一种轮盘牵引式光纤拉锥机及其方法技术

本发明专利技术提供一种轮盘牵引式光纤拉锥机，其包括控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置、光纤旋转装置、光功率监测装置以及工作平台。控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置以及光纤旋转装置都固定于工作平台之上，光功率监测装置用来在光纤拉锥过程中通过对光纤透过光功率的监测来辅助评估操作的实时进程。本发明专利技术利用两个位置可调的相对轮盘来对操作光纤进行夹持固定，工作时两个轮盘逆向同速转动，并依靠系统齿轮间的啮合转动来将电机的受控转动转化为对光纤拉锥的受控牵引拉伸，依靠传动齿轮组的减速作用，可以精确控制拉锥过程。电阻加热装置传热稳定，受控性强。

【技术实现步骤摘要】
一种轮盘牵引式光纤拉锥机及其方法
本专利技术涉及光纤后处理领域，具体地涉及一种轮盘牵引式光纤拉锥机及其方法。
技术介绍
我们知道，现代社会是一个高度信息化的社会，而信息化技术的发展和光纤技术的发展又息息相关，比如当前应用非常广泛的和研究非常火的宽带通信、激光技术、传感技术、物联网技术、大数据技术、5G通信、航天器导航等都离不开光纤技术的发现和发展。光纤的研究制备及其后处理技术都已经是现代社会发展必须要依仗的关键技术之一，因此其研究也越来越受到人们的重视。锥形光纤是在正常光纤的基础上通过后处理技术进行拉锥处理而得到，因其独特的锥形结构可改变光在纤芯中的导光行为并显著改变光纤性能。比如锥区的形成会导致光从纤芯向倏逝场的泄露，基于锥形光纤的传感器可显著提高光对传感环境的感知能力，极大地提高传感效率；比如锥形区的形成还会极大地缩小纤芯区域的大小，从而极大地提高光纤的非线性效应；比如锥形光纤因为锥区两边尺寸的不同，很适合做不同尺寸光纤间进行熔接的过渡光纤；比如基于光纤集束拉锥的空分复用解复用器和非对称定向耦合的模分复用解复用器的实现都拉不开光纤拉锥技术的专利技术和发展。光纤拉锥技术除了要适应传统光纤的拉制需求，还必须要能够对微结构光纤等特种光纤进行加热、拉锥或旋转等后处理操作。微结构光纤又叫光子晶体光纤，按照其导光机制一般可分为折射率导光型、带隙引导型、反谐振光纤等。因在光纤的包层或者纤芯中存在许多空气孔，而空气孔的大小、形状、位置和个数等会显著改变光纤的性能，并且这些空气孔可以根据需要进行任意设计，所以微结构光纤一经专利技术就成为光纤家族的重要成员并在光子器件等领域占据非常重要地位。基于光纤加热并旋转处理而制作的螺旋光纤也是当前研究中的另外一个热点。螺旋光纤具有很重要的研究价值，比如圆双折射光纤在光纤传输和光纤传感器件方面有重要的应用，其中螺旋光纤是最容易实现且最有吸引力的圆双折射光纤之一；比如拓扑量子计算在实验与理论上引起了广泛关注,螺旋光纤系统因特殊的结构和物理属性使其有可能成为实现对退相干出错与非绝热出错均具有抗错性能的拓扑量子计算机基本单元(非绝热条件几何相移门)的理想方案；比如螺旋光纤在大模场面积光纤激光器和放大器上使用能够很好地实现单模操作等。因此研究螺旋光纤的制备技术也十分重要。但目前对基于光纤后处理技术的螺旋光纤制备技术还很不成熟，所制备光纤实验与理论相差较大，所需要走的路还很长，当前螺旋光纤主要是在光纤制备阶段通过一边拉制一边旋转得到的。这种方法不利于对螺旋光纤的制备及处理，原因是光纤拉锥机并不普及，因此发展一种后处理技术十分关键。目前国内外对光纤拉锥的方式主要有化学腐蚀法、机械抛磨法和熔融拉锥法等。其中，化学腐蚀法是利用特制的化学溶液,对浸泡在其中的光纤进行化学腐蚀,然后通过控制光纤不同部分的受腐蚀时间,来达到加工锥形光纤的目的。但是该方法所用的化学溶液腐蚀性强，在实施过程中存在一定危险性，可操控性较差，不易于控制，同时光纤拉锥装置稳定性差，所获得的成品表面粗糙，会大大增加光纤锥区的损耗。机械抛磨法是利用机械的方法在普通光纤上运用微抛磨加工技术将其磨成圆锥形的一种方法，在实验抛磨过程中，由于光纤本身半径较小，仪器操作产生较大误差，导致成锥过程中材料损耗大，所得成品精度低，成品粗糙。同时采用机械抛磨进行光纤实验中对加工光纤的仪器和环境要求极高，从而导致制作锥形光纤的成本大大增高。