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CN113603366B - 一种中膨胀光纤传像元件及其制备方法 - Google Patents

一种中膨胀光纤传像元件及其制备方法 Download PDF

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CN113603366B CN202111073837.5A CN202111073837A CN113603366B CN 113603366 B CN113603366 B CN 113603366B CN 202111073837 A CN202111073837 A CN 202111073837A CN 113603366 B CN113603366 B CN 113603366B
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Abstract

本发明公开了一种中膨胀光纤传像元件及其制备方法，该制备方法包括：(1)将芯料玻璃棒和皮料玻璃管匹配进行单丝拉制，单丝直径为3.12±0.02mm；(2)将拉制的单丝排列成一次复合棒后拉制成六方对边尺寸为1.200±0.025mm的一次复丝；(3)将拉制的一次复丝排列成二次复合棒后拉制成六方对边尺寸为1.110±0.025mm的二次复丝；(4)将上述拉制的二次复丝切割截短后排列成排板板段，再放入到模具中经热熔压成型后即制成中膨胀光纤传像元件坯板板段；(5)将制备的中膨胀板段经过滚圆、切割、端面磨抛等操作制成毛坯，毛坯经过加热扭转成型或拉伸成型即可加工成中膨胀光纤倒像器或中膨胀光纤光锥。本发明的中膨胀光纤传像元件可应用于微光像增强器中。

Description

一种中膨胀光纤传像元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电子领域，特别涉及一种中膨胀光纤传像元件及其制备方法。
背景技术
光纤传像元件包括光学纤维面板、光纤倒像器、光学纤维锥、光纤传像束等，光纤传像元件是一种性能优异的光电成像器件，其采用独特的皮料、芯料和吸收料玻璃，利用真空控制和棒管结合的拉制工艺生产得到，使产品具有气密性好、畸变小、斑点少，结构简单，体积小，重量轻，数值孔径大，传光效率高，级间耦合损失小，耦合效率高，分辨率高，传像清晰、真实，在光学上具有零厚度，能有效改善边缘像质等特点。光纤传像元件是像增强器、高清晰显示用的关键材料，广泛应用于军事、刑侦、航天、医疗等领域的各种阴极射线管、摄像管、CCD耦合、微光夜视、医疗器械显示屏以及高清晰度电视成像和其他需要传送图像的仪器和设备中，是当今世纪光电子行业的高科技尖端产品。
光纤传像元件最典型的应用是作为微光像增强器的光学输入、输出窗口，对提高成像器件的品质起着重要的作用，其在应用中需要与Kovar(可伐合金)封接，因此需要与可伐合金具有相近的线膨胀系数(50×10-7/℃)进行有效的封接匹配，以提高微光像管的稳定性和延长使用寿命。国内目前使用的光纤传像元件采用的是高膨胀体系，其热膨胀系数范围为(87±5)×10-7/℃，其与可伐合金的封接匹配度相差甚远。为了提高像增强器件的热稳定性，需要采用中膨胀体系的光纤传像元件，但是目前尚无适合的中膨胀体系产品。
发明内容
为了解决现有技术存在的光纤传像元件都是高膨胀体系的问题，为了降低光纤传像元件的热膨胀系数，本发明提供了一种中膨胀光纤传像元件及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种中膨胀光纤传像元件的制备方法，包括以下步骤：
(1)单丝拉制：将中膨胀芯料玻璃棒表面精磨抛光至直径28-29mm，再和厚度为4.25-4.75mm，内径28.5-29.5mm的低折射率皮料玻璃管匹配进行单丝拉制，单丝直径为3.10-3.14mm；
