熱力學(xué)擴(kuò)散系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種熱力學(xué)擴(kuò)散系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)光纖的一部分被加熱時(shí)，張力下的該光纖的一端被振動(dòng)。光纖一端的推-拉動(dòng)作迫使在位于熱區(qū)中的該部分的光纖中增加（或加速）摻雜劑的擴(kuò)散，熱區(qū)接收熱量。通過控制振動(dòng)的幅度和頻率，一個(gè)或多個(gè)光纖的擴(kuò)散分布使可以被更準(zhǔn)確指揮。具有較窄熱分布的熱源能夠使指揮擴(kuò)散分布更準(zhǔn)確。例如，這對(duì)于在將被連結(jié)的光纖中產(chǎn)生擴(kuò)散錐是特別有用的，其中錐是光纖芯熱擴(kuò)散的結(jié)果。擴(kuò)散可以比典型擴(kuò)散發(fā)生的更快。
【專利說(shuō)明】熱力學(xué)擴(kuò)散系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)基于35USC119 Ce)要求2011年I月14日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/432，697、名稱為 THERMAL MECHANICAL DIFFUSION SYSTEM AND METHOD 的優(yōu)先權(quán)。本申請(qǐng)可以被認(rèn)為與2010年3月I日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)第12/715,010號(hào)(美國(guó)公開2010-0226613A1)有關(guān)，其是于2010年3月2日授權(quán)的美國(guó)專利第7，670，065號(hào)的繼續(xù)申請(qǐng)，其要求了 2007年2月7日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)60/888，691、2007年8月3日提交的60/953，803、以及2007年10月2日提交的60/976，859的優(yōu)先權(quán)；以及與2010年I月15日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)第12/688，849號(hào)(美國(guó)公開2010-013562認(rèn)1)有關(guān)，其是2010年3月2日授權(quán)的美國(guó)專利第7，670，065號(hào)的繼續(xù)申請(qǐng)，其要求了 2007年2月7日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)60/888，691、2007年8月3日提交的60/953，803、以及2007年10月2日提交的60/976，859的優(yōu)先權(quán)，在此上述每個(gè)文件都全部結(jié)合于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明的概念涉及用于處理諸如光纖的材料的系統(tǒng)和方法的領(lǐng)域，例如，用于光纖束、線纜等等的切割、連結(jié)、拉錐、擴(kuò)散、其他熱處理等等的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]如本領(lǐng)域人員已知的，理想情況下，被連結(jié)在一起的兩個(gè)纖維(即，光纖)應(yīng)具有相同的數(shù)值孔徑(“NA”)。即使纖維芯具有不同尺寸的情況下也是這樣的。因此，NA是連結(jié)纖維時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)。
[0005]通常，在光纖中，NA是無(wú)量綱數(shù)，表示光纖可以接收或發(fā)射光的角度范圍，并且由以下公式給出:
[0006]NA = K ,
[0007]其中nl是光纖芯的折射率，以及n2是包層的光纖折射率。纖維芯和包層傾向于具有些許不同的組成，導(dǎo)致了不同的折射率。例如見圖1。
[0008]選擇性改變光纖的NA通常涉及改變芯的折射率和直徑。這可以通過對(duì)固定光纖應(yīng)用寬度大約為的火焰來(lái)實(shí)現(xiàn)。纖維在其熔點(diǎn)溫度被加熱相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，即幾分鐘或更長(zhǎng)，直到包層和芯開始混合，從而通過將摻雜物擴(kuò)散至其中來(lái)改變芯的折射率。纖維的一端也可以被牽拉，從而纖維的直徑也選擇性減小，也被稱作“拉錐”。
[0009]加熱部分在通常為高斯分布的熱分布的中心被切割。因此，假設(shè)火焰具有大約5mm的寬度，則切割可以在距離熱分布的每端大約2.5mm處發(fā)生。見圖2。
[0010]對(duì)于單個(gè)纖維，該過程可以相對(duì)較好地進(jìn)行。然而，因?yàn)槭褂眠@樣的火焰花費(fèi)數(shù)分鐘或更多的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的擴(kuò)散，所以這不能很快完成。慢擴(kuò)散意味著低產(chǎn)出和高花費(fèi)。
