《光纖光纜制備》課件第3章

學(xué)習(xí)情境三：石英光纖拉絲3.1學(xué)習(xí)目標(biāo)3.2學(xué)習(xí)內(nèi)容

★掌握光纖拉絲過程；

★掌握光纖二次涂覆過程；

★掌握篩選工藝；

★掌握復(fù)繞工藝；

★了解拉絲塔、復(fù)繞機(jī)等設(shè)備；

★掌握安全操作規(guī)程。3.1學(xué)習(xí)目標(biāo)

3.2.1石英熔融拉絲原理

1.石英光纖拉絲原理

石英光纖拉絲是指將制備好的光纖預(yù)制棒放置在拉絲塔的進(jìn)棒系統(tǒng)上，并放入高溫爐中，利用高溫爐加熱(溫度約1900～2200℃)熔融后拉制成直徑符合要求的光纖纖維，并保證光纖的芯包直徑比和折射率分布形式不變的工藝操作過程。對于石英光纖而言，芯層中二氧化鍺即使在2000℃的高溫時也很難擴(kuò)散到包層中，從而可以保證按原有的折射率分布。3.2學(xué)習(xí)內(nèi)容在拉絲操作過程中，最重要的技術(shù)是保證不使光纖表面受到損傷，對光纖進(jìn)行涂覆并固化，保證光纖正常的機(jī)械強(qiáng)度；其次，應(yīng)正確控制芯/包層外徑尺寸及折射率分布形式，確保制造出高品質(zhì)的光纖產(chǎn)品；另外，還應(yīng)保持拉絲工藝和工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，保證拉制光纖的均勻性。如果光纖表面受到損傷，則將會影響光纖的機(jī)械強(qiáng)度與使用壽命；如果外徑發(fā)生波動，則由于結(jié)構(gòu)不完善不僅會引起光纖波導(dǎo)散射損耗，而且在光纖接續(xù)時連接損耗也會增大，影響光纖的光學(xué)性能。

因此在進(jìn)行石英光纖拉絲時，必須根據(jù)拉絲塔各組成部件的特點，設(shè)計出最優(yōu)化的石英光纖拉絲工藝，并使各種工藝參數(shù)與條件保持穩(wěn)定。

2.石英光纖拉絲塔

光纖拉絲塔由以下部件組成：塔架(根據(jù)拉制不同種類光纖的需要高度可為5～30m)、預(yù)制棒進(jìn)棒及自動對中系統(tǒng)、高溫爐系統(tǒng)、直徑測量系統(tǒng)(裸光纖/涂覆光纖測徑儀)、光纖冷卻系統(tǒng)、裸光纖張力測試系統(tǒng)、輔助牽引及主牽引系統(tǒng)、涂覆系統(tǒng)(濕-濕/濕-干涂覆)、涂層同心度檢測系統(tǒng)、UV固化爐系統(tǒng)、光纖旋轉(zhuǎn)單元(用于減小偏振模色散)、牽引以及張力測試系統(tǒng)、光纖收絲系統(tǒng)、拉絲塔控制系統(tǒng)等。

常見光纖拉絲塔的結(jié)構(gòu)見圖3-1。其中，圖(a)顯示了常見的進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)的光纖拉絲塔的基本組成部分，圖(b)所示為特種光纖拉絲塔。從結(jié)構(gòu)上看，兩種拉絲塔的主要構(gòu)成部分基本相同，特種光纖拉絲塔主要考慮進(jìn)行特種光纖的拉制，只保留了一些必要的部件，同時增加了一些特殊設(shè)計，因而比生產(chǎn)型光纖拉絲塔簡單，高度也大大減小了。

圖3-1常見光纖拉絲塔的結(jié)構(gòu)預(yù)制棒進(jìn)棒系統(tǒng)(如圖3-2所示)位于拉絲塔塔架頂部，具有自動/手動x-y對中功能。通過該系統(tǒng)可以手動或自動控制預(yù)制棒的運(yùn)行，其下部為拉絲塔的高溫爐。

用卡爪(如圖3-3所示)將預(yù)制棒夾緊固定，可以通過位于高溫爐位置的控制面板來手動調(diào)節(jié)預(yù)制棒的位置，也可以接受光纖直徑檢測系統(tǒng)的反饋，實時調(diào)整高溫爐中預(yù)制棒的位置，以始終保持光纖絲根位置在高溫爐熱區(qū)的中心，從而保證拉制光纖的直徑保持穩(wěn)定并具有優(yōu)良的光學(xué)性能。

圖3-2預(yù)制棒進(jìn)棒系統(tǒng)及高溫爐示意圖

圖3-3預(yù)制棒夾棒卡盤高溫爐(如圖3-4所示)主要有石墨高溫爐和氧化鋯電阻加熱爐兩種。目前我國的光纖生產(chǎn)廠商大都使用石墨爐結(jié)構(gòu)，包括石墨感應(yīng)高溫爐和石墨電阻爐。石墨高溫爐由石墨加熱元件、石墨隔熱材料、不銹鋼爐體、銅電極/感應(yīng)線圈、供電設(shè)備、冷卻水控制系統(tǒng)及功率/溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成。

石墨感應(yīng)爐(如圖3-5所示)通過感應(yīng)線對爐子的石墨發(fā)熱體進(jìn)行加熱，可以通過調(diào)整感應(yīng)線圈的大小和圈數(shù)來調(diào)整高溫爐內(nèi)發(fā)熱區(qū)的長度。石墨電阻爐(如圖3-6所示)則通過銅電極的放電來對爐中的石墨發(fā)熱體進(jìn)行加熱。

圖3-4石墨高溫爐

圖3-5石墨感應(yīng)爐

圖3-6石墨電阻爐雖然兩種高溫爐的工作原理不同，但是為了防止石墨元件在高溫下氧化，必須采用高純度的石墨元件作為高溫爐的加熱元件和隔熱元件，以防止高溫爐的熱量外泄，保持加熱區(qū)溫度的一致性。拉絲爐(高溫爐)內(nèi)部通常要通入惰性氣體以減小爐內(nèi)的氧含量來保護(hù)石墨元件。為了保證在拉絲過程中光纖直徑的穩(wěn)定，要保持高溫爐內(nèi)氣流的穩(wěn)定，必須對通入爐內(nèi)的保護(hù)氣體的流速和氣流運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行控制，否則一旦發(fā)生氣流擾動，不僅光纖的直徑會發(fā)生波動，而且還會加大爐內(nèi)揮發(fā)的灰塵微粒接觸到裸光纖表面的可能，從而引起光纖強(qiáng)度的下降。光纖涂覆及固化爐系統(tǒng)主要是對從高溫爐拉制出來的裸光纖涂覆聚丙烯酸樹脂類涂料并進(jìn)行固化，其組成如圖3-7所示。

