基于三维打印技术的光纤预制棒制备初步研究

摘要

熔融沉积成型技术是三维打印技术中的一种快速成型，采用层层累积的方式制作三维模型的工艺。三维打印技术最大的优势是直接将计算机中设计的模型打印成实体，不需要其他的加工步骤或成型模具，缩短了制造周期，降低成本，提升了生产效率。与传统的生产工艺相比，使用该技术能够制造出几乎任意的形状和更加复杂的产品。此外，它在医学、工艺品制造、建筑等领域具有非常广泛的应用，但是很少应用在光纤预制棒制备方面。
　　目前，有许多种制备聚合物光纤预制棒的方法。对于常规结构的光纤预制棒，采用挤压法，凝胶面聚合法和离心法制备。对于微结构光纤预制棒，采用棒或管的堆积方法、钻孔法、聚合物的铸造方法制备。但是，这些制备方法对于制造设备的要求较高，成本昂贵，费时费力而且还会消耗大量的材料，具有很多的局限性。与传统的光纤预制棒制备方法相比，使用熔融沉积成型技术制备光纤预制棒具有无需机械加工，耗时短，经济环保等优点。
　　本文中，为了充分地利用三维打印技术的这些优势，将三维打印技术与光纤制备技术相结合，提出了一种新型的聚合物光纤预制棒制备技术。该技术尝试选用两种透过率高、导光性好、折射率分布均匀的高分子材料分别作为制备光纤预制棒的纤芯和包层材料。通过对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、等多种材料的分析，最终选择ABS材料和PC材料分别作为聚合物光纤预制棒的包层和纤芯材料。在包层的制备过程中，分别调整打印机的打印层高、打印温度和打印速度，获得最优化的打印条件。通过手工抛磨的方法，获得与包层孔洞相匹配的纤芯。随后，对纤芯进行清洗、烘干等操作，将纤芯紧密的插入到包层中从而获得异形芯光纤预制棒。在光纤预制棒制备完成后，采用光纤拉丝塔进行拉制并对光纤损耗进行测量、分析。最后，对光纤内的传播模式进行理论分析，并使用COMSOL软件进行数值仿真。这项工作对于光纤制造业，医疗和光纤传感等领域具有积极的影响和重要的意义。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景

1．2课题研究的目的和意义

1．3三维打印技术概述

1．3．1基本原理

1．3．2国内外研究现状

1．3．3三维打印技术分类

1．4聚合物光纤概述

1．4．1聚合物光纤简介

1．4．2聚合物光纤的分类

1．4．3国内外研究进展

1．4．4聚合物光纤的应用

1．5本文的研究内容

第2章熔融沉积成型技术简介

2．1熔融沉积成型的基本原理

2．2熔融沉积成型系列三维打印机的构造

2．3三维模型的打印过程

2．4材料的选择

2．4．1聚乳酸(PLA)材料

2．4．2聚碳酸酯(PC)材料

2．4．3丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)材料

2．4．4纤芯材料

2．4．5包层和纤芯材料的折射率测量

2．5本章小结

第3章光纤的制备过程及损耗测量

3．1预制棒包层样品的制备

3．2预制棒包层的透明度优化过程

3．2．1打印温度对材料透明度的影响

3．2．2打印层高对材料透明度的影响

3．2．3打印速度对材料的透明度的影晌

3．3预制棒纤芯的制备过程

3．3．1圆形纤芯的制备过程

3．3．2正方形纤芯的制备过程

3．3．3三角形纤芯的制备过程

3．3．4矩形纤芯的制备过程

3．4预制棒包层和纤芯材料的透过率测量

3．4．1实验仪器和测量过程

3．4．2测量结果

3．5光纤的拉制过程

3．5．1光纤拉丝系统

3．5．2光纤拉丝工艺

3．6光纤损耗测量

3．6．1光纤的损耗测量过程

3．6．2光纤中的损耗产生的原因

3．7本章小结

第4章光纤内的传播模式理论及仿真分析

4．1阶跃型光纤中的严格解和矢量模

4．1．1阶跃型光纤中主要特性参数

4．1．2麦克斯韦方程组及波动方程

4．1．3纵向均匀光波导中场的纵横关系

4．1．4光纤中纵场满足的Bessel方程及其解

4．1．5阶跃型光纤包层和纤芯中的束缚态场

4．2阶跃型光纤中的束缚态场的特征方程和模式分析

4．2．1阶跃型光纤中的导模模式特性分析

4．2．2近截止情况下阶跃型光纤包层中的模式特性分析

4．3弱导光纤中的近似理论与线偏振模

4．4阶跃型光纤内的传播模式仿真

4．4．1 COMSOL Multiphysics有限元软件简介

4．4．2仿真结果及传播模式特性分析

4．5本章小结

结论

参考文献

硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