專利名稱：利用振動電極的多電極系統的制作方法
技術領域：
本發明的思想涉及光纖光學領域，且尤其涉及用于熔接和剝除光導纖維的系統和方法。
背景技術：
光導纖維熔接器一般采用放電以基本加熱光纖以使他們融合在一起。在工業中該放電被稱為“電弧”。但是，根據一些資料，當前層的放電不是實際電弧，而是產生熱等離子場的冠狀放電。最近，相同類型的電弧已經適用于從光纖剝除涂層并從機械地剝除的光纖清除剩余的碎片。在圖IA中，電弧106在一對電極102、104的銳利的尖頭之間形成以加熱光纖110，眾所周知，其中電極102、104被Imm到IOmm的間隔隔開。如圖IB所示，要求較大的電極間隔來產生電弧126以用于立即熔接多個光纖(例如，光纖帶)，且用于較大直徑光纖130。一些連接器的光學設計還可以要求電極間隔“間隙”更大以為了阻止電極122、124物理上堵塞光導纖維路徑。電極一般由鎢制成。但是，在一些情況下，鈰或釷與鎢合成。這些元素降低了電極的熱電子工作功能，這使電子更容易地離開電極的表面。這允許放電用較低的初始電壓啟動。可替代的，能夠提供外部離子源以幫助啟動電弧(例如，3SAE技術公司的離子增強冷等離子技術)。能夠提供具有普通鋼化電極且無外部電離的合適的電弧，但是電弧的可重復特性通常是低的。應用到電極的電壓可以是DC(直流)(一般結合較小的電極間隔)或交流(AC)(其允許電極頭之間的較大間隔達到IOmm或更大)。要求啟動放電的電壓由帕邢定律(Paschen’sLaw)確定，該定律涉及電極之間的間隙的擊穿電壓與間隙中的當前氣體(例如，通常一般的空氣)(復雜的和非直線的)功能、壓力、濕度、電極形狀、電極材料、和間隙距離的關系。應用帕邢定律到本系統而要求的許多參數是未知的，所以很少的連接器電弧的定量理論分析已經進行。通常，啟動電壓在實驗上被確定在5kV到30kV的范圍內。一旦電弧被啟動，放電中等離子的持續電離要求的電壓比初始應用的電壓低。作為電路元件的等離子阻抗(即，應用的電壓與電流的比例)難以預知。連接器電弧疑似在一些頻率和電流級別展現負阻抗。這些特征使連接器電弧的“恒定電壓”操作很難實現。因此，大部分這種系統被控制用于提供恒定的平均電流。合理預測方式與觀測的功率的關聯傳遞了光纖的放電和綜合溫度。為了給不同光纖類型提供正確加熱，且為了補償條件差異，提供改變傳遞給光纖的電弧功率的裝置是有用的。這能夠通過改變傳遞給持續電弧的電流(利用上文提到的控制電路)或通過啟動和關閉的脈沖電弧來完成。 大部分普通光導纖維直徑是80 μ m到125 μ m (不包括外部涂料),如圖IA中所示。然而，如高功率光纖激光器的一些應用要求光纖直徑達到Imm或更多。大部分熔接器將不接受直徑大于200 μ m的光纖。用于大直徑光纖(LDF)的專業連接器依賴設計特征具有各種最大直徑能力。用于LDF的較大末端(>600 μ m)范圍的成功連接器通常已經使用電阻絲加熱或激光加熱而不是電弧。對于這些大尺寸光纖，光纖材料的介質性質能夠使電弧圍繞光纖彎曲，而不是將光纖的整個圓周包裹在等離子場中，如圖IB所示。這引起了光纖的不均勻加熱，并導致壞的結合特性。使用圓弧剝除光纖的設備還能夠承受不均勻的加熱效果。這些“電弧剝除器”通常放置在使光纖剛剛處于等離子場的外面(上面或下面)的位置，以使來自電弧的加熱引起涂層的分解。這必然引起光纖的一邊比另一邊熱。對于大多數涂層，這不是問題。然而，一些涂層具有相對狹窄的溫度窗口以用于有效移除且能夠受益于更均勻的加熱分布。
發明內容