目前光纖生產(chǎn)廠家大都采用濕-干兩次涂覆的方式進(jìn)行光纖的涂覆。濕-干光纖涂覆系統(tǒng)主要由可以在x-y方向滑動的加熱模臺、涂覆模具(包括導(dǎo)模和模具，如圖3-8所示)、水浴加熱的涂料罐(如圖3-9所示)和互聯(lián)管道、壓力控制單元組成。

圖3-7輔助牽引、涂覆及固化系統(tǒng)示意圖

圖3-8涂覆模具示意圖

圖3-9水浴加熱的涂料灌

圖3-10UV固化系統(tǒng)目前光纖固化大都采用Fusion公司的UV固化系統(tǒng)(如圖3-10所示)。該固化系統(tǒng)的組成部件有燈模塊、安裝支架、冷卻風(fēng)機(jī)、空氣冷卻軟管、氮氣供應(yīng)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)和供電單元以及內(nèi)聯(lián)電纜等。根據(jù)光纖拉絲速度的不同，可以選用不同數(shù)量的固化爐以滿足光纖固化的要求。在目前的高速拉絲生產(chǎn)中，第一次涂覆一般采用兩節(jié)固化爐，第二次涂覆一般采用4～6節(jié)固化爐，這樣才能在高速拉絲過程中為涂覆光纖的固化提供足夠能量。光纖直徑測試系統(tǒng)由裸光纖直徑測試系統(tǒng)和涂覆光纖直徑測試系統(tǒng)組成。圖3-11所示為裸光纖直徑測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)對拉制的光纖直徑進(jìn)行測量，將測試數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，得到一個偏差信號，并將偏差信號反饋給拉絲塔控制系統(tǒng)，對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而得到直徑波動符合規(guī)定的光纖產(chǎn)品。涂覆光纖直徑測試系統(tǒng)僅僅對涂覆后的光纖直徑進(jìn)行測量，而不進(jìn)行信號反饋。

圖3-11裸光纖直徑測試系統(tǒng)圖3-12是兩種常用在光纖生產(chǎn)過程中的測徑儀。它們既可作為裸光纖測徑儀，也可作為涂覆光纖測徑儀。典型的光纖測徑儀的參數(shù)要求為：測量范圍為0.1～10mm；分辨率可達(dá)0.01μm；掃描速率可達(dá)2400線/秒；測量精度為光纖直徑的±0.02%；在高速拉絲時，可以進(jìn)行實時的光纖直徑測量及反饋。

圖3-12裸(涂覆)光纖測徑儀

圖3-13光纖收絲系統(tǒng)光纖的牽引裝置用來控制光纖的拉絲速度。牽引輪轉(zhuǎn)動的速度即為光纖拉絲的速度。牽引裝置是和光纖的收絲系統(tǒng)(如圖3-13所示)連在一起的，在操作過程中主要通過牽引輪帶動皮帶運(yùn)動，可以通過拉絲塔控制系統(tǒng)設(shè)定其運(yùn)動速度。在拉絲的開始階段，通過調(diào)節(jié)牽引輪速度，控制光纖直徑并進(jìn)行涂覆，當(dāng)光纖涂覆完成后，將牽引輪上的光纖引到光纖收絲筒上即可進(jìn)行正常的拉絲過程。

收絲系統(tǒng)主要用來收集光纖，即將成品光纖收集到光纖收絲筒上，以備后續(xù)對光纖進(jìn)行張力篩選、復(fù)繞、測試等操作。

3.拉絲塔控制系統(tǒng)

拉絲塔最重要的部分就是控制系統(tǒng)(如圖3-14所示)，它通過軟件控制著光纖拉絲塔中的很多部件，包括爐溫/溫度控制、進(jìn)棒速度控制、自動夾棒位置控制、自動或手動光纖對中控制、光纖直徑控制、涂層壓力控制、拉絲速度控制、光纖長度測量、光纖斷點監(jiān)測、固化爐功率控制、報警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)/故障記錄系統(tǒng)等。

圖3-14拉絲塔控制柜控制系統(tǒng)各個組成部分之間的精確配合構(gòu)成了完整的光纖拉絲塔。采用合適的拉絲工藝，通過拉絲控制系統(tǒng)的精確控制，即可完成整個石英光纖的拉絲過程。在光纖拉絲工藝中，整個拉絲都是通過操作控制系統(tǒng)的各個單獨的工藝控制菜單(如圖3-15所示)完成的。該菜單還可以監(jiān)控拉絲過程中各個參數(shù)的變化。光纖的各項參數(shù)可以由計算機(jī)自動記錄，供拉絲后查閱和進(jìn)行結(jié)果分析。

圖3-15工藝控制菜單3.2.2石英光纖拉絲工藝流程

石英光纖拉絲就是通過光纖拉絲塔將石英光纖預(yù)制棒的直徑縮小(從大約100mm減小到125μm)，且保持光纖的芯包比和折射率分布不變。光纖拉絲與石英預(yù)制棒的制造工藝無關(guān)，無論是MCVD、PCVD工藝制造的預(yù)制棒，還是OVD、VAD工藝制造的預(yù)制棒，其拉絲工藝基本都是相同的。石英光纖拉絲工藝示意圖如圖3-16所示。