[0011]并且，具有固定火焰寬度的固定火焰對(duì)于能夠被用于擴(kuò)散的可達(dá)到的熱分布存在很多限制。并且無(wú)論芯的直徑，都使用相同的火焰。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供了一種熱力學(xué)擴(kuò)散系統(tǒng)和方法。在纖維的一部分被加熱時(shí)，纖維(或纖維束)的一端在應(yīng)力下振動(dòng)。纖維的至少一端的推拉迫使增加摻雜物在加熱區(qū)中的纖維的該部分中的芯中擴(kuò)散。因此，通過準(zhǔn)確控制振動(dòng)的幅度和頻率，可以準(zhǔn)確指示一個(gè)或多個(gè)纖維的擴(kuò)散分布。同時(shí)，擴(kuò)散可以比通常更快速地發(fā)生。例如，這可以對(duì)在將被連結(jié)的纖維中產(chǎn)生擴(kuò)散錐非常有用，其中錐是纖維芯熱擴(kuò)散的結(jié)果。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，纖維(或纖維束)的第一和第二部分分別使用第一纖維座和第二纖維座固定。第一纖維座連接至振動(dòng)機(jī)構(gòu)。熱源施加熱至兩個(gè)纖維座之間的纖維區(qū)域。振動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致第一纖維座的預(yù)設(shè)振動(dòng)，纖維經(jīng)受由第一纖維座導(dǎo)致的推和拉。因此，快速擴(kuò)散發(fā)生在纖維芯中。
[0014]第二纖維座可以將纖維的第二部分保持在固定位置。
[0015]熱源可以產(chǎn)生圍繞纖維的基本相同的加熱場(chǎng)。
[0016]熱源可以是具有三個(gè)至更多電極的多電極熱源。
[0017]熱源可以是兩個(gè)電極熱源。
[0018]熱源可以包括火焰?；鹧婵梢灾苯討?yīng)用于纖維，或應(yīng)用于環(huán)繞纖維的熔爐。
[0019]熱源可以是基本圍繞纖維的絲狀熱源。絲狀熱源可以包括鎢絲或石墨絲。
[0020]熱源可以包括激光。激光可以是C02激光。C02激光可以是10 μ m激光。
[0021]快速擴(kuò)散可以在不超過大約I分鐘的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，例如，快速擴(kuò)散可以在小于10秒鐘內(nèi)發(fā)生。
[0022]振動(dòng)頻率可以是1-lOOHz。
[0023]在一些情況下，振動(dòng)頻率可以大于IOOHz。
[0024]振動(dòng)的幅度可以在大約1-100 μ m之間。例如，振動(dòng)幅度可以是1_25 μ m。
[0025]在一些情況下，振動(dòng)的幅度可以大于大約100 μ m。
[0026]根據(jù)熱源的熱分布的加熱場(chǎng)寬度大約可以為5_6mm。
[0027]根據(jù)熱源的熱分布的加熱場(chǎng)寬度大約可以為Imm或更少。例如，加熱場(chǎng)寬度可以在大約500 μ m。
[0028]接收熱的纖維的區(qū)域可以是熱區(qū)。熱區(qū)可以比熱源的加熱場(chǎng)更寬。
[0029]振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是至少一個(gè)壓電致動(dòng)器。
[0030]纖維可以多于一個(gè)纖維。
[0031]快速擴(kuò)散可以被應(yīng)用于纖維多于一個(gè)的區(qū)域?？焖贁U(kuò)散可以應(yīng)用于纖維的第一區(qū)域，然后應(yīng)用于纖維的第二區(qū)域，以此類推。區(qū)域可以覆蓋。
[0032]振動(dòng)幅度和/或振動(dòng)頻率可以被編程。溫度、擴(kuò)散分布和將被加熱的區(qū)域也可以被編程。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種熱力學(xué)擴(kuò)散系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)光纖中的快速擴(kuò)散。該系統(tǒng)包括第一纖維座，用于將至少一個(gè)纖維的第一部分固定；第二纖維座，用于將所述至少一個(gè)纖維的第二部分固定；振動(dòng)機(jī)構(gòu)，連接至第一纖維座，以及用于提供第一纖維座相對(duì)于第二纖維座的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)；以及熱源，用于在振動(dòng)運(yùn)動(dòng)期間，對(duì)布置在兩個(gè)纖維座之間的至少一個(gè)纖維的一部分進(jìn)行加熱。[0034]振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括至少一個(gè)壓電致動(dòng)器。
