專利名稱：一種制備硫系玻璃套管的設備及方法
技術領域：
本發明涉及一種制備硫系玻璃套管的設備及方法，特別是涉及采用棒管法制備光纖時所需的外層套管的制備工藝及制備硫系玻璃光子晶體光纖時所需的空心管的制備工 藝。
背景技術：
硫系玻璃光纖在中遠紅外光波的廣生、調制和傳輸中具有重要的應用，如用硫系玻璃光纖排成的傳像束可用于中遠紅外圖像的傳輸及變換；用稀土離子摻雜的硫系玻璃光纖可用于中遠紅外光纖放大器及激光器。目前普通玻璃光纖的制備方法主要有棒管法和雙坩堝法。一般來說，制備普通的具有芯包結構的光纖，棒管法相較于雙坩堝法可以更好的控制芯包比及絲徑大小，其形成的芯包界面及外表面亦優于雙坩堝法，因此用棒管法制備的光纖的損耗及機械性能更優異。硫系玻璃光子晶體光纖是不同于普通光纖的一類新型光纖，該光纖先由空心管拉制出空心毛細管，再由毛細管按特殊結構排列成具有光子帶隙的微結構光纖。不管是用棒管法制備普通硫系玻璃光纖，還是制備硫系玻璃光子晶體光纖，都需要首先制備出硫系玻璃套管，但是由于硫系玻璃的特殊性，傳統氧化物玻璃套管采用的鉆孔法和澆鑄法等皆不適用于硫系玻璃，目前硫系玻璃套管制備技術一直無法有效解決，嚴重限制了高性能硫系玻璃光纖的發展。

發明內容
本發明提供了一種制備硫系玻璃套管的設備及方法，解決了硫系玻璃套管的制備難題，使應用棒管法制備高性能的硫系玻璃光纖和制備硫系玻璃光子晶體光纖成為可能。本發明的技術解決方案是一種制備硫系玻璃套管的設備，其特殊之處在于包括電熱爐、用于放置制備硫系玻璃原料的石英管、搖擺控制電機、旋轉控制電機以及用于固定石英管的一套夾持部件；所述石英管位于電熱爐內，夾持部件固定安裝于旋轉控制電機軸端，夾持部件與旋轉控制電機轉軸同軸；電熱爐與搖擺控制電機相連、由搖擺控制電機拖動搖擺。當旋轉控制電機控制石英管旋轉時，石英管處于水平狀態。當搖擺控制電機拖動搖擺電熱爐時，使得位于電熱爐內的石英管同時搖擺，因而放置于石英管內的制備硫系玻璃原料在搖擺控制電機的控制下混合均勻。上述設備還包括導軌，所述電熱爐包括上、下兩部分，分別固定在導軌上，電熱爐的上、下兩部分能夠沿導軌背向移動分離，石英管位于所述上、下兩部分的電熱爐之間，導軌的下部通過連接桿與搖擺控制電機相連，旋轉控制電機與導軌相連。電熱爐的上、下兩部分能夠沿導軌背向移動分離后，便于對經過電熱爐加熱的石英管進行冷卻。上述導軌的下部通過連接桿與搖擺控制電機的偏心輪相連。上述導軌與石英管之間垂直。
上述的夾持部件是錐形固定槽，石英管的兩端分別置于錐形固定槽內。一種采用上述設備制備硫系玻璃套管的方法，其特殊之處在于，包括以下步驟(I)選用羥基含量低于IOppm的石英管，用超聲波清洗10 30分鐘，用去離子水漂洗干凈，置于真空干燥箱中，抽真空，在100 300°C下烘12 24小時，緩慢降至室溫，真空干燥箱中充入高純氮氣，取出石英管并立即用封口膜封口，備用；(2)選用純度為99. 99%以上的單質原料，把原料和經過步驟(I)處理過的石英管一同置于氮氣保護的手套箱中，在手套箱中根據玻璃的制作配方精確稱量原料，并置于石英管中；(3)將裝有原料的石英管從手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，當真空度達到9 X KT3Pa時，把石英管置于120°C 200°C的馬弗爐中加熱除水，除水時間為30 90分鐘，之后對石英管進行熔封；(4)將封好口的石英管置于電熱爐中，并用夾持部件固定好石英管，然后用電熱爐加熱，升溫至600 950°C，同時啟動搖擺控制電機(4)，所述設備搖擺，頻率5 15次/分鐘，熔制8 24小時，當石英管內的原料熔制均勻后，停止搖擺控制電機，并控制搖擺控制電機(4)使石英管處于水平狀態，開啟旋轉控制電機(3)，轉速200 400rad/分鐘，石英管中的玻璃溶液(6)由于離心效果而均勻附著于石英管壁上，然后將電熱爐(2)沿導軌(I)分別上下移開，用壓縮空氣急速冷卻石英管(5)，之后停止旋轉，把石英管迅速轉移至溫度為材料退火溫度的馬弗爐中退火，最后用氫氟酸將石英管腐蝕溶解或將石英管敲開，得到硫系玻璃套管。