此外，对于包层中具有微结构的特种光纤如果要进行拉锥，机械抛磨法将不适用，因为其在抛光中会将包层中的微结构破坏掉，导致后处理后光纤的性质完全不可控。普通的熔融拉锥方法是将光纤除去涂覆层，露出长度为20-30mm的裸纤，用高温加热熔融并向两侧拉伸，最终在加热区形成锥体形式的特殊波导结构。加热方式一般采用氢氧焰加热，但是这种方法对操作环境和工作条件要求较高，氢气和氧气需要特殊的专门保存条件储存，在工作中操作不当还容易发生爆炸，且加热时是氢氧焰从下方向上方的光纤加热，很容易导致光纤受热不匀而断裂。解决此问题通常采用的方法是，在加热的同时不断旋转光纤，但这种方法并不能从根本上来解决光纤受热不匀的问题。这种方法对处理普通光纤的拉锥问题还基本可以胜任，但操作的光纤如果是微结构光纤则完全不可为，其原因是微结构光纤包层内具有很多个空气孔，而空气孔的存在会导致包层材料以类似蜂巢的方式存在，即空气孔和空气孔之间的连接区很薄，这样在加热过程中就会因空气和光纤基底材料的导热率差别太大而无限放大此种方法加热下的受热不均匀缺点，从而导致包层中靠外的光纤材料提前融化，而靠近纤芯的光纤材料还没有达到融融温度，这样在拉锥时光纤一拉就会断。还有一点，因气孔与气孔间的连接壁很薄，也会导致在这些区域的光纤基底材料很容易提前发生变形，导致光纤拉锥失败。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种基于盒式电阻加热与轮盘牵引式拉锥的轮盘牵引式光纤拉锥机，并提供了一种制备具有旋转锥区的锥形光纤或制备具有局部旋转结构的螺旋光纤的制备手段和方法。其中，盒式的电阻加热方式有效地解决了光纤内受热不匀的问题，尤其是很好地解决对微结构光纤进行拉锥时的加热问题；轮盘牵引式拉锥利用齿轮间啮合将电机的转动减速传递到两个同速逆向转动的轮盘上，并利用在两个轮盘外侧圆周上安装的传动带来对光纤进行夹持牵引，拉锥牵引力输出更加平缓，拉锥流程更加可控，有利于提高拉锥效果；光纤旋转装置的引入既起到了固定待操作光纤端头的作用，又提供了螺旋光纤或具有旋转锥区的锥形光纤的制备手段和方法。具体地，本专利技术提供一种轮盘牵引式光纤拉锥机，其包括工作平台、控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置、光纤旋转装置、光功率监测装置以及工作平台；所述控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置以及光纤旋转装置均固定在所述工作平台上；所述动力传动装置借助于所述导向控制装置连接所述轮盘牵引装置实现对操作光纤的夹持与牵引；所述动力传动装置包括电机、电机齿轮、传动齿轮、第一主齿轮、第二主齿轮、第一主轴和第二主轴，所述电机的输出轴连接所述电机齿轮，所述电机齿轮进一步与所述传动齿轮啮合，所述传动齿轮与所述第一主齿轮啮合，所述第一主齿轮与所述第二主齿轮啮合；所述导向控制装置包括导向卡槽、转盘控制把手、转向桥连接轴、第一转向桥、第二转向桥、第一转向轴、第二转向轴、第一三孔连接件、第二三孔连接件、第一转向齿轮组、第二转向齿轮组、第一轮盘轴和第二轮盘轴；所述第一主轴连接所述第一转向齿轮，所述第二主轴连接所述第二转向齿轮，所述第一转向齿轮组包括相互啮合的第一转向齿轮和第二转向齿轮，所述第二转向齿轮组包括相互啮合的第三转向齿轮和第四转向齿轮，所述导向卡槽呈T型结构，所述导向卡槽包括第一竖臂部、第二横臂部和第三横臂部，所述所述第一竖臂部开设有用于供所述转向桥连接轴移动的第一通孔，所述第一通孔的宽度略大于转向桥连接轴的直径，所述转向桥连接轴的第一端无固定约束于第一通孔内；所述第二横臂部和第三横臂部分别设置在所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轮盘牵引式光纤拉锥机，其特征在于：其包括工作平台、控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置、光纤旋转装置、光功率监测装置以及工作平台；所述控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置以及光纤旋转装置均固定在所述工作平台上；/n所述动力传动装置借助于所述导向控制装置连接所述轮盘牵引装置实现对操作光纤的