[0035]振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以用于產(chǎn)生第一纖維座的預(yù)定振動(dòng)。
[0036]振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以用于產(chǎn)生至少一個(gè)纖維上的推-拉動(dòng)作。
[0037]第二纖維座可以用于將纖維的第二部分相對(duì)于第一纖維座維持在固定位置。
[0038]振動(dòng)的頻率可以在大約IHz-1OOHz的范圍內(nèi)。
[0039]振動(dòng)的幅度可以在大約I μ m-100 μ m的范圍內(nèi)。
[0040]振動(dòng)的幅度可以在大約1-25 μ m的范圍內(nèi)。
[0041 ] 熱源可以用于產(chǎn)生圍繞纖維的基本相同的加熱場(chǎng)。
[0042]熱源可以具有大約Imm或更小的熱分布。
[0043]熱源可以具有在大約5_6mm范圍內(nèi)的熱分布。
[0044]熱源可以是具有至少兩個(gè)電極的多電極熱源。
[0045]熱源可以是3電極。
[0046]熱源可以是絲狀熱源，基本環(huán)繞至少一個(gè)纖維的圓周。
[0047]熱源可以是C02激光。
[0048]接收熱的纖維的一部分可以是熱區(qū)，以及該熱區(qū)比熱源的加熱場(chǎng)更寬。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在光纖中引起快速熱擴(kuò)散的方法。該方法包括將至少一個(gè)纖維的第一部分固定在第一纖維座中；將至少一個(gè)纖維的第二部分固定在第二纖維座中；以及相對(duì)于第二纖維座振動(dòng)第一纖維座，同時(shí)對(duì)布置在兩個(gè)纖維座之間的至少一個(gè)纖維的一部分進(jìn)行加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)在至少一個(gè)纖維中的摻雜物的擴(kuò)散。
[0050]該方法還可以包括對(duì)纖維多于一個(gè)的區(qū)域執(zhí)行振動(dòng)和加熱。
[0051]該方法還可以包括使用可編程計(jì)算機(jī)控制振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率中的至少一個(gè)。
[0052]該方法還可以包括使用可編程計(jì)算機(jī)控制熱源的熱分布。
[0053]該方法還可以包括使用可編程計(jì)算機(jī)控制至少一個(gè)纖維的擴(kuò)散分布。
[0054]該方法還可以包括通過執(zhí)行振動(dòng)和加熱不超過大約I分鐘來(lái)在至少一個(gè)纖維中擴(kuò)散摻雜物。
[0055]該方法還可以包括通過執(zhí)行振動(dòng)和加熱不超過大約10秒鐘來(lái)在至少一個(gè)纖維中擴(kuò)散摻雜物。
[0056]熱源可以產(chǎn)生圍繞所述至少一個(gè)纖維的基本相同的加熱場(chǎng)。
[0057]熱源可以具有大約Imm或更小的熱分布。
[0058]熱源可以是具有至少兩個(gè)電極的多電極熱源。
[0059]振動(dòng)可以由具有在大約IHz-1OOHz范圍內(nèi)的振動(dòng)頻率的至少一個(gè)壓電陶瓷。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0060]鑒于附圖和具體描述，本發(fā)明將變得顯而易見。在此描述的實(shí)施例由示例方式而不是限制的方式提供，其中相同的參考標(biāo)號(hào)表示相同或類似的部件。附圖不必然成比例，重點(diǎn)僅用于描述本發(fā)明的各個(gè)方面。附圖中:
[0061]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的光纖芯和包層的示意圖；
[0062]圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于擴(kuò)散的典型火焰的高斯熱分布曲線；
[0063]圖3是根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖；[0064]圖4是具有通過熱膨脹形成的擴(kuò)散錐的纖維的示例的截面視圖；
[0065]圖5是根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的使用3電極Y結(jié)構(gòu)的熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖；
[0066]圖6是根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的使用3電極T結(jié)構(gòu)的熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖；
[0067]圖7是根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的可編程熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)的實(shí)施例；
