光纤熔融拉锥中电弧加热的分析与实验_张伟
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锥形光纤器件制备及其特性研究
本文是根据石墨烯加热子的电加热熔融拉锥方法,控制影响锥形的几项参数,通过不同拉锥参数的设定,制备多种锥形结构的光纤,其中包括双锥形M-Z干涉仪和非对称长周期光纤光栅等结构,分别做温度和应变的传感特性实验。
主要工作与成果总结如下:1、基于石墨烯加热子的电加热熔融拉锥方法的基础上,分析影响锥形的几项拉制参数,通过调节并优化温度、拉制速度与时间等参数,制备出多种形貌结构不同的锥形,并且分析出拉制温度对所得锥形粗细的影响,拉制速度与时间对所得锥形长度的影响。
2、通过不断变化拉制长周期光纤光栅(LPFG)中的温度和速度参数,在拉制过程中分别对第6个周期,第4个周期的拉制参数进行修改,制备出与其他周期不同的锥形结构,利用熔锥法制备出了在同一根光纤中包含六个锥区并且有3种形貌特征的长周期光纤光栅,并且称其为非对称LPFG。
3、分析3种形貌特征的LPFG 的透射谱,得出3W型谐振峰的LPFG,分析3W型谐振峰为过耦合现象,测量并分析LPFG的形貌特征,并做温度和轴向应变传感特性实验,分别计算出每个谐振峰波长的温度灵敏度和轴向应变灵敏度。
3W型谐振峰中一共包含了6个谐振峰,其中相邻两个谐振峰的温度传感特性相似,但应变传感特性相差较大,其中包含了应变灵敏度分别为7pm/με和近乎0pm/με的两个相邻的谐振峰。
4、利用熔融拉锥方法制备双锥形M-Z干涉仪,分析M-Z干涉仪的干涉谱和形貌特征,并做了温度传感特性实验,得出60pm/oC
的灵敏度。
熔融拉锥法制备微纳光纤
熔融拉锥法是一种制备微纳光纤的重要方法。
该法主要通过拉伸
玻璃预制件,使其逐渐细化为微纳尺寸的光纤。
具体来说,该法首先
将预制玻璃棒在加热炉中进行熔融处理,并通过在棒两端施加机械力,使其拉伸成为细微的光纤。
此后,通过不断拉伸和掐断,将光纤细化
到所需尺寸。
熔融拉锥法是制备微纳光纤的一种高效、可控制的方法。
其优点
在于可以控制光纤的直径、长度以及光学性能等多个参数,同时也可
以制备出具有各种复杂形状的光纤。
该方法在光学器件、光通信、生
物医学等领域具有重要应用价值。
熔融度对熔锥型光纤耦合器特性的影响研究
王建强;郭征东
【期刊名称】《通讯世界》
【年(卷),期】2024(31)2
【摘要】熔锥型光纤耦合器是一种重要的光无源器件,在光纤通信、光学传感等领域有着广泛应用。
通过实验的方法,深入研究熔融度对光纤耦合器耦合效率、光学性能和机械稳定性的影响。
通过调整加热温度和熔融时间等参数,控制光纤材料的熔融程度。
在光纤熔融拉锥过程中,采用不同的加热方式和熔融工艺,以获得不同熔融度的光纤耦合器,发现熔融度对耦合效率、光学性能和机械稳定性有重要影响。
研究结果为进一步优化熔锥型光纤耦合器的设计和性能提供了重要指导,对促进光纤通信和光学传感技术的发展具有重要意义。
【总页数】3页(P37-39)
【作者】王建强;郭征东
【作者单位】广州奥鑫通讯设备有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN253
【相关文献】
1.熔融拉锥光纤耦合器熔锥区的红外光谱研究
2.熔锥型光纤耦合器折射率传感特性研究
3.熔融度对熔锥型光纤耦合器特性影响研究
4.熔锥型光纤耦合器扭转特性研究
5.熔锥型光纤耦合器损耗特性研究
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《熔融拉锥型光子晶体光纤折射率传感器研究》篇一一、引言随着现代科技的不断发展,传感器技术在诸多领域中的应用日益广泛。
在众多传感器类型中,折射率传感器因其对环境折射率变化的高灵敏度而备受关注。
本文将重点研究熔融拉锥型光子晶体光纤折射率传感器,探讨其工作原理、性能特点以及在各种应用场景下的表现。
二、熔融拉锥型光子晶体光纤概述熔融拉锥型光子晶体光纤是一种新型的光纤结构,其独特的光学性能使得它在传感器领域具有广泛的应用前景。
该光纤结构通过熔融拉锥技术制备,具有光子晶体结构,能够有效地控制光在光纤中的传播。
这种光纤具有高灵敏度、高稳定性以及良好的抗干扰性能,是折射率传感器领域的理想选择。
三、熔融拉锥型光子晶体光纤折射率传感器的工作原理熔融拉锥型光子晶体光纤折射率传感器的工作原理主要基于光子晶体光纤对外部折射率变化的敏感响应。
当外部介质折射率发生变化时,光子晶体光纤中的光传播模式将发生改变,导致光信号的强度、相位、偏振等参数发生变化。
通过检测这些参数的变化,可以实现对外部介质折射率的测量。
