一种熔融石英丝拉制装置及其调节方法

技术领域

本发明涉及石英拉制工艺领域，尤其涉及一种熔融石英丝拉制装置及其调节方法。

背景技术

精密扭秤是用于微弱力测量的重要工具，在科学研究中有着重要应用。对于扭秤系统来说，扭丝的材质、长度、直径、品质因数Q值等参数对整个系统的灵敏度及噪声都有重要影响。相比常用的纯钨丝等材料，高纯度熔融石英丝具有更小的结构阻尼和剪切模量，能有效降低扭秤实验的热噪声极限，提高扭秤实验灵敏度。由于精密扭秤对扭丝的机械耗散有着极高的要求，并且负载通常接近扭丝的抗拉强度，当前工艺成熟的光纤难以跟扭摆低耗散地连接，无法直接应用到扭秤上。为保证材料纯度和方便扭丝与扭摆连接，需要先将直径在毫米范围的高纯熔融石英棒中部加热融化，再拉制成直径为几十微米的细丝。其中利用激光加热石英棒具有无污染、功率可精确控制等优点，但光路与装置的机械结构调节自由度非常多，因此是一项比较复杂的工作。如果调节不到位就会使得熔融的石英棒发生偏折的现象，导致加热区域变化；而如果石英棒加热区域不均匀则会导致石英棒各个方向加热程度不一致，这些因素均会影响所拉制石英丝的直径控制，以及导致石英丝内部具有不确定的应力分布，对于石英丝的物理特性具有很大的不利。并且要熔融石英棒所需的温度高达2000℃，需要设计良好的光路保证能量集中在石英棒上，同时需要兼顾调节精度导致的光功率稳定性。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的缺陷，提供一种熔融石英丝拉制装置及石英拉制方法，能够提高石英拉制的稳定性和拉制效率。

本发明一实施例提供一种熔融石英丝拉制装置的光路结构，包括激光器以及石英棒，还包括：透镜组、反射镜组以及汇聚镜组；

所述透镜组设在所述激光器的出射光束路径上，所述激光器射出的光束通过所述透镜组进入所述反射镜组；

所述反射镜组设在所述透镜组与所述反射镜组之间的光束路径上，所述光束射出所述透镜组后通过所述反射镜组反射到所述汇聚镜组；

所述汇聚镜组设在所述反射镜组与所述石英棒之间的光束路径上，所述光束射出所述反射镜组后通过所述汇聚镜组射到所述石英棒上的预设加热区域中；其中，所述汇聚镜组包括可旋转的圆锥形反射镜。

进一步的，所述透镜组包括凹凸镜组以及柱面镜，所述凹凸镜组位于所述激光器与所述柱面镜之间，包括一个凹透镜与一个凸透镜；

所述光束通过所述凹凸镜组射入所述柱面镜，并通过所述柱面镜射入所述反射镜组。

进一步的，其特征在于，所述凹凸镜组中两个透镜之间的间距以及所述凹凸镜组到所述激光器的距离根据所述预设加热区域的纵向直径确定，所述凹凸镜组与所述柱面镜之间的距离根据所述预设加热区域的横向直径确定。

进一步的，所述反射镜组包括直角反射镜，所述光束从所述凹凸镜组射入所述直角反射镜，并被所述直角反射镜反射到所述汇聚镜组。

优选的，其特征在于，所述反射镜组还包括光束调节器；

当所述凹凸镜组与所述直角反射镜位于不同高度时，在所述凹凸镜组与所述直角反射镜的光束路径之间安装所述光束调节器，以使所述光束通过所述光束调节器从所述凹凸镜组射入所述直角反射镜。