(2)一次复丝拉制：将拉制的单丝按每边6根单丝的要求排列成横截面为正六方形的一次复合棒，然后将光吸收料玻璃拉制成直径为0.43-0.47mm的光吸收丝均匀插入到一次复合棒的间隙中，然后将插有光吸收丝的一次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.175-1.225mm的一次复丝，所述一次复丝包括棒管结合拉制成的单丝和光吸收料拉制成的光吸收丝；
(3)二次复丝拉制：将所述一次复丝按每边14根的要求排列成横截面为正六方形的二次复合棒，再将所述二次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.085-1.135mm的二次复丝；
(4)排板和热熔压成型：将所述二次复丝切割截短成长度为113-133mm的长度，然后按每边17根二次复丝的要求排列成横截面为正六方形的排板板段，再放入到热熔压成型模具中，设计热熔压成型的压缩比为0.78-0.84，经热熔压成型后制成中膨胀光纤传像元件坯板板段；
(5)精加工：将制备的中膨胀光纤传像元件坯板板段经过滚圆、切割、端面磨抛的操作，加工成中膨胀光纤传像元件的毛坯，所述毛坯经过尺寸加工、加热扭转成型或拉伸成型，即加工成中膨胀光纤面板、中膨胀光纤倒像器或中膨胀光纤光锥；
所述中膨胀芯料玻璃棒采用中膨芯料胀玻璃制备而成；所述中膨胀芯料玻璃包括以下重量百分含量的组分：
Figure BDA0003261369840000031
优选地，所述中膨胀芯料玻璃包括以下重量百分含量的组分：
Figure BDA0003261369840000032
进一步地，还包括中膨胀芯料玻璃的制备方法：
(1)将石英砂、氢氧化铝、硼酸或硼酐、碳酸钙、碳酸钡或硝酸钡、氧化镧、氧化铌、氧化钽、氧化钇、氧化锌、二氧化钛、氧化锆和氧化锡，按照配料要求放入铂金坩埚中；
(2)在1350-1450℃下熔融4-8小时，熔融过程中进行1-2次搅拌，再降温至1300-1340℃，澄清1-2小时；
(3)将澄清后的玻璃熔体通过漏料口流下来，在模具中浇铸形成玻璃棒；
(4)成型后的玻璃棒在退火炉中退火，在600-650℃保温1小时，再用12小时从600-650℃降温至60℃，然后再随炉冷却至室温，得到中膨胀芯料玻璃。
所述中膨胀玻璃的折射率为1.80～1.82，在30～300℃范围的热膨胀系数为(68±5)×10-7/℃，应变点温度大于600℃，析晶温度大于820℃。
本发明还提供一种中膨胀光纤传像元件，按照上述的方法制备得到。
所述中膨胀光纤传像元件在30～300℃范围的热膨胀系数为(68±5)×10-7/℃，耐热温度大于600℃。
所述中膨胀光纤传像元件在430nm～900nm波长范围内的光谱透过率＞65％。
所述中膨胀光纤传像元件的纤维丝径≤4.0μm，分辨力＞120lp/mm。
本发明又提供一种所述的中膨胀光纤传像元件在微光夜视技术中的应用；所述中膨胀光纤传像元件可应用于微光像增强器和其他光电子技术领域中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，本发明的中膨胀光纤传像元件具有以下特性：
(1)该中膨胀光纤传像元件在30～300℃范围的平均线热膨胀系数为(68±5)×10-7/℃，耐热温度大于600℃；
(2)该中膨胀光纤传像元件的纤维丝径≤4.0μm，分辨力＞120lp/mm；
(3)该中膨胀光纤传像元件在430nm～900nm波长范围内的光谱透过率＞65％。
(4)不含有对环境严重危害的重金属氧化物如As2O3、Sb2O3、PbO、CdO等。
本发明制备的中膨胀光纤传像元件用做芯料的中膨胀芯料玻璃具有以下优点：
(1)具有与可伐合金相近的热膨胀系数，在30～300℃范围的热膨胀系数为(68±5)×10-7/℃，且应变点温度大于600℃，可与中膨胀微光像增强器封接材料实现完美封接；
(2)具有高折射率，折射率nD为1.80～1.82，可实现光学纤维的最佳传光能力，满足光学纤维最佳的全反射条件数值孔径N.A.≥1；
(3)具有良好的抗析晶性能，析晶温度＞820℃，且具有良好的对可见光辐射透明和良好的化学稳定性，能够满足光纤倒像器的特殊制作工艺要求，实现玻璃在经过多次高温拉丝、高温熔压、高温扭转或拉锥后依旧保持玻璃本身特性不发生变化；