四、性能特点及实验研究熔融拉锥型光子晶体光纤折射率传感器具有高灵敏度、高稳定性、抗干扰能力强等优点。
在实验研究中,我们通过改变外部介质的折射率,观察光信号参数的变化,验证了传感器的性能。
实验结果表明,该传感器对外部折射率变化具有极高的灵敏度,能够在短时间内快速响应并输出准确的数据。
五、应用场景及优势分析熔融拉锥型光子晶体光纤折射率传感器在多个领域具有广泛的应用前景。
例如,在化学分析中,可以用于检测溶液的折射率变化,从而推断出溶液的成分和浓度;在生物医学领域,可以用于监测生物分子的相互作用和生物组织的折射率变化;在环境监测中,可以用于检测水体污染和大气折射率变化等。
此外,该传感器还具有高灵敏度、高稳定性以及良好的抗干扰性能等优点,使得其在各种复杂环境下都能保持较高的测量精度。
六、未来研究方向及挑战尽管熔融拉锥型光子晶体光纤折射率传感器已经取得了显著的成果,但仍有许多问题需要进一步研究和解决。
光纤熔融拉锥中拉力控制方法与电磁力仿真张伟;荣伟彬;王乐锋;路遥;孙立宁【摘要】针对保偏光纤耦合器熔融拉锥制造过程中拉力控制问题,提出一种新的计算机在线拉力控制方法. 拉力控制系统由计算机、拉伸机构、圆光栅及控制电路组成,通过检测光纤支架的旋转角度、改变线圈中的电流,控制永磁铁与线圈间的电磁力,实现对拉伸力的实时控制. 分析电磁力和拉力的关系,建立永磁铁和线圈的三维有限元模型,确定永磁铁的运动轨迹,并对通电线圈的磁场分布和电磁力进行仿真,得到线圈中的电流、支架旋转角度和拉力的关系式. 仿真结果表明拉力控制良好,控制误差约为1.03%.%According to the problem of drawing force control in the fused biconical tapering process of polarization maintaining fiber ( PMF ) coupler, an online computer control method of drawing force is presented, which includes the computer, drawing mechanism, rotary position encoders and a control circuit. By detecting the rotation angle of fiber clamp, the electro-magnetic force can be controlled through changing the coil current, and the real-time control of drawing force is realized. Firstly, the relationship between the electromagnetic force and drawing force is analyzed, a 3D finite element model of the permanent magnet and the coil is established, and a trajectory equation describing the permanent magnet is obtained. Then, by simulation of the magnetic field and the electro-magnetic force around the coil, the relationship among the coil current, the rotation angle of fiber clamp and the drawing force is determined. At last, by simulation, the drawing force is controlled within an error of 1.03%.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2015(047)007【总页数】6页(P62-67)【关键词】保偏光纤;熔融拉锥;电磁力;力控制;有限元仿真【作者】张伟;荣伟彬;王乐锋;路遥;孙立宁【作者单位】机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) , 150080 哈尔滨;机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) , 150080 哈尔滨;机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) , 150080 哈尔滨;机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) , 150080 哈尔滨;机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) , 150080 哈尔滨【正文语种】中文【中图分类】TU398保偏光纤耦合器是应用保偏光纤制作的光耦合器,是实现线偏振光耦合、分光以及复用的关键器件,广泛应用于光纤传感和相干通信中[1-2].