[0068]圖8是根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的熱動(dòng)力擴(kuò)散方法的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0069]以下將通過參考附圖解釋示例性實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明的多個(gè)方面。在描述這些實(shí)施例時(shí)，通常為了簡(jiǎn)潔，省略對(duì)已知事項(xiàng)、功能或結(jié)構(gòu)的具體描述。
[0070]應(yīng)該理解，盡管術(shù)語(yǔ)第一、第二等在此可以被用于描述各種元件，這些元件不應(yīng)被這些術(shù)語(yǔ)限制。這些術(shù)語(yǔ)被用于在元件之間進(jìn)行區(qū)別，但是不暗示元件要求順序。例如，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，第一元件可以被叫做第二元件，以及類似地，第二元件可以被叫做第一元件。如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)所列相關(guān)事項(xiàng)中的任一個(gè)和所有組合。
[0071]應(yīng)該理解，當(dāng)元件被稱為“位于另一元件之上”或“連接”或“耦接”至另一元件時(shí)，其可以直接位于另一元件之上或連接或耦接至另一元件，或可能存在中間元件。相反，當(dāng)元件被稱為“直接位于另一元件”或“直接連接”或“直接耦接”至另一元件時(shí)，沒有中間元件存在。用于描述元件之間的關(guān)系的其他詞應(yīng)以類似的方式被解釋(例如，“在…之間”相對(duì)于“直接在…之間”，“相鄰”相對(duì)于“直接相鄰”等等)。
[0072]在此使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述特定實(shí)施例，不旨在限制本發(fā)明。如在此所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中清楚表示相反。還應(yīng)該理解在此使用術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”、“具有”和/或“含有”時(shí)，說(shuō)明存在規(guī)定特征、步驟、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或附加一個(gè)或多個(gè)其他特征、步驟、操作、元件、部件
和/或其組合。
[0073]空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)，例如“在下方”、“在下面”、“下面”、“在上方”、“上面”和類似術(shù)語(yǔ)可以用于描述一個(gè)元件和/或特征與其他元件和/或特征的關(guān)系。應(yīng)該理解，空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)旨在包括使用中的裝置的不同方向和/或圖中描述的方向之外的操作。例如，如果圖中的裝置被翻轉(zhuǎn)，被描述為“在其他元件或特征下面”和/或“在其他元件或特征下方”的元件將定位為在其他元件或特征的“上方”。裝置可以被旋轉(zhuǎn)(例如旋轉(zhuǎn)90度或任意方向)，在此使用的空間相對(duì)描述將被相應(yīng)解釋。
[0074]根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的在纖維中的擴(kuò)散比現(xiàn)有系統(tǒng)更快，以及擴(kuò)散分布可以比現(xiàn)有系統(tǒng)更準(zhǔn)確。因此，纖維的數(shù)值孔徑(NA河以被更快速地改變并且具有更大的準(zhǔn)確性。因此，擬將被連結(jié)在一起的纖維的NA可以以更短時(shí)間、使用更少的能量進(jìn)行更準(zhǔn)確地匹配。
[0075]根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供了一種熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)和方法。圖3、5和6提供了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)的示例性實(shí)施例，以及圖7提供了熱動(dòng)力擴(kuò)散方法的不例性實(shí)施例。與現(xiàn)有系統(tǒng)不同，張力下的纖維的一端被振動(dòng)，同時(shí)纖維的一部分被加熱。纖維一端的推和拉迫使在熱區(qū)中的那部分纖維中擴(kuò)散增加。因此，通過準(zhǔn)確控制振動(dòng)的幅度和頻率，一個(gè)或多個(gè)纖維的擴(kuò)散分布可以被準(zhǔn)確指揮。同樣，擴(kuò)散可以比通常發(fā)生的更快。
