傳能光纖預制棒在加熱爐中析晶現象分析

張 勇

(中國電子科技集團公司第46研究所 天津300200)

傳能光纖預制棒在加熱爐中析晶現象分析

張 勇

(中國電子科技集團公司第46研究所 天津300200)

在制備傳能光纖時，需要把摻氟石英玻璃預制棒放在 1,900～2,200,℃加熱爐中加熱熔化。為保障預制棒受熱均勻，同時保護加熱爐內器件不被氧化，需鼓入惰性氣體氬氣。有時，由于上下爐口敞開較大或氬氣流波動，石英預制棒表面會出現“析晶”現象，影響傳能光纖的各項參數。對析晶現象的產生原因進行了分析，可為后續拉絲工藝改進提供參考。

傳能光纖 加熱爐 拉絲 析晶

0 引 言

大芯傳能光纖在國內外廣泛應用于軍事裝備、工業、醫學和科研等領域，在紅外遙感、信號接收和傳輸、高能激光傳輸、激光告警、核子診斷等方面的應用更加普遍。直徑1.05,mm以上的傳能光纖在制備過程中存在諸多問題，其中析晶對其強度和結構有一定的影響。針對析晶問題，本文提出了一些關鍵要素，可為大芯傳能光纖工藝技術水平的提高提供參考。

1 析晶現象

傳能光纖預制棒在加熱爐中的析晶現象主要包括2種，一種受溫度影響，另外一種受氣流影響。

1.1 溫度變化導致的析晶現象

在拉制傳能光纖預制棒時，需要把摻氟石英玻璃預制棒放在石墨爐中進行加熱熔化，一般加熱溫度達到 1,900～2,200 ℃，預制棒前錐端處于一種由融流變狀態轉換為固態的階段，這個過程實際上是一個向玻璃態的變化過程。由于所拉制的光纖直徑較大(大于 0.8,mm)，在拉絲過程中往往會發生一些異常斷纖問題，同時摻氟石英預制棒的價格不菲，為了減少摻氟預制棒的損耗，一般會選擇把預制棒提升高度并適量降低石墨爐溫度。

由于需要重新進行準備工作，所以處理這個異常問題時間較長，預制棒在石墨爐中存留而不拉絲的時間也會增加。如果在處理異常問題過程中對石墨爐的降溫幅度較大，再次升溫進行預制棒熔融拉絲時可能出現光纖的絲徑變化劇烈，嚴重影響其強度。對石墨爐徹底降溫并把預制棒提出之后，發現在預制棒熔融變形區域產生一片非透明區域，嚴重時這些不透明的物質還會發生龜裂。這種發白的物質是石英玻璃的結晶態。處理異常問題時降低拉絲爐的溫度，如果恰好處于石英玻璃的析晶溫度，預制棒就會從玻璃表面開始結晶，這就是“析晶現象”，如圖1所示。

圖1 “析晶”現象Fig.1 The Crystallization Phenomenon

1.2 氣流變化導致的析晶現象

在拉制傳能光纖預制棒時，由于摻氟石英預制棒價格昂貴，為了盡量一次性拉完預制棒，避免二次墜纖，通常情況下將摻氟石英預制棒一端接一段直徑與摻氟棒相近的預制棒，以便摻氟石英棒能一次性消耗完，避免二次浪費。同時，為保障預制棒受熱均勻，保護加熱爐內器件不被氧化，需鼓入惰性氣體氬氣。其原理是在上下爐口形成氬氣氣簾，避免空氣進入爐內。如果此時上爐口的密封性不好，導致上爐口氣簾不穩定，也會產生傳能光纖預制棒的析晶現象。上爐口的密封性越差，析晶現象越嚴重。通常情況的析晶現象都是由于上氣簾氣流密封性不好引起的。

2 避免析晶的方法

針對第1種情況的析晶現象，應盡量減小爐內的溫度變化，使爐內溫度保持在 1,980 ℃以上進行操作，通過對拉絲速度的控制達到預制棒的參數要求，盡量避免過大的溫度變化。

通常情況，產生析晶現象是由于第 2種情況：拉絲爐內部氣流不穩定，氣流波動大，導致棒錐溫差驟變。因此，保證上氣簾的氣流穩定及密封性，可以很大程度地降低析晶現象發生的概率。控制好拉絲爐上氣簾的氣流密封性，能保護預制棒的參數性能。上氣簾位置如圖2所示：

圖2 上氣簾位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the position of an upper gas curtain

3 結 論

析晶是石英玻璃的共同特性，在拉絲過程中如果處理不當就會出現此現象。在拉制大芯徑傳能光纖時如果發生“析晶”，造成的損失是非常嚴重的，因此要設法避免純石英摻氟預制棒發生析晶的現象。通過對拉絲工藝的實驗和摸索，減小爐溫的變化，保持爐內氣流穩定，尤其是上氣流的穩定，應該能夠有效避免及控制析晶問題，這對大芯傳能光纖的量產起到關鍵作用。

［1］ 劉偉媛. 光纖拉絲爐內部氣體流場研究[D]. 蘇州：蘇州大學，2013.

［2］ 賀作為，張良，宋軍，等. 淺談光纖拉絲中的析晶問題[J]. 網絡電信，2013(5)：48-49.

［3］ 扈性純. 光纖拉絲工藝張力研究[J]. 硅酸鹽學報，1998(3)：359-364.

［4］ 秦大甲. 高強度光纖的制備(綜述)[J]. 光纖與電纜及其應用技術，1985(3)：21-29.

［5］ Harmer A L. Effect of drawing conditions on the mechanical strength of fibers pulled in graphite furnace [C]. Top Meeting on OFC 79.

Analysis of the Crystallization Phenomenon of Energy Transfer Optical Fiber Preform in Furnace

ZHANG Yong
(No.46 Research institute of China Electronic Group Corporation，Tianjin 300200，China)

To prepare transmitting energy fibers，fluorine-doped silica glass fiber preform needs to melt in a 1,900 ～2,200 ℃ furnace，and argon，an inert gas，needs to be drummed into the furnace to ensure an even heating of the preform and prevent the device from oxidation．Sometimes，due to a large opening of upper or lower furnace mouth or the turbulence of argon gas，a layer of white substance will form on the surface of the quartz prefabricated rod．The so-called Crystallization Phenomenon will affect parameters of the optic fiber．This paper analyzes causes of the phenomenon to provide some reference to the improvement of the following wire drawing process.

optic fiber；furnace；wire drawing；crystallization

TN20

A

1006-8945(2016)01-0033-02

2015-12-14