用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备及工艺

技术领域

本发明涉及光纤预制棒加工技术领域，更具体地，涉及一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备及工艺。

背景技术

石英光纤预制棒是制造石英光纤的核心原材料，在石英光纤预制棒生产和运输过程中，预制棒表面容易出现裂纹、波纹、亮点等缺陷，需要表面抛光处理过程修复缺陷。现有的主流的表面抛光处理主要分为火焰抛光技术和等离子体抛光技术。

火焰抛光技术，即利用氢氧焰将待处理的管棒加热到其熔化温度，使其表面局部重熔达到抛光效果。但传统的氢氧焰加热方式热量损失大，H

等离子体抛光技术是等离子体源与化学气相处理设备相结合的新技术，其工作原理是利用等离子体将待处理的管棒加热到其熔化温度，或与加工件表层材料发生化学作用。专利CN111943526A采用电感耦合方法产生常压等离子体对石英玻璃进行抛光，工作气体为氩气或氦气，但电感耦合方式能量耦合较低。相对电感耦合等离子体技术，微波等离子体技术能量耦合效率较高，目前使用较多的是2.45GHz单波导常压微波等离子体炬装置。但现有微波源功率远低于射频功率，且随着输入功率的增强，等离子体炬对微波的利用效率会逐渐降低，且局部能量过高会使其石英放电管产生烧蚀现象，等离子体炬的馈入功率和能量受限，大大限制了其在石英光纤预制棒加工领域的应用。因此，需开发一种兼顾等离子炬稳定性以及能量的微波等离子体方案。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备及工艺，提高了等离子炬的稳定性，产生的等离子体炬能量高，抛光效率高，节省了设备成本以及工艺成本。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备，包括耦合谐振腔、等离子炬管、多个微波发生器和供气单元，所述等离子炬管嵌套设置在耦合谐振腔内，所述等离子炬管一端为进气端、另一端为等离子炬出口，所述等离子炬管的进气端与供气单元连接，所述等离子炬管的等离子体出口贯穿所述耦合谐振腔；多个所述微波发生器的输出端分别通过各自对应的波导与耦合谐振腔接通，且各波导的出口朝向所述等离子炬管的轴心，所述波导输出的微波可穿透所述等离子炬管。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

可选的，所述等离子炬管包括相互嵌套设置的外管和内管，所述外管贯穿所述耦合谐振腔，且外管的外径与耦合谐振腔的内径相适配，所述耦合谐振腔上各波导的出口朝向所述外管的轴心，所述内管的轴向长度远小于所述外管的轴向长度，所述内管同轴设置在所述外管的进气端内，且所述内管上设有进气端，所述外管的进气端与内管的进气端一一对应连接所述供气单元的两组供气管路，每组供气管路中以及两组供气管路之间分别设有阀门。

可选的，所述外管的进气端和内管的进气端分别设有多个进气嘴，所述外管的多个进气嘴呈螺旋状均匀布置在所述外管的进气端的周向，所述内管的多个进气嘴呈螺旋状均匀布置在所述内管的进气端的周向，所述外管上进气嘴的螺旋方向与内管上进气嘴的螺旋方向相一致，且每个所述进气嘴的进气方向与所述等离子炬管的等离子体喷出方向夹角为∠α，∠α不大于90°。

可选的，∠α为10°～90°。

可选的，所述外管上进气嘴的数量≥内管上进气嘴的数量。

可选的，所述内管中的工作气体为压缩空气、N

可选的，每条所述波导的输入端分别设有功率监测器和调谐器，沿等离子炬的喷射方向，相邻波导的输出端尺寸趋于变小。

可选的，所述调谐器为自动调谐器或三销钉调谐器。

可选的，还包括车床、驱动机构和夹持机构，所述等离子炬管固定设置在所述耦合谐振腔中，所述耦合谐振腔通过驱动机构设置于所述车床上，所述驱动机构用于驱动所述耦合谐振腔进行三轴移动；所述夹持机构设置于所述机床上，用于夹持工件并驱动工件进行三轴移动和/或三轴旋转。

根据本发明的第二方面，基于前述设备，还提供一种用于光纤预制棒表面处理的工艺，包括：

S1，上料：调整光纤预制棒的位置与角度，使其对准所述等离子炬管的等离子体出口；

S2，点火：开启供气单元向等离子炬管的进气端提供工作气体，控制供气单元的流量直到达到工作流量；开启微波发生器，并通过外置的电极向等离子炬管打火，以实现等离子炬的激发，点火完成后移开电极；