本发明的中膨胀芯料玻璃中，SiO2是玻璃形成氧化物，是玻璃骨架中起重要作用的成分，同时是提高耐化学的成分。SiO2的重量百分比(wt.％)为5-9。SiO2含量低于5wt.％，不易获得中膨胀系数的玻璃，同时会降低玻璃的耐化学稳定性；SiO2含量高于10wt.％时，玻璃的高温黏度会增加，造成玻璃熔制温度过高，同时玻璃分相的几率增大。
Al2O3为玻璃的中间体氧化物，Al3+有两种配位状态，即位于四面体或八面体中，当玻璃中氧足够多时，形成铝氧四面体[AlO4]，与硅氧四面体形成连续的网络，当玻璃中氧不足时，形成铝氧八面体[AlO6]，为网络外体而处于硅氧结构网络的空穴中，所以在一定含量范围内可以和SiO2是玻璃网络形成的主体。Al2O3的重量百分比(wt.％)为0-1，Al2O3含量高于1wt.％时，会增加玻璃的高温黏度，造成玻璃熔制温度过高，同时玻璃的析晶性能会下降。
B2O3为玻璃形成氧化物，也是构成玻璃骨架的主要成分，同时又是一种降低玻璃熔制黏度的助溶剂。硼氧三角体[BO3]和硼氧四面体[BO4]为结构组元，在不同条件下硼可能以三角体[BO3]或硼氧四面体[BO4]存在，在高温熔制条件时，一般难于形成硼氧四面体，而只能以三面体的方式存，但在低温时，在一定条件下B3+有夺取游离氧形成四面体的趋势，使结构紧密而提高玻璃的低温黏度，但由于它有高温降低玻璃黏度和低温提高玻璃黏度的特性，也是降低玻璃折射率的主要成分，由此决定了它的含量范围较小。B2O3的重量百分比(wt.％)为23-28，B2O3的含量低于23wt.％，无法起到助溶的作用，同时会降低玻璃的化学稳定性；B2O3的含量大于28wt.％，会降低玻璃的折射率，同时使玻璃的分相倾向增加。
在本发明中，高含量的B2O3和SiO2的网络形成体氧化物，会导致玻璃的折射率下降，在稀土金属氧化物和传统的网络形成体氧化物的某些组合的情况下，要么不能实现中膨胀，要么玻璃体系具有更大的结晶倾向，出于这些原因，B2O3含量必须大于SiO2含量。
CaO是玻璃结构网络外体氧化物，CaO的重量百分比(wt.％)为0-3，CaO的含量大于3wt.％时，会降低玻璃的耐化学稳定性，增加玻璃的热膨胀系数。
BaO是玻璃结构网络外体氧化物，能有效提高玻璃的折射率，BaO的重量百分比(wt.％)为6-12，BaO的含量小于6wt.％，会降低玻璃的折射率；BaO的含量大于12wt.％，会增加玻璃的析晶温度，增大玻璃的析晶倾向，同时使得玻璃的密度显著提高。
La2O3是镧系稀土氧化物，能提高玻璃的折射率，La2O3的重量百分比(wt.％)为30-34，但La2O3含量大于34wt.％时会造成玻璃的热膨胀系数增加；La2O3含量小于30wt.％时会造成玻璃的折射率降低。
Nb2O5也是稀土氧化物，能增加玻璃的折射率，改善玻璃的工艺性能，拉长玻璃的料性，Nb2O5的重量百分比(wt.％)为4-8，但Nb2O5含量大于8wt.％时会造成玻璃的密度和热膨胀系数增加；Nb2O5含量小于4wt.％时会造成玻璃的折射率下降。“料性长短”是指在102-1013dPas的粘度范围内玻璃的粘度曲线的陡峭程度，即在该粘度范围内玻璃的粘度随温度的变化的剧烈程度。本发明的玻璃具有在两个临界温度范围内比现有技术的同类玻璃稍微更长的料性的优点，所述本发明的玻璃可以更容易处理并降低条纹的产生。
Ta2O5也是稀土氧化物，能增加玻璃的折射率，Ta2O5的重量百分比(wt.％)为0-1，但Ta2O5含量大于1wt.％时会造成玻璃的密度和热膨胀系数增加，同时会使得玻璃的制造成本升高。
Y2O3也是稀土氧化物，能增加玻璃的折射率，改善玻璃的工艺性能，同时降低玻璃的熔制温度和析晶温度，Y2O3的重量百分比(wt.％)为0-1，Y2O3含量大于1wt.％时会造成玻璃的成本增加。
ZnO是用来降低玻璃的熔制温度，改善玻璃耐化性的和折射率的，ZnO的重量百分比(wt.％)为4～9％，ZnO的含量大于9wt.％，会降低玻璃耐化学稳定性和增加玻璃的热膨胀系数；ZnO的含量小于4wt.％，会降低玻璃的折射率。
