大口徑光纖倒像器制備工藝研究

張 磊，許慧超，王 云，付 楊，趙 越，湯曉峰，石 鈺，孫 勇，張 弦，賈金升

（中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024）

引言

微光夜視儀是在夜間或低照度條件下，利用星光、月光和大氣輝光，通過像增強器，將人眼不易看見的極微弱星光和紅外輻射等進行光電轉換和圖像增強，使之變成人眼容易看到的圖像，以實現(xiàn)夜間觀察和探測[1]。高品質(zhì)的微光夜視裝備是夜間作戰(zhàn)的眼睛和窗口，是打贏一場高新技術局部戰(zhàn)爭的堅強后盾和有力保障之一[2-5]。

微光夜視儀主要由物鏡、像增強器、目鏡等三部分組成，其中實現(xiàn)微光夜視功能的核心部件是微光像增強器，它是一種真空光電成像器件。光纖倒像器作為像增強器上的光學輸入、輸出窗口，是影響其成像品質(zhì)的核心器件[6-8]。目前國內(nèi)外生產(chǎn)和應用的微光像增強器，主要是以直徑Φ18 mm的口徑為主，隨著微光夜視技術的快速發(fā)展和系統(tǒng)性能的不斷提高，大口徑光纖倒像器因其可實現(xiàn)寬視場、大視野、遠視距的探測和觀瞄，在未來信息化和高科技戰(zhàn)爭中具有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿9-20]。但是隨著光纖倒像器口徑的增大，易產(chǎn)生邊緣分辨率消失、內(nèi)部斑點、彎曲畸變等缺陷，現(xiàn)有的制備工藝已不再適用，為此，研究人員做了大量的研究工作，對大口徑光纖倒像器的制備工藝進行了改進，最終制備出滿足技術要求的大口徑光纖倒像器。

本文從大口徑光纖倒像器的制備技術出發(fā)，開展了大口徑光纖倒像器關鍵工藝技術研究，最終解決了大口徑光纖倒像器的制備難點，滿足了產(chǎn)品性能指標要求。

1 大口徑光纖倒像器制備工藝設計

1.1 大口徑光纖倒像器的設計要求及制備難點分析

大口徑光纖倒像器的主要技術指標如表1所示。其外徑大于45 mm，高度大于50 mm，在尺寸和體積增大的同時，其他性能指標與常規(guī)倒像器產(chǎn)品相同[21-22]。

表1 大口徑光纖倒像器設計指標Table 1 Design indexes of optical fiber image inverters with large aperture

如圖1所示，我們將大口徑光纖倒像器按其外形特征劃分為兩部分，即直區(qū)（纖維未變形區(qū)域，包括底部直區(qū)和臺階直區(qū)）和扭區(qū)（纖維扭轉變形區(qū)域），其中直區(qū)要求盡可能地保證不出現(xiàn)彎曲畸變，受熱盡量少；而扭區(qū)要求纖維變形趨于一致，受熱盡量均勻，這就對制備工藝提出了很高的要求，需要充分利用大口徑光纖倒像器的形體特征來完成制備過程。

圖1 大口徑光纖倒像器和常規(guī)光纖倒像器Fig.1 Optical fiber image inverters with large aperture and inverters in normal