S3，加工：调节微波发生器的功率至工作功率，使光纤预制棒表面接触等离子炬的部位达到期望温度，控制光纤预制棒沿轴向旋转和/或沿轴向匀速移动，直至达到预期的表面处理效果；

S4，卸料：关闭微波发生器以及供气单元，等待至光纤预制棒冷却后，取下加工后的光纤预制棒。

本发明提供的一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备及工艺，采用常压微波等离子体对光纤预制棒进行表面抛光处理，由于采用多波导谐振腔耦合方式，将多个微波源功率耦合进入同一等离子体炬，产生的等离子体炬能量高、温度高，且能够实现压缩空气直接激发产生等离子体炬。等离子炬管采用双层放电管结构和螺旋进气方式，有效提高等离子炬的稳定性，同时避免放电管烧蚀现象。本发明提供的一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备结构简单，成本低廉，微波能量耦合效率高，等离子体炬能量高，抛光效率高，可利用压缩空气直接电离产生等离子体炬，工艺成本降低。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备结构组成示意图；

图2为某一实施例中外管和内管的进气端排布结构示意图；

图3为进气方向与等离子炬喷出方向之间的角度示意图；

图4为等离子炬管的双层工作气体流态模拟示意图；

图5为本发明提供的一种用于光纤预制棒表面处理的工艺方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、微波发生器，2、功率监测器，3、调谐器，4、波导，4a/4b/4c、矩形波导，4d、短边压缩波导，5、耦合谐振腔，6、等离子炬管，6a、外管，6b、内管，7、进气嘴，7a、外管上进气嘴，7b、内管上进气嘴，8/8a/8b、气瓶，9、过滤器，10/10a/10b/10c/10d、阀门，11、光纤预制棒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备结构组成示意图。如图1所示，本发明实施例提供的一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备，包括耦合谐振腔5、等离子炬管6、多个微波发生器1和供气单元，所述等离子炬管6嵌套设置在耦合谐振腔5内，所述等离子炬管6一端为进气端、另一端为等离子炬出口，所述等离子炬管6的进气端与供气单元连接，所述等离子炬管6的等离子体出口贯穿所述耦合谐振腔5；多个所述微波发生器1的输出端分别通过各自对应的波导4与耦合谐振腔5接通，且各波导4的出口朝向所述等离子炬管6的轴心，所述波导4输出的微波可穿透所述等离子炬管6。

可以理解的是，基于背景技术中的缺陷，本发明实施例提出了一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备。在该设备中，采用外置的电极对等离子炬管6中的工作气体进行点火后电离产生等离子体炬，然后可移除电极，操作简便。采用多波导4谐振腔耦合方式，将多个微波源功率耦合进入同一等离子体炬，产生的等离子体炬能量高、温度高，且能够实现压缩空气直接激发产生等离子体炬。本实施例提供的设备结构简单、成本低廉，且微波能量耦合效率高、等离子体炬能量高，采用该设备生成的常压微波等离子体对光纤预制棒11进行表面抛光处理，可达到更高的抛光效率以及更佳的工艺处理效果。由于向等离子炬管耦合了微波能量，可利用压缩空气直接电离产生等离子体炬，设备成本以及工艺成本更低，也可解决传统工艺中高羟基污染的问题。

在一种可能的实施例方式中，结合图1和图2所示，所述等离子炬管6包括相互嵌套设置的外管6a和内管6b，外管6a和内管6b呈横截面为圆形或正多边形的柱形管状结构，所述外管6a贯穿所述耦合谐振腔5，且外管6a的外径与耦合谐振腔5的内径相适配，所述耦合谐振腔5上各波导4b/4c/4d的出口朝向所述外管6a的轴心，所述内管6b的轴向长度远小于所述外管6a的轴向长度，所述内管6b同轴设置在所述外管6a的进气端内，且所述内管6b上设有进气端，所述外管6a的进气端与内管6b的进气端一一对应连接所述供气单元的两组供气管路，每组供气管路中以及两组供气管路之间分别设有阀门10。