TiO2是用来提高玻璃的折射率和透过率的，增加玻璃网络的氧化物，从而降低玻璃密度和高温粘度，有利于化料过程中玻璃液的澄清和条纹的消除。TiO2的重量百分比(wt.％)为4-8，TiO2的含量大于8wt.％，会增加玻璃的热膨胀系数；TiO2的含量小于4wt.％，会降低玻璃的折射率。在本发明的高折射率玻璃中，TiO2可以与铁杂质反应以形成褐色的铁-钛酸盐络合物；另外，TiO2与稀土金属氧化物、Ta2O5、Nb2O5的组合在工艺方面非常具有挑战性，因为Nb2O5在高温下也释放氧并且与TiO2竞争仍然溶解在玻璃中的游离氧，如果没有精确的控制工艺，结果可能会形成棕色着色的玻璃。
ZrO2是用来提高玻璃的折射率和透过率的，具有调整光学性能、提高耐化性的效果。ZrO2的重量百分比(wt.％)为4-6，ZrO2的含量大于6wt.％，会增加玻璃的熔制温度和玻璃的析晶倾向。
SnO2是用来澄清玻璃熔制的，可以改善玻璃的耐化性和透过率，SnO2的重量百分比(wt.％)为0～1％，SnO2的含量大于1wt.％，会增加玻璃内部的气泡。
本发明中，在下述表达“无X”或“不含组份X”是指在玻璃中基本上不存在组份X，也就是说，如果有的话，所述组份仅作为杂质存在，但是其并不作为所需的组份添加至组合物内。本发明的玻璃属于硼镧钡硅酸盐玻璃，玻璃中不含有对环境严重危害的重金属氧化物如As2O3、Sb2O3、PbO、CdO等，即使含有及其微少的量也是由于其它玻璃原料所带入。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。
图1为本发明的中膨胀光纤传像元件实施例与高膨胀光纤传像元件的热膨胀系数测试对比图；
图2为是本发明的中膨胀芯料玻璃实施例与高膨胀系数的玻璃的热膨胀系数测试对比图；
图3为本发明实施例提供的中膨胀光纤传像元件的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的组成中膨胀光纤传像元件的光学纤维全反射示意图。
其中，1为光吸收丝，2为芯料玻璃，3为皮料玻璃。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明，但不作为对本发明的限定。
对本发明用于中膨胀光纤传像元件的中膨胀芯料玻璃所测定的参数及测定方法和仪器如下：
(1)折射率nD[λ＝589.3nm时玻璃的折射率]；
(2)30-300℃的平均热膨胀系数α30/300[10-7/℃]。
在本文中，所有的“重量百分比wt.％”是基于最终的玻璃组合物的总重量，在表1中详细列出了实施例的玻璃化学组成(wt.％)。其中，玻璃的折射率nD采用折射率测试仪来测定；30-300℃的线膨胀系数采用卧式膨胀仪测量，以平均线膨胀系数表示，采用ISO 7991规定的方法测量，在表1中详细列出了实施例的玻璃化学组成(wt.％)和玻璃性能。
参见图1，在30～300℃范围内，高膨胀光纤传像元件的膨胀系数为90.319×10-7/℃，本发明中膨胀光纤传像元件实施例的热膨胀系数分别为69.244×10-7/℃、67.317×10-7/℃、66.403×10-7/℃、70.086×10-7/℃、68.192×10-7/℃。
参见图2，在30～300℃范围内，高膨胀玻璃的热膨胀系数为91.324×10-7/℃，本发明采用的中膨胀芯料玻璃的热膨胀系数分别为70.234×10-7/℃、67.918×10-7/℃、66.830×10-7/℃、71.094×10-7/℃、68.607×10-7/℃。
图中的CTE(Coefficient of Thermal Expansion)为热膨胀系数。
参见图3和图4，图3为中膨胀光纤传像元件的结构示意图，芯料玻璃2外层设有皮料玻璃3，芯料玻璃2和皮料玻璃3组成光纤皮层玻璃，多个光纤皮层玻璃管之间均匀设有光吸收丝1，从而组成中膨胀光纤传像元件。
表1实施例的化学组成(wt.％)和玻璃性能
Figure BDA0003261369840000091
以下实施例中所用原料及原料要求如下：
石英砂(高纯，150μm筛上物为1％以下、45μm筛下物为30％以下、Fe2O3含量小于0.01wt.％)、氢氧化铝(分析纯，平均粒径50μm)、硼酸或硼酐(400μm筛上物为10％以下、63μm筛下物为10％以下)、碳酸钙(分析纯，平均粒径250μm)、碳酸钡(分析纯，纯度≥99.0％)、三氧化二镧(5N)、五氧化二铌(5N)、五氧化二钽(5N)、三氧化二钇(5N)、氧化锌(分析纯)、二氧化钛(化学纯)、氧化锆(分析纯)、氧化锡(分析纯)。