上述步驟(3)中是用氫氧焰或乙炔焰對石英管進行封口的。上述單質原料為As和S，制得的硫系玻璃套管的組分為As2S3或單質原料為Ge、Sb和Se,制得的硫系玻璃套管的組分為Ge28Sb12Se6tl,或單質原料為As和Se,制得的硫系玻璃套管組分為As2Se3,或單質原料為As、Se和Te，制得的硫系玻璃套管組分為As3Se5Te2。本發明具有以下優點本發明提出了應用“旋轉法”制備硫系玻璃套管的新技術，解決了硫系玻璃套管的制備難題。本發明制備的硫系玻璃套管壁厚均勻，尺寸精確可控，內壁光潔無損傷。


圖I為本發明的結構示意圖。附圖標記I-導軌；2-電熱爐；3_旋轉控制電機；4_搖擺控制電機；5_石英管；6_石英管中的玻璃熔液；7_夾持部件；8_連接桿。
具體實施例方式如圖I所示，本發明提供了一種制備硫系玻璃套管的設備，包括電熱爐2、用于放置制備硫系玻璃原料的石英管5、搖擺控制電機4、旋轉控制電機3以及用于固定石英管的一套夾持部件7 ;石英管位于電熱爐內，夾持部件固定安裝于旋轉控制電機軸端，夾持部件與旋轉控制電機轉軸同軸；電熱爐與搖擺控制電機相連、由搖擺控制電機拖動搖擺。
為了使制備的硫系玻璃套管厚度均勻、管壁光潔，當旋轉控制電機控制石英管旋轉時，石英管處于水平狀態較好；為了使放置在石英管內的制備硫系玻璃原料混合均勻，將電熱爐與搖擺控制電機相連、由搖擺控制電機拖動搖擺，由于石英管位于電熱爐內，當搖擺控制電機拖動搖擺電熱爐時，也將帶動石英管搖擺。為了便于對石英管進行冷卻，本發明的設備還包括導軌1，電熱爐包括上、下兩部分，分別固定在導軌上，電熱爐的上、下兩部分能夠沿導軌背向移動分離。石英管位于所述上、下兩部分的電熱爐之間。導軌的下部通過連接桿8與搖擺控制電機相連，具體旋轉控制電機與導軌相連。導軌與石英管之間垂直。為了使搖擺控制電機拖動搖擺電熱爐，可以將導軌固定在一個軸上，導軌的下部通過連接桿與搖擺控制電機的偏心輪相連，當搖擺控制電機工作時，電熱爐將會繞導軌所固定的軸在紙平面內旋轉搖擺。其中，該設備的夾持部件可以采用固定槽，具體可以為錐形固定槽，當采用錐形固定槽時，石英管的兩端分別置于錐形固定槽內。采用本發明的設備制備硫系玻璃套管的方法，包括以下步驟(I)選用羥基含量低于IOppm的石英管，用超聲波清洗10 30分鐘，用去離子水漂洗干凈，置于真空干燥箱中，抽真空，在100 300°C下烘12 24小時，緩慢降至室溫，真空干燥箱中充入高純氮氣，取出石英管并立即用封口膜封口，備用；(2)選用純度為99. 99%以上的單質原料，把原料和經過步驟(I)處理過的石英管一同置于氮氣保護的手套箱中，在手套箱中根據玻璃的制作配方精確稱量原料，并置于石英管中；(3)將裝有原料的石英管從手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，當真空度達到9 X KT3Pa時，把石英管置于120°C 200°C的馬弗爐中加熱除水，除水時間為30 90分鐘，之后用氫氧焰或乙炔焰對石英管進行熔封；(4)將封好口的石英管置于電熱爐中，并用夾持部件固定好石英管，然后用電熱爐加熱，升溫至600 950°C，同時啟動搖擺控制電機(4)，所述設備搖擺，頻率5 15次/分鐘，熔制8 24小時，當石英管內的原料熔制均勻后，停止搖擺控制電機，并控制搖擺控制電機(4)使石英管處于水平狀態，開啟旋轉控制電機(3)，轉速200 400rad/分鐘，石英管中的玻璃溶液(6)由于離心效果而均勻附著于石英管壁上，然后將電熱爐(2)沿導軌(I)分別上下移開，用壓縮空氣急速冷卻石英管(5)，之后停止旋轉，把石英管迅速轉移至溫度為材料退火溫度的馬弗爐中退火，最后用氫氟酸將石英管腐蝕溶解或將石英管敲開，得到硫系玻璃套管。其中，可以選用的單質原料為As和S，制得的硫系玻璃套管的組分為As2S3或單質原料為Ge、Sb和Se，制得的硫系玻璃套管的組分為Ge28Sb12Se6tl,或單質原料為As和Se，制得的硫系玻璃套管組分為As2Se3，或單質原料為As、Se和Te，制得的硫系玻璃套管組分為
