缘处用非完整圆柱形芯丝进行填充，石英玻璃管共填充芯丝2240根。
将上述填充后的石英玻璃管放置于拉丝塔上，将石英玻璃管的两端夹持并抽真空，在1900℃下进行熔缩，形成实心预制棒。
将上述实心预制棒通过拉丝塔拉丝，制成直径2mm、端面成规则六边形排列的2240芯的传像光纤。
实施例2采用三种不同数值孔径的芯丝两相邻不重复排列方法，可最大限度地减少独立芯棒的制备种类数量，降低制备难度。
综上，本发明提出了一种采用相同外径、不同数值孔径纤芯相邻排列的方法形成传像光纤预制棒，一次拉丝或多次拉丝制备传像光纤，能够有效解决传像光纤芯数过大、纤芯排列紧密时串扰的问题，能够减少纤芯间的耦合，降低串扰、降低制备难度和成本、提高成品率。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种低串扰的传像光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备多种类型的芯丝，不同类型的芯丝具有不同的数值孔径且具有相同的外径；
以多种类型的芯丝填充石英玻璃管，填充时使任一芯丝的数值孔径与相邻芯丝的数值孔径不同；
对填充后的石英玻璃管进行熔缩拉丝，得到传像光纤。
2.根据权利要求1所述的低串扰的传像光纤的制备方法，其特征在于，采用化学气相沉积法制备多种类型的芯棒，对多种类型的芯棒进行拉制得到多种类型的芯丝；所述芯棒的类型为3-10种，所述芯棒的外径为10-50mm。
3.根据权利要求1所述的低串扰的传像光纤的制备方法，其特征在于，多种类型的芯丝的数值孔径的取值范围均在0.2-0.5之间，不同类型的芯丝的数值孔径的差值在0.02-0.1之间，不同类型的芯丝对应有不同标记。
4.根据权利要求1所述的低串扰的传像光纤的制备方法，其特征在于，所述芯丝的外径为0.1-5mm，所述芯丝的长度为800-1100mm。
5.根据权利要求1所述的低串扰的传像光纤的制备方法，其特征在于，所述石英玻璃管的内径为20-100mm，壁厚为1-2mm，所述石英玻璃管的长度与所述芯丝的长度相同，所述石英玻璃管内填充的所述芯丝为100-50000根。
6.根据权利要求1所述的低串扰的传像光纤的制备方法，其特征在于，将填充后的石英玻璃管放置于拉丝塔上，对所述石英玻璃管的两端进行夹持并抽真空，加热熔缩后得到实心预制棒，对所述实心预制棒进行拉丝，得到传像光纤；
或者，对填充后的石英玻璃管的一端进行加热熔缩形成尖锥形，将尖锥形的一端夹持在拉丝塔上进行拉丝，拉丝过程中夹持部分保持负压，得到传像光纤。
7.根据权利要求1所述的低串扰的传像光纤的制备方法，其特征在于，还包括：
将上一次熔缩拉丝后得到的传像光纤作为一个传像单元，将若干所述传像单元填充至另一石英玻璃管中，对该石英玻璃管进行熔缩拉丝，得到具有更大芯数的传像光纤；
重复执行上述操作，直至制备出目标芯数的传像光纤。
8.一种低串扰的传像光纤，其特征在于，包括若干具有相同外径的纤芯，任一纤芯的数值孔径与相邻纤芯的数值孔径不同；
所述低串扰的传像光纤采用如权利要求1-7中任一项所述的低串扰的传像光纤的制备方法制备得到。
9.根据权利要求8所述的低串扰的传像光纤，其特征在于，若干所述纤芯共具有三种不同的数值孔径；若干所述纤芯规律排布，并采用两相邻不重复的排列方式。
10.根据权利要求8所述的低串扰的传像光纤，其特征在于，若干所述纤芯共具有四种不同的数值孔径；若干所述纤芯规律排布，并采用对位相同的排列方式。
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