进一步的，其特征在于，所述汇聚镜组包括反射锥形镜、圆锥形反射镜以及汇聚反射镜；

所述光束通过所述直角反射镜反射到所述圆锥形反射镜的顶端，然后通过所述圆锥形反射镜反射发散至四周；

所述反射锥形镜为一环状锥形镜，所述反射锥形镜套在所述圆锥形反射镜四周，所述光束从所述圆锥形反射镜发散后，通过所述反射锥形镜射入所述汇聚反射镜；

所述汇聚反射镜也为一环状锥形镜，所述石英棒穿过所述汇聚反射镜的中心，所述光束射入所述汇聚反射镜后，通过所述汇聚反射镜汇聚到所述石英棒上。

本发明另一实施例提供一种熔融石英丝拉制装置，包括上述发明实施例所述的光路结构，还包括：下端夹具、上端夹具、底板以及连接件；

所述电机通过所述底板与所述圆锥形反射镜连接；

所述下端夹具连同所述连接件一同安装在所述底板上，且所述下端夹具设在所述连接件上，所述直角反射镜设在所述连接件底部，所述下端夹具位于所述直角反射镜正上方；

所述上端夹具位于所述下端夹具正上方，所述石英棒被固定在所述上端夹具与所述下端夹具之间。

本发明另一实施例提供一种如上述发明实施例所述的熔融石英丝拉制装置的调节方法，包括以下步骤：

将电机与圆锥形反射镜调节至竖直方向同轴状态，将反射锥形镜与圆锥形反射镜调节至横向同轴状态；

将汇聚锥形镜与反射锥形镜调节至竖直方向同轴状态，同时调节汇聚锥形镜的俯仰角度以使两个所述汇聚锥形镜之间的中心连线与底板平行；

将底板、汇聚锥形镜以及上端夹具调节至三者在竖直方向与横向均为同轴状态；

控制激光器发射实验光束，并调节光束提升器以使所述实验光束经过若干次镜面反射后在所述石英棒上生成光斑；

调节凹凸镜组以及柱面镜的具体位置，以使所述光斑的横向直径与纵向直径分别与预设加热区域的横向直径和纵向直径相等。

本发明另一实施例提供一种基于上述发明实施例所述熔融石英丝拉制装置的拉制方法，包括以下步骤：

启动激光器发射实验光束，调节光路以使所述实验光束在石英棒上生成光斑；

完成光路调节后，启动电机以使圆锥形反射镜按照预设转速进行旋转；

启动激光器发射加热光束，所述加热光束经过若干次镜面反射后最终照射到所述石英棒上的预设加热区域中对所述石英棒进行加热；

检测所述预设加热区域的加热温度，当所述加热温度达到预设拉制温度时，控制上端夹具向上移动，同时控制汇聚锥形镜下移，直至所述石英棒被拉制至预设长度后，得到石英丝。

进一步的，所述加热光束为10.6μm的红外激光。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、通过将电机与圆锥形反射镜连接使圆锥形反射镜旋转，实现了石英棒的均匀加热，提高了石英丝拉制的稳定性；

2、综合设计透镜、柱面镜、反射镜等元件的焦距与距离，从而较好地实现光斑大小与形状的调控，有利于提高石英棒的拉制功率；

3、通过调节工作台的部分光路，在极大程度上减少了光路的自由度，使光路的调节变得简单易操作；并且在调节反射锥形镜、汇聚锥形镜与上端夹具时，采用拍摄照片并对其进行处理的方式监测部件的位置，使得定量调节更准确。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种熔融石英丝拉制装置的结构示意图。

图2为本发明一实施例提供的一种熔融石英丝拉制装置其中一种优选结构的示意图。

图3为本发明另一实施例提供的一种熔融石英丝拉制装置调节方法的流程示意图。

附图标记说明：1、电机；2、反射锥形镜；3、下端夹具；4、激光器；5、汇聚反射镜；6、上端夹具；7、石英棒；8、凹凸镜组；9、柱面镜；10、光束调节器；11、直角反射镜；12、底板；13、连接件；14、圆锥形反射镜。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参照图1，为本发明一实施例提供的一种熔融石英丝拉制装置的光路结构示意图，包括激光器4、石英棒7，还包括：透镜组、反射镜组以及汇聚镜组；