As^Sg^T Θ2 ο以下結合具體實施例對采用本設備制備硫系玻璃套管的方法做進一步的描述。實施例一以As2S3組分玻璃為例，包括如下具體步驟<1>選用輕基含量低于IOppm的石英管，內徑20mm,長16mm,用超聲波清洗10分鐘，用去離子水漂洗干凈，置于真空干燥箱中，抽真空，在200°C下烘24小時，緩慢降至室溫，真空干燥箱中充入高純氮氣，取出石英管并立即用封口膜封口，備用；<2>選用純度為99. 999%的As和S，把原料和經過步驟(I)處理過的石英管一同置于氮氣保護的手套箱中，在手套箱中根據玻璃的制作配方精確稱量原料，并置于石英管中；<3>將裝有原料的石英管從手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，當真空度達到9X 10_3Pa時，把石英管置于120°C的馬弗爐中加熱除水，除水時間為50分鐘，之后用氫氧焰對石英管進行熔封； <4>將封好口的石英管置于電熱爐中，用石英管夾持部件固定好石英管，然后用電熱爐加熱，升溫至700°C，同時啟動搖擺控制電機，在搖擺控制電機的作用下本設備搖擺，搖擺頻率15次/分鐘，熔制8小時，目的是使玻璃熔液充分混合均勻，熔勻后停止搖擺控制電機，并控制搖擺控制電機使石英管處于水平狀態，開啟旋轉控制電機，轉速250rad/分鐘，石英管中的玻璃溶液6由于離心效果而均勻附著于石英管壁上，然后將電熱爐沿導軌分別上下移開，用壓縮空氣急速冷卻石英管，之后停止旋轉，把石英管迅速轉移至190°C的馬弗爐中退火，最后將石英管敲開，得到As2S3玻璃套管。實施例二 以Ge28Sb12Se6tl組分玻璃為例，包括如下具體步驟<1>選用輕基含量低于IOppm的石英管，內徑20mm,長16mm,用超聲波清洗10分鐘，用去離子水漂洗干凈，置于真空干燥箱中，抽真空，在200°C下烘24小時，緩慢降至室溫，真空干燥箱中充入高純氮氣，取出石英管并立即用封口膜封口，備用；<2>選用純度為99. 999%的Ge、Sb和Se，把原料和經過步驟(I)處理過的石英管一同置于氮氣保護的手套箱中，在手套箱中根據玻璃的制作配方精確稱量原料，并置于石英管中；<3>將裝有原料的石英管從手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，當真空度達到9 X IO-3Pa時，把石英管置于180°C的馬弗爐中加熱除水，除水時間為80分鐘，之后用氫氧焰對石英管進行熔封；<4>將封好口的石英管置于電熱爐中，并用夾持部件固定好石英管，然后用電熱爐加熱，升溫至900°C，同時啟動搖擺控制電機，在搖擺控制電機的作用下本設備搖擺，搖擺頻率10次/分鐘，熔制15小時，目的是使玻璃熔液充分混合均勻，熔勻后停止搖擺控制電機，并控制搖擺控制電機使石英管處于水平狀態，開啟旋轉控制電機，轉速350rad/分鐘，石英管中的玻璃溶液由于離心效果而均勻附著于石英管壁上，然后將電熱爐沿導軌分別上下移開，用壓縮空氣急速冷卻石英管，之后停止旋轉，把石英管迅速轉移至280°C的馬弗爐中退火，最后將石英管敲開，得到Ge28Sb12Se6tl玻璃套管。