光纖生產(chǎn)過程中一般采用如圖3-16所示的工藝進(jìn)行石英光纖的拉制。石英光纖拉絲工藝流程可用圖3-17表示。

圖3-16石英光纖拉絲工藝示意圖

圖3-17石英光纖拉絲流程圖其具體描述如下：

(1)拉絲前的準(zhǔn)備階段。拉絲前需要進(jìn)行高溫爐的清潔，檢查石墨發(fā)熱元件(見圖3-18)、保溫筒等各部件的使用情況，必要時清潔或更換，清除高溫爐中殘留的污染物，然后打開保護(hù)氣(一般情況下為氬氣，若對光纖品質(zhì)要求更高，則可選用氦氣)，對爐內(nèi)氣氛進(jìn)行保護(hù)，降低爐內(nèi)氧氣的含量，在氧含量下降到規(guī)定值(一般情況下其中氧氣含量應(yīng)小于500

×

10-6)后，對爐子進(jìn)行預(yù)熱。同時，需要對光纖通道、冷卻管(見圖3-19)、固化爐石英管、排煙管、供料系統(tǒng)、涂覆器等部件及收絲系統(tǒng)的導(dǎo)輪、皮帶等進(jìn)行檢查和清潔，確認(rèn)是否需要更換或清洗，保證拉絲過程中光纖運(yùn)行通道的潔凈和光滑，防止對裸光纖或涂覆光纖的刮傷，并將涂覆器放置在涂覆模臺上。注意：所有需要清洗的部件需要用潔凈空氣吹干，并應(yīng)檢查冷卻風(fēng)管、排氣管以及排煙管是否安裝完好(檢查方法是從石英管下方往上看，所有石英管應(yīng)該接近一條直線)。

圖3-18石墨發(fā)熱元件圖3-19光纖冷卻管另外，在安裝光纖預(yù)制棒前還需要對預(yù)制棒進(jìn)行清洗。通常采用預(yù)制棒清洗機(jī)進(jìn)行，使用去離子水對石英光纖預(yù)制棒的表面進(jìn)行清洗，清除棒表面的污染物，然后用潔凈空氣將預(yù)制棒吹干。需要注意的是，若清洗后的預(yù)制棒長時間(超過30分鐘)不用，則在下次使用前需再次清洗；在清洗過程中應(yīng)避免用手接觸裸露的預(yù)制棒，防止預(yù)制棒碰傷和擦傷等情況的發(fā)生。

(2)預(yù)制棒的熔融拉制階段。用送棒系統(tǒng)的卡爪將清洗好的光纖預(yù)制棒固定好(見圖3-20)，采用手動方式將預(yù)制棒緩慢下降到爐口上方約3～5mm處，觀察預(yù)制棒的位置是否在爐口中心處，可以通過手動調(diào)節(jié)進(jìn)行預(yù)制棒的對中。然后通過自動方式(設(shè)定進(jìn)棒速度和進(jìn)棒長度)讓預(yù)制棒進(jìn)入高溫爐內(nèi)，再一次檢查預(yù)制棒的對中情況，并將高溫爐升溫，加熱熔融預(yù)制棒，如圖3-21所示。

圖3-20預(yù)制棒的安裝固定高溫爐溫度升高會導(dǎo)致預(yù)制棒的尖部黏度下降，在黏度降低到一定值時，尖端的石英玻璃由于自身重力作用而逐漸下垂，使得熔融部分的石英玻璃變細(xì)形成一個玻珠(Firstdrop)并從爐口下落(見圖3-22)。

當(dāng)光纖頭(玻珠)從爐中下來后，操作人員用工具將掉下的光纖頭剪斷并拉細(xì)(如圖3-23所示)，用重物將光纖通過光纖通道引到輔助牽引裝置上。

圖3-21預(yù)制棒加熱熔融

圖3-22預(yù)制棒形成玻珠

圖3-23預(yù)制棒掉頭操作過程

(3)光纖的涂覆階段。啟動輔助牽引裝置(見圖3-7)，調(diào)整牽引輪的位置和轉(zhuǎn)動速度，在光纖直徑達(dá)到100μm左右時，將光纖剪斷，迅速將裸光纖穿過涂覆模具及固化爐(見圖3-24)，然后將裸光纖黏在細(xì)鐵棒之類的重物上使其在重力作用下下落。將光纖纏繞在引取輪上，啟動壓力涂覆控制按鈕，對裸光纖進(jìn)行涂覆(設(shè)定模式為先涂覆第一層，后涂覆第二層)，并通過UV固化爐進(jìn)行固化，在光纖直徑達(dá)到250μm左右時將光纖剪斷并纏繞在轉(zhuǎn)動的收絲盤上。

圖3-24光纖涂覆固化過程

(4)光纖的直徑控制及成品光纖的拉絲階段。調(diào)整預(yù)制棒的進(jìn)棒速度(下降或上升)、拉絲速度、高溫爐的功率以及涂覆的壓力，對光纖的直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到裸光纖的直徑穩(wěn)定在125±0.5μm范圍內(nèi)，一次和二次涂覆光纖的直徑分別穩(wěn)定在(190

±

5)μm和(250

±

5)μm范圍內(nèi)(在此之前的光纖為廢品)，然后進(jìn)行拉絲速度的提升(調(diào)節(jié)進(jìn)棒速度、拉絲速度、高溫爐溫度等參數(shù))，根據(jù)實際情況啟動自動拉絲控制程序，開始光纖成品的拉制。光纖收絲過程如圖3-25所示。

注意：拉絲過程中要進(jìn)行工藝監(jiān)控、各項工藝參數(shù)的檢查和記錄、設(shè)備運(yùn)行情況的檢查等工作，以確保拉絲工作的順利完成。

圖3-25光纖收絲過程

(5)光纖張力篩選和復(fù)繞工藝流程。光纖張力篩選是為了確保拉制的光纖在使用過程中具有必需的機(jī)械強(qiáng)度而進(jìn)行的檢測。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行光纖的張力篩選時，一般要求光纖能夠承受應(yīng)力的1%～2%，并持續(xù)1s或者更長時間。光纖的篩選應(yīng)力由應(yīng)力區(qū)的兩個驅(qū)動輪產(chǎn)生。光纖張力篩選過程如圖3-26所示。