提供的使用多電極的系統和方法產生用于一根或多根光導纖維的熱處理的電弧，包括但不局限于熔接、退火、擴散、剝除、拉錐(tapering)和消融，或將它們組合。這種系統和方法也可以用于其他應用和環境，如用于制作光導纖維接頭。這種多電極系統和方法可以使用多個電極的一個或多個的振動以擴大等離子場，同時持續保持執行以上功能的足夠的功率。根據本發明，多電極系統可以是三相系統，該系統被配置成在周圍環境、或局部或完全真空中操作，具有多個電極的一個或多個的振動或隔離。這種系統和方法具有多個益處。例如，當在局部或完全真空中提供這種系統和方法時，由于對流的消除(或減少)提供了增強的等離子場的等溫的穩定性。與常規系統和方法比較，在來自等離子體的熱度上升的情況下(在大氣壓下)，生成向上的輕微波動，其可以破壞等離子體并改變等離子的熱量平衡或輕微地改變部分被加熱光纖的位置。當在局部或完全真空中提供這種系統和方法時，由于對流的消除(或減小)還提供了增強的等離子場的等溫范圍。與常規系統和方法比較，在來自等離子體的熱度上升的情況下(在大氣壓下)，生成向上的輕微波動，其可以破壞電極之間的離子路徑。該破壞將在空氣中動搖及熄滅(extinguish)等離子體，否則完全穩定在真空或局部真空中。因為空氣是絕緣體，所以在真空或局部真空中電極之間的電介質被大幅減少。該電介質減少允許電弧被啟動并維持在遠低于在空氣中能達到的功率級。當在局部或完全真空中提供這種系統和方法時，這種系統和方法還提供減少的電極氧化。通過在等離子體產生期間降低當前氧氣等級電極將以很慢的速度磨損。當在局部或完全真空中提供這種系統和方法時，這種系統和方法提供了消除燃燒。如丙烯酸酯(大部分普通光纖涂料)的一些光纖涂料在空氣中大氣壓下是易燃的，并且如果暴露于標準電弧其可能燒毀。當同樣的過程在真空或局部真空中實施時，氧氣的缺乏阻止了涂料的燃燒從而允許以加熱的方法使涂料脫落(類似于“爆炸技術”的過程)。根據本公開的一個方面，提供的是多電極系統，該系統包括光纖支撐架，該光纖支撐架支撐至少一根光導纖維；多個電極，該多個電極被排布以產生加熱場來加熱所述至少一根光導纖維；以及振動裝置，該振動裝置使來自多個電極的至少一個電極振動。所述至少一根光導纖維可以是具有至少約125微米直徑的至少一根大直徑光導纖維。所述至少一根光導纖維可以是多根光導纖維。
所述振動裝置可以將加熱場的寬度擴大到高斯熱剖面(Gaussian thermalprofile)的最大值的整個一半。在一些情況下，多個電極的至少兩個電極可以被振動。在其它情況下，所有多個電極可以被振動。所述系統可以進一步包括控制器，該控制器控制由振動裝置引起的電極振動。所述振動裝置可以是或包括至少一個壓電致動器。振動裝置的振動頻率可以大于OHz但不大于約IOHz。所述多個電極可以是兩個電極。所述多個電極可以是三個電極。所述多個電極可以是四個電極。所述多個電極可以在相鄰的電極之間產生等離子弧且加熱場可以是加熱的等離子場。所述加熱的等離子場可以是基本均勻加熱的等離子場。所述基本均勻加熱的等離子場可以具有至少約65°C的溫度。所述基本均勻加熱的場可以產生至少約1600°C的光纖表面溫度。所述基本均勻加熱的場可以產生至少約3000°C的光纖表面溫度。所述基本均勻加熱的場可以產生用于剝除光導纖維的約25°C到約900°C范圍內的光纖表面溫度。該多個電極可以被安排在至少局部真空中。該電極可以在被安排在22〃到24〃Hg表壓真空，200到150托絕對真空。該局部真空可以是富氧局部真空。多個電極的至少兩個之間的距離可以是可調節的。根據本發明的另一方面，提供的是多電極系統，該系統包括光纖支撐架，該光纖支撐架支撐至少一根光導纖維；多個電極，該多個電極被排布以產生基本均勻加熱的等離子場來加熱至少一根光導纖維；以及振動裝置，該振動裝置使來自多個電極的至少一個電極振動，其中該振動裝置使基本均勻加熱的等離子場的寬度擴大到高斯熱剖面的最大值的整個一半。根據本發明的另一個方面，提供的是一種產生用于處理至少一根光導纖維的加熱場的方法。該方法包括將至少一根光導纖維支撐在光纖支撐架；使用多個電極，產生加熱場以加熱至少一根光導纖維；以及振動來自多個電極的至少一個電極。所述至少一根光導纖維可以是具有至少約125微米的直徑的至少一根大直徑光導纖維。所述至少一根光導纖維可以是多根光導纖維。振動所述至少一個電極可以將加熱場的寬度擴大到高斯熱剖面(Gaussianthermal profile)的最大值的整個一半。所述加熱場可以是基本均勻加熱的等離子場。所述方法可以包括將安排多個電極在至少局部真空中。 所述多個電極可以是兩個電極。所述多個電極可以是三個電極。所述多個電極可以是四個電極。在一些情況下，所述方法可以包括振動多個電極的至少兩個電極。在其他情況下，所述方法可以包括振動所有多個電極。