实施例1
制备中膨胀芯料玻璃：
按表1实施例1玻璃成份选择原料，并且要求对玻璃原料中的变价元素的氧化物如Fe2O3等进行严格控制，成品玻璃Fe2O3含量小于100PPm，并使其配料满足表1的玻璃化学组成，然后将石英砂、氢氧化铝、硼酸、碳酸钙、碳酸钡、氧化镧、氧化铌、氧化钽、氧化钇、氧化锌、二氧化钛、氧化锆和氧化锡放入铂金坩埚中，在1400℃温度下熔融6小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行2次的搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后，再降温至1320℃温度澄清2小时，然后再将熔融玻璃液浇铸成规定的测试制品要求，然后进行退火，退火工艺为625℃保温1小时，再用12小时降温至60℃，然后再随炉冷却至室温。其测试性能如表1所示，(1)折射率为1.80；(2)30-300℃的平均线膨胀系数70.234×10-7/℃。
制备中膨胀光纤传像原件：
(1)单丝拉制：将环保型高折射率中膨胀的芯料玻璃棒表面精磨抛光至直径28.5mm，再和厚度为4.5mm，内径29.0mm的低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制，单丝直径为3.12mm；
(2)一次复丝拉制：将拉制的单丝按每边6根单丝的要求排列成横截面为正六方形的一次复合棒，然后将光吸收料玻璃拉制成直径为0.44mm的光吸收丝均匀插入到一次复合棒间隙中，然后将一次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.200mm的一次复丝；
(3)二次复丝拉制：将拉制的一次复丝按每边14根的要求排列成横截面为正六方形的二次复合棒，再将所述的二次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.110mm的二次复丝；
(4)排板和热熔压成型：将上述拉制的二次复丝切割截短成长度为130mm的长度，然后按每边17根二次复丝的要求排列成横截面为正六方形的排板板段，将排板板段放入到热熔压成型模具中，设计热熔压成型的压缩比为0.80，二次复丝排列成板段经热熔压成型后即制成中膨胀光纤传像元件坯板板段；
(5)精加工：将制备的中膨胀光纤传像元件坯板板段经过滚圆、切割、端面磨抛等操作，即加工成中膨胀光纤传像元件毛坯，毛坯经过加热扭转成型即加工成中膨胀光纤倒像器。
其测试性能如下，(1)30-300℃的平均线膨胀系数69.244×10-7/℃；(2)耐热温度610.9℃；(3)纤维丝径3.98μm，分辨力＞120lp/mm。
实施例2
制备中膨胀芯料玻璃：
玻璃实际组成参照表1实施例2，使用与实施例1相同原料要求，将石英砂、氢氧化铝、硼酐、碳酸钙、硝酸钡、氧化镧、氧化铌、氧化钽、氧化钇、氧化锌、二氧化钛、氧化锆和氧化锡放入铂金坩埚中，在1350℃温度下熔融8小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行1次的搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后，再降温至1300℃温度澄清1小时，然后再将熔融玻璃液浇铸成规定的测试制品要求，然后进行退火，退火工艺为600℃保温1小时，再用12小时降温至60℃，然后再随炉冷却至室温。采用与实施例1相同的测试条件，在表1显示了试样的基本性能。(1)折射率为1.82；(2)30-300℃的平均线膨胀系数67.918×10-7/℃。
制备中膨胀光纤传像原件：
(1)单丝拉制：将环保型高折射率中膨胀芯料玻璃棒表面精磨抛光至直径29.0mm，再和厚度为4.75mm，内径29.5mm的低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制，单丝直径为3.14mm；