更具体的，如图1所示，内管6b依次通过内管6b上进气管、阀门10c与气瓶8b相连，通过阀门10c控制内管6b是否使用气瓶8b的工作气源；外管6a依次通过外管6a上进气管、阀门10b、过滤器9、阀门10a与气瓶8a相连，且两组供气管路中通过阀门10d连接。过滤器9为可选项，当工作气体为压缩空气时，需采用过滤器9对工作气体进行过滤。若工作气体不是含F气体时，也可打开阀门10d，通过任意一个气瓶8为外管6a和内管6b供气。

可以理解的是，供气单元通过两组供气管路分别向内管6b和外管6a提供工作气源，例如压缩空气或其他工作气体，且两组供气气源可以采用不同的气体，例如内层采用含F(氟)气体，外层采用压缩空气。通入的气体经点火电离后产生等离子体，如图4所示，内管6b的气旋位于等离子炬管6的轴心，并沿等离子炬管6的轴向向等离子炬管6口喷出，外管6a的气旋包裹在内管6b产生的气旋之外，同样沿等离子炬管6的轴向向等离子炬管6口喷出。波导4输出的微波能量施加到外管6a的管壁，并穿透外管6a到达等离子体炬的轴心。叠加了微波能量的等离子体炬能量更高、更稳定。

现从等离子炬的横截面能量分布来进行分析。截取等离子炬管6的横截面，该横截面所在平面垂直于等离子炬管6的轴向，在该横截面上，等离子炬的能量符合高斯分布，即等离子炬的电场强度从等离子炬的中心点向四周是呈高斯曲线降低的。等离子炬管6的横截面上，越靠近等离子炬中心，则电场强度越强，向外逐渐减弱，因此中心区域能够电离产生等离子体，外层气旋对等离子炬管6具有隔温保护作用，可防止等离子炬管6被灼伤，提升了设备使用寿命。同时，由于外层气体的隔离作用，可在内层气体使用有害气体(例如含F气体)时，外层采用无毒无害气体，可有效避免等离子炬管6的烧蚀和含F气体电离后对放电管的刻蚀作用。

进一步的，由于内管6b和外管6a采用两组供气管路分别供气，为了达到对外管6a更好的隔温保护作用，还可设置外管6a供气流速高于内管6b供气流速，等离子炬管6中外层的气体流速快，相比之下电场也弱，所以外层气体分子不容易获得电离所需要的能量，因此不易电离，其温度也比内层气体的温度更低，起到了更好的温度隔离作用，保护了外管6a。

在一种可能的实施例方式中，所述外管6a的进气端与内管6b的进气端为盲端(即图1所示方位的管底封闭)，所述外管6a的进气端和内管6b的进气端分别设有多个进气嘴7，内管6b的进气嘴7b既为内管6b提供气路通道，也为内管6b提供结构支撑、将内管6b固定安装在外管6a的轴心位置。外管6a的进气端与内管6b的进气端分别通过各自的进气嘴7a/7b与供气单元连接。如图2所示，以外管6a和内管6b分别设置4个进气嘴7为例进行说明。如图2所示，所述外管6a的进气端的端部为盲端，外管6a的多个进气嘴7a呈螺旋状均匀布置在所述外管6a的进气端的周向、并与外管6a的进气端内部连通；所述内管6b的进气端的端部为盲端，内管6b的多个进气嘴7b呈螺旋状均匀布置在所述内管6b的进气端的周向、并与内管6b的进气端内部连通，内管6b的进气嘴7b贯穿外管6a以连接供气单元、且内管6b的进气嘴7b外周与外管6a密闭连接，以防止外管6a的进气端漏气。所述外管上进气嘴7a的螺旋方向与内管上进气嘴7b的螺旋方向相一致、使得外管6a产生的气旋方向与内管6b产生的气旋方向一致，从而使得外层气旋更好地包裹内层气旋。

如图3所示，每个所述进气嘴7的进气方向与所述等离子炬管6的等离子体喷出方向夹角为∠α，且∠α优选为10°～90°。等离子炬管6的等离子体喷出方向与等离子炬管6的轴线重叠，即，等离子体沿等离子炬管6的轴向喷出。进气方向与等离子体喷出方向呈10°～90°角，对气体的流向具有导向性，利于气旋的生成，可减小气旋前进的阻力。