附圖通過示例的方式描述了優選實施例，但并不限于此。在附圖中，同樣的參考數字指的是相同或類似的元件。圖IA和圖IB是用于熔接光導纖維的現有技術的雙電極布置的圖，圖I中顯示了具有小直徑的光纖及圖IB顯示了具有大直徑的光纖。圖2A是顯示了根據本發明的幾個方面的多電極布置的實施例的圖。圖2B是顯示了可以與圖2A的實施例一起使用的電極支架和光纖支架的框圖。以及圖2C是顯示了具有振動電極的兩個電極布置的實施例。圖3是顯示了圖2A和2B的實施例的三個電極的相對正弦相位的曲線圖。圖4是顯示了為了達到圖3的結果應用到一組變壓器初級側的電流的優選波形的曲線圖。圖5是用于驅動圖2A和2B的三個電極布置的電流的實施例的示意圖。圖6A是顯示了根據本發明的幾個方面的多電極布置的另一實施例的圖。圖6B是顯示了圖6A的實施例的側視圖的圖。圖6C是顯示了圖6A-B和2A_B中通過振動電極產生的等離子場的高斯熱剖面的圖形。圖7是用于驅動圖6的三個電極布置的電路的實施例的示意圖。圖8是描述能夠由圖7的微控制器單元實施的實時控制算法800的實施例的流程圖。圖9A和9B是顯示了根據本發明的幾個方面的三個電極布置的另一實施例的圖。圖IOA和IOB是顯示了根據本發明的幾個方面的三個電極布置的另一實施例的圖。圖IlA-H顯示了根據本發明的幾個方面的四個電極布置的多個實施例。
具體實施例方式應當理解，雖然術語第一、第二等能夠在此用于描述多種元件，但是這些元件不應被這些術語限制。這些術語被用于一個元件與一個元件的區別，但不意味著元件必需的順序。例如，第一元件可以被叫做第二元件，并且類似地，第二元件可以被叫做第一元件，而不背離本發明的范圍。如于此使用的，術語“和/或”包括列出的一個或多個相關聯的術語的任何及所有組合。應當理解當元件被稱為在另一元件“上”或“連接”或“耦合”到另一元件時，其可以直接在其它元件上或連接或耦合到其它元件或可以出現介于中間的元件。與此相反，當元件被稱為“直接在另一元件上”或“直接連接”或“直接耦合”到另一元件時，不存在介于中間的元件。用于描述元件間的關系的其它詞語應該以同樣的方式解釋(例如，“之間”與“直接之間”，“鄰近”與“直接鄰近”等)。于此使用的術語僅僅為了描述特定實施例的目的而不意圖限制本發明。如于此使 用的，除非上下文清楚指示，否則單數形式“一個”、“該”和“所述”還意圖包括復數形式。還應當進一步理解，當在此使用術語“包含”和/或“包括”時，指定規定特征、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或多個其它特征、步驟、操作、元件、部件和/或它們的組合的存在或添加。根據本發明的幾個方面，提供的是具有多電極布置的系統，被配置用于傳遞關于光導纖維的基本均勻分布的加熱。如本領域的技術人員應當理解，于此描述的技術適用于提供用于熔接和/或剝除光導纖維的電弧。這種多電極系統在其它環境和應用中也是有用的，如熱處理、擴散、拉錐和消融。這種系統和方法在其它應用和環境也是有用的，如用于制作光導纖維接頭。通常，任何前述的或它們的組合可以被稱作多電極系統、光纖制備系統或多電極光纖制備系統。在說明的圖2A的實施例中，多電極系統200包括三個電極202、204和206，該三個電極可以被安排在至少一個光纖210周圍。