(2)一次复丝拉制：将拉制的单丝按每边6根单丝的要求排列成横截面为正六方形的一次复合棒，然后将光吸收料玻璃拉制成直径为0.43mm的光学吸收丝均匀插入到一次复合棒间隙中，然后将一次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.205mm的一次复丝，一次复丝包括棒管结合拉制成的单丝和光吸收料拉制成的光学吸收丝；
(3)二次复丝拉制：将拉制的一次复丝按每边14根的要求排列成横截面为正六方形的二次复合棒，再将所述的二次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.105mm的二次复丝；
(4)排板和热熔压成型：将上述拉制的二次复丝切割截短成长度为133mm的长度，然后按每边17根二次复丝的要求排列成横截面为正六方形的排板板段，将排板板段放入到热熔压成型模具中，设计热熔压成型的压缩比为0.78，二次复丝排列成板段经热熔压成型后即制成中膨胀光纤传像元件坯板板段；
(5)精加工：将制备的中膨胀光纤传像元件坯板板段经过滚圆、切割、端面磨抛等操作即加工成中膨胀光纤传像元件毛坯，毛坯经过加热拉伸成型即可加工成中膨胀光纤光锥。
其测试性能如下，(1)30-300℃的平均线膨胀系数67.317×10-7/℃；(2)耐热温度613.3℃；(3)纤维丝径4.0μm，分辨力＞120lp/mm。
实施例3
制备中膨胀芯料玻璃：
玻璃实际组成参照表1实施例3，使用与实施例1相同的原料及原料要求，在1450℃温度下熔融4小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行2次的搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后，再降温至1340℃温度澄清2小时，然后再将熔融玻璃液浇铸成规定的测试制品要求，然后进行退火，退火工艺为650℃保温1小时，再用12小时降温至60℃，然后再随炉冷却至室温。采用与实施例1相同的测试条件，在表1显示了试样的基本性能。(1)折射率为1.82；(2)30-300℃的平均线膨胀系数66.830×10-7/℃。
制备中膨胀光纤传像原件：
(1)单丝拉制：将环保型高折射率中膨胀芯料玻璃棒表面精磨抛光至直径28.0mm，再和厚度为4.4mm，内径28.5mm的低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制，单丝直径为3.11mm；
(2)一次复丝拉制：将拉制的单丝按每边6根单丝的要求排列成横截面为正六方形的一次复合棒，然后将光吸收料玻璃拉制成直径为0.46mm的光学吸收丝均匀插入到一次复合棒间隙中，然后将一次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.175mm的一次复丝，一次复丝包括棒管结合拉制成的单丝和光吸收料拉制成的光吸收丝；
(3)二次复丝拉制：将拉制的一次复丝按每边14根的要求排列成横截面为正六方形的二次复合棒，再将所述的二次复合棒再次拉制成六方对边尺寸为1.115mm的二次复丝；
(4)排板和热熔压成型：将上述拉制的二次复丝切割截短成长度为128mm的长度，然后按每边17根二次复丝的要求排列成横截面为正六方形的排板板段，将排板板段放入到热熔压成型模具中，设计热熔压成型的压缩比为0.84，二次复丝排列成板段经热熔压成型后即制成中膨胀光纤传像元件坯板板段；
(5)精加工：将制备的中膨胀光纤传像元件坯板板段经过滚圆、切割、端面磨抛等操作即加工成中膨胀光纤传像元件毛坯，毛坯经过尺寸加工即成中膨胀光纤面板。
其测试性能如下，(1)30-300℃的平均线膨胀系数66.403×10-7/℃；(2)耐热温度612.1℃；(3)纤维丝径3.99μm，分辨力＞120lp/mm。
实施例4
制备中膨胀芯料玻璃：
玻璃实际组成参照表1实施例4，使用与实施例1相同的原料及原料要求，并且采取相同熔化工艺制度和测试条件，在表1显示了试样的基本性能。(1)折射率为1.82；(2)30-300℃的平均线膨胀系数71.094×10-7/℃。
制备中膨胀光纤传像原件：