圖2所示為本文研究的大口徑光纖倒像器的扭轉變形示意圖。圖3所示為光學纖維扭轉拉伸變形示意圖[4,23]。大口徑光纖倒像器的扭轉成型是制備過程的關鍵工序，其中50%以上的性能指標都與扭轉成型工序直接相關，如對比度、分辨率、透過率、彎曲畸變等。這是由于大口徑光纖倒像器毛坯外形體積是常規(guī)光纖倒像器所用毛坯體積的13.8 倍（常規(guī)光纖倒像器所用毛坯直徑25 mm、高度25 mm），使得毛坯在扭轉成型工藝中在高溫階段的加熱時間增加了5 倍，最外圍光學纖維的拉伸量增加了80%。這一方面加重了光學纖維芯料、皮層料界面的離子擴散和滲透，導致界面上出現(xiàn)析晶甚至乳化現(xiàn)象；另一方面大口徑光纖板毛坯在受熱扭轉成型過程中，扭區(qū)的光學纖維會被拉伸，皮層玻璃材料的厚度變薄，距離光纖倒像器中心軸距離越遠的邊緣光學纖維，其纖維的拉伸量越大，使得邊緣光學纖維絲的皮層厚度變得越薄。當皮層厚度小于（0.5～1）λ（λ 為入射光波長）時，光線就會穿透皮層進入到相鄰的纖維中去，造成漏光、串光。為了防止產(chǎn)生纖維的漏光、串光，需要增加皮層厚度，但是皮層厚度過厚，會使得入射在皮層上的無用光通量增加，增加背景噪聲，造成像質(zhì)下降[24-26]。這兩方面的共同作用破壞了芯、皮界面的完整性，使部分光線不滿足全反射條件從光學纖維中逸出，從而產(chǎn)生斑點、數(shù)值孔徑降低、透過率降低、分辨率下降等問題；同時隨著毛坯尺寸的加大，加重了毛坯受熱不均，導致扭轉過程易產(chǎn)生炸裂。因此，扭轉成型是影響大口徑光纖倒像器傳像品質(zhì)的關鍵工序。

圖2 光纖倒像器及纖維拉伸變形示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical fiber image inverters and fiber tensile deformation

圖3 光纖倒像器單元絲纖維扭前及扭后示意圖Fig.3 Schematic diagram of optical fiber image inverters unit silk fiber twisting before and after

1.2 大口徑光纖板毛坯的制備工藝設計

大口徑光纖倒像器是由成千上萬根微米級的光學纖維平行規(guī)則排列后，經(jīng)熱熔壓成型制備成光纖板毛坯，再經(jīng)過外力扭轉毛坯，使輸入圖像反轉180°從輸出端傳出的一種光纖傳像元器件。其中每一根光學纖維都是一個獨立的信息傳輸單元，它是由高折射率的芯料玻璃和低折射率的皮層玻璃構成，光線能夠按照全反射原理在光學纖維內(nèi)部傳播。根據(jù)纖維光學的理論和光的全反射定理可知[24-26]，當一束光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)的光滑分界面時，入射光與分界面法線的夾角大于或者等于臨界角，入射的光束將全部反射光密介質(zhì)中。光線在每一次全反射時，在芯皮的界面都存在著光的滲透現(xiàn)象，皮層玻璃的厚度滿足下式時才能使得光學纖維理想傳光：

式中:Y為扭后拉伸變形的光學纖維絲的皮層厚度；H為有效扭區(qū)寬度（即實際扭區(qū)寬度）；R為光纖倒像器有效區(qū)半徑；λ為入射光波長。我們將R/H定義為徑寬比，徑寬比越大，光學纖維的拉伸量越大；徑寬比越小，光學纖維的拉伸量越小。

從（1）式可以看出，有效扭區(qū)寬度H越小，光學纖維皮層所需厚度就越厚，為了獲得高分辨率的大口徑光纖倒像器，我們設計扭轉變形區(qū)域的寬度H在40 mm～45 mm 之間，有效區(qū)直徑為Φ40 mm～Φ42 mm，芯/皮面積比控制在60/40，皮層玻璃管的厚度控制在4.3 mm～4.5 mm，這樣制備出的大口徑光纖倒像器能夠滿足傳像要求的各項技術指標。繼續(xù)增加皮層玻璃管厚度不僅會增加玻璃管的成型難度，也會使無效光通量增加，降低了大口徑光纖倒像器的透過率和對比度。

1.3 大口徑光纖倒像器的扭轉成型工藝設計

大口徑光纖倒像器的扭轉成型工藝是將熱熔壓成型后的光纖板經(jīng)過滾圓、切割、端面磨拋、開槽等冷加工工序制備成兩端為六方柱中間為圓柱形的毛坯（圖4所示為制備大口徑光纖倒像器的扭轉成型用六方毛坯示意圖），然后將毛坯放入扭轉成型爐，采用剛性夾具夾持毛坯兩端六方柱側面，加熱毛坯中間圓柱部位使其受熱達到玻璃的軟化溫度，然后對剛性夾具施加一定扭矩，使毛坯扭轉180°。

