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  • 研究人員利用三維打印技術提高光纖性能

    作者:實驗幫(譯) 來源:phys.org 時間:2019-11-04 11:32 閱讀:230 [投稿]
    研究人員已經開發出一種使用三維打印的方法來制造光纖的預制件,這種預制件可以被拉入硅玻璃光纖中,而光纖則是構成全球電信網絡的主干構件。

    研究人員使用一種被稱為直接光投射(DLP)的3d打印方法來制作石英纖維預制件。他們為階躍折射率纖維(a)和結構預制件(b)制造預制件。然后將這些預制件放置在一個拉斯塔(中間的圖片)中,以制作最終的光纖(右側)。橙色插圖顯示階梯索引光纖的橫截面。

     

    研究人員已經開發出一種使用三維打印的方法來制造光纖的預制件,這種預制件可以被拉入硅玻璃光纖中,而光纖則是構成全球電信網絡的主干構件。這種新的制造方法不僅可以簡化這些光纖的生產,而且可以實現以前不可能的設計和應用。 

    悉尼理工大學(University of Technology)的研究小組負責人約翰·坎寧(John Canning)解釋說:“制造二氧化硅光纖涉及到在車床上紡制玻璃的勞動密集型過程,這需要光纖的纖芯精確居中。對于新型的制造工藝來說,無需將纖維幾何結構居中。這消除了光纖設計的最大限制之一,并大大降低了光纖制造成本。” 

    在光學學會(osa)期刊《光學快報》(optics letters)上,康寧集團與悉尼新南威爾士大學(university of new south wales)Gang-Ding Peng的研究團隊合作,報道了第一種從三維打印預制件中提取的石英玻璃光纖。 

     “像3D打印這樣的添加劑制造方法非常適合改變光纖設計和用途的整個方法,”坎寧說。“例如,這可以拓寬光纖傳感器的應用范圍,光纖傳感器在壽命、校準和維護方面遠遠優于電子傳感器,但由于其制造成本昂貴,尚未得到廣泛應用。” 

    聚合物三維印刷向玻璃的轉化 

    這項新的成果建立在先前的研究基礎上,研究人員使用一種聚合物材料來展示第一種從三維打印預制件中提取的光纖。將這種方法應用于二氧化硅已被證明具有挑戰性,因為巨大的材料挑戰,包括三維打印玻璃所需的1900攝氏度以上的高溫。 

     “多虧了材料和納米粒子集成的新組合,我們已經證明了三維打印二氧化硅預制體的可能性,”坎寧說。“我們預計,這一進展將帶來一系列活動,包括其他添加劑制造方法,以加速這一領域的發展。” 

    在這項新的研究中,研究人員使用了一種商用的直接光投影三維打印機。這種添加劑制造非常精確,通常用于通過使用數字光投影儀聚合光反應單體來制造聚合物對象。為了制造一種二氧化硅物體,研究人員在單體中加入了二氧化硅納米粒子,其含量為50%或更大(按重量計)。他們設計了一個三維打印的圓柱形物體,里面有一個孔作為核心。然后他們將聚合物和納米顆粒的類似混合物插入孔中,這次在二氧化硅納米顆粒中加入鍺硅酸鹽,以產生更高的折射率。這樣,一系列摻雜劑的整合成為可能。 

    接下來,研究人員使用一種稱為去粘的獨特加熱步驟去除聚合物,只留下二氧化硅納米顆粒,它們通過分子間作用力結合在一起。最后,提高溫度進一步將納米顆粒融合成一個固體結構,可以插入一個拉絲塔,在那里加熱和拉絲形成光纖。 

    研究人員利用他們的新技術制造了一種相當于標準鍺硅酸鹽光纖的預制件,這種預制件可用于制造多模或單模光纖,具體取決于拉伸條件。盡管他們確實觀察到了最初制作的光纖中的高光損耗,但他們已經確定了這些損耗的原因,并正在努力解決這些問題。 

    坎寧說:“這項新技術的效果出人意料地好,可以應用于一系列玻璃材料加工,以改進其他類型的光學元件。隨著限制光損耗的進一步改進,這種新方法有可能取代傳統的基于車床的石英光纖制造方法。這不僅可以降低制造和材料成本,還可以降低勞動力成本,因為工藝培訓和制造危險都減少了。” 

    研究人員有興趣與一家主流的商業光纖制造公司合作,改進這項技術并使其商業化。他們還計劃探索其他加速三維打印的方法,方法是針對不同的應用進行優化。 

    原文來源:https://phys.org/news/2019-10-d-glass-optical-fiber-preform.html 

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