熔融拉锥[3-4]是将光纤两端固定并使其具有一定的张力,加热光纤,使其受热部分处于熔融状态,同时在两端拉伸光纤,使受热部分即光纤熔锥区形成锥型或者哑铃型,此方法是保偏光纤耦合器制造中最重要的方法.与磨抛法和腐蚀法相比,熔融拉锥具有热稳定性好、器件附加损耗小的特点.熔融拉伸过程由拉伸速度、熔融温度和拉力3个工艺参数共同控制,其中光纤两端的拉力直接影响保偏光纤耦合器的性能.目前,光纤拉锥系统通常是由拉锥运动部分、加热部分和光纤装夹部分等组成.拉锥运动部分采用精密步进电机(直流电机)运动平台,由计算机实现对拉伸速度的控制.拉伸力由运动平台的运动产生,当运动平台的速度不同时,其产生的拉伸力也不同.光纤的主要成分是石英玻璃,是一种热黏弹性材料,黏弹性变形和加热温度有关,因而当运动平台的运动速度不变时,光纤的加热温度不同,其黏弹性变形不同,由运动平台产生的拉力也不同,因此很难对拉伸力进行实时控制[5-8].PAL等[9]在熔融拉锥运动平台上安装弹簧,解决了光纤在拉伸过程中光纤的两端拉力突然变化的问题;但是当弹簧的伸长不相同时,光纤受到的拉力也不同,不容易实现拉伸过程中的拉力控制.吕迅等[10]在拉锥机构内侧安装高敏感度的张力传感器,通过调节拉锥电机的速度控制张力的大小,因而张力在一定范围内波动.针对保偏光纤耦合器制作过程拉力控制问题,本文提出了一种计算机在线拉力控制方法,通过检测光纤支架的旋转角度、控制线圈中的电流,进而实现拉力的控制.介绍拉力控制系统的组成及其工作原理,对运动中的永磁铁和线圈之间的电磁力进行三维有限元仿真,通过仿真结果建立线圈电流、支架旋转角度与电磁力的数学关系,并且验证了该方法的可行性.1 拉力控制系统组成及工作原理保偏光纤熔融拉锥拉力控制系统原理如图1所示,主要由拉伸机构、电磁线圈、圆光栅、DA输出卡、运动控制卡和计算机等组成.拉伸机构有鼓轮连接片、联动鼓轮、光纤支架以及底座等构成如图2所示.图1 保偏光纤熔融拉锥拉力控制系统原理图2 保偏光纤熔融拉伸机构结构控制系统工作原理如下:计算机经DA输出卡控制输出电压,控制线圈中电流的大小,电流经通电线圈产生磁场,并与光纤支架上的永磁铁作用产生相互吸引的电磁力,由此光纤支架产生拉力.同时,由于两个鼓轮之间有两片连接片连接,因而两鼓轮在垂直面内的旋转运动过程中是联动的.圆光栅的玻璃盘和鼓轮连接在一起,圆光栅可以检测出鼓轮旋转角度的变化,进而得到当前光纤支架的旋转角度,由此根据光纤支架的长度计算得到光纤的拉伸长度.采用云杉素将光纤固定在光纤支架上,光纤在加热源和光纤支架拉力的作用下,完成熔融拉锥运动.拉伸机构采用超薄弹片连接,薄片的弯曲弹力相对于拉伸力可以忽略,两侧光纤支架产生的拉力相等,并且两侧光纤支架旋转的角度相同.当光纤支架旋转角度在0°~5°时,能够满足光纤熔融拉锥的要求.单个光纤支架的受力分析如图3所示,光纤支架的力矩平衡关系为式中:Mb2(Mb1)为左(右)支架上的连接片与其紧固螺栓产生的力矩;Mf2(Mf1)为左(右)支架旋转过程摩擦力产生的力矩;MG6(MG2)为左(右)支架下端配重产生的力矩;MG5为左支架产生的力矩;α为支架中心线与垂直方向的夹角;MG3为右支架、永磁铁及固定架产生的力矩;F1为右支架产生的拉力;LF为当α=0°时,F1到支架旋转中心O1的距离;Lm为当α=0°时,电磁力Fm到支架旋转中心O1的距离;Mc为连接片产生的力矩.图3 单个光纤支架受力图由式(1)可知,调节左支架下端配重的位置,改变力矩MG6的大小,使Mc=0.由式(2)可知,当F1=0,Fm=0,调节右支架下端配重的位置,改变力矩的MG2大小,使其满足光纤支架整体的受力如图4,满足力矩平衡光纤支架的支撑轴承采用精密深沟球轴承支撑,精密深沟球轴承的摩擦系数约为0.001 0~0.001 5,在光纤支架旋转中摩擦力很小,相对拉力可以忽略,将式(3)简化为图4 光纤支架整体受力示意在拉伸过程中,永磁铁的运动轨迹是空间弧线,永磁铁和线圈之间的距离变化,当线圈中的电流恒定时,线圈和永磁铁的电磁力变化,因此光纤支架产生的拉力发生改变.2 电磁力的分析与仿真2.1 理论分析圆柱型永磁铁是最常用的永磁铁之一,广泛地应用在编码器、制动器、马达等器件中.