圖3-26光纖張力篩選過程光纖張力篩選工藝流程如下：首先，對篩選機(jī)及其部件進(jìn)行檢查和清潔，確保導(dǎo)輪干凈，無受損情況，皮帶無損傷；其次，將拉絲后經(jīng)過檢查的光纖收絲筒裝到篩選機(jī)的放線端，并確定光纖的開始端和結(jié)束端位置，將光纖的開始端用膠帶貼牢；再次，設(shè)定篩選參數(shù)和篩選長度，確認(rèn)張力篩選模式及所加張力大小，按圖3-26所示方向依次通過每個導(dǎo)輪，并在收絲筒上固定好；最后，在操作面板上確認(rèn)光纖長度，再次檢查光纖是否在導(dǎo)輪和皮帶的正確位置上，點擊開始按鈕，開始篩選作業(yè)，篩選到規(guī)定長度后，取下光纖盤，并填寫記錄表。光纖的復(fù)繞就是將經(jīng)過張力篩選的光纖按照標(biāo)準(zhǔn)的長度或客戶需要的長度復(fù)繞到光纖承繞盤上。其基本操作和張力篩選類似，其工藝流程如圖3-27所示。從圖3-37中可以看出，與張力篩選相比，光纖復(fù)繞工藝只是減少了張力檢測的過程。注意：在有的廠家生產(chǎn)的設(shè)備上張力篩選和復(fù)繞工藝可以合并進(jìn)行。

圖3-27光纖復(fù)繞工藝3.2.3熔融溫度(高溫爐)對拉絲工藝的影響及控制

在拉絲過程中，為了達(dá)到預(yù)制棒熔融的黏度要求，通常要求高溫爐的工作溫度在2000℃以上。高溫爐作為拉絲塔的重要組成部分，為熔融石英光纖預(yù)制棒提供了熱源，對光纖的性能起著較為重要的作用。由于石墨高溫爐具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、操作方便等優(yōu)點，因此成為了光纖拉絲塔高溫爐的首選。

在石墨高溫爐中，熱區(qū)的長度和均勻性對拉絲工藝和光纖的性能影響較大，熱場分布不均勻的熱區(qū)會使得光纖受熱不均勻，影響光纖的幾何性能，嚴(yán)重時可能會使光纖同一界面上受力不均勻，在光纖上產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而影響光纖的光學(xué)性能，甚至是光纖的機(jī)械強(qiáng)度。在使用過程中，應(yīng)注意對設(shè)備的關(guān)鍵部位進(jìn)行定期保養(yǎng)和維護(hù)，以保證高溫爐的正常運(yùn)行。

在拉絲過程中，高溫爐內(nèi)的石墨元件揮發(fā)的C與石英預(yù)制棒揮發(fā)的Si可以反應(yīng)生成一系列的C-Si-O化合物，最常見的就是SiC，這會嚴(yán)重影響光纖的強(qiáng)度和石墨元件的使用壽命。實驗證明，隨著高溫爐溫度的升高，生成的SiC的數(shù)量會增加。因此，在石墨爐的設(shè)計和使用過程中，需要調(diào)整合適的熱區(qū)長度，以減少爐內(nèi)產(chǎn)生的SiC的數(shù)量；根據(jù)熱泳原理，氣體微粒從熱的區(qū)域轉(zhuǎn)移到冷的區(qū)域的現(xiàn)象在溫差大時最明顯，應(yīng)通過高溫爐部件的合理設(shè)計和石墨元件的選擇，使產(chǎn)生的SiC聚集在遠(yuǎn)離熱區(qū)的區(qū)域，降低SiC在裸光纖上堆積的概率，保證拉制光纖的強(qiáng)度。

圖3-28感應(yīng)爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3-28就是石英光纖拉絲過程中所用的石墨感應(yīng)爐，它通過感應(yīng)線圈對爐子中的石墨發(fā)熱體進(jìn)行加熱，感應(yīng)線圈的大小和圈數(shù)決定了高溫爐的熱區(qū)長度，配套的石墨加熱元件則決定了高溫爐中熱區(qū)的穩(wěn)定性和均勻性。在高溫爐的中部裝有高溫計，與拉絲塔的溫度控制系統(tǒng)相連，用于監(jiān)控和調(diào)整高溫爐的溫度。石墨高溫爐內(nèi)必須通入高純度的惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，在爐內(nèi)形成惰性氣氛，以防止?fàn)t內(nèi)的石墨加熱元件和石墨隔熱元件的氧化并延長其使用壽命；獲得良好的溫場分布和氣場分布；保證爐內(nèi)十分清潔，氣流擾動小，不會釋放灰塵顆粒等污染物，以防止石墨加熱元件和隔熱材料發(fā)生氧化；保證盡可能少的熱量損失并降低拉絲爐的功率。另外，選用高純度的石墨元件是非常必要的，以確保從石英預(yù)制棒中拉制出的裸光纖具有優(yōu)異的幾何尺寸和機(jī)械強(qiáng)度，保持其良好的光學(xué)性能。圖3-29所示為高溫爐中常見的石墨加熱元件。

圖3-29石墨加熱元件目前石墨高溫爐選用的惰性氣體有兩種：高純氬氣和氦氣。氦氣分子較小且具有較高的熱傳導(dǎo)性(2.77W/(m·K))，可以保證爐內(nèi)的溫度場分布比較均勻，能夠形成較為良好的氣氛環(huán)境，有利于光纖直徑的穩(wěn)定，因此在高速拉絲過程中常被采用。為了保證光纖的品質(zhì)，同時降低生產(chǎn)成本，也可以采用氬氣和氦氣的混合氣作為高溫爐的保護(hù)氣體，并且在氣體進(jìn)入高溫爐前，通過氣體純化器的純化，以減少保護(hù)氣中水分和氧氣的含量。在加熱爐的不銹鋼爐體中需要通入冷卻水以對爐體進(jìn)行冷卻。在生產(chǎn)過程中，通過一個冷卻循環(huán)水系統(tǒng)來實現(xiàn)對高溫爐爐體的冷卻。該系統(tǒng)能夠連續(xù)不斷地向高溫爐提供冷卻水，防止加熱爐在高溫中被燒壞，并且可以防止熱量外泄，保持高溫爐內(nèi)加熱區(qū)溫度的一致性。