夹持与牵引；/n所述动力传动装置包括电机、电机齿轮、传动齿轮、第一主齿轮、第二主齿轮、第一主轴和第二主轴，所述电机的输出轴连接所述电机齿轮，所述电机齿轮进一步与所述传动齿轮啮合，所述传动齿轮与所述第一主齿轮啮合，所述第一主齿轮与所述第二主齿轮啮合；/n所述导向控制装置包括导向卡槽、转盘控制把手、转向桥连接轴、第一转向桥、第二转向桥、第一转向轴、第二转向轴、第一三孔连接件、第二三孔连接件、第一转向齿轮组、第二转向齿轮组、第一轮盘轴和第二轮盘轴；/n所述第一主轴连接所述第一转向齿轮，所述第二主轴连接所述第二转向齿轮，所述第一转向齿轮组包括相互啮合的第一转向齿轮和第二转向齿轮，所述第二转向齿轮组包括相互啮合的第三转向齿轮和第四转向齿轮，所述导向卡槽呈T型结构，所述导向卡槽包括第一竖臂部、第二横臂部和第三横臂部，第一竖臂部开设有用于供所述转向桥连接轴移动的第一通孔，所述第一通孔的宽度略大于转向桥连接轴的直径，所述转向桥连接轴的第一端无固定约束于第一通孔内；所述第二横臂部和第三横臂部分别设置在所述第一竖臂部的两侧，所述第二横臂部和第三横臂部的端部分别开设有供第一主轴或第二主轴穿过的第二通孔和第三通孔，所述第一转向桥的第一端的端部与第二转向桥的第一端的端部嵌合形成嵌合部，所述嵌合部用于安装所述转向桥连接轴，所述第一转向桥的第二端的端部安装所述第一转向轴的第一端，所述第二转向桥的第二端的端部安装所述第二转向轴的第一端，所述第一转向轴的第二端安装在所述第一三孔连接件的中间的通孔内，所述第一三孔连接件的第一端的通孔套设在所述第一主轴上，所述第一三孔连接件的第二端的通孔套装在所述第一轮盘轴上，所述第一轮盘轴上固定安装所述第二转向齿轮，所述第一转向齿轮周向固定安装于所述第一主轴上；所述第二转向轴的第二端安装在所述第二三孔连接件的中间的通孔内，所述第二三孔连接件的第一端的通孔套设在所述第二主轴上，所述第二三孔连接件的第二端的通孔套装在所述第二轮盘轴上，所述第二轮盘轴上固定安装所述第四转向齿轮，所述第三转向齿轮周向固定安装于所述第二主轴上，在电机的带动下，所述第一主齿轮和第二主齿轮的转动分别带动所述第一主轴和第二主轴转动，所述第一主轴和第二主轴进一步带动第一转向齿轮和第三转向齿轮转动，所述第一转向齿轮和第三转向齿轮的转动分别带动第二转向齿轮和第四转向齿轮转动，进而分别带动第一轮盘轴和第二轮盘轴转动；/n所述转盘控制把手与所述导向桥连接轴连接，拉动转盘控制把手，转向桥连接轴沿着导向卡槽移动，从而改变第一转向桥和第二转向桥所成夹角的大小，进而控制第一轮盘和第二轮盘的靠近或远离；/n所述轮盘牵引装置包括第一轮盘和第二轮盘，所述第一轮盘借助于第一轮盘轴进行周向固定，所述第二轮盘借助于第二轮盘轴进行周向固定，并借助这两个轮盘轴来实现与导向控制装置的联动，所述第一轮盘与第二轮盘的外侧圆周上均覆盖一层夹持光纤用的传动带，光纤夹持固定于这两个传动带之间的空隙之中，传动带间的空隙大小由导向控制装置中的转盘控制把手来进行调节控制；/n所述加热与位移控制装置用于进行加热及位移控制，所述加热与位移控制装置设置有温度测量模块，所述温度测量模块用来对光纤拉锥区的温度进行实时测量并反馈；/n所述光纤旋转装置包括光纤固定夹具和旋转驱动电机，所述旋转驱动电机固定于所述工作平台上，并与所述控制处理装置进行通讯连接，所述光纤固定夹具用来固定拟操作光纤的其中一端；/n所述光功率监测装置包括光源、光功率计以及光纤熔接机，所述光源用来提供功率监测的信号光，所述光功率计用来监测操作光纤的输出功功率，所述光纤熔接机主要用于将操作光纤的两端分别与光源的输出尾纤和光功率计的输入尾纤进行熔接来搭建功率监测工作平台；/n所述控制处理装置包括中央处理模块、人机交互模块、工作信号输出模块和反馈信号输入模块，所述控制处理装置通过所述人机交互模块获取工作任务，经由中央处理模块处理并生成原始的流程行程、工作指令和输出信号数据，再经由工作信号输出模块对加热与位移控制装置中的电阻进行工作电流的控制输出，同时经由反馈信号输入模块接收由温度测量模块测量获得的实时温度反馈数据，并经中央处理模块对工作指令作出修正，重新向下分配工作信号数据；所述控制处理模块根据当前生成的流程行程、工作指令和输出信号数据，经工作信号输出模块向动力传动装置中的电机进行通讯控制，并在工作...