所述透镜组设在所述激光器的出射光束路径上，所述激光器4射出的光束通过所述透镜组进入所述反射镜组；

所述反射镜组设在所述透镜组与所述凹凸镜组之间的光束路径上，所述光束射出所述透镜组后通过所述反射镜组反射到所述汇聚镜组；

所述汇聚镜组设在所述反射镜组与所述石英棒之间的光束路径上，所述光束射出所述反射镜组后通过所述汇聚镜组射到所述石英棒7上的预设加热区域中；其中，所述汇聚镜组包括圆锥形反射镜14。

本发明实施例通过综合设计透镜、柱面镜、反射镜等元件的焦距与距离，从而较好地实现光斑大小与形状的调控，有利于提高石英棒的拉制功率。

进一步的，所述透镜组包括凹凸镜组8以及柱面镜9，所述凹凸镜组位于所述激光器与所述柱面镜之间，包括一个凹透镜与一个凸透镜；

所述光束通过所述凹凸镜组8射入所述柱面镜9，并通过所述柱面镜9射入所述反射镜组。

优选的，所述凹凸镜组8中两个透镜之间的间距以及所述凹凸镜组8到所述激光器4的距离根据所述预设加热区域的纵向直径确定，所述凹凸镜组8与所述柱面镜9之间的距离根据所述预设加热区域的横向直径确定。

在一个优选的实施例中，参照图2，为本发明一实施例提供的一种熔融石英丝拉制装置其中一种优选结构的示意图。从图2可以看到，透镜组包括了凹凸镜组8以及柱面镜9，其中凹凸镜组8中包括有一个凹透镜与一个凸透镜。由图2虚线所示光束路径可知，激光器发射光束后，先后通过凹凸镜组和柱面镜，然后再进入后面的反射镜组中。

在装置中加入透镜组的原因在于，在设计光路时需要考虑到达石英棒表面的光斑形状。理想状态下，光斑横向大部分能量落在石英棒表面，保证激光功率不被大量浪费，同时光斑纵向可以加热足够大区域的石英棒，保证拉制时的具有足够的原料。因此，为了达到上述目的，需要对光斑的横向直径与纵向直径分别调节：使用凹凸镜组来控制光斑的纵向直径以保证加热时石英棒纵向可以完成较大区域的熔融；在透镜组后加入一个柱面镜用来调节激光光斑的横向直径，使得光斑横向大部分落在石英棒表面。

另外，由于激光器输出为基模高斯光束，因此按照基模高斯光束通过透镜后的光斑形状与束腰直径公式再结合石英棒原料的直径计算每个透镜、反射镜及柱面镜放置的位置、两个透镜的间距，确保在按照计算的位置放置后，激光光斑到达石英棒表面时可以完成纵向较大区域的熔融，横向大部分激光能量都落在石英棒表面。由于柱面镜只会改变光斑的横向直径，因此更换不同直径的原料后，只需要调节柱面镜的位置，即可实现对石英棒的熔融。

进一步的，所述反射镜组包括直角反射镜11，所述光束从所述凹凸镜组8射入所述直角反射镜11，并被所述直角反射镜11反射到所述汇聚镜组。

优选的，所述反射镜组还包括光束调节器10；

当所述凹凸镜组8与所述直角反射镜11位于不同高度时，在所述凹凸镜组8与所述直角反射镜11的光束路径之间安装所述光束调节器10，以使所述光束通过所述光束调节器10从所述凹凸镜组8射入所述直角反射镜11。

在一个优选的实施例中，参照图2，反射镜组包括光束调节器10和直角反射镜11。其中，光束调节器10由两个反射镜组成，当光束从透镜组射出后，与直角反射镜11不在同一高度时，就可以通过光束调节器10进行两次反射以调整光束高度。