对于一个高度为Z0,半径为a的圆柱型永磁铁,磁化方向是沿着Z向磁化,外部磁场分布在(r,θ,z)的磁感应分布 B 为[11-12]式中:K(k)和E(k)分别是第一类和第二类完全椭圆积分,且在电磁场中,常用计算电磁力的方法有3种:洛伦兹力(Lorenz Force)法、麦克斯韦应力张量(Maxwell Stress Tensor)法和虚位移(Virtual Work)方法[13].其中,洛伦兹力方法适合于计算载流体在磁场中的受力.永磁铁受到的电磁力Fm与通电线圈受到的电磁力Fc为一对作用力与反作用力,根据牛顿第三定律和洛伦兹力定律,永磁铁受到的电磁力为式中:f为线圈单位体积受到的电磁力,J为线圈的电流密度,B为线圈受到的磁感应强度.2.2 有限元分析在支架的运动过程中,圆柱型永磁铁进入线圈的通孔中,采用二维仿真计算无法准确计算出电磁力.为了计算的准确性,本文建立三维的仿真模型,以光纤支架的旋转中心为原点建立OXYZ三维坐标系,如图5所示.线圈支架的材料为尼龙,是绝缘材料,在仿真中可将线圈简化.钕铁硼有极高的磁能积和矫顽力,同时具有高能量密度的优点,因此选取钕铁硼作为永磁铁[14].永磁铁的外形尺寸为Φ 6 mm×10 mm,由高斯计GV-300测得表磁为389 mT.线圈高度为40 mm,内径为20 mm,外径为30 mm,匝数为1 756匝.在光纤支架运动过程中,永磁铁与YOZ面的夹角随着运动角度变化.永磁铁在XOY平面运动示意图如图6所示:假设永磁铁中心 B点的坐标为(px,py),则光纤支架旋转θ后,永磁铁的中心轴与水平面夹角为θ,B点的坐标为图5 电磁力仿真模型图6 永磁铁运动示意建立立方体空气场来模拟空间的磁场分布情况,取立方体的边长130 mm,边界采用磁绝缘边界条件,即磁矢位n×A=0,选择初始值磁矢能为0 Wb/m[15-16].网格划分采用自由四面体划分,为了提高计算的精度和速度,对线圈和永磁铁采用细化的网格划分,对立方体空气场采用标准的网格划分.划分后的有限元网格数为44 743,划分后的网格如图7所示.图7 网格划分线圈中通入0.15 A电流时,在X=35 mm通电线圈的磁场分布如图8,图9是AB上磁感应强度的分布图,其中AB穿过线圈的中心轴.图8 X=35 mm的磁感应分布图9 AB上磁感应强度分布由图8和9可知,通电线圈上方的磁感应强度与到线圈中心轴的距离有关,当距离小于线圈的内径(20 mm)时,随着距离的减小,磁感应强度逐渐减少,在线圈中心轴上的磁感应强度最小为5.147 mT,与通过解析式[17]得到的 5.196 mT基本相同.AB上的磁感应强度最大值与最小值相差0.3 mT,磁感应强度的变化率较小.当距离为线圈的内径时,磁感应强度最大,随着距离的增大,磁感应强度急剧减小.图10为Z=0时的磁感应强度分布图,图11为CD线上的磁感应强度分布图,其中C、D为线圈中心轴的两点,其两点关于线圈垂直轴对称,可以看出,通电线圈磁感应强度分布关于线圈垂直轴对称,沿着线圈中心轴上磁感应分布是先减少后增大,在线圈中心达到最大值,在线圈的右轮廓附近,磁感应强度的变化接近线性变化.图10 Z=0的磁感应分布图11 CD上磁感应强度分布2.3 结果与讨论线圈周围的磁感应强度与其通入的电流有关,因而永磁铁上的电磁力与电流有关,图12为旋转角度θ=0°时,电磁力与线圈中电流的关系图,通过最小二乘拟合得到线圈中的电流与电磁力是线性关系,关系表达式如下:式中:Fm为永磁铁产生的电磁力(N),Ⅰ为线圈中的电流(A).图12 θ=0°时,电磁力与电流的关系当支架旋转角度θ发生变化时,永磁铁的位置发生变化,线圈周围的磁场会发生变化,永磁铁产生的电磁力也发生变化.图13为线圈中的电流恒定时,支架的旋转角度与电磁力的变化关系图.当电流恒定时,旋转角度θ与电磁力Fm呈线性关系,但当电流变化时,电磁力Fm和旋转角度θ的线性关系也发生变化.定义电磁力变化率KFθ为当线圈中的电流恒定时,电磁力变化与旋转角度变化的比值,即式中:ΔFm为永磁铁上电磁力的变化(N),Δθ为支架旋转角度θ的变化(°).图13 支架旋转角度与电磁力的关系图14为电磁力变化率和线圈中电流的关系图,可以看出电磁力变化率与线圈中的电流呈线性变化,通过最小二乘拟合得当支架旋转角度不同时,线圈电流与电磁力的线性关系不同.定义电磁力标定值KFⅠ为光纤支架旋转角度不变时,电磁力变化与电流变化的比值,即式中:ΔFg为永磁铁上电磁力的变化(N);ΔⅠ为线圈中电流的变化(A).