[0076]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)300的實(shí)施例的側(cè)視圖。在該實(shí)施例中，至少一個(gè)纖維或纖維束(統(tǒng)稱為“纖維F”)的第一和第二部分分別使用第一纖維座Hll和第二纖維座--2固定。第一纖維座Hll連接至動(dòng)力振動(dòng)機(jī)構(gòu)VM。熱源對(duì)兩個(gè)纖維座FH1、FH2之間的纖維F的區(qū)域施加熱。振動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致第一纖維座FHl的預(yù)定振動(dòng)，纖維F經(jīng)歷由第一纖維座FHl產(chǎn)生的推和拉。
[0077]推和拉或振動(dòng)導(dǎo)致張力，然后通過多個(gè)周期以小增幅釋放纖維。該動(dòng)力振動(dòng)迫使熱區(qū)中增加擴(kuò)散，除此之外，其僅起因于施加熱。因此，快速擴(kuò)散發(fā)生在纖維F的芯中。例如，這可以導(dǎo)致芯的受控?cái)U(kuò)散-產(chǎn)生擴(kuò)散錐。例如，在使用現(xiàn)有技術(shù)方法的擴(kuò)散花費(fèi)數(shù)十分鐘的情況下，本發(fā)明盡管使用基本相同的溫度，也可以以數(shù)十秒或更少時(shí)間實(shí)現(xiàn)類似結(jié)果，即使不是更好結(jié)果。但是因?yàn)槭褂帽景l(fā)明持續(xù)時(shí)間更短，所以可以節(jié)省可觀的能源。
[0078]在圖3中，纖維F沿Z軸，以及在本優(yōu)選實(shí)施例中，振動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)選地也沿Z軸。這通過位于纖維座FHl上方的雙箭頭表示。在該實(shí)施例中，纖維座FH2是固定的，從而固定在其中的纖維的第二部分不移動(dòng)。再次，在該實(shí)施例中，這是優(yōu)選的。作為示例，振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是壓電致動(dòng)器或壓電機(jī)構(gòu)，對(duì)其提供功率來(lái)產(chǎn)生必要的振動(dòng)。在其他實(shí)施例中，不同類型的振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以被使用。
[0079]振動(dòng)機(jī)構(gòu)例如，壓電陶瓷，可以通過振動(dòng)響應(yīng)所施加的功率,這樣的振動(dòng)具有可以是輸入功率的函數(shù)的幅度和頻率。纖維F中的擴(kuò)散分布將是振動(dòng)機(jī)構(gòu)的幅度和振動(dòng)、以及纖維F的直徑和結(jié)構(gòu)、以及熱源(寬度和峰值溫度)的熱分布的函數(shù)。假設(shè)熱源的熱分布不改變，并且纖維的物理性質(zhì)是固有的，則調(diào)制振動(dòng)的幅度和頻率可以對(duì)指揮纖維中的擴(kuò)散分布有顯著影響。這可以被選擇 地實(shí)現(xiàn)，例如，在纖維中產(chǎn)生期望的熱擴(kuò)散錐。并且纖維的多個(gè)區(qū)域可以受到不同等級(jí)的熱力學(xué)擴(kuò)散，在每個(gè)區(qū)域產(chǎn)生不同數(shù)量的擴(kuò)散。這些區(qū)域有必要的話可以重疊以產(chǎn)生期望的擴(kuò)散分布。
[0080]振動(dòng)的頻率可以是l-ΙΟΟΗζ，但是本發(fā)明不限于這個(gè)范圍。如果需要或有利，振動(dòng)的頻率可以高于IOOHz。
[0081]振動(dòng)的幅度可以在大約1-ΙΟΟμπι之間。即，振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以具有1-ΙΟΟμπι的移動(dòng)范圍。例如，在這樣的情況下，可能期望振動(dòng)幅度為1_25μπι。但是沒有固有的限制，如果需要或期望，振動(dòng)的幅度可以多于ΙΟΟμπι。
[0082]根本上，振動(dòng)幅度和頻率的選擇可以大部分取決于纖維F、期望的擴(kuò)散分布、和/或熱源的熱分布。
[0083]使用典型的熱源，熱分布是高斯分布，其中熱源根據(jù)其高斯分布傳遞加熱場(chǎng)。例如，火焰熱源可以產(chǎn)生寬度大約5-6_的加熱場(chǎng)。三電極可以產(chǎn)生寬度大約Imm或更小的加熱場(chǎng)，例如大約500 μ m。
[0084]使用所述的振動(dòng)機(jī)構(gòu)，熱區(qū)(即，纖維的加熱部分)可以寬于熱源的加熱場(chǎng)的寬度。三電極熱源提供具有相對(duì)窄的寬度的加熱場(chǎng)。因此，與使用產(chǎn)生寬度大約5-6_的加熱場(chǎng)的火焰相比可以更準(zhǔn)確。
[0085]圖4示出了具有使用根據(jù)本發(fā)明的熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)和方法的芯的擴(kuò)散錐的纖維的示例的截面?zhèn)纫晥D。該錐通過由擴(kuò)散產(chǎn)生的芯的擴(kuò)散產(chǎn)生。如圖所示，擴(kuò)散分布在其中心具有最大直徑，這是纖維通過被切割的地方。在該實(shí)施例中，熱區(qū)大約是擴(kuò)散分布的寬度。