(1)单丝拉制：将环保型高折射率中膨胀芯料玻璃棒表面精磨抛光至直径28.5mm，再和厚度为4.5mm，内径29.0mm的低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制，单丝直径为3.12mm；
(2)一次复丝拉制：将拉制的单丝按每边6根单丝的要求排列成横截面为正六方形的一次复合棒，然后将光吸收料玻璃拉制成直径为0.45mm的光吸收丝均匀插入到一次复合棒的间隙中，然后将一次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.200mm的一次复丝，一次复丝包括棒管结合拉制成的单丝和光吸收料拉制成的玻璃纤维丝；
(3)二次复丝拉制：将拉制的一次复丝按每边14根的要求排列成横截面为正六方形的二次复合棒，再将所述的二次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.110mm的二次复丝；
(4)排板和热熔压成型：将上述拉制的二次复丝切割截短成长度为133mm的长度，然后按每边17根二次复丝的要求排列成横截面为正六方形的排板板段，将排板板段放入到热熔压成型模具中，设计热熔压成型的压缩比为0.82，二次复丝排列成板段经热熔压成型后即制成中膨胀光纤传像元件坯板板段；
(5)精加工：将制备的中膨胀板段经过滚圆、切割、端面磨抛等操作即加工成中膨胀光纤传像元件毛坯，毛坯经过加热扭转成型或拉伸成型即可加工成中膨胀光纤光锥。
其测试性能如下，(1)30-300℃的平均线膨胀系数70.086×10-7/℃；(2)耐热温度612.7℃；(3)纤维丝径3.97μm，分辨力＞120lp/mm。
实施例5
制备中膨胀芯料玻璃：
玻璃实际组成参照表1实施例5，使用与实施例1相同的原料及原料要求，并且采取相同熔化工艺制度和测试条件，在表1显示了试样的基本性能。(1)折射率为1.81；(2)30-300℃的平均线膨胀系数68.607×10-7/℃。
制备中膨胀光纤传像原件：
(1)单丝拉制：将环保型高折射率中膨胀芯料玻璃棒表面精磨抛光至直径28.5mm，再和厚度为4.25mm，内径29.0mm的低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制，单丝直径为3.122mm；
(2)一次复丝拉制：将拉制的单丝按每边6根单丝的要求排列成横截面为正六方形的一次复合棒，然后将光吸收料玻璃拉制成直径为0.44mm的光吸收丝均匀插入到一次复合棒之间的间隙中，然后将一次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.192mm的一次复丝；
(3)二次复丝拉制：将拉制的一次复丝按每边14根的要求排列成横截面为正六方形的二次复合棒，再将所述的二次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.085mm的二次复丝；
(4)排板和热熔压成型：将上述拉制的二次复丝切割截短成长度为132mm的长度，然后按每边17根二次复丝的要求排列成横截面为正六方形的排板板段放入到热熔压成型模具中，设计热熔压成型的压缩比为0.83，二次复丝排列成板段经热熔压成型后即制成中膨胀光纤传像元件坯板板段；
(5)精加工：将制备的中膨胀板段经过滚圆、切割、端面磨抛等操作即加工成中膨胀光纤传像元件毛坯，毛坯经过加热扭转成型即可加工成中膨胀光纤倒像器。
其测试性能如下，(1)30-300℃的平均线膨胀系数68.192×10-7/℃；(2)耐热温度609.9℃；(3)纤维丝径3.98μm，分辨力＞120lp/mm。
本发明还提供一种用于光纤传像元件(包括光纤面板、光纤倒像器、光纤光锥、光纤传像束等)的应用，该中膨胀光纤传像元件可应用于微光像增强器和其他光电子技术领域中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种中膨胀光纤传像元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）单丝拉制：将中膨胀芯料玻璃棒表面精磨抛光至直径28-29mm，再和厚度为4.25-4.75mm，内径28.5-29.5mm的低折射率皮料玻璃管匹配进行单丝拉制，单丝直径为3.10-3.14mm；