图15为电磁力标定值和旋转角度的关系图,由图可知,电磁力标定值与支架的旋转角度呈线性变化,关系表达式为由式(5)~(7)得到 Fm、Ⅰ、θ的关系式为由式(4)和式(8)可得到F1、Ⅰ和θ的关系式为图14 电流与电磁力变化率的关系图15 支架旋转角度与电磁力标定值的关系当拉力F1为定值时,由式(9)可以得Ⅰ和θ的关系,如图16所示,当拉力保持恒定时,输入的电流随着光纤支架旋转角度的增大而减少.当光纤支架旋转角度改变时,通过改变线圈的电流,改变电磁力,实现拉力的控制,图17中为通过控制线圈中的电流得到拉力和光纤支架旋转角度的关系图,由图中看出拉力基本保持恒定,控制误差为1.03%.因此当光纤支架的旋转角度改变时,改变线圈中的电流,改变电磁力,实现光纤支架拉力的控制.图16 拉力恒定时电流和光纤支架旋转角度关系图17 控制电流后光纤支架旋转角度与拉力的关系3 结论1)本文提出了一种实时拉力控制方法,保偏光纤熔融拉锥拉力控制系统由计算机、拉伸机构、圆光栅和控制电路等组成,通过检测光纤支架的旋转角度,控制线圈中的电流,实现对拉力的实时控制.2)对拉伸机构进行受力分析,确定了拉力和电磁力之间的关系.建立了拉伸机构的三维空间模型,确定了永磁铁空间运动轨迹.3)对永磁铁和线圈之间的电磁力进行三维有限元仿真,通过计算得到了线圈中的电流、支架旋转角度与拉力的关系,并且通过仿真验证了该方法的控制误差为1.03%.该方法对保偏光纤耦合器的制造具有重要的指导意义.参考文献[1]DAVÉ D P,AKKIN T,MILNER T E.Polarization-maintaining fiber-based optical low-coherence reflectometer for characterization and ranging of birefringence[J].Optics letters,2003,28(19):1775-1777. 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《熔融拉锥型光子晶体光纤折射率传感器研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展,光子晶体光纤(PCF)及其相关传感器在光学、电子学和生物医学等领域中扮演着越来越重要的角色。
熔融拉锥型光子晶体光纤作为一种新型的光纤技术,具有独特的光学特性和传感性能,被广泛应用于各种传感器的制作中。
本文旨在研究熔融拉锥型光子晶体光纤折射率传感器的原理、制备方法及其应用前景。
二、熔融拉锥型光子晶体光纤概述熔融拉锥型光子晶体光纤(Melt-Pulling Photonic Crystal Fiber)是一种由玻璃基材构成的先进光学元件。
它采用独特的光子晶体结构,具备优越的光传输和场限光能力,是当前光学领域研究的热点之一。
其制备过程涉及高温熔融和拉锥技术,通过精确控制工艺参数,可获得具有特定结构的光纤。
三、折射率传感器原理折射率传感器是利用物质折射率变化对光信号进行感知和测量的装置。
在熔融拉锥型光子晶体光纤中,光的传输与折射率密切相关,因此可以利用这种特性将外界环境的折射率变化转化为光信号的改变。
本研究的折射率传感器基于熔融拉锥型光子晶体光纤的特殊结构,通过测量光在光纤中的传输特性,实现对折射率的精确测量。
四、制备方法与实验过程(一)制备方法本研究的折射率传感器采用熔融拉锥法制备熔融拉锥型光子晶体光纤。
具体过程包括材料选择、高温熔融、拉锥成型等步骤。
在制备过程中,需严格控制温度、速度等参数,以保证光纤的质量和性能。
(二)实验过程实验过程中,我们首先制备了不同结构的光纤样品,然后通过改变外界环境的折射率,观察光在光纤中的传输特性变化。
同时,我们还利用光谱仪等设备对光信号进行测量和分析,以获取准确的折射率数据。
五、实验结果与分析(一)实验结果通过实验,我们得到了不同外界折射率下光在熔融拉锥型光子晶体光纤中的传输特性数据。
这些数据表明,光纤的传输特性随外界折射率的变化而发生变化,这为折射率传感器的制作提供了可能。
(二)数据分析与讨论我们分析了实验数据,发现光在光纤中的传输特性与外界折射率之间存在一定的关系。
光纤锥模场传输特性及光纤微透镜最佳位置研究
宋军;安伟;许立新;明海
【期刊名称】《量子电子学报》
【年(卷),期】2000(17)6
【摘要】分析了两类光纤锥(熔拉锥和腐蚀锥)的模场传输特性,引入了特征转换点.为降低模式耦合损失和增强聚焦效果,光纤锥微透镜制作的最佳位置:熔拉锥在靠近特征转换点处,腐蚀锥在锥端至特征转换点之间,并讨论光纤微透镜对高斯光束的聚焦.
【总页数】5页(P534-538)
【关键词】光纤锥;微透镜;模场传输;光势阱
【作者】宋军;安伟;许立新;明海
【作者单位】中国科学技术大学物理系
【正文语种】中文
【中图分类】TN16;TN253
