專利名稱：使用激光的光學(xué)纖維涂層的紫外光一固化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種使用能夠增加光學(xué)纖維拉伸速率的連續(xù)波(cw)或脈沖激光固化光學(xué)纖維上保護(hù)涂層的有效方法。尤其是，該方法涉及在拉伸光學(xué)纖維上對準(zhǔn)激光束以進(jìn)行均勻照射并固化位于該纖維上的涂層。
相關(guān)技術(shù)的描述在制造光學(xué)纖維時，玻璃預(yù)成型棒以受控速率在爐中運(yùn)動。該爐軟化預(yù)成型品，這樣光學(xué)纖維可通過卷筒由預(yù)成型棒的熔融端拉伸。
因?yàn)槔旃鈱W(xué)纖維易于受損，光學(xué)纖維在由預(yù)成型棒拉伸之后但在接觸另一表面之前必須涂覆上涂層。為了提供這種保護(hù)涂層，將一種必須在該拉伸纖維到達(dá)卷筒之前凝固的材料施用到纖維上。凝固通過固化技術(shù)來輔助。濕碰濕拉伸技術(shù)包括，將第一涂層施用到纖維上并在第一涂層仍處于粘稠形式時將第二涂層施用到纖維上。第一和第二涂層都隨后固化。其它技術(shù)也是已知的，如施用第一涂層，隨后固化第一涂層，然后施用第二涂層并固化該第二涂層。該第二技術(shù)需要在拉伸塔中包括附加設(shè)備，但比需要在粘稠形式下處理第一涂層的濕碰濕拉伸技術(shù)簡單。也可采用其它技術(shù)，且本發(fā)明并不限于所用技術(shù)的種類。
用于固化光學(xué)纖維涂層的常規(guī)技術(shù)包括使用微波動力燈如Fusion燈照射涂層。常用的Fusion燈包括直徑為9、11或13毫米的H-電燈泡、D-電燈泡和H-電燈泡。但可以將顯著量的燈光聚焦到窄纖維上。實(shí)際上，可以僅將Fusion燈的百分之一至百分之幾聚焦到所要涂層的纖維元件上。此外，熱Fusion燈的能量不能充分定向，難以以均勻方式涂覆該纖維。過度的熱效應(yīng)和由Fusion燈帶來的紅外輻射也會降低涂層材料的特性。
磁場的應(yīng)用通常促進(jìn)纖維涂層的聚合反應(yīng)，例如討論于美國專利5000772(Petisce)。但Fusion燈體使得這種磁場難以施加到纖維上。為了得到強(qiáng)度足以在Fusion燈排列中影響固化速率的磁場，需要磁場如此之強(qiáng)以能夠降低Fusion燈的微波排放。燈的強(qiáng)度被減弱，因此難以提供足夠的強(qiáng)度以固化該涂層。因此，使用磁場增加固化速率的技術(shù)在使用Fusion燈時并不實(shí)際或方便。
為了提高固化過程的效率，可以使用激光替代微波燈。美國專利4812150公開了激光的應(yīng)用，其中使用激光作為熱源來固化涂層。但激光提供局部加熱，造成纖維彎成弓形，因?yàn)樵诶w維一側(cè)上的固化大于另一側(cè)。另外，可能優(yōu)于激光束的局部聚焦而產(chǎn)生過熱，導(dǎo)致具有非所需模量的涂層。應(yīng)用激光進(jìn)行光固化的其它已知方法，例如美國專利4227907和美國專利5761367由于缺乏賦予激光束的方向性而存在類似缺陷。
本發(fā)明的綜述本發(fā)明通過使用激光源引發(fā)涂層中的光化學(xué)過程，并通過使用能夠產(chǎn)生固化用準(zhǔn)直激光束的光學(xué)設(shè)備來克服以上缺陷。在這種布置下，可以用移離目標(biāo)纖維的激光源固化纖維涂層。光源和目標(biāo)纖維之間的移動減緩了在固化過程中對涂層的熱和紅外損害。該光學(xué)設(shè)備進(jìn)一步在目標(biāo)纖維周圍傳播激光以獲得用于固化的均勻能量分布。通過光束擴(kuò)展器和平凹透鏡提供的伸長束能夠使目標(biāo)纖維涂層的較大部分同時固化。由于激光源移離纖維，可以實(shí)際地將磁場作用到具有可固化涂層的目標(biāo)纖維上，這樣進(jìn)一步增加固化速率20-40％。I.V.Khudyakov等人的“用固化監(jiān)控器和光DSC研究的丙烯酸酯光聚合反應(yīng)的動力學(xué)”，SPIE會議論文集，3848卷，1999，151-156頁。這能夠進(jìn)一步增加光學(xué)纖維的拉伸速率。
激光束波長選擇使得激光能被涂層中的光引發(fā)劑吸收。在一個優(yōu)選實(shí)施方案中，該涂層具有兩種光引發(fā)劑，其中一種的最大吸收在約300納米處且一種在約400納米處。使用兩種光引發(fā)劑對濕碰濕拉伸技術(shù)是重要的。
優(yōu)選實(shí)施方案的描述以下根據(jù)唯一的附圖
來詳細(xì)描述一個優(yōu)選實(shí)施方案，該圖說明了用于在目標(biāo)纖維周圍將準(zhǔn)直激光束均勻定向的布置。