圖4 制備大口徑光纖倒像器的扭轉成型用六方毛坯示意圖Fig.4 Schematic of hexagonal blank of twisting operation for optical fiber image inverters with large aperture

大口徑光纖倒像器選取的毛坯直徑為60 mm、高度為60 mm，其成品的扭區(qū)需要控制在40 mm～45 mm 之間，這就要求所用的加熱爐的加熱溫區(qū)小于45 mm，該區(qū)域的溫度場要力求均勻，并且加熱區(qū)與其相鄰區(qū)域間的溫度梯度要大，同時保證處于直區(qū)的纖維溫度不會因為溫差過大而炸裂。常規(guī)的扭轉成型設備[27]采用靜態(tài)掛重扭轉和單一加熱源的方式，使得毛坯在扭轉成型過程中上下左右受熱不均，且光學纖維拉伸變形使得扭區(qū)角度分布極不均勻，扭轉角度過度集中于扭區(qū)的中間位置，導致無法扭轉制備出合格產(chǎn)品。

2 實驗

2.1 大口徑光纖倒像器的制備過程

如圖5所示為大口徑光纖倒像器的制備工藝流程圖[28-31]。為滿足產(chǎn)品性能指標要求，本文采用旋轉差速扭轉成型工藝和雙爐加熱系統(tǒng)相結合來制備大口徑光纖倒像器[32]。

圖5 大口徑光纖倒像器的制備工藝流程圖Fig.5 Flow chart of preparation technology of optical fiber image inverters with large aperture

1）采用旋轉差速扭轉成型工藝。在扭轉成型爐升溫加熱過程中，毛坯通過裝夾在旋轉軸上的扭轉桿卡具的夾持沿旋轉軸旋轉，保證光纖板毛坯均勻受熱，不會因為受熱不均或者溫差過大而產(chǎn)生應力，有效避免了大尺寸光纖倒像器因受熱不均或溫差過大而產(chǎn)生的炸裂問題。當光纖板毛坯中間受熱部位達到扭轉成型溫度時，通過設置左右扭轉桿不同的旋轉速度達到差速的目的，從而實現(xiàn)光纖板毛坯的180°扭轉成型。

2）采用雙爐加熱系統(tǒng)。如圖6所示，爐內(nèi)設置2 個以串聯(lián)方式連接的環(huán)形加熱體，加熱體采用電阻絲加熱，該設計通過優(yōu)化扭區(qū)的溫度場分布，提升扭區(qū)光學纖維的變形均勻性，進而改善光纖倒像器邊緣透過率和提高邊緣分辨率。

圖6 旋轉差速扭轉成型和雙爐加熱系統(tǒng)設計示意圖Fig.6 Schematic of double furnace heating design and twisting operation with rotation differential velocity

通過旋轉差速扭轉成型工藝和雙爐加熱系統(tǒng)設計來扭轉大口徑光纖倒像器毛坯，使得大口徑光纖倒像器的制備難點得以突破，制備出符合技術指標要求的大口徑光纖倒像器。

2.2 大口徑光纖倒像器分辨率測試

將制備的大口徑光纖倒像器加工成成品，通過美軍標1951 USAF 分辨率標準測試卡進行分辨率測試。圖7所示為采用常規(guī)加熱系統(tǒng)制備的大口徑光纖倒像器分辨率測試結果。圖8所示為采用旋轉差速扭轉成型工藝和雙爐加熱系統(tǒng)設計后制備的分辨率測試結果。

圖7 大口徑光纖倒像器分辨率降低現(xiàn)象和分辨率測試Fig.7 Resolution reduction and resolution tests of optical fiber image inverters with large aperture

圖8 采用旋轉差速扭轉和雙爐設計后制備的大口徑光纖倒像器分辨率測試Fig.8 Resolution tests of optical fiber image inverters with large aperture using rotation differential velocity twisting and double furnace design