這里該電極以“Y”形顯示，具有顯示的光纖210的橫斷面視圖。也就是說，光纖210將向頁面外部延伸，實質上垂直于多電極布置。盡管未示出，但至少一個光纖210由光纖支撐器(或支架)支撐以使光纖能夠被安排在電極202、204和206之間。如果至少局部真空被使用，則光纖的末端部分可以通過適當的已知密封裝置離開真空包圍(如果需要)。這種光纖支撐架在本領域是已知的。 在一些實施例中，電極202、204和206還可以被安排在至少局部真空中，如通過虛線220顯示的。在22〃到24〃Hg表壓真空(例如，200到150托絕對真空)的局部真空中，已經達到與65°C —樣涼的等離子溫度。室溫等離子體還可以處于較高真空級別。對于一些光纖涂料，該過程可以在富氧局部真空中利用冷等離子體(低于400°C)通過剝除光纖而被增強(例如，更好和更快的結果)。該方法將涂料從光纖上腐蝕掉，對抗熱解移除，可以減少光纖并在剝除窗口的表面留下成炭(即碳)。無論電極202、204和206是否被安排在至少局部真空中，通過放置三個尖的電極，來自等邊三角形的頂點的輸出圍繞連接區，在該連接區內至少一個光纖可以被放置，這可以在光纖210的圓周周圍提供非常均勻的分布的加熱。通過用“三相”配置的高頻(例如，30kHz) AC電壓驅動三個電極202、204和206，產生三個單獨的電弧，在圖2A中稱作電弧212、電弧214和電弧216。
在圖2A的實施例中，光纖210完全地被等離子弧212、214和216環繞，提供具有非常均勻加熱分布的加熱的等離子場218。應該理解根據本發明的幾個方面的系統和/或方法能夠引起類似于由使用少于三個電極的系統和方法產生的光纖表面溫度，但是這樣做提高了一致性。例如，根據本發明的幾個方面的系統可以引起等離子場，該等離子場足夠產生大約25-900°C的范圍的光纖表面溫度以用于剝除且達到大約1600°C或更高的溫度用于熔接。例如，已經達到超過3，000°C的溫度。但是，如果通過光纖、光纖涂料、環境條件和/或其它相關參數的物理學來描述，可以產生達到其它光纖表面溫度的等離子場。電極202、204和206可以相當接近光纖210，這將直接將光纖暴露在等離子場218。可替代的，電極202、204和206可以進一步遠離，由于等離子的輻射熱這將加熱光纖(這可以更適合于剝除/清除操作)。在多個實施例中，多電極系統可以具有多個設置，如，每個用于熔接和/或剝除大光纖和小/標準光纖的。在多個實施例中，多電極系統200可以被配置成用于在位置范圍內調節電極202、204和206之間的距離。在多個實施例中，多電極設備能夠根據光纖尺寸和預期的操作檢測光纖尺寸和自我定位的電極202、204和206， 例如，熔接、熱處理、擴散、剝除、拉錐、消融或制作接頭。例如，參見圖2B。對于剝除一些光纖涂料，如實例，將其直接暴露于電弧等離子體是有益的。等離子場內的電離氧原子使涂料氧化并將其燒蝕。電極間隔可以被配置成將涂料表面直接暴露與等離子體。否則，使用該效果的方法等價于用于通過熱分解剝除的那些方法。電極202、204和206可以被放置在顯示的“一下，兩上”的配置中，或根據光纖附近的其它物品(如連接器中的光導系統的透鏡)的要求而反轉。可替代的，根據各種應用，電極202、204和206可以被放置在水平面中，或不規則地被隔開或成角度的排布。在該實施例中，電極202、204、206被環270支撐(或附著在環270上)，該環還可以被稱為電極支架。環270耦合或附著到振動裝置272，或由振動裝置272支撐。該布置以使振動裝置272引起環270的振動，環270的振動的循環引起電極202、204、206的相應的振動。在該實施例中，環270具有開口，該開口能夠使光纖210容易地載入電極202、204、206之間。振動的電極202、204、206可以具有一定的益處，尤其，擴大等離子場的寬度。