供稿人：趙汗霖、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-05-14
梯度折射率光纖(GRIN)、光子晶體光纖(PCF)、抗諧振光纖(ARF)和d形光纖等的制造通常使用堆疊-拉伸法，該過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，不可擴(kuò)展，裝配過(guò)程中容易出現(xiàn)操作錯(cuò)誤。無(wú)機(jī)玻璃增材制造可以實(shí)現(xiàn)該過(guò)程的自動(dòng)化進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)光纖、梯度折射率光纖和梯度折射率微光學(xué)元件的復(fù)雜預(yù)制體的有效開(kāi)發(fā)。
該研究提出了一種基于熔融材料沉積（FDM）的3D打印方法來(lái)制造光纖預(yù)制體。提出低溫（300-1050℃）3D玻璃打印(LTP-3DGP)，致力于軟質(zhì)玻璃加工。
研究團(tuán)隊(duì)使用在室內(nèi)合成的一種SiO2穩(wěn)定硼酸鉛玻璃，該玻璃的成分為5%SiO2、71%PbO、6%CdO、3%ZnO、15%B2O3。成形玻璃被切割和拋光成圓形棒，創(chuàng)建用于打印的塊，然后采用開(kāi)發(fā)的專用3D打印裝置，通過(guò)溫度和壓力控制，直接從大塊玻璃中擠出來(lái)制造預(yù)制體。與DIW、DLP和SLS方法相比，該方法提供了一步制備光纖預(yù)制棒的可能性。該裝置可以更好地控制玻璃沉積，從而使打印分辨率更高。LTP-3DGP允許水平預(yù)成型打印，這解決了垂直打印預(yù)成型存在的顆粒形成問(wèn)題。打印裝置包括加熱坩堝和放置在熱控制室中的打印床，以及基于平移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
圖1 低溫玻璃3D打印系統(tǒng)(LTP-3DGP)XY平移平臺(tái)允許打印水平定位，而打印頭在垂直Z方向調(diào)整
作為概念驗(yàn)證，制造了典型光子晶體光纖(PCF)預(yù)制棒，該預(yù)制棒具有實(shí)心芯,光子包層由三圈空氣孔組成。同樣的方法還打印了玻璃管作為外部部分。PCF六角形預(yù)制件進(jìn)行拉伸，減小其直徑，將PCF子預(yù)成型放入玻璃管管內(nèi)，并將其拉到一起形成最終直徑約為ca的光纖。
圖2 3D打印PCF預(yù)制體:(a)設(shè)計(jì)纖維結(jié)構(gòu)的橫截面，(b)制造預(yù)制體的橫截面。打印的預(yù)制件對(duì)角線為15毫米，長(zhǎng)70毫米(c)。應(yīng)用纖維預(yù)制件的水平打印來(lái)取代預(yù)制件的手工組裝(d)
在亞預(yù)制棒加工過(guò)程中出現(xiàn)了光子晶體包層缺陷，即光子結(jié)構(gòu)的外圓孔和光纖包層的殘余孔的合并，該加工誤差對(duì)光纖的主要導(dǎo)流性能沒(méi)有影響，卻對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的色散特性進(jìn)行了修改。
圖3 光纖元件在不同制造階段的截面:光子晶體結(jié)構(gòu)的亞預(yù)制體(a)，包層外部的毛細(xì)管(b)，開(kāi)發(fā)的光子晶體光纖的最終結(jié)構(gòu)(c,d)
圖4 PCF模態(tài)特性的驗(yàn)證（左），切回法測(cè)量已加工纖維的損耗（右）
光纖經(jīng)測(cè)試不是無(wú)限單模，波長(zhǎng)小于1550 nm的情況下有效引導(dǎo)高階模式，對(duì)于較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，光纖變成單模。對(duì)光纖樣品進(jìn)行衰減測(cè)量，在近紅外范圍內(nèi)，損耗為20 dB/m，與重金屬氧化物玻璃特性有關(guān)而相對(duì)較高，對(duì)于較長(zhǎng)波長(zhǎng)衰減進(jìn)一步增加。
圖5 測(cè)量光纖的色散。以塊狀CD-16玻璃的材料分散為參考
實(shí)際色散特性與設(shè)計(jì)光纖的色散特性的偏差的主要原因是光子晶體包層存在缺陷。然而，所獲得的色散特性對(duì)于在正常色散狀態(tài)下高效產(chǎn)生超連續(xù)譜是很有希望的。
打印過(guò)程中的主要的挑戰(zhàn)纖維預(yù)成型中存在打印氣孔，使用兩個(gè)打印頭的3D打印設(shè)置的進(jìn)一步修改將允許打印沒(méi)有氣孔的全玻璃結(jié)構(gòu)預(yù)制體。該研究結(jié)果顯示了利用3D玻璃打印實(shí)現(xiàn)光纖預(yù)成形完全自動(dòng)化的前景，3D打印的進(jìn)一步發(fā)展是制造和探索新型光纖的直接方法。