【技术特征摘要】
1.一种轮盘牵引式光纤拉锥机，其特征在于：其包括工作平台、控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置、光纤旋转装置、光功率监测装置以及工作平台；所述控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置以及光纤旋转装置均固定在所述工作平台上；
所述动力传动装置借助于所述导向控制装置连接所述轮盘牵引装置实现对操作光纤的夹持与牵引；
所述动力传动装置包括电机、电机齿轮、传动齿轮、第一主齿轮、第二主齿轮、第一主轴和第二主轴，所述电机的输出轴连接所述电机齿轮，所述电机齿轮进一步与所述传动齿轮啮合，所述传动齿轮与所述第一主齿轮啮合，所述第一主齿轮与所述第二主齿轮啮合；
所述导向控制装置包括导向卡槽、转盘控制把手、转向桥连接轴、第一转向桥、第二转向桥、第一转向轴、第二转向轴、第一三孔连接件、第二三孔连接件、第一转向齿轮组、第二转向齿轮组、第一轮盘轴和第二轮盘轴；
所述第一主轴连接所述第一转向齿轮，所述第二主轴连接所述第二转向齿轮，所述第一转向齿轮组包括相互啮合的第一转向齿轮和第二转向齿轮，所述第二转向齿轮组包括相互啮合的第三转向齿轮和第四转向齿轮，所述导向卡槽呈T型结构，所述导向卡槽包括第一竖臂部、第二横臂部和第三横臂部，第一竖臂部开设有用于供所述转向桥连接轴移动的第一通孔，所述第一通孔的宽度略大于转向桥连接轴的直径，所述转向桥连接轴的第一端无固定约束于第一通孔内；所述第二横臂部和第三横臂部分别设置在所述第一竖臂部的两侧，所述第二横臂部和第三横臂部的端部分别开设有供第一主轴或第二主轴穿过的第二通孔和第三通孔，所述第一转向桥的第一端的端部与第二转向桥的第一端的端部嵌合形成嵌合部，所述嵌合部用于安装所述转向桥连接轴，所述第一转向桥的第二端的端部安装所述第一转向轴的第一端，所述第二转向桥的第二端的端部安装所述第二转向轴的第一端，所述第一转向轴的第二端安装在所述第一三孔连接件的中间的通孔内，所述第一三孔连接件的第一端的通孔套设在所述第一主轴上，所述第一三孔连接件的第二端的通孔套装在所述第一轮盘轴上，所述第一轮盘轴上固定安装所述第二转向齿轮，所述第一转向齿轮周向固定安装于所述第一主轴上；所述第二转向轴的第二端安装在所述第二三孔连接件的中间的通孔内，所述第二三孔连接件的第一端的通孔套设在所述第二主轴上，所述第二三孔连接件的第二端的通孔套装在所述第二轮盘轴上，所述第二轮盘轴上固定安装所述第四转向齿轮，所述第三转向齿轮周向固定安装于所述第二主轴上，在电机的带动下，所述第一主齿轮和第二主齿轮的转动分别带动所述第一主轴和第二主轴转动，所述第一主轴和第二主轴进一步带动第一转向齿轮和第三转向齿轮转动，所述第一转向齿轮和第三转向齿轮的转动分别带动第二转向齿轮和第四转向齿轮转动，进而分别带动第一轮盘轴和第二轮盘轴转动；
所述转盘控制把手与所述导向桥连接轴连接，拉动转盘控制把手，转向桥连接轴沿着导向卡槽移动，从而改变第一转向桥和第二转向桥所成夹角的大小，进而控制第一轮盘和第二轮盘的靠近或远离；
所述轮盘牵引装置包括第一轮盘和第二轮盘，所述第一轮盘借助于第一轮盘轴进行周向固定，所述第二轮盘借助于第二轮盘轴进行周向固定，并借助这两个轮盘轴来实现与导向控制装置的联动，所述第一轮盘与第二轮盘的外侧圆周上均覆盖一层夹持光纤用的传动带，光纤夹持固定于这两个传动带之间的空隙之中，传动带间的空隙大小由导向控制装置中的转盘控制把手来进行调节控制；