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1.新型大模场光子晶体光纤传输系统及其传输特性分析 [J], 林通
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4.单模锥形光纤锥区光场及超短脉冲的传输特性 [J], 余志强;陈泳竹;周建英
5.锥形光纤微透镜耦合特性 [J], 李宝红;刘雪锋;黄德修
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一种用于熔融拉锥系统的专用光功率计的设计
孙本贵
【期刊名称】《电子设计应用》
【年(卷),期】2005(000)002
【摘要】本文设计了一种能够对两路调制光合波后进行区分并能对任一路进行测量的专用光功率计.使用该光功率计组成的熔融拉锥系统在制作双窗口宽带耦合器时能够同时监测两个波长窗口,因而能大大提高工作效率.
【总页数】3页(P87-89)
【作者】孙本贵
【作者单位】中国电子科技集团公司第四十一研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
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5.一种适用于实时数据处理的专用内存数据库系统 [J], 雷晓全;陈东
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光纤熔融拉锥系统光纤熔融拉锥系统是一种用于光纤连接的关键设备,它在光纤通信领域起着重要的作用。
本文将介绍光纤熔融拉锥系统的原理、应用以及未来的发展趋势。
让我们来了解光纤熔融拉锥系统的原理。
光纤熔融拉锥系统通过将两根光纤的端面加热并拉伸,使它们融合在一起。
这种融合的过程需要高温和高精度的控制,以确保光纤之间的连接质量。
光纤熔融拉锥系统通常由光纤对准单元、加热炉和拉伸机构组成。
光纤对准单元用于将两根光纤的端面对准,加热炉提供所需的高温环境,而拉伸机构则用于拉伸光纤,使其融合在一起。
光纤熔融拉锥系统在光纤通信领域有着广泛的应用。
首先,它被用于光纤连接的制造过程中。
光纤连接是光纤通信中不可或缺的一环,而光纤熔融拉锥系统能够提供高质量的连接,确保光信号的传输质量。
其次,光纤熔融拉锥系统也被用于光纤传感器的制造。
光纤传感器是一种基于光纤的传感器,它能够实时监测温度、压力等物理量,并将其转化为光信号。
光纤熔融拉锥系统能够制造出高质量的光纤连接,从而提高光纤传感器的性能和可靠性。
随着光纤通信技术的不断发展,光纤熔融拉锥系统也在不断演进和改进。
一方面,光纤熔融拉锥系统的加热和拉伸控制技术越来越精确,能够实现更高质量的光纤连接。
另一方面,光纤熔融拉锥系统的体积和成本也在逐渐减小,使其更加适用于各种场景。
未来,我们可以预见光纤熔融拉锥系统将在更多领域得到应用,如光纤传感器网络、光纤激光器等。
光纤熔融拉锥系统是一种重要的光纤连接设备,它在光纤通信领域发挥着关键作用。
通过对光纤的加热和拉伸,光纤熔融拉锥系统能够实现高质量的光纤连接。
它被广泛应用于光纤连接的制造和光纤传感器的制造。
随着技术的不断进步,光纤熔融拉锥系统将在未来得到更广泛的应用,并不断提高光纤连接的质量和可靠性。
第42卷第3期2015年3月Vol.42,No.3March,2015中国激光CHINESE JOURNAL OF LASERS光纤熔融拉锥中电弧加热的分析与实验张伟1荣伟彬1杨威2王乐锋1孙立宁11哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,黑龙江哈尔滨1500802哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001摘要加热温度是光纤熔融拉锥制造中的关键因素,直接影响器件的性能。
为了提高加热区域温度的稳定性和可控性,设计了高压电弧加热装置,并对电弧加热、弧区温度和光纤预热进行了分析。
设计了高频高压电源和电极。
电源的电流和频率独立可调,采用电压闭环和电流控制确保引弧成功和提高电弧放电电流的稳定性,并分析了其放电过程。
建立了弧区温度测量实验平台,采用红外热像仪测量加热中陶瓷棒的温度,得到了弧区温度。
通过实验确定了频率、电弧控制电压以及加热距离与弧区温度的关系。
通过电弧控制电压和通过加热距离控制电弧加热区的温度。
通过计算得到电弧弧区的中心温度可达到1635℃,实验测得稳定性为2.37℃。
建立了细径光纤(直径80μm)的加热模型,通过有限元的瞬态分析确定了预热时间,经过25s,光纤加热区达到稳定。