實施例三以As2Se3組分玻璃為例,包括如下具體步驟<1>選用輕基含量低于IOppm的石英管，內徑20mm,長16mm,用超聲波清洗10分鐘，用去離子水漂洗干凈，置于真空干燥箱中，抽真空，在200°C下烘24小時，緩慢降至室溫，真空干燥箱中充入高純氮氣，取出石英管并立即用封口膜封口，備用；〈2>選用純度為99. 999%的As和Se，把原料和經過步驟(I)處理過的石英管一同置于氮氣保護的手套箱中，在手套箱中根據玻璃的制作配方精確稱量原料，并置于石英管中；<3>將裝有原料的石英管從手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，當真空度達到9 X IO-3Pa時，把石英管置于180°C的馬弗爐中加熱除水，除水時間為80分鐘，之后用氫氧焰對石英管進行熔封； <4>將封好口的石英管置于電熱爐中，并用夾持部件固定好石英管，然后用電熱爐加熱，升溫至750°C，同時啟動搖擺控制電機，在搖擺控制電機的作用下本設備搖擺，搖擺頻率15次/分鐘，熔制8小時，目的是使玻璃熔液充分混合均勻，熔勻后停止搖擺控制電機，并控制搖擺控制電機使石英管處于水平狀態，開啟旋轉控制電機，轉速250rad/分鐘，石英管中的玻璃溶液由于離心效果而均勻附著于石英管壁上，然后將電熱爐沿導軌分別上下移開，用壓縮空氣急速冷卻石英管，之后停止旋轉，把石英管迅速轉移至180°C的馬弗爐中退火，最后將石英管敲開，得到As2Se3玻璃套管。實施例四以As3Se5Te2組分玻璃為例,包括如下具體步驟<1>選用輕基含量低于IOppm的石英管，內徑20mm,長16mm,用超聲波清洗10分鐘，用去離子水漂洗干凈，置于真空干燥箱中，抽真空，在200°C下烘24小時，緩慢降至室溫，真空干燥箱中充入高純氮氣，取出石英管并立即用封口膜封口，備用；<2>選用純度為99. 999%的As、Se和Te，把原料和經過步驟(I)處理過的石英管一同置于氮氣保護的手套箱中，在手套箱中根據玻璃的制作配方精確稱量原料，并置于石英管中；<3>將裝有原料的石英管從手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，當真空度達到9 X IO-3Pa時，把石英管置于180°C的馬弗爐中加熱除水，除水時間為80分鐘，之后用氫氧焰對石英管進行熔封；〈4>將封好口的石英管置于電熱爐中，并用夾持部件固定好石英管，用電熱爐加熱，升溫至800°C，同時啟動搖擺控制電機，在搖擺控制電機的作用下本設備搖擺，搖擺頻率10次/分鐘，熔制15小時，目的是使玻璃熔液充分混合均勻，熔勻后停止搖擺控制電機，并控制搖擺控制電機使旋轉爐處于水平狀態，開啟旋轉控制電機，轉速350rad/分鐘，石英管中的玻璃溶液由于離心效果而均勻附著于石英管壁上，然后將電熱爐沿導軌分別上下移開，用壓縮空氣急速冷卻石英管，之后停止旋轉，把石英管迅速轉移至135°C的馬弗爐中退火，最后將石英管敲開，得到As3Se5Te2玻璃套管。其中，石英管的具體尺寸規格，根據要制備的硫系玻璃套管的具體尺寸規格決定。上述四個實施例的步驟(3)中的也可以采用乙炔焰對石英管進行熔封，步驟(4)中經過石英管退火處理后，也可以用氫氟酸將石英管腐蝕，一般還是采用將石英管敲開的方法較好。以上實施例僅是對本發明技術方案的舉例說明，不應視為對本發明權利要求保護范圍的限制，本領域技術人員應當能夠從本發明的基本方案中毫無疑義推斷出，依據本發明的技術方案是可以實現本發明的目的。
權利要求
1.一種制備硫系玻璃套管的設備，其特征在于包括電熱爐、用于放置制備硫系玻璃原料的石英管、搖擺控制電機、旋轉控制電機以及用于固定石英管的一套夾持部件；所述石英管位于電熱爐內，夾持部件固定安裝于旋轉控制電機軸端，夾持部件與旋轉控制電機轉軸同軸；電熱爐與搖擺控制電機相連、由搖擺控制電機拖動搖擺。