參考附圖，目標(biāo)纖維1由預(yù)成型品(未示)拉伸并經(jīng)受一個環(huán)境以開始涂覆過程。本發(fā)明可應(yīng)用于任何標(biāo)準(zhǔn)固化環(huán)境，包括用于施用一級和二級涂層。例如，可以使用包括光引發(fā)劑2-羥基-2-甲基-1-苯基丙-1-酮或2，4，6-三甲基苯甲酰基氧化膦(或其組合)的環(huán)境。
目標(biāo)纖維1距激光2一段距離設(shè)置。示例性的距離為約10英尺。這種移動比使用Fusion燈的常規(guī)技術(shù)更遠(yuǎn)并通過降低照射到目標(biāo)纖維上的損害性紅外熱的量而產(chǎn)生益處。激光源2可選自多種連續(xù)和脈沖激光。連續(xù)波激光的一個例子包括由Spectra-Physics制造的Beamlok Ar+。這種激光可操作釋放在紫外線范圍內(nèi)的λ＝333-351納米的許多波長。Ar+激光適用于工業(yè)應(yīng)用，具有約7瓦的功率輸出。示例性的脈沖激光包括來自Spectron Laser System的NdYAG。NdYAG激光的第三諧波的波長λ為355納米，最適用于纖維涂層的固化。但其它諧波也可用于固化。輸出功率為5瓦，頻率為10千赫。任何高頻UV脈沖激光都是合適的。另一可接受的激光是λ＝308納米的紫外線受激準(zhǔn)分子XeCl激光，由Lambda Physik制造。
具有上述波長的光被常用于涂層材料的大多數(shù)光引發(fā)劑吸收。但某些光引發(fā)劑能夠吸收可見光范圍(如400-800納米)內(nèi)的能量，因此也可使用發(fā)出在該范圍內(nèi)的能量的激光。例如，發(fā)光在可見范圍內(nèi)的激光二極管也可用于引發(fā)聚合反應(yīng)。該過程可通過向纖維涂層中加入能夠吸收該范圍光的染料而輔助。Ar+激光可用于同時激發(fā)兩種最大吸收在紫外線區(qū)的光引發(fā)劑。一種光引發(fā)劑的最大吸收靠近300納米，另一種光引發(fā)劑的最大值靠近400納米。
激光束源的使用也可通過更窄波長(如，±0.5納米)內(nèi)的單色光來激發(fā)光引發(fā)劑。這種選擇性有可能引發(fā)和控制涂層材料的聚合反應(yīng)。相反，在寬波長范圍(約100納米)內(nèi)無差別地激發(fā)的Fusion燈不可能有這種選擇性或控制作用。Fusion燈不可控制地激發(fā)包括在光學(xué)纖維涂層中的物質(zhì)如染料或顏料。
參考附圖，在光束擴(kuò)展器3的方向上照射激光。激光的準(zhǔn)直光束為強(qiáng)點(diǎn)的形式。如果該點(diǎn)用于固化，其強(qiáng)度可如常規(guī)體系那樣可能損害目標(biāo)纖維。因此，光束擴(kuò)展器4用于將具有約2毫米小直徑的準(zhǔn)直光束分布成一至幾個英寸的較大直徑。這種擴(kuò)展光束進(jìn)一步經(jīng)過一個平凹透鏡和圓柱狀透鏡5，將激光聚焦成為約3-4英寸且直徑為幾個目標(biāo)纖維直徑的長度。這種斑紋光束的直徑范圍例如為1-3毫米。在纖維另一側(cè)，與圓柱狀透鏡相對的是成型為圓柱狀的鏡子6。該鏡子有助于將光均勻分布到目標(biāo)纖維周圍。
激光源和目標(biāo)纖維之間的移動可由于激光的準(zhǔn)直作用和由光學(xué)元件提供的聚焦作用而包括大距離。超過2米的移動是可允許的。除了減緩?fù)鈦頍嵝?yīng)，這種移動的附加益處是，磁場發(fā)生器(未示)具有位置以包括在該固化布置中。磁場的應(yīng)用可通過已知的機(jī)理來提供，因此本說明書省略其細(xì)節(jié)。
通過將一個或多個附加激光器源放置在目標(biāo)纖維周圍以提供對稱照明，本發(fā)明還可在沒有鏡子6的情況下實(shí)施。例如，兩個激光器可放置圍繞目標(biāo)纖維以180度間隔放置，或3個激光可以120度間隔放置。采用幾個激光源可增加強(qiáng)度(瓦/厘米2)以及光束照射量(焦耳/厘米2)。但由于激光源昂貴，采用半圓柱狀鏡子6有助于盡量降低固化裝置的成本。
通過使用激光和基本光學(xué)設(shè)備，激光能可在拉伸纖維上均勻地精確聚焦。這樣能夠有效地使用固化能并增加拉伸纖維的速率。利用上述布置，可獲得超過1000米/分鐘的拉伸速率。