光纖離開高溫爐熱區(qū)后即進(jìn)入冷卻階段，這一階段對于涂覆工藝和光纖的性能影響很大。在高速拉絲過程中，高溫爐的溫度可達(dá)1900℃，這些能量在降低熱區(qū)預(yù)制棒的黏度使之軟化的過程中，也會破壞預(yù)制棒中的分子結(jié)構(gòu)(如Si-O-Ge鍵等)。如果光纖離開熱區(qū)后驟冷，則會使這些缺陷保留下來，同時會造成光纖受熱不均，殘余內(nèi)應(yīng)力累積，進(jìn)而破壞光纖的性能。因此，需要在爐口安裝一節(jié)延長管或保溫管，實現(xiàn)高溫爐爐口的延伸，并通過開啟下爐口光柵到適當(dāng)位置，減小氧氣進(jìn)入高溫爐的機(jī)會，以穩(wěn)定高溫爐內(nèi)的溫場分布，有效控制光纖的冷卻溫度。3.2.4拉絲環(huán)境(潔凈度、濕度、溫度)對拉絲工藝的影響及控制

光纖是由預(yù)制棒拉制而成的。在光纖制造過程中，各種操作都不可能在完全封閉的條件下進(jìn)行，難免會受到環(huán)境中灰塵等的污染。在工藝上，預(yù)制棒的制備、存放過程中都可能在預(yù)制棒表面存積灰塵或雜質(zhì)，光纖預(yù)制棒經(jīng)過拉絲成為光纖后，灰塵或雜質(zhì)將會嚴(yán)重影響光纖的強(qiáng)度。因此需要對廠房的環(huán)境因素包括溫度、濕度、空氣潔凈度等條件進(jìn)行嚴(yán)格控制。由于張力與拉絲速度和爐溫有關(guān)，因此拉絲過程中光纖對高溫爐的溫度變化也很敏感，由溫度變化引起的光纖張力的變化又會嚴(yán)重影響光纖本身的機(jī)械性能和光學(xué)性能。拉絲過程中，光纖的張力只能在一個很小的范圍內(nèi)變化，否則光纖會被拉斷。此外，光纖的涂覆工藝也和光纖本身的溫度密切相關(guān)，光纖進(jìn)入涂覆器的溫度必須嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，才能獲得很好的涂覆效果。

溫度對光纖質(zhì)量的影響則更為直接。因此，對光纖拉絲過程中采用的原材料的含水量有較高的要求。在采購原材料時，除對原材料的品質(zhì)有較為嚴(yán)格的要求外，還應(yīng)嚴(yán)格控制環(huán)境的濕度，防止環(huán)境空氣結(jié)露。要達(dá)到拉制光纖所需要的潔凈度、溫度和濕度要求，整個拉絲過程必須在潔凈室中進(jìn)行。當(dāng)操作人員進(jìn)入潔凈室時，為防止不潔凈的空氣進(jìn)入室內(nèi)，必須更換防靜電凈化服，經(jīng)過風(fēng)淋室(見圖3-30)的吹掃，防止將外界灰塵等污染物帶入潔凈室。潔凈室應(yīng)具有密封良好的空間，在其天花板或壁板上都應(yīng)設(shè)置高效過濾器的進(jìn)風(fēng)口，在地坪或墻壁上設(shè)置排風(fēng)口，在送風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)配備加溫、加濕和制冷設(shè)備，以保證潔凈室內(nèi)的空氣質(zhì)量符合要求。

圖3-30凈化風(fēng)淋室根據(jù)光纖拉絲的要求，潔凈室的潔凈度應(yīng)保持在10000級，即每立方英尺(1英尺=0.3048米)空氣中直徑大于或等于0.5μm的微粒數(shù)不超過10000個，同時直徑大于或等于5μm的微粒數(shù)目不超過65個。在拉絲塔的局部區(qū)域(如石墨高溫爐)的凈化度應(yīng)達(dá)到100～1000級(必要時可以對該部分設(shè)備進(jìn)行局部凈化處理)，對二次涂覆設(shè)備位置的要求則相應(yīng)較低，達(dá)到100000級即可。光纖拉絲環(huán)境的空氣溫度一般保持在20

±

3℃，相對濕度保持在40%～60%，潔凈室應(yīng)維持正壓，以確?？諝庵荒軓臐崈羰覂?nèi)向室外流動，不致造成空氣的倒流。3.2.5送棒速度與拉絲速度的選擇對拉絲工藝的影響

當(dāng)把石英光纖預(yù)制棒放入高溫爐中加熱到軟化點時，光纖拉絲開始，隨即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，張力趨于穩(wěn)定。此時，使送棒速度和收絲速度達(dá)到平衡即可獲得均勻的光纖直徑。調(diào)節(jié)高溫爐溫度，以便獲得一個可以接受的拉絲張力，通過高溫爐中部的溫度計進(jìn)行反饋，以保持相對穩(wěn)定的爐溫。精確設(shè)計的控制系統(tǒng)可以把爐溫的波動減小到最低程度。通過下爐口的裸光纖測徑儀可以連續(xù)監(jiān)測光纖的直徑并反饋到拉絲塔控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步減小光纖直徑的偏差，從而使拉絲過程高速穩(wěn)定。

在實際工藝中，送棒速度、光纖直徑在線測試值以及收線筒的速度(拉絲速度)控制和匹配非常復(fù)雜，這是光纖拉絲控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。在高溫爐中，預(yù)制棒熔融拉絲過程原理圖如圖3-31所示。

圖3-31預(yù)制棒熔融拉絲過程原理圖由圖3-31可知，高溫爐中，預(yù)制棒直徑和光纖直徑的關(guān)系可以根據(jù)光纖和預(yù)制棒的體積比得到：

(3-1)

式中，Dp為預(yù)制棒直徑；d為光纖直徑；vp為送棒速度；νf為拉絲速度。隨著預(yù)制棒直徑的增加，對爐子高溫區(qū)的長度和中心溫度的穩(wěn)定性的要求也越來越高。拉絲速度可由下式求得：

(3-2)

式中，v為拉絲速度；F為拉絲張力；l為預(yù)制棒受熱長度(略短于高溫爐熱區(qū)長度)；η為石英玻璃的黏度；A為預(yù)制棒的橫截面面積。3.2.6光纖直徑的監(jiān)測與控制