到目前為止的試驗已經顯示出當電極振動時高斯熱剖面沿著光纖210的軸生成。振動的各種方面更加詳細的討論參考圖6A-C。用于利用常規兩個電極系統改善和控制電弧性能的已知的各種技術還可以應用或適用到實施例，包括脈寬調制、離子注入、反饋控制等。電極還可以安裝防護物或聚焦套筒或意圖改變電弧分布的其它技術。還可以使用已知的利用插入等離子場附近的電介質的電弧彎曲技術。本發明的原則還可以延伸到四個或更多電極的系統。圖2B顯示了與如上所述的圖2A中的系統一起使用的電極支架和光纖支架的實施例。作為電極支架的環270可以用于維持電極202、204、206在關于軸的預期定位中，在該軸上至少一個光纖210可以被安排用于熔接、熱處理、擴散、剝除、拉錐、消融或用于制作光導纖維接頭。振動裝置272 (如圖2A中所示)還可以用于有選擇地振動環270，或電極致動器274可以被用于振動電極202、204、206的一個或多個電極。至少一根光導纖維210被光纖支架234支撐并維持在位置上。環270可以包括電極致動器274，該電極致動器274配置成調節電極202、204和206相對于至少一根光導纖維210的距離。電極致動器274還可以被配置成根據至少一根光導纖維的直徑自動地調節電極到該至少一根光導纖維210的距離，例如，使用連接到控制器230的壓電致動器。控制器230可以包括微處理器和存儲預定義設置的存儲器，該預定義設置用于電極配置和/或取決于光纖尺寸的與光纖的距離和/或將要進行的處理，例如，熔接、熱處理、擴散、剝除、拉錐、消融或制作光導纖維接頭。圖2C·是顯示了在至少局部真空中兩個電極布置的實施例，如于此描述。也就是說，根據本發明的幾個方面，這種電極布置還可以得益于這種真空中的操作。在至少局部真空中，兩個電極還可以完成具有基本均勻加熱分布的等離子場。另外，電極102、104的一個或多個可以耦合到振動裝置103、105，例如，用于創建較寬的等離子場。振動裝置103和105可以是以下形式裝置在控制器230同時控制下兩個振動裝置，或被分別控制的兩個振動裝置。圖3是顯示了可以在電極202、204和206提供以用于生成如圖2A所示的三相電弧的電壓的示例的曲線圖300。顯示的示例具有20kV的峰峰電壓的約22kHz的總頻率。圖·形312用于電極202，圖形314用于電極204，以及圖形316用于電極206。在該實例中，在電極204和206之間0μ s時存在電弧，參見圖形314和316。在大約6μ s時，該電弧轉移到電極202和206之間的空間，參見圖形312和316。在13 μ s時，該電弧移動到電極312和214，參見圖形312和314，等等。在任何給出的時間，電弧應該出現在兩個電極之間，該兩個電極之間具有最大的電勢的差異。旋轉相序發生的太快以至電弧不斷地出現，并提供基本恒定的加熱，作為光纖和環境空氣的熱量時間常數基本比電弧擺動的時期長。如在背景信息中注意到的，很難實際控制在電極處的電壓。但是，控制到升壓器的初級側的電流的更多實踐方法可以應用于解釋實施例。圖4顯示了應用到變壓器初級側的電流的優選波形的曲線圖400。該驅動電流的系統將產生輸出電壓波形，該波形大致與圖3中示出的那些波形一致，產生可控制的三相電弧。用于變壓器的初級側驅動電流要求配置在O度相位、120度相位和240度相位的三個波形。這些可以由眾所周知的數字或如環形計數器的模擬裝置產生。在曲線圖400中，圖形412用于電極202，圖形414用于電極204，以及圖形416用于電極206。圖5是配置成驅動圖2A中的三個電極202、204和206布置的電路500的實施例的示意圖。六個D類型觸發器D1-D6被配置成實施循環移位寄存器。短啟動脈沖502應用于初始化電路500。初始時，電極202為正而電極204為負，但是隨后每個序列通過各種相態。如示例，在該實施例中總頻率可以是132KHz的時鐘頻率的1/6。