（2）一次复丝拉制：将拉制的单丝按每边6根单丝的要求排列成横截面为正六方形的一次复合棒，然后将光吸收料玻璃拉制成直径为0.43-0.47mm的光吸收丝均匀插入到一次复合棒的间隙中，然后将插有光吸收丝的一次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.175-1.225mm的一次复丝，所述一次复丝包括棒管结合拉制成的单丝和光吸收料拉制成的光吸收丝；
（3）二次复丝拉制：将所述一次复丝按每边14根的要求排列成横截面为正六方形的二次复合棒，再将所述二次复合棒拉制成六方对边尺寸为1.085-1.135mm的二次复丝；
（4）排板和热熔压成型：将所述二次复丝切割截短成长度为113-133mm的长度，然后按每边17根二次复丝的要求排列成横截面为正六方形的排板板段，再放入到热熔压成型模具中，设计热熔压成型的压缩比为0.78-0.84，经热熔压成型后制成中膨胀光纤传像元件坯板板段；
（5）精加工：将制备的中膨胀光纤传像元件坯板板段经过滚圆、切割、端面磨抛的操作，加工成中膨胀光纤传像元件毛坯，所述毛坯经过尺寸加工、加热扭转成型或拉伸成型，即加工成中膨胀光纤面板、中膨胀光纤倒像器或中膨胀光纤光锥；
所述中膨胀芯料玻璃棒采用中膨胀芯料玻璃制备而成；
所述中膨胀芯料玻璃包括以下重量百分含量的组分：
SiO2 5-9%
Al2O3 0-1%
B2O3 23-28%
CaO 0-3%
BaO 6-12%
La2O3 30-34%
Nb2O5 4-8%
Ta2O5 0-1%
Y2O3 0-1%
ZnO 4-9%
TiO2 4-8%
ZrO2 4-6%
SnO2 0-1%。
2.根据权利要求1所述的一种中膨胀光纤传像元件的制备方法，其特征在于，所述中膨胀芯料玻璃包括以下重量百分含量的组分：
SiO2 9%
Al2O3 1%
B2O3 23%
BaO 12%
La2O3 34%
Nb2O5 4%
Ta2O5 0.5%
ZnO 4%
TiO2 8%
ZrO2 4%
SnO2 0.5%。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，还包括中膨胀芯料玻璃的制备方法：
（1）将石英砂、氢氧化铝、硼酸或硼酐、碳酸钙、碳酸钡或硝酸钡、氧化镧、氧化铌、氧化钽、氧化钇、氧化锌、二氧化钛、氧化锆和氧化锡，按照配料要求放入铂金坩埚中；
（2）在1350-1450℃下熔融4-8小时，熔融过程中进行1-2次搅拌，再降温至1300-1340℃，澄清1-2小时；
（3）将澄清后的玻璃熔体通过漏料口流下来，在模具中浇铸形成玻璃棒；
（4）成型后的玻璃棒在退火炉中退火，在600-650℃保温1小时，再用12小时从600-650℃降温至60℃，然后再随炉冷却至室温，得到中膨胀芯料玻璃。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种中膨胀光纤传像元件的制备方法，其特征在于，所述中膨胀芯料玻璃的折射率为1.80～1.82，在30～300 ℃范围的平均线热膨胀系数为（68±5）×10-7/℃，应变点温度大于600℃，析晶温度大于820℃。
5.一种中膨胀光纤传像元件，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的制备方法制备得到。
6.根据权利要求5所述的一种中膨胀光纤传像元件，其特征在于，所述中膨胀光纤传像元件在30～300 ℃范围的平均线热膨胀系数为（68±5）×10-7/℃，耐热温度大于600℃。
7.根据权利要求5或6所述的一种中膨胀光纤传像元件，其特征在于，所述中膨胀光纤传像元件在430nm～900nm波长范围内的光谱透过率＞65%。
8.根据权利要求5或6所述的一种中膨胀光纤传像元件，其特征在于，所述中膨胀光纤传像元件的纤维丝径≤4.0μm，分辨力＞120lp/mm。
9.一种权利要求5-8任一项所述的一种中膨胀光纤传像元件在微光夜视技术中的应用。
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