在光纖的拉制過程中，光纖直徑的動態(tài)連續(xù)測量和控制，不僅可以提高光纖拉制的自動化程度和光纖的成品率，還能有效改善光纖的幾何尺寸和光學(xué)性能。由于裸光纖具有直徑小、透光的特點，因此一般的測量直徑的儀器無法使用在光纖拉絲塔上?，F(xiàn)在光纖拉絲塔上使用的測徑儀采用激光掃描法對裸光纖直徑進(jìn)行實時測量，并由拉絲塔的控制系統(tǒng)實現(xiàn)對測試信號的實時反饋，自動調(diào)整拉絲參數(shù)，從而實現(xiàn)對光纖直徑的控制。拉絲工藝中控制光纖直徑的方法有兩種：一種是通過調(diào)整高溫爐中的氣體流量，進(jìn)而控制高溫爐的溫度來實現(xiàn)的，但是在生產(chǎn)過程中通過調(diào)節(jié)氣體流量控制光纖直徑可能會造成光纖直徑出現(xiàn)一定程度的波動，從而造成光纖直徑的不穩(wěn)定，該法在生產(chǎn)中不常使用；另一種是通過調(diào)節(jié)光纖預(yù)制棒的進(jìn)棒速度和光纖的拉絲速度來實現(xiàn)對速度的控制，該法在生產(chǎn)過程中經(jīng)常使用。

在生產(chǎn)過程中，計算利用測徑儀測出的光纖直徑與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差，輸出一個偏差信號，然后反饋給控制系統(tǒng)去控制預(yù)制棒的進(jìn)棒速度和拉絲速度。當(dāng)裸光纖直徑變大時，由于反饋的偏差信號的作用，控制系統(tǒng)減小進(jìn)棒速度，增大拉絲速度，光纖直徑也隨之減?。划?dāng)裸光纖直徑變小時，由于反饋的偏差信號的作用，控制系統(tǒng)增大進(jìn)棒速度，減小拉絲速度，光纖直徑也隨之增大。這樣便可達(dá)到控制光纖直徑的目的。在生產(chǎn)用拉絲塔的設(shè)計過程中，設(shè)備生產(chǎn)廠家已經(jīng)將拉絲塔的控制系統(tǒng)模塊化，操作人員在生產(chǎn)過程中可以選擇相應(yīng)的控制模式實現(xiàn)對光纖拉絲的自動控制，從而實現(xiàn)了高效率的拉絲過程，確保了拉制光纖的品質(zhì)。3.2.7光纖張力對光纖性能的影響及控制

拉絲張力是拉絲工藝中重要的控制參數(shù)之一。拉絲張力是指在光纖拉絲塔的牽引設(shè)備上的張力計所測得的張力，為光纖成形區(qū)石英黏度所產(chǎn)生的阻力與光纖涂覆時所受到的阻力之和。在石英光纖的生產(chǎn)制造過程(包括拉絲、復(fù)繞和篩選)中，任何有關(guān)光纖的機(jī)器都必須配備張力控制裝置。生產(chǎn)過程中的任何變化都會引起光纖張力的變化，所以，通過張力測試儀可以監(jiān)測整個光纖拉絲過程。

圖3-32接觸式張力測試儀光纖張力的大小可以通過接觸式和非接觸式張力測試儀來測定。接觸式張力測試儀一般安裝在涂覆固化系統(tǒng)之后，主牽引輪之前，主要用于測量涂覆后光纖的張力。圖3-32就是常見的接觸式張力測試儀，適用于涂覆后光纖的張力測試、復(fù)繞光纖的張力測試等。

非接觸式張力測試儀安裝在光纖涂覆系統(tǒng)之前，主要用于測量裸光纖的張力。一般情況下，該張力測試儀可以和裸光纖測徑儀放置在同一位置。圖3-33就是一個典型的非接觸式張力測試儀的裝置圖示。通過PULLMAN非接觸式張力測試儀測試裸光纖的張力其原理是：測量聲音在光纖表面?zhèn)鞑サ乃俣龋⒏鶕?jù)測徑儀產(chǎn)生的光纖振蕩幅度數(shù)據(jù)，由計算機(jī)計算出張力。

圖3-33非接觸式張力測試儀拉絲張力的作用如下：

(1)拉絲張力是直接反映絲根溫度的物理量，與石英玻璃的黏度有關(guān)，而黏度和高溫爐溫度有關(guān)。在一般情況下，高溫爐溫度和絲根溫度是不一致的，因此，拉絲張力是直接控制絲根溫度的一種簡便有效的方法。

(2)拉絲張力穩(wěn)定能夠保持絲根內(nèi)部作用的穩(wěn)定，這對保證拉絲質(zhì)量是非常必要的。

拉絲張力的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3-3)式中，η是玻璃材料的黏度；μ

=

Sν是絲根截面積和速度的乘積，為常數(shù)；M是拉伸比，

M2

=

vl/vo，vl是拉絲速度，vo是送棒速度；L是絲根長度。式(3-3)表示拉絲張力與各工藝參數(shù)的關(guān)系，包括棒徑、送棒速度、拉伸比、石英玻璃的熱性能和高溫爐的結(jié)構(gòu)特性。

在常見的石墨高溫爐中，爐體直徑、高溫區(qū)長度以及溫度分布是影響張力產(chǎn)生的重要因素。在拉絲生產(chǎn)過程中，通常通過設(shè)置高溫爐的溫度來改變高溫區(qū)長度和爐溫分布，從而達(dá)到調(diào)整拉絲張力的目的。當(dāng)熔融石英玻璃拉制的光纖從較高溫度(約2000℃)迅速冷卻至室溫時，其高溫結(jié)構(gòu)(包括熔融體、殘余應(yīng)力和缺陷)迅速凍結(jié)，熔融體在冷卻過程中其質(zhì)點重新排列，玻璃結(jié)構(gòu)也隨外界條件(如拉絲張力和溫度等不同因素)而變化，使得拉絲張力對光纖的性能產(chǎn)生重大的影響。