2.根據權利要求I所述的制備硫系玻璃套管的設備，其特征在于所述設備還包括導軌，所述電熱爐包括上、下兩部分，分別固定在導軌上，電熱爐的上、下兩部分能夠沿導軌背向移動分離，石英管位于所述上、下兩部分的電熱爐之間，導軌的下部通過連接桿與搖擺控制電機相連，旋轉控制電機與導軌相連。
3.根據權利要求2所述的制備硫系玻璃套管的設備，其特征在于所述導軌的下部通過連接桿與搖擺控制電機的偏心輪相連。
4.根據權利要求3所述的制備硫系玻璃套管的設備，其特征在于所述導軌與石英管之間垂直。
5.根據權利要求4所述的制備硫系玻璃套管的設備，其特征在于所述的夾持部件是錐形固定槽，石英管的兩端分別置于錐形固定槽內。
6.一種采用權利要求5所述的設備制備硫系玻璃套管的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)選用羥基含量低于IOppm的石英管，用超聲波清洗10 30分鐘，用去離子水漂洗干凈，置于真空干燥箱中，抽真空，在100 300°C下烘12 24小時，緩慢降至室溫，真空干燥箱中充入高純氮氣，取出石英管并立即用封口膜封口，備用；(2)選用純度為99.99%以上的單質原料，把原料和經過步驟(I)處理過的石英管一同置于氮氣保護的手套箱中，在手套箱中根據玻璃的制作配方精確稱量原料，并置于石英管中；(3)將裝有原料的石英管從手套箱中取出，然后接入真空泵抽真空，當真空度達到9 X KT3Pa時，把石英管置于120°C 200°C的馬弗爐中加熱除水，除水時間為30 90分鐘，之后對石英管進行熔封；(4)將封好口的石英管置于電熱爐中，并用夾持部件固定好石英管，然后用電熱爐加熱，升溫至600 950°C，同時啟動搖擺控制電機(4)，所述設備搖擺，頻率5 15次/分鐘，熔制8 24小時，當石英管內的原料熔制均勻后，停止搖擺控制電機，并控制搖擺控制電機(4)使石英管處于水平狀態，開啟旋轉控制電機(3)，轉速200 400rad/分鐘，石英管中的玻璃溶液(6)由于離心效果而均勻附著于石英管壁上，然后將電熱爐(2)沿導軌(I)分別上下移開，用壓縮空氣急速冷卻石英管(5)，之后停止旋轉，把石英管迅速轉移至溫度為材料退火溫度的馬弗爐中退火，最后用氫氟酸將石英管腐蝕溶解或將石英管敲開，得到硫系玻璃套管。
7.根據權利要求6所述的制備硫系玻璃套管的方法，其特征在于所述步驟(3)中是用氫氧焰或乙炔焰對石英管進行封口的。
8.根據根據權利要求7所述的制備硫系玻璃套管的方法，其特征在于所述單質原料為As和S，制得的硫系玻璃套管的組分為As2S3或單質原料為Ge、Sb和Se,制得的硫系玻璃套管的組分為Ge28Sb12Se6tl,或單質原料為As和Se,制得的硫系玻璃套管組分為As2Se3,或單質原料為As、Se和Te，制得的硫系玻璃套管組分為As3Se5Te2。
全文摘要
本發明提供一種制備硫系玻璃套管的設備及方法，解決了硫系玻璃套管的制備難題，使應用棒管法制備高性能的硫系玻璃光纖和制備硫系玻璃光子晶體光纖成為可能。該制備硫系玻璃套管的設備包括電熱爐、用于放置制備硫系玻璃原料的石英管、搖擺控制電機、旋轉控制電機以及用于固定石英管的一套夾持部件；所述石英管位于電熱爐內，夾持部件固定安裝于旋轉控制電機軸端，夾持部件與旋轉控制電機轉軸同軸；電熱爐與搖擺控制電機相連、由搖擺控制電機拖動搖擺。本發明應用“旋轉法”制備硫系玻璃套管的新技術，解決了硫系玻璃套管的制備難題。本發明制備的硫系玻璃套管壁厚均勻，尺寸精確可控，內壁光潔無損傷。
文檔編號C03B37/025GK102936093SQ20121044779
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月9日 優先權日2012年11月9日
發明者郭海濤, 許彥濤, 彭波, 陸敏, 韋瑋 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所