如图4所示为等离子炬管6中内外两层工作气体流态模拟示意图，图4中灰度较深的气旋为内层气旋，即内管6b中的气体形成的等离子气旋，灰度较浅的气旋为外层气旋，即外管6a中的气体形成的气旋。从图4中可以清晰看到，外层气旋包裹内层气旋并将内层气旋与外管6a的管壁隔离开，外层气旋与内层气旋互不干扰，共同从等离子炬管6的等离子炬出口喷出。

在一种可能的实施例方式中，由于外层气旋的螺旋直径相比内层气旋的螺旋直径更大，为了达到对内层气旋更好的包裹效果，所述外管上进气嘴7a的数量≥内管上进气嘴7b的数量。优选的，内管上进气嘴7b的数量为2～10个，外管上进气嘴7a的数量为2～20个，内管6b上的进气嘴7b和外管6a上的进气嘴7a均沿着等离子炬管6的横截面均匀分布。

在一种可能的实施例方式中，所述内管6b中的工作气体为压缩空气、N

在一种可能的实施例方式中，如图1所示，每条所述波导4的输入端分别设有功率监测器2和调谐器3，沿等离子炬的喷射方向，相邻波导4的输出端尺寸趋于变小。

可以理解的是，功率监测器2由于监测波导4中传输的微波功率，例如，微波发生器1中预设优选的微波频率范围为0.9GHz～10GHz，微波功率为0.5W～100kW，通过功率监测器2实时监测波导4中传播的微波功率，将功率监测结果反馈到微波发生器1以进行微波输出功率的实时调整，使得耦合到等离子炬中的微波功率更加稳定。调谐器3则用于对微波频率进行调节，使得输出到波导4的微波频率与预设的微波频率一致。优选的，所述调谐器3可采用自动调谐器或三销钉调谐器。

波导4可采用矩形波导4a/4b/4c，例如标准BJ26或BJ22波导，或短边不同程度压缩的BJ26或BJ22波导4d。沿等离子气体的喷射方向，相邻波导的输出口尺寸逐渐变小，如图1所示，越趋近于等离子炬喷出口的位置，波导的输出口尺寸越小，则波导4d输出的微波功率密度越大，导致等离子炬喷出口的局部区域电场强度相比于其他区域更大，有利于电离等离子炬中夹杂的难电离气体，提升等离子炬的电离程度，提升等离子炬的温度。

在一种可能的实施例方式中，该设备还包括车床、驱动机构和夹持机构，所述等离子炬管6固定设置在所述耦合谐振腔5中，所述耦合谐振腔5通过驱动机构设置于所述车床上，所述驱动机构用于驱动所述耦合谐振腔5进行三轴(空间坐标系的X、Y、Z轴)移动；所述夹持机构设置于所述机床上，用于夹持被加工的光纤预制棒11工件并驱动工件进行三轴移动和/或三轴旋转。

可以理解的是，在通过等离子炬对光纤预制棒11进行表面加工的过程中，车床上的夹持机构为光纤预制棒11提供结构支撑以及移动动力，使得光纤预制棒11在等离子炬上进行加工时能够灵活调整位置与角度；驱动机构则为耦合谐振腔5提供结构支撑，并可调节耦合谐振腔5的位置以及角度，以适应于不同类型的被加工工件。

按前述方案，经实验验证，在等离子体热区长度为0～5cm时，热区温度可达到2000℃以上，提升了光纤预制棒11的抛光效率。

如图4所示为采用上述各实施例的设备对光纤预制棒11进行加工的方法流程图。如图4所示，本实施例提供的一种用于光纤预制棒表面处理的工艺，基于上述各实施例提供的设备，方法包括以下步骤S1～S4：

S1，上料：将待加工的光纤预制棒11装夹在车床的夹持机构(例如车床卡盘)上，启动夹持机构的驱动器，控制光纤预制棒11旋转和/或匀速移动，以调整光纤预制棒11的位置与角度，使其对准所述等离子炬管6的等离子体出口；

S2，点火：开启供气单元向等离子炬管6的内管6b进气端和外管6a进气端分别提供工作气体，控制供气单元的流量直到达到工作流量(0～100SLM)；开启微波发生器1，并监测微波功率以及微波频率，移动打火电极至等离子炬管6的等离子体出口，通过电极向等离子炬管6打火，以实现等离子炬的激发，点火完成后移开电极；