当光束经过光束调节器10进行高度调整后，光束进入直角反射镜11，并通过直角反射镜11反射到汇聚镜组中。

进一步的，所述汇聚镜组包括反射锥形镜2、圆锥形反射镜14以及汇聚反射镜5；

所述光束通过所述直角反射镜11反射到所述圆锥形反射镜14的顶端，然后通过所述圆锥形反射镜14反射发散至四周；

所述反射锥形镜2为一环状锥形镜，所述反射锥形镜2套在所述圆锥形反射镜14四周，所述光束从所述圆锥形反射镜14发散后，通过所述反射锥形镜2射入所述汇聚反射镜5；

所述汇聚反射镜5也为一环状锥形镜，所述石英棒7穿过所述汇聚反射镜的中心，所述光束射入所述汇聚反射镜5后，通过所述汇聚反射镜5汇聚到所述石英棒7上。

在一个优选的实施例中，参照图2，汇聚镜组包括反射锥形镜2、圆锥形反射镜14以及汇聚反射镜5。光束经过直角反射镜11反射后，将被反射到圆锥形反射镜14的顶端，进而由圆锥形反射镜14将光束360°发散到四周。

然后，通过反射锥形镜2和汇聚反射镜5这两个环状锥形镜，能够将发散到四周的光束收集起来，并通过两次镜面反射将光束重新从各个方向汇聚到石英棒7的预设加热区域中，实现对预设加热区域的360°加热。

本发明另一实施例提供一种熔融石英丝拉制装置，包括上述发明实施例所述的光路结构，还包括：下端夹具3、上端夹具6、底板12以及连接件13；

所述电机1通过所述底板12与所述圆锥形反射镜14连接；

所述下端夹具3连同所述连接件13一同安装在所述底板12上，且所述下端夹具设在所述连接件13上，所述直角反射镜11设在所述连接件13底部，所述下端夹具位于所述直角反射镜11正上方；

所述上端夹具6位于所述下端夹具3正上方，所述石英棒7被固定在所述上端夹具6与所述下端夹具3之间。

在一个优选的实施例中，参见图2，电机1安装在底板12的底部且与底板12上的圆锥形反射镜14相连。这是为了通过电机1将圆锥形反射镜14进行旋转，从而补偿由于反射率不均匀造成的石英棒空间加热不均匀导致的石英丝应力分布不均匀，提高石英丝拉制的稳定性。

同时，本发明实施例提供的熔融石英丝拉制装置还包括用于拉制石英丝的拉制模块。在实际工作中，石英棒7将被固定在上端夹具6和下端夹具3之间。而底板12与连接件13则用于承托各反射镜、锥形镜、夹具以及石英棒7。

进一步的，本发明实施例提供的熔融石英丝拉制装置的光束传输路径为：

激光器4出射的激光先通过凹凸镜组8调节激光的束腰位置及大小，随后通过柱面镜9对光斑的横向直径进行重新调整，然后经过光束提升器10将激光抬升至与反射镜11处于同一水平面，激光经过反射镜11反射到圆锥形反射镜12的尖部，此时光斑被分散到360°的方向上，再经反射锥形镜2改变光线方向，随后经过汇聚锥形镜5重新将光斑汇聚到石英棒7表面。