[0086]熱動(dòng)力擴(kuò)散可以在熱區(qū)內(nèi)的纖維F的不同區(qū)域處執(zhí)行以產(chǎn)生期望的擴(kuò)散分布。不同振動(dòng)頻率和/或幅度可以用在不同區(qū)域中，并且如果必要，這些區(qū)域可以重疊。例如，快速擴(kuò)散可以應(yīng)用于纖維的第一區(qū)域，然后應(yīng)用于纖維的相鄰第二區(qū)域，以此類推。
[0087]熱源的熱功率、振動(dòng)幅度、和/或振動(dòng)頻率可以被編程(見圖7)。例如，圖4中所示的擴(kuò)散分布可以通過對(duì)熱區(qū)中的2個(gè)或更多區(qū)域應(yīng)用熱動(dòng)力擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0088]參考圖3，熱源優(yōu)選地提供圍繞纖維的基本相同的加熱場(chǎng)，其中纖維被布置為其一部分是在加熱場(chǎng)中。熱源可以采用任意已知的或后續(xù)開發(fā)出的熱源的形式。例如，熱源可以是雙極熱源。熱源可以包括火焰?；鹧婵梢灾苯討?yīng)用于纖維，或應(yīng)用于環(huán)繞纖維的熔爐。熱源可以是絲狀熱源，基本上沿圓周環(huán)繞一些或所有纖維。絲狀熱源可以例如包括鎢絲或石墨絲，或其他類型的已知絲。激光可以是ΙΟμπι C02激光。在其他實(shí)施例中，熱源可以是多電極熱源，具有三個(gè)或更多的電極，如圖5和6所示。
[0089]圖5是根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)500的實(shí)施例的側(cè)視圖。熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)500包括產(chǎn)生加熱場(chǎng)的多電極熱源。田納西州富蘭克林的3SAE科技公司的Ringof Fire? (火圈)多電極技術(shù)是可以使用的多電極熱源的示例。圖5示出了“Y”結(jié)構(gòu)電極。例如，參考 Optical Society of America(2007)的 Robert Wiley 和 Brett Clark 的 LargeArea Isothermic Plasma for Large Diameter and Specialty Fiber Splicing,其可以通過引用結(jié)合于此，作為與3SAE科技公司的Ring of Fire?多電極技術(shù)相關(guān)的信息。
[0090]在圖5中，存在示出的三個(gè)熱電極(A、B和C)，其被布置為形成加熱場(chǎng)。在其他實(shí)施例中，可以提供不同的多個(gè)電極(例如，兩個(gè)電極、4電極等等)。單個(gè)電極在本領(lǐng)域通常都是已知的，所以在此不詳細(xì)討論。在圖5的示范布置中，電極可以產(chǎn)生加熱場(chǎng)，具有在大約100C-大約3000C范圍內(nèi)的溫度。所使用的溫度通常取決于纖維F的組成，尤其是纖維的熔化溫度。在圖5的示范布置中，電極可以產(chǎn)生加熱場(chǎng)，在高功率時(shí)具有大約1_的寬度，以及在低功率時(shí)具有大約500 μ m的寬度。在一些實(shí)施例中，加熱場(chǎng)可以是加熱等離子場(chǎng)。
[0091]在圖3中，至少一個(gè)纖維F被兩個(gè)纖維座(ΠΠ和--2)把持或固定。纖維F被布置為穿過加熱場(chǎng)，如圖所示。在優(yōu)選實(shí)施例中，電極基本垂直于纖維F。在該實(shí)施例中，纖維F可以被認(rèn)為在Z軸上，如圖5所示，以及多電極熱源可以在X-Y平面中。盡管當(dāng)前為優(yōu)選的實(shí)施例，但是不是在所有實(shí)施例中都必須這樣布置。例如，存在這樣的實(shí)施例，其中加熱場(chǎng)相對(duì)于Z軸和纖維F成角度。
[0092]在該實(shí)施例中，纖維F被牢固地把持在纖維座Hll和--2中。纖維座--2保持固定。然而，纖維座FHl被導(dǎo)致振動(dòng)。為了示出的目的，纖維座!7Hl耦接至作為振動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓電陶瓷。當(dāng)功率被施加至壓電陶瓷時(shí)，其振動(dòng)，使得纖維座FHl振動(dòng)。該振動(dòng)導(dǎo)致纖維F上的沿其軸(Z軸)的推和拉(推-拉)動(dòng)作。壓電陶瓷以可以被選擇性選入或編程至控制器的幅度和頻率振動(dòng)。該推和拉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致熱區(qū)內(nèi)的纖維區(qū)域中的快速擴(kuò)散。
[0093]圖6是類似于圖5的熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)500的熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)600的實(shí)施例的不意圖。然而，在該實(shí)施例中，多電極熱源布置了成“T”結(jié)構(gòu)的3電極。該實(shí)施例其他都類似于圖5的實(shí)施例。
