研究人员利用三维打印技术提高光纤性能

研究人员使用一种被称为直接光投射（DLP）的3d打印方法来制作石英纤维预制件。他们为阶跃折射率纤维（a）和结构预制件（b）制造预制件。然后将这些预制件放置在一个拉斯塔（中间的图片）中，以制作最终的光纤（右侧）。橙色插图显示阶梯索引光纤的横截面。

 

研究人员已经开发出一种使用三维打印的方法来制造光纤的预制件，这种预制件可以被拉入硅玻璃光纤中，而光纤则是构成全球电信网络的主干构件。这种新的制造方法不仅可以简化这些光纤的生产，而且可以实现以前不可能的设计和应用。 

悉尼理工大学（University of Technology）的研究小组负责人约翰·坎宁（John Canning）解释说：“制造二氧化硅光纤涉及到在车床上纺制玻璃的劳动密集型过程，这需要光纤的纤芯精确居中。对于新型的制造工艺来说，无需将纤维几何结构居中。这消除了光纤设计的最大限制之一，并大大降低了光纤制造成本。” 

在光学学会（osa）期刊《光学快报》（optics letters）上，康宁集团与悉尼新南威尔士大学（university of new south wales）Gang-Ding Peng的研究团队合作，报道了第一种从三维打印预制件中提取的石英玻璃光纤。 

 “像3D打印这样的添加剂制造方法非常适合改变光纤设计和用途的整个方法，”坎宁说。“例如，这可以拓宽光纤传感器的应用范围，光纤传感器在寿命、校准和维护方面远远优于电子传感器，但由于其制造成本昂贵，尚未得到广泛应用。” 

聚合物三维印刷向玻璃的转化 

这项新的成果建立在先前的研究基础上，研究人员使用一种聚合物材料来展示第一种从三维打印预制件中提取的光纤。将这种方法应用于二氧化硅已被证明具有挑战性，因为巨大的材料挑战，包括三维打印玻璃所需的1900摄氏度以上的高温。 

 “多亏了材料和纳米粒子集成的新组合，我们已经证明了三维打印二氧化硅预制体的可能性，”坎宁说。“我们预计，这一进展将带来一系列活动，包括其他添加剂制造方法，以加速这一领域的发展。” 

在这项新的研究中，研究人员使用了一种商用的直接光投影三维打印机。这种添加剂制造非常精确，通常用于通过使用数字光投影仪聚合光反应单体来制造聚合物对象。为了制造一种二氧化硅物体，研究人员在单体中加入了二氧化硅纳米粒子，其含量为50%或更大（按重量计）。他们设计了一个三维打印的圆柱形物体，里面有一个孔作为核心。然后他们将聚合物和纳米颗粒的类似混合物插入孔中，这次在二氧化硅纳米颗粒中加入锗硅酸盐，以产生更高的折射率。这样，一系列掺杂剂的整合成为可能。 

接下来，研究人员使用一种称为去粘的独特加热步骤去除聚合物，只留下二氧化硅纳米颗粒，它们通过分子间作用力结合在一起。最后，提高温度进一步将纳米颗粒融合成一个固体结构，可以插入一个拉丝塔，在那里加热和拉丝形成光纤。 

研究人员利用他们的新技术制造了一种相当于标准锗硅酸盐光纤的预制件，这种预制件可用于制造多模或单模光纤，具体取决于拉伸条件。尽管他们确实观察到了最初制作的光纤中的高光损耗，但他们已经确定了这些损耗的原因，并正在努力解决这些问题。 

坎宁说：“这项新技术的效果出人意料地好，可以应用于一系列玻璃材料加工，以改进其他类型的光学元件。随着限制光损耗的进一步改进，这种新方法有可能取代传统的基于车床的石英光纤制造方法。这不仅可以降低制造和材料成本，还可以降低劳动力成本，因为工艺培训和制造危险都减少了。” 

研究人员有兴趣与一家主流的商业光纤制造公司合作，改进这项技术并使其商业化。他们还计划探索其他加速三维打印的方法，方法是针对不同的应用进行优化。 

原文来源：https://phys.org/news/2019-10-d-glass-optical-fiber-preform.html