S3，加工：调节全部微波发生器1的功率至工作功率，使光纤预制棒11表面接触等离子炬的部位达到期望温度(例如2000℃)，控制光纤预制棒11沿轴向旋转和/或沿轴向匀速移动，直至达到预期的表面处理效果；

S4，卸料：关闭微波发生器1以及供气单元，等待至光纤预制棒11冷却后，取下加工后的光纤预制棒11。

现结合两个具体的使用场景对本发明技术方案进行举例说明。

场景一：

本使用场景公开了一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备和工艺，如图1所示的结构，由微波发生器1、功率监测器2、自动调谐器、矩形波导4a、矩形波导4b、矩形波导4c、短边压缩波导4d、耦合谐振腔5、石英放电管6(即等离子炬管6)、多个进气嘴7、气瓶8、过滤器9、阀门10，车床及车床承载平台组成。直径为60mm的光纤预制棒11夹持于车床上，做匀速旋转和横向平移。旋转速度为30rmp，横向移动速度为1mm/s。

在本实施方式中，等离子体发生装置采用两组直波导4a/4b/4c和一组输出端压缩的波导4d组合的耦合技术，其中第一组直波导4区分为波导4a和波导4b，是为了展示单条直波导4为矩形波导4a和矩形波导4b串接组成，将三路波导4输出的低功率微波源能量耦合至同一耦合谐振腔5内的等离子炬。微波发生器1频率为2.45GHz，直波导4b和4c为BJ26矩形波导，压缩波导4d为短边压缩至标准宽度1/4的BJ26波导。第一直波导4b能够实现空气直接电离，产生等离子炬，也可以是通过外置的点火电极进行点火、激发等离子炬；第二直波导4c进一步提升等离子体炬的馈入功率和能量，第三短边压缩波导4d增强等离子体炬中心区域电场强度，提升等离子体的电离度和温度。

在本实施例场景中，内管6b和外管6a的进气口通入过滤后的压缩空气，内层进气总流量为40SLM，外层进气总流量为50SLM。打开对应矩形波导4a和4b的微波发生器，设置波导4传输功率为1.5kW，启动点火针(点火电极)实现压缩空气自动点火，以激发等离子炬，然后分别打开第二组矩形波导4c和第三组短边压缩波导4d对应的微波发生器，将三路波导4b/4c/4d传输功率均增加到6kW，形成稳定等离子炬，通过等离子炬对光纤预制棒11进行抛光处理。加工完成最后，停火停机，等待至光纤预制棒11冷却后，取下进行收装。

场景二：

本发明公开了一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备和工艺，如图1所示的结构，由微波发生器1、功率监测器2、自动调谐器3、矩形波导4a、矩形波导4b、矩形波导4c、短边压缩波导4d、耦合谐振腔5、石英放电管6(等离子炬管6)、进气嘴7、气瓶8、过滤器9、阀门10、车床及车床承载平台组成。直径为80mm的光纤预制棒11夹持于车床上，可做匀速旋转和横向平移，光纤预制棒11的旋转速度为30rmp、横向移动速度为1mm/s，或旋转速度为50rmp、横向移动速度为5mm/s。耦合谐振腔5结构与实施场景一相同。

在本实施场景中，内管6b和外管6a的进气嘴7b/6a通入过滤后的压缩空气，内管6b通入压缩空气和C

本发明提供一种用于光纤预制棒表面处理的常压微波等离子体设备及工艺，相比于传统技术，至少具有以下优点：

1.有效避免了传统以氢氧焰为热源抛光造成的高羟基的问题。

2.能量耦合效率高，可在常压空气条件下直接电离点火，工作气体可为压缩空气，经济且环境友好。

3.在常压条件下通过波导耦合，将多路微波源功率耦合到同一等离子炬，等离子体炬能量大，温度高，高能等离子体可加速光纤预制棒表面杂质的挥发，大幅度降低了设备成本和生产成本。

4.双层等离子炬管设计，可有效避免等离子炬管的烧蚀和含F气体电离后对等离子炬管的刻蚀作用，螺旋进气方式设计使得工作气体在等离子炬管中形成稳定旋气，有利于提高工作气体的流量范围，有利于维持等离子体炬的稳定性。

5.设备结构简单，成本低廉，抛光效率高，可利用压缩空气直接电离产生等离子体炬，工艺成本降低。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。