[发明专利]一种掺钛石英光纤及其制备方法和应用

说明书

本发明是关于一种掺钛石英光纤及其制备方法和应用，所述掺钛石英光纤从内向外依次为纤芯、纤芯包层、钛扩散层以及有机包层；所述纤芯包层为石英包层；所述钛扩散层为掺钛石英包层；所述纤芯包层、钛扩散层与纤芯呈几何同心。该制备方法包括：在真空条件下将金属钛通过高能等离子注入石英光纤预制棒的内部，形成掺钛石英包层；将得到的掺钛石英光纤预制棒进行拉丝处理，得到石英玻璃纤维丝；将得到的石英玻璃纤维丝上涂覆有机包层。本发明由于采用高能等离子注入法掺杂钛，使得该掺钛石英光纤的抗拉强度比普通未掺杂钛的石英光纤可提高4.0％‑5.4％。

技术领域

本发明涉及光纤增强技术领域，特别涉及一种掺钛石英光纤及其制备方法和应用。

背景技术

抗拉强度是评价光纤性能的一个重要指标。石英光纤的主要成分是石英玻璃，石英玻璃的理论强度是由(SiO₂)分子之间的键结合力决定的，当SiO₂键发生断裂时，其断裂强度高达20GPa。当外界作用力超过此值时，光纤就会断裂。

为了提高石英光纤的抗拉强度，通常采用有机涂层的方法来增强，有机涂层虽可以提高石英光纤的抗拉强度，但由于有机涂层自身的机械强度仅是MPa级，故有机涂层的主要作用是保护光纤不受机械损伤。此外，石英光纤的表面在涂覆有机涂层之前的拉丝过程中，由于成型后冷却过程中表面会产生微裂纹，这些微裂纹会降低光纤的拉伸强度。而且在使用过程中，空气、水蒸气等会导致不断地微裂纹扩散，可能使得石英光纤强度快速降低至只有理论抗拉强度的十分之一甚至更低。同时石英光纤出现微裂纹后，通常在光纤内部会形成断点，虽然表面上感觉没有断，但实际上影响了光的传输，光遇到断点时，会有反射产生，对传输造成影响。

因此，在石英光纤涂覆有机涂层之前，通过在裸光纤表层开发一种比石英玻璃柔性好的外包层实现阻断裂纹的产生与扩展，进而增加石英光纤的抗拉强度是很有必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种掺钛石英光纤及其制备方法和应用，所解决的技术问题是在丝径厚度均匀的前提下，如何通过高能等离子注入法在石英光纤预制棒表面掺钛来增强石英光纤的抗拉强度。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种掺钛石英光纤，所述掺钛石英光纤从内向外依次为纤芯、第一包层、第二包层以及有机包层；

所述第一包层为石英包层；

所述第二包层为掺钛石英包层；

所述第一包层、第二包层与纤芯呈几何同心。

本发明的目的及解决其技术问题进一步可采用以下技术方案来实现。

进一步地，前述的掺钛石英光纤中，其中所述第一包层、第二包层及有机包层三者的厚度之比为(52.5～58.4)：(0.1～5)：62.5。

进一步地，前述的掺钛石英光纤中，其中从所述第二包层的内表面到外表面的方向上，所述钛的质量浓度呈浓度梯度分布。

进一步地，前述的掺钛石英光纤中，其中从所述第二包层的内表面到外表面的方向上，所述钛的质量浓度逐渐增加。

进一步地，前述的掺钛石英光纤中，其中从所述第二包层的内表面到外表面的方向上，所述钛的浓度介于0.0010wt％～39.2wt％之间。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种掺钛石英光纤的制备方法，包括以下步骤：

S1在真空条件下将金属钛通过高能等离子注入转动的石英光纤预制棒的内部，钛离子注入后在从周围环境下获得电核补偿还原成单质钛，得到具有掺钛石英皮层的光纤预制棒；

S2将步骤S1得到的光纤预制棒进行拉丝处理，得到具有掺钛石英包层的石英玻璃纤维丝；