盡管以上已討論了本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案，但本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員可以背離特定的公開內(nèi)容而仍在本發(fā)明的主旨和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于將纖維上的涂層光固化的裝置，包括激光源；用于擴(kuò)展激光源的輸出的光束擴(kuò)展器；可操作的用于將光束擴(kuò)展器的輸出聚焦到目標(biāo)纖維上的第一透鏡；和相對光束擴(kuò)展器和所述第一透鏡放置在目標(biāo)纖維另一側(cè)的凹透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一透鏡包括朝向所述光束擴(kuò)展器放置的具有平面?zhèn)鹊钠桨纪哥R。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述激光源輸出可見光范圍內(nèi)的輻射。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中所述激光源是連續(xù)波激光。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中所述激光源是脈沖激光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括一個可通過操作在所述目標(biāo)纖維周圍施加磁場的磁場源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述激光源距離所述目標(biāo)纖維至少2米遠(yuǎn)放置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中所述激光源是發(fā)光在300-400納米UV范圍內(nèi)的連續(xù)波激光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括位于所述第一透明和所述凹面光學(xué)元件之間的第二透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中所述第二透鏡包括圓柱狀透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所述激光源距離所述目標(biāo)纖維至少2米遠(yuǎn)放置。
12.一種光固化纖維的方法，包括將激光束擴(kuò)展以得到一種擴(kuò)展直徑激光束；將該擴(kuò)展直徑激光束在所述纖維的前面聚焦成直徑大于纖維直徑的光條；將該激光束光條發(fā)射到纖維的背面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括將磁場施加到纖維周圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述激光束連續(xù)輸出在電磁光譜的可見部分的光。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述激光束輸出可見光脈沖。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述激光束在300-400納米范圍內(nèi)發(fā)射。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述激光束在400-800納米范圍內(nèi)發(fā)射。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述激光束的光源距離纖維至少2米遠(yuǎn)放置。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述激光源輸出UV光范圍內(nèi)的輻射。
20.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中所述激光源輸出400-800納米范圍內(nèi)的輻射。
全文摘要
一種裝置和方法能夠有效地將激光光聚焦到目標(biāo)纖維上以迅速和均勻地固化該纖維上的涂層并增加該纖維的拉伸速率。該激光光被擴(kuò)展并再聚焦成直徑為纖維直徑幾倍的光條。該光條作用到纖維的一側(cè)并將該光條的反射光聚焦到纖維的第二側(cè)以均勻照射該纖維。
文檔編號G02B6/44GK1368942SQ00811455
公開日2002年9月11日 申請日期2000年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月16日
發(fā)明者I·V·庫德亞克夫, M·B·普爾維斯, B·J·歐沃頓 申請人:阿爾卡塔爾公司