[0094]圖7是根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的可編程熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)700的實(shí)施例。該可編程系統(tǒng)可以包括上述的熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)300、500、600，其耦接至可編程接口 710。除了其他在此討論的可選的可編程特征或參數(shù)之外，熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)300、500、600可以具有可編程的振動(dòng)幅度和頻率。編程可以被包括來(lái)應(yīng)用熱動(dòng)力擴(kuò)散至纖維的多于一個(gè)的區(qū)域，例如，在纖維內(nèi)產(chǎn)生單一擴(kuò)散分布。同樣，熱源的溫度可以被編程。在一些實(shí)施例中，熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)300,500,600包含或布置在至少部分真空中。
[0095]在一些實(shí)施例中，纖維組成、NA以及芯直徑可以是計(jì)算機(jī)輸入，以及一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率、熱區(qū)區(qū)域、熱源溫度以及擴(kuò)散分布可以由計(jì)算機(jī)確定。為了編程的目的，處理器、存儲(chǔ)器和控制器可以被配置為設(shè)置并控制這樣的參數(shù)。
[0096]圖8是根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的熱動(dòng)力擴(kuò)散方法800的實(shí)施例。如上所述，步驟802，纖維(或纖維束)的第一和第二部分分別使用第一纖維座和第二纖維座固定。第一纖維座連接至振動(dòng)機(jī)構(gòu)。第二纖維座可以保持固定。步驟804，熱源施加熱至纖維在兩個(gè)纖維座之間的區(qū)域。步驟806，振動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致第一纖維座振動(dòng)，纖維經(jīng)受由第一纖維座引起的推和拉。結(jié)果是，快速擴(kuò)散發(fā)生在纖維芯中。步驟808，當(dāng)在該區(qū)域中完成擴(kuò)散時(shí)，步驟810，確定是否熱動(dòng)力擴(kuò)散應(yīng)在另一限定區(qū)域中執(zhí)行，另一限定區(qū)域可能或可能不與先前區(qū)域重疊。例如，這對(duì)于在將被切割的纖維內(nèi)產(chǎn)生擴(kuò)散錐尤其有用，例如，在錐是纖維芯的熱擴(kuò)散的結(jié)果的情況下。
[0097]盡管上面描述了被認(rèn)為是最佳模式和/或其他優(yōu)選的實(shí)施例，但是應(yīng)該理解，可以對(duì)其進(jìn)行各種修改，并且本發(fā)明或多個(gè)發(fā)明可以以各種模式和實(shí)施例實(shí)施，并且可以被應(yīng)用在多個(gè)應(yīng)用中，僅部分這些應(yīng)用在此已經(jīng)被描述。所附權(quán)利要求旨在要求其字面描述及其所有等同物，包括落在每個(gè)權(quán)利要求的范圍內(nèi)的修改和變形。
【權(quán)利要求】
1.一種用于實(shí)現(xiàn)光纖中快速擴(kuò)散的熱動(dòng)力擴(kuò)散系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 第一纖維座，用于固定至少一個(gè)纖維的第一部分； 第二纖維座，用于固定所述至少一個(gè)纖維的第二部分； 振動(dòng)機(jī)構(gòu)，連接至所述第一纖維座，以及用于提供所述第一纖維座相對(duì)于所述第二纖維座的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)；以及 熱源，用于在所述振動(dòng)運(yùn)動(dòng)期間，施加熱至布置在兩個(gè)纖維座之間的所述至少一個(gè)纖維的一部分。
2.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)包括至少一個(gè)壓電致動(dòng)器。
3.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致所述第一纖維座的預(yù)定振動(dòng)。
4.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述振動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致所述至少一個(gè)纖維上的推-拉動(dòng)作。
5.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述第二纖維座保持所述纖維的所述第二部分相對(duì)于所述第一纖維座在固定位置。
