槽沉法制备球透镜

　　1　引　言

　　球透镜是球形的,由光学玻璃(BK7、LaSFN9)等材料制成,主要用于光纤之间、激光与光纤之间以及光纤与探测器之间的耦合,或者用于薄膜过滤密集波分复用器中光纤光束的准直[2]。但是目前使用的主要是梯度折射率自聚焦透镜,是由于球透镜的镀膜技术受到了限制[3]。现在美国沉积科学公司(Deposition Sciences Inc.)实现的球透镜镀膜工艺的突破,可以利用低压化学蒸汽沉积法(LPCVD)在球透镜的整个表面形成均匀、坚固的多层增透膜[4]。并且由于球透镜的耦合效率比球透镜高等特点,国外已经开始从事球透镜的研究和生产。在国内,目前只有安徽大学的易佑民教授使用高分子方法来制备梯度折射率球透镜,对于使用光学玻璃来制备均匀的球透镜尚未见到报道。

　　目前,国内外制备玻璃微珠的方法有很多,但常使用的有玻璃微珠吹制法[5]、粉末成珠法[6]等,但是这些方法有很多缺点,比如成珠率低、椭圆度大和成本高等。与此相反,使用槽沉法制备的球透镜不但成珠率高,而且椭圆度很低,除有利于抛光等特点以外,与国外同类同类产品相比具有更低的价格,并且在光学性能方面也和国外产品相当。

　　2　试验

　　2.1　基础玻璃制备

　　根据球透镜的使用范围,设计了新型的光学玻璃配方(如表1所示)。按照表1的配方,进行精确称量,然后将混合物放入300ml的铂金坩锅中,按照图1的工艺熔制曲线图进行熔制,然后退火1h,最后以10℃/min速度冷却到室温。将退火以后的玻璃用V镜折射仪测定其折射率,折射nd=1.5198。

　　2.2　球透镜的制备

　　将所得到的光学玻璃制成光纤预制棒(D<5mm),然后在LS1000-A型光纤拉丝机中进行拉丝(拉丝精度为±1μm),能够得到直径为1mm的玻璃丝,然后使用激光切割机将所得到的玻璃丝切割成高度为1mm的圆柱型玻璃。最后将得到的圆柱型玻璃小心放入已经预铺炭粉石英坩锅中,炭粉厚度为1~2mm,玻璃放置时候彼此互相不接触。然后分别在不同的温度下熔制,熔制的过程如图2所示。取出后迅速倒入冷水中即可,从图2可以看出,在相同的时间里(10min),最佳的成球温度是1250℃。

　　2.3　抛　光

　　由于所得到的球透镜表面受到炭粉的污染,根据污染程度的不同,将污染程度小的球透镜放入自制的抛光机中,抛光粉使用金刚砂,转速为100r/min,抛光时间为48h。图3给出了抛光前(a)和抛光后(b)球透镜表面的SEM图,从图中可以很明显的看出抛光前和抛光后球透镜表面的变化程度,图4给出了抛光后直径为0.8mm的球透镜的SEM图。

　　3　测　试

　　3.1　DTA测试

　　玻璃的退火温度通常通过试验测定,其原理是玻璃的性质,如热膨胀系数、比热等,在玻璃转变区域表现出特殊的变化趋势。本试验采用差热法测定玻璃的退火温度,采用NETZSCH STA449C型热分析仪,测试结果如图5所示。