关键词光纤光学;熔融拉锥;电弧加热;红外热像仪;温度测量;有限元仿真中图分类号O436文献标识码Adoi:10.3788/CJL201542.0305003Analysis and Experiments of the Arc Heating for Fiber FusedBiconical Taper TechnologyZhang Wei1Rong Weibin1Yang Wei2Wang Lefeng1Sun Lining11State Key Laboratory of Robotics and System,Harbin Institute of Technology,Harbin,Heilongjiang150080,China2School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin,Heilongjiang150001,ChinaAbstract The heating temperature is one of the key factors in the fiber fused biconical taper manufacture, which can affect the component performance.In order to improve the temperature stability and controllability in the heating region,the high-voltage arc heating device is presented and arc heating,heating region temperature and fiber preheating are studied.The high-frequency high voltage power source,in which the current and frequency can be adjusted independently,and electrodes are designed.The closed-loop controls of the voltage and current are applied to ensure the success of the arc ignition and the stability of the arc discharge current,and the discharge process is analyzed.The temperature detection device in which the infrared camera is adopted to measure the heating region temperature by the ceramic rod is designed.Through the analysis of experimental data,the relationships among the frequency,arc control voltage,arc current, heating distance and arc region temperature are determined.According to experiments and computation results,the temperature of the arc center region can reach1635℃within the stability of2.37℃.Based on the established heating model for fine fibers with the diameter of80μm,the preheating time is computed by the transient analysis of the ANSYS software.It is shown that the temperature of the heating region can reach the收稿日期:2014-07-29;收到修改稿日期:2014-10-29基金项目:机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主研究课题(SKLRS201301A01)、长江学者和创新团队发展计划(IRT0915)作者简介:张伟(1982—),男,博士研究生,主要从事光纤微操作技术与装备等方面的研究。