6.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述振動(dòng)的頻率在大約ΙΗζ-ΙΟΟΗζ的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)在此任意其他權(quán) 利要求所述的系統(tǒng)，其中所述振動(dòng)的幅度在大約Iym-1OOym的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述振動(dòng)的幅度在大約1_25μπι的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱源產(chǎn)生圍繞所述纖維的基本相同的加熱場(chǎng)。
10.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱源具有大約Imm或更小的熱分布。
11.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱源是具有至少兩個(gè)電極的多電極熱源。
12.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱源包括3電極。
13.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱源是基本環(huán)繞所述至少一個(gè)纖維的圓周的絲狀熱源。
14.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱源是CO2激光。
15.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中接收熱的所述纖維的一部分是熱區(qū)，以及所述熱區(qū)寬于所述熱源的所述加熱場(chǎng)。
16.—種導(dǎo)致光纖中快速熱擴(kuò)散的方法，所述方法包括: 將至少一個(gè)纖維的第一部分固定在第一纖維座中； 將所述至少一個(gè)纖維的第二部分固定在第二纖維座中；以及 相對(duì)于所述第二纖維座振動(dòng)所述第一纖維座，同時(shí)向布置在所述兩個(gè)纖維座之間的所述至少一個(gè)纖維的一部分施加熱，以實(shí)現(xiàn)在所述至少一個(gè)纖維中的摻雜物的擴(kuò)散。
17.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的方法，還包括對(duì)所述纖維的多于一個(gè)區(qū)域執(zhí)行振動(dòng)和加熱。
18.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的方法，還包括使用可編程計(jì)算機(jī)控制振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率中的至少一個(gè)。
19.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的方法，還包括使用可編程計(jì)算機(jī)控制所述熱源的熱分布。
20.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的方法，還包括使用可編程計(jì)算機(jī)控制所述至少一個(gè)纖維的擴(kuò)散分布。
21.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的方法，還包括通過執(zhí)行所述振動(dòng)和加熱不超過大約I分鐘來(lái)在所述至少一個(gè)纖維中擴(kuò)散摻雜物。
22.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的方法，還包括通過執(zhí)行所述振動(dòng)和加熱不超過大約10秒鐘來(lái)在所述至少一個(gè)纖維中擴(kuò)散摻雜物。
23.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的方法，其中熱源產(chǎn)生所述熱來(lái)使基本相同的加熱場(chǎng)圍繞所述至少一個(gè)纖維。
24.根據(jù)在此任意 其他權(quán)利要求所述的方法，其中所述熱源具有大約Imm或更小的熱分布。
25.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的方法，其中所述熱源是具有至少兩個(gè)電極的多電極熱源。
26.根據(jù)在此任意其他權(quán)利要求所述的方法，其中所述振動(dòng)由具有在大約ΙΗζ-ΙΟΟΗζ范圍內(nèi)的振動(dòng)頻率的至少一個(gè)壓電陶瓷引起。
【文檔編號(hào)】G02B6/255GK103477260SQ201280007721
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月14日
【發(fā)明者】羅伯特·G·威利, 布雷特·克拉克, 約翰·羅沃 申請(qǐng)人:3Sae科技公司