2.3 大口徑光纖倒像器切片角度測試

為了進一步驗證大口徑光纖倒像器制備工藝優(yōu)化設計前后扭轉區(qū)域的分布效果，我們通過光纖倒像器扭轉成型區(qū)域的角度分布變化來量化表征扭轉區(qū)域光學纖維的變形均勻性。將大口徑光纖倒像器成品切割成3.0 mm±0.02 mm 厚度的薄片，并在投影儀上通過10 倍物鏡分別測量所切割薄片的扭轉角度。圖9所示為大口徑光纖倒像器的切片示意圖。表2所示為大口徑光纖倒像器的切片角度測試數(shù)據(jù)。圖10所示為切片角度測試分布圖。

圖10 工藝優(yōu)化前后的大口徑光纖倒像器切片角度測試Fig.10 Angle test of slices of optical fiber image inverters with large aperture in process optimization before and after

表2 大口徑光纖倒像器切片角度數(shù)據(jù)Table 2 Angle data of slices of optical fiber image inverters with large aperture

圖9 大口徑光纖倒像器切片示意圖Fig.9 Schematic diagram of slices of optical fiber image inverters with large aperture

3 實驗結果及分析

從圖7 中可以看出，大口徑光纖倒像器的邊緣分辨率下降明顯，測試結果顯示，其在128 lp/mm、144 lp/mm、161 lp/mm 的分辨率測試出現(xiàn)“模糊不清”狀態(tài)。由圖8 的分辨率測試結果可以看出，采用雙爐加熱系統(tǒng)設計后制備的大口徑光纖倒像器成品，其在128 lp/mm、144 lp/mm、161 lp/mm 的分辨率測試清晰可見，對大口徑光纖倒像器的邊緣分辨率改善效果非常明顯。從圖10中的大口徑光纖倒像器切片角度測試也可以看出，采用差速扭轉和雙爐加熱系統(tǒng)的工藝設計后，切片角度由原來的“尖峰”分布轉變?yōu)榕^(qū)中間角度向兩側平緩下滑趨勢，使得扭區(qū)的溫度場分布更均勻。

為方便描述，將扭轉角度與扭轉角度所在的扭區(qū)寬度的比值定義為角度集中量，即每毫米扭轉角度（°/mm），“理想狀態(tài)”下的角度集中量在180°/45 mm～180°/42 mm 之間，即4.0°/mm～4.3°/mm的角度集中量，角度集中量越大，光學纖維的拉伸變形越不均勻。由測試結果看出，采用常規(guī)加熱系統(tǒng)制備的大口徑光纖倒像器成品，其扭區(qū)寬度為40.8 mm（2#～14#），中間20.40 mm 的區(qū)域內(nèi)（6#～11#）的角度集中量為6.54°/mm，兩側邊緣區(qū)域的角度集中量分別為0.87°/mm 和0.73°/mm，角度分布極不均勻，這是導致邊緣分辨率下降的主要原因。采用差速扭轉和雙爐加熱系統(tǒng)的工藝設計后，其扭區(qū)寬度為44.28 mm（1#～14#），中間20.42 mm 的區(qū)域內(nèi)（5#～10#）的角度集中量為5.98°/mm，兩側邊緣區(qū)域的角度集中量分別為1.19°/mm 和1.48°/mm，角度集中量也逐步向“理想狀態(tài)”靠近，這是大口徑光纖倒像器邊緣分辨率改善的主要原因。

4 結論

本文研究了大口徑光纖倒像器制備過程中遇到的一系列問題，分析了扭轉成型過程中的制備難點，并對生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化設計。通過旋轉差速扭轉和雙爐加熱系統(tǒng)設計，在滿足大口徑光纖倒像器性能指標參數(shù)的同時，能很好地拉寬扭轉變形區(qū)域的纖維變形的均勻性，使得整個扭轉區(qū)域光學纖維的變形趨于平緩而不發(fā)生錐變，使整個視場內(nèi)的分辨率和透過率更加均勻，成功解決了大口徑光纖倒像器的制備難題，使得大口徑光纖倒像器的扭轉角度過度集中問題得以緩解，分辨率下降問題得到明顯改善。制備出了各項性能指標符合要求的產(chǎn)品并實現(xiàn)了批量供貨，對大口徑光纖倒像器的制備具有較大的指導意義。