(3)光纖拉制時，由拉絲張力導(dǎo)致的光纖徑向不同材料的黏彈性質(zhì)發(fā)生變化，張力松弛時，應(yīng)力凍結(jié)在光纖中，隨著拉絲張力的增加其軸向應(yīng)力減小。從應(yīng)力分布來看，隨著拉絲張力的增加，包層區(qū)的應(yīng)力從壓應(yīng)力變?yōu)閺垜?yīng)力，摻鍺的纖芯區(qū)的張應(yīng)力減小，并隨拉絲張力的增加，部分變成壓應(yīng)力。泵浦激光器給出的光纖布里淵增益譜表明，光纖中殘余應(yīng)力集中在纖芯，其大小與拉絲張力成正比，隨拉絲張力的增大而增大。

(4)光纖拉制過程中，高的應(yīng)力梯度使Si-O-Si或Ge-O-Ge鍵中斷，形成非橋氧空穴中心，產(chǎn)生拉絲誘導(dǎo)缺陷，引起632nm波長損耗增加，而該吸收峰強(qiáng)度隨著拉絲張力的增大而增大。對于拉絲過程中產(chǎn)生的光纖附加損耗來說，拉絲張力的增加會產(chǎn)生較小的附加損耗，隨著Δn的增加，由拉絲張力引起的損耗也會增大。單模光纖的附加損耗取決于拉絲張力的大小。在同一張力下，以不同的爐溫和拉絲速度拉制同一根預(yù)制棒，測得光纖附加損耗幾乎相同。對于不同類型的光纖，一般情況下都會有一個最佳的拉絲張力，其最佳值的范圍和預(yù)制棒的制造工藝、組成、類型等相關(guān)。

(5)拉絲張力的增加會引起光纖殘余應(yīng)力的增大，殘余應(yīng)力又會引起相對折射率差Δn減小。對于與折射率分布密切相關(guān)的保偏光纖而言，應(yīng)力層幾何形狀對光纖的保偏性能至關(guān)重要，因此控制拉絲過程中的張力就顯得非常必要。光纖截止波長的計算公式為

(3-4)

式中，a為纖芯半徑；n1為芯層折射率；n2為包層折射率。從式(3-4)中可以看出，λc由a、n1和n2決定，即λc取決于相對折射率差Δn、折射率分布形狀和芯徑等因素。一般情況下，拉絲過程中a和n2是不會變化的，當(dāng)高溫爐的溫度變化時，纖芯n1會隨著爐溫的變化而改變。拉絲過程中，高溫爐中的預(yù)制棒芯層中的GeO2存在以下化學(xué)反應(yīng)：

當(dāng)爐溫增加時，化學(xué)反應(yīng)正向移動，造成GeO2濃度減小，芯層折射率減小(GeO2的折射率大于GeO的折射率)，即爐溫增加，拉絲張力減小， 減小，由式(3-4)可得，截止波長減??；反之，當(dāng)爐溫降低時，拉絲張力增大，截止波長增大。

對于模場直徑(MFD)來說，當(dāng)爐溫降低時，芯層折射率n1增大，相對折射率差Δn=n1-n2增大，輻射至包層的光能量減弱，光線更強(qiáng)地被限制在纖芯傳播，光斑減小，模場直徑減小；反之，當(dāng)爐溫增加時，輻射至包層的光能量增加，光斑增大，模場直徑增大。

由以上可知，光纖的截止波長λc和模場直徑(MFD)對拉絲張力有較顯著的依賴關(guān)系，λc隨著拉絲張力的增加向長波長方向移動，MFD隨著拉絲張力的增加而減小。

(6)拉絲張力會導(dǎo)致瑞利散射損耗和結(jié)構(gòu)不完整損耗，瑞利散射系數(shù)隨拉絲張力的增加而增加?？梢酝ㄟ^對拉絲張力的調(diào)整對零色散波長進(jìn)行有效控制。在實際生產(chǎn)中，保持拉絲速度不變，將張力從正常拉絲的張力逐步降低，記錄不同張力時加熱爐功率的大小，并對各張力段拉制的光纖分別進(jìn)行零色散波長測試。由此可知，在拉絲速度一定的情況下，減小拉絲張力可增加加熱爐功率，零色散波長將會減小。

(7)拉絲張力導(dǎo)致光纖中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而光纖中殘余應(yīng)力會影響光纖的強(qiáng)度。壓縮應(yīng)力可防止表面裂紋的生長，而拉伸應(yīng)力則會導(dǎo)致裂紋增長，致使光纖強(qiáng)度和壽命降低。較低的拉絲溫度會造成較大的拉絲張力，導(dǎo)致表面裂紋增加，所以拉絲張力越大，光纖的強(qiáng)度越低。拉絲張力增加1N，其光纖強(qiáng)度下降約600MPa。

(8)光纖拉絲張力對光纖軸向應(yīng)力、光纖殘余應(yīng)力、光纖拉絲誘導(dǎo)缺陷、光纖損耗、折射率及其分布、光纖色散、截止波長、模場直徑以及光纖的強(qiáng)度都有不同程度的影響，因此，在進(jìn)行拉絲工藝的設(shè)計時，必須根據(jù)光纖預(yù)制棒的組成和制備工藝、高溫爐的結(jié)構(gòu)特點、光纖的技術(shù)指標(biāo)以及其他相關(guān)條件，分析預(yù)制棒送棒速度、拉絲速度、高溫爐溫度以及拉絲張力的相互關(guān)系，確定合理的拉絲工藝和合適的拉絲張力值，這樣才能拉制出高品質(zhì)的光纖。3.2.8靜電對拉絲工藝的影響及控制