所述加热与位移控制装置用于进行加热及位移控制，所述加热与位移控制装置设置有温度测量模块，所述温度测量模块用来对光纤拉锥区的温度进行实时测量并反馈；
所述光纤旋转装置包括光纤固定夹具和旋转驱动电机，所述旋转驱动电机固定于所述工作平台上，并与所述控制处理装置进行通讯连接，所述光纤固定夹具用来固定拟操作光纤的其中一端；
所述光功率监测装置包括光源、光功率计以及光纤熔接机，所述光源用来提供功率监测的信号光，所述光功率计用来监测操作光纤的输出功功率，所述光纤熔接机主要用于将操作光纤的两端分别与光源的输出尾纤和光功率计的输入尾纤进行熔接来搭建功率监测工作平台；
所述控制处理装置包括中央处理模块、人机交互模块、工作信号输出模块和反馈信号输入模块，所述控制处理装置通过所述人机交互模块获取工作任务，经由中央处理模块处理并生成原始的流程行程、工作指令和输出信号数据，再经由工作信号输出模块对加热与位移控制装置中的电阻进行工作电流的控制输出，同时经由反馈信号输入模块接收由温度测量模块测量获得的实时温度反馈数据，并经中央处理模块对工作指令作出修正，重新向下分配工作信号数据；所述控制处理模块根据当前生成的流程行程、工作指令和输出信号数据，经工作信号输出模块向动力传动装置中的电机进行通讯控制，并在工作中根据光纤的实际处理进程需求进行动态调控。


2.根据权利要求1所述的轮盘牵引式光纤拉锥机，其特征在于：所述加热与位移控制装置包括外壳、导轨、加热盒上盖、加热盒下盖、合页、加热电阻和温度测量模块，所述导轨两侧固定安装于外壳的两个相对端面上，所述加热盒下盖安装到导轨上，所述加热电阻安装于加热盒下盖上面，并且其长度可根据光纤需要加热的区域大小来进行选择性装配，导轨的使用可方便根据光纤加热区域的不同要求而进行相应的位置适配，所述加热盒上盖通过合页与加热盒下盖进行固定，所述加热盒上盖上在与下盖安装电阻的地方的对应位置处有用于对电阻进行夹持的凹槽，并在电阻安装处形成密闭性加热空间，所述电阻采用螺旋缠绕的摆放方式，在电阻的两头引出导线穿出加热下盖；
加热与位移控制装置中的电阻为钨丝，加热盒上盖和加热盒下盖的材料均为陶瓷。


3.根据权利要求1所述的轮盘牵引式光纤拉锥机，其特征在于：所述光纤固定夹具包括旋转电机螺母和旋转夹具，所述旋转夹具包括内螺母安装型模具和外螺母安装型模具；
所述内螺母安装型模具的第一端设置有一字型开口，第二端为实心无开口的圆柱体，所述圆柱体以及一字型开口的圆周上开设有螺纹，所述第二端与旋转电机的旋转轴之间通过可拆卸装置固定，第一端的圆周半径略大于圆柱形第二端的圆周半径；
所述外螺母安装型模具的第一端设置锥形的一字型开口，第二端为实心无开口的圆柱体，所述圆柱体以及一字型开口的圆周上开设有螺纹，所述第二端与旋转电机的旋转轴之间通过可拆卸装置固定，第一端的圆周半径略小于圆柱形第二端的圆周半径。


4.根据权利要求1所述的轮盘牵引式光纤拉锥...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建设，李旭，岳希锐，郭英，胡康宇，王晓燕，李曙光，毕卫红，卢辉斌，郭海涛，程同蕾，陈淑清，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13