E-mail:zw062003@ 导师介绍:荣伟彬(1972—),男,教授,博士生导师,主要从事微操作技术与装备等方面的研究。
E-mail:rwb@(通信联系人)stability by25s.Key words fiber optics;fused biconical taper;arc heating;infrared camera;temperature measurement;ANSYS simulationOCIS codes060.2310;040.1880;150.57581引言熔融拉锥技术是制造光纤耦合器、偏振器、光开关等器件的常用方法,由于其工艺简单且容易控制,得到了广泛的应用[1]。
熔融拉锥法是指通过加热使光纤熔化,同时在两端拉伸光纤,使光纤熔锥区形成锥型或者哑铃型,是光纤耦合器制造中重要方法之一[2]。
加热温度是熔融拉锥制造过程的一个重要因素,直接影响着光纤器件的性能。
目前在光纤熔融拉锥中,常采用氢氧焰的方式使光纤达到熔融状态,但氢氧焰加热产生的水分子很容易与SiO2结合生成Si-OH离子,使SiO2结构变松弛,松弛的SiO2结构会降低光纤耦合器在潮湿空气中的抗侵蚀性,增加器件的损耗[3]。
燃烧气流也会影响耦合器的性能,火焰的温度容易受到氢气和氧气气压的影响。
如果要提高气压的稳定性,则需要比较复杂的气路,增加了生产成本的同时,还使得加热区温度不易控制。
另外,氢气是易燃易爆气体,操作时对工作人员的操作要求较高[4]。
Yokota等[5]提出的采用CO2激光热辐射对光纤进行加热制作光纤耦合器的方法,能够自动控制光纤锥形的形状,具有无污染的特点,但是CO2激光加热系统存在体积大、成本高等缺点[6]。
Bayle等[7]改进了这种方式,采用扫描激光束加热,加热机构主要由激光器、反射镜和透镜等组成,扫描镜安装在检流计上,检流计两端施加波形电压,检流计摆动带着反射镜往复旋转,激光器通过反射镜的摆动增大加热区域,这种方式提高了加热区温度一致性,但是降低了加热区温度的稳定性。
Takeuchi等[8]采用电加热代替火焰加热,选用铬酸镧作为加热材料,温度能到达1700℃,温度稳定在2℃以内,能够实现长时间加热,但是施加的电流比较大,加热过程释放有毒物质Cr2O3。
并且铬酸镧的导热性比较差,会因受热过急而裂损,升温速度比较慢(300℃/h)[9]。
帅词俊等[10]采用MoSi2代替铬酸镧作为加热材料,温度能够达到1600℃,温度稳定在2℃以内,但是MoSi2在1000℃以下容易氧化而粉化,并且加热时,通入的电流比较大,对硬件电路提出更高的要求。
电弧加热[11]是制造光纤器件的重要方法之一,相对激光加热和电加热,这种方式简单,广泛应用在光纤探针、光纤球、光栅的制造和光纤及光子光纤的熔接中[12]。
传统的电弧具有加热温度高、容易控制、工作时间长等优点,但是加热区域小,区域内的温度一致性不好,难以用于光纤耦合器的制造中。
本文设计了一种新型的高压电弧加热装置,较好地克服了传统加热方式存在的不足。
设计了温度测量的实验平台,采用红外线热像仪对加热区的温度进行测量,研究了电弧控制电压、频率、加热距离和温度之间的关系。
最后通过有限元仿真对细径光纤的预热阶段进行了分析。
2高压电弧装置的设计高压电弧装置主要由高频高压电源和电极组件组成。
高压电源的原理图如图1所示,整流滤波模块将普通交流(AC)电整流为直流(DC)电,采用Buck降压斩波变换器(DC/DC)变成可调的直流电,采用半桥(Half Bridge)电路进行逆变,得到峰值和频率可调的高频交流方波,最后利用升压变压器得到高频高压交流方波,输入到左右两个电极上。
输出高频高压交流的幅值和频率独立可调,分别由调压部分和逆变部分调节。
开始起弧时,以调压模块输出电压为采样反馈量,采用电压闭环控制,使电源工作在限压区,即输出根据电极实际间距确定易于起弧的电压值,该电压值(高于4000V)远高于维持电弧所需电压值(约3000V),为自动或手动起弧创造条件。
电弧引燃后,以经过补偿的、与电弧电流呈比例关系的升压变压器原边电流作为采样反馈量,采用电流闭环控制,使电源转入恒流区,并根据上位机下发的指令[数模转换卡(DA卡)输出的电弧控制电压,范围为6~9V]输出幅值恒定的电弧电流(约5~7mA),以保证电弧温度稳定。
恒压与恒流控制之间的切换由控制器自动完成,高压电源装置如图2所示。
图1高压电源的原理意图Fig.1Schematic of high-voltage power device电极组件由电极、石英绝缘隔热件、铜电极座和石英加热槽组成。
结构图如图3所示,电极采用钨铈材料,电极顶端具有球状突体,采用钨铈材料,具有容易加工、不易磨损等特点,且钨铈电极在低电流下有极佳的起弧性能,引弧容易,电弧稳定性好。