在光纖拉絲的開始過程中，由于速度較低，拉絲張力較小，因此光纖晃動得比較厲害，與光纖通道(如冷卻管、固化爐石英管等)接觸摩擦?xí)r會產(chǎn)生大量靜電。在光纖的收絲過程中，由于光纖表面帶有靜電，因此會造成收絲筒上光纖的排絲不均勻，甚至造成光纖緊密相貼，且發(fā)生光纖抖動，在高速拉絲的過程中還可能會出現(xiàn)光纖斷纖等現(xiàn)象，造成光纖的浪費(fèi)和損失。因此，在裸光纖冷卻管、收絲系統(tǒng)等部位都配有除靜電裝置，并且在生產(chǎn)過程中定時檢查各個部位光纖的靜電量，從而確保不會因為靜電而對光纖生產(chǎn)造成影響。此外，在光纖的復(fù)繞和張力篩選過程中，光纖表面也會產(chǎn)生靜電。高速運(yùn)動光纖經(jīng)過導(dǎo)輪、皮帶、收絲筒等部件后會產(chǎn)生大量的靜電，這些靜電會吸附在光纖上將直接導(dǎo)致光纖盤上的光纖不能進(jìn)行平整的排線，在后續(xù)的操作中會因為光纖的排線問題而造成光纖斷纖，嚴(yán)重的將導(dǎo)致復(fù)繞成盤的光纖其衰減性能降低或出現(xiàn)衰減突變等現(xiàn)象。如果在高速復(fù)繞或張力篩選過程中出現(xiàn)斷纖現(xiàn)象，則斷裂的光纖可能會甩擊到光纖盤上，對成品光纖的質(zhì)量造成較大的影響。為了消除光纖冷卻管上產(chǎn)生的靜電，在裸光纖冷卻管上方安裝靜電消除器。該裝置由靜電消除器和靜電轉(zhuǎn)移部件兩部分組成，工作中交替產(chǎn)生正、負(fù)離子，以消除光纖在進(jìn)入冷卻管前產(chǎn)生的靜電。靜電轉(zhuǎn)移部件位于冷卻管的上、下口出處，它具有靜電集中塊，靜電集中塊上連接有靜電接地連接線，用來接地轉(zhuǎn)移靜電。在低速拉絲時，光纖存在一定程度的晃動，裸光纖與冷卻管內(nèi)壁接觸產(chǎn)生的靜電會通過靜電轉(zhuǎn)移部件接地轉(zhuǎn)移。為了消除光纖收絲筒等部件上產(chǎn)生的靜電，通常在收絲系統(tǒng)、復(fù)繞和張力篩選系統(tǒng)等的關(guān)鍵部位安裝除靜電的離子風(fēng)嘴(見圖3-34)。該裝置是一種固定式自動除靜電除塵的專用設(shè)備，產(chǎn)生的強(qiáng)離子風(fēng)可以清除光纖表面和光纖盤表面的異物、灰塵和靜電等。其工作原理為：離子風(fēng)嘴可產(chǎn)生大量帶有正負(fù)電荷的氣流，該氣流被壓縮空氣高速吹出，將光纖和光纖盤上所帶的電荷中和掉。當(dāng)光纖表面所帶電荷為負(fù)電荷時，它會吸引氣流中的正電荷，當(dāng)光纖表面所帶電荷為正電荷時，它會吸引氣流中的負(fù)電荷，從而使光纖表面的靜電被中和，達(dá)到消除靜電的目的。

圖3-34除靜電的離子風(fēng)嘴在光纖收絲系統(tǒng)、光纖復(fù)繞機(jī)和光纖張力篩選機(jī)上安裝這種消除靜電的設(shè)備后，可以有效減小光纖收絲、復(fù)繞以及篩選過程中光纖和光纖盤所帶的靜電，避免由于光纖帶有靜電而造成的鞭打現(xiàn)象，有效改善光纖強(qiáng)度，提高光纖生產(chǎn)的產(chǎn)量和光纖的品質(zhì)。另外，除靜電裝置也可以防止灰塵等微粒夾帶進(jìn)入收絲筒，影響光纖的排絲效果。3.2.9光纖涂覆及其對光纖性能的影響

石英光纖上加涂層的目的是防止纖維表面受外界的損害并保護(hù)其原有的強(qiáng)度。涂層對于提供機(jī)械保護(hù)和阻止水分滲入光纖表面的微裂紋是很有必要的。二氧化硅光纖在空氣中的理論強(qiáng)度為7GN/m2，但在與外界微?；蛭镔|(zhì)接觸后容易受到損傷，其強(qiáng)度急劇下降，因此光纖從石英預(yù)制棒中拉出后，一個保護(hù)性的涂層很快便應(yīng)用在細(xì)如發(fā)絲的纖維上，從而形成光纖涂層，對光纖進(jìn)行保護(hù)。

光纖的涂層材料可分為兩類：一類是無機(jī)材料，如碳涂層、金屬涂層、碳化硅以及適合特種要求的新涂層材料；另一類是有機(jī)材料，如熱固化材料、UV光固化材料等。在石英光纖的生產(chǎn)過程中，常使用紫外光固化涂料(通常為聚丙烯酸樹脂)作為光纖的涂層材料。

進(jìn)行光纖的涂覆時，需要注意以下問題：

(1)裸光纖進(jìn)入涂覆杯接觸涂料時的溫度通常要低于某一溫度值(大約為40～60℃)。

(2)涂覆杯中的剪切應(yīng)力應(yīng)減至最小，以防止涂層氣泡的出現(xiàn)。

(3)系統(tǒng)必須提供足夠能量的固化系統(tǒng)。

圖3-35開放式涂覆系統(tǒng)常見的光纖涂覆系統(tǒng)有以下兩種：

(1)開放式涂覆系統(tǒng)(見圖3-35)。這種涂覆系統(tǒng)沒有外界壓力，主要通過涂料隨光纖流動產(chǎn)生的牽引力進(jìn)行涂覆，涂層厚度與拉絲速度和涂料的黏度無關(guān)，取決于涂覆磨具和光纖直徑的關(guān)系。當(dāng)拉絲速度增加到一定程度時，涂覆效果將急劇下降，涂料開始脫離。由此可見，開放式涂覆系統(tǒng)只在低速拉制某些特種涂層光纖時具有較好的涂覆效果，不適合進(jìn)行高速拉絲。

(2)加壓涂覆系統(tǒng)(見圖3-36)。該系統(tǒng)采用加壓涂覆模具進(jìn)行涂覆，依靠壓力將涂料擠壓在光纖表面，涂層的厚度與涂覆模具的直徑、涂覆壓力、光纖入杯溫度、拉絲速度和涂料黏度相關(guān)。實驗證明，在確定涂覆磨具的情況下，隨著壓力的增加，涂層厚度呈線性增加，涂層厚度反比于拉絲速度和涂料黏度。涂覆過程中，空氣會隨光纖進(jìn)入涂料中并積聚，涂料固化后則保存于光纖涂層中，這樣將會嚴(yán)重影響涂層的同心度和光纖的強(qiáng)度。在高速拉絲