本发明另一实施例提供一种如上述发明实施例所述的熔融石英丝拉制装置的调节方法，包括以下步骤：

将电机1与圆锥形反射镜14调节至竖直方向同轴状态，将反射锥形镜2与圆锥形反射镜14调节至横向同轴状态；

将汇聚锥形镜5与反射锥形镜2调节至竖直方向同轴状态，同时调节汇聚锥形镜5的俯仰角度以使两个所述汇聚锥形镜5之间的中心连线与底板12平行；

将底板12、汇聚锥形镜5以及上端夹具6调节至三者在竖直方向与横向均为同轴状态；

控制激光器4发射实验光束，并调节光束提升器10以使所述实验光束经过若干次镜面反射后在所述石英棒7上生成光斑；

调节凹凸镜组8以及柱面镜9的具体位置，以使所述光斑的横向直径与纵向直径分别与预设加热区域的横向直径和纵向直径相等。

在一个优选的实施例中，对光路的调节方法具体包括：

1)首先将电机1固定在影像测量仪下方，通过影像测量仪将电机轴与圆锥形反射镜14调节至同轴状态，并将二者固定在一起。

2)在影像测量仪下将反射锥形镜2调节至与圆锥形反射镜14同轴。

3)将下端夹具3连同连接板13一同安装在底板12上，并保证其与反射锥形镜2同轴。

4)将工作台(包括底板12以及连接件13)安装到设计好的拉丝装置上，将汇聚锥形镜5逐步调至与反射锥形镜2同轴状态，并调节俯仰使汇聚锥形镜5与工作台处于水平状态。

5)用摄像头对工作台和汇聚锥形镜5及上端夹具6进行拍摄，并对照片进行处理，找到两个透镜与上端夹具6的中轴线位置，并逐步调节汇聚锥形镜5与上端夹具6的位置，直至固定位置拍摄的照片中三者中轴线重合。

6)将摄像头固定到垂直的一方，在此对其进行拍摄，重复6)的步骤，此时保证在两个垂直拍摄的方向三者处于同轴状态。

7)重复迭代5)、6)两步，直至三者完全处于同轴状态。

8)根据石英棒的直径设计好光斑的形状，从而确定凹凸镜组8与柱面镜9位置。并保证光经过透镜与柱面镜轴心。

当光路调节完成之后，激光器4出射的激光通过透镜组后，光斑大小被修整，之后再经过柱面镜修正横向直径，随后通过光束提升器10照射到反射镜11表面，经反射镜反射后，激光照射到圆锥形反射镜14尖部，并被分散到360°方向照射到反射锥形镜2，激光被反射到汇聚锥形镜5表面，最终照射到石英棒表面完成加热。

参照图3，为本发明另一实施例提供的一种熔融石英丝拉制装置调节方法的流程示意图，包括以下步骤：

S1：启动激光器4发射实验光束，调节光路以使所述实验光束在石英棒7上生成光斑；

S2：完成光路调节后，启动电机1以使圆锥形反射镜14按照预设转速进行旋转；

S3：启动激光器4发射加热光束，所述加热光束经过若干次镜面反射后最终照射到所述石英棒7上的预设加热区域中对所述石英棒7进行加热；

S4：检测所述预设加热区域的加热温度，当所述加热温度达到预设拉制温度时，控制上端夹具6向上移动，同时控制汇聚锥形镜5下移，直至所述石英棒7被拉制至预设长度后，得到石英丝。

在一个优选的实施例中，石英丝拉制的调节过程为：

首先将石英棒7安装在上端夹具6和下端夹具3之间，随后开启激光器4发射实验光束；

通过调节装置中的各反射镜与锥形镜以使实验光束在石英棒7上的预设加热区域中覆盖上光斑；

通过控制程序启动电机，使圆锥形反射镜以一定的速度旋转，随后开启激光器4发射加热光束；

石英棒7加热至熔融状态后，通过程序启动石英丝拉制装置的位移台，驱动夹具6上移，在此过程中汇聚锥形镜缓慢下移，以保证在拉制过程中有充足的原料，待石英棒7拉制完成后，得到石英丝。

进一步的，所述加热光束为10.6μm的红外激光。

由于用于拉制时加热原料的激光为10.6μm的红外光，且能量很高，为了保证光路调节的方便与安全性，用指示红光调节光路，使其到达石英棒表面，逐步调节光束提升器10使得光斑均匀照射在石英棒表面，且不发生抖动。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。