在其他實施例中，其可以不同，優選地維持基本一致或均勻加熱的等離子場。電流控制電路(未示出)可以取代CD4050 緩沖器 510、512、514、516、518 和 520。所需電壓可以從三個單獨的10CT:780高壓變壓器522、524和526產生，或者從纏繞在單芯上的諧調LC (電感電容)配置產生。三個變壓器522、524和526次級側還可以以“三角”結構連接，其中該次級側的線圈連接在相鄰的電極對之間，而不是參考如圖5中的接地。在圖5 中，MOSFET 530、532、534、536、538 和 540 驅動變壓器 522,524 和 526。根據本發明的各方面，多電極系統可以包括死區(dead-band)特性以用于在驅動變壓器/MOSFET 530、532、534、536、538和540中通過防止“正驅動”和“負驅動”裝置之間傳導的重疊來增加效率并減少損耗。該死區特性還可以提供用于調節電弧功率的裝置(例如，通過改變死區的寬度)。通過允許現存電弧在相序中建立下一個電弧前暫時熄滅，該死區特性還可以使清潔器能夠在電弧狀態之間轉換。死區特性可以通過產生所控制的電流波形來實施，以包括循環周期的1%到49%的兩個死區，其中基本沒有電流流過變壓器的初級側。三個電極系統的另一實施例可以產生與參考圖2A的以上所述的三個電極的系統基本相同的特性，但是具有一個接地電極以及兩個供電電極。圖6A顯示了具有一個接地電極和兩個供電電極的多電極系統600的例證性實施例，該系統壓可以被安排在至少局部真空620中。在這種情況下，圖6A的實施例可以具有與參考圖2A的實施例的以上所述的益處一致。于此，電極602、604、606被用于產生電弧612、614、616，其輪流生成圍繞安排在電極之間的至少一個光纖610的等離子場。
在參考圖2A描述的三電極系統300中，電極202、204和206的每個由電壓波形驅動，其中三個電壓波形在相位中成120°分隔。這產生電弧212、214和216。在該實施例中，電極602和604同軸定向以與電極606形成“T”結構。如果電極以120°彼此分隔而被定向，則該執行與圖2A的實施例基本相同。但是，對于該實施例，該配置更加緊湊，例如，更適合于整合入熔接器，而不犧牲性能。現在知曉公開的益處的本領域的技術人員將理解可以使用其他的電極定向。在圖6A呈現的實施例中，電極606是接地的。如果電極602和電極604每個由同樣的波形驅動，在0°相位處，將不形成電弧612，因此在電極602和604之間將不存在電勢差異。將形成兩個相同電弧，即電弧614和616，并形成“V”形。如果電極606保持接地，且電極602和606由相反極性(S卩180°相對相位)的電壓波形驅動，則只形成電弧612。這是因為電極602和604之間的電勢差異是電極602和604的任何一個與接地電極606之間的電勢的兩倍。考慮到以上情況，在應用于電極602和604的電壓波形之間的一些特定相位分離程度(在0°到180°之間)時似乎合乎邏輯(電極606接地)，這樣所有三個電弧612、614、616將以基本相同的強度的形成。理論分析(基于矢量運算)提示這將發生在60°相對相位。在實施中，已經發現必須在大約40°和160°之間改變相位，這是基于各種實施因素，如驅動波形的頻率和功率以及電極的間隔和環境。以基本相同強度形成的電弧612、614和616中，基本均勻加熱的等離子場618在至少一根光導纖維610的周圍產生。在該實施例中，電極602、604、606被支撐在、耦合在或安裝在環670，類似圖2A的環270。環670被耦合或附著到振動裝置672或由振動裝置672(類似振動裝置272)支撐。環可以由任何各種材料制成，該材料在預期加熱范圍維持結構的完整性，如陶瓷。圖6B是顯示了圖6A的多電極系統600的側視圖的圖。在該實施例中，環670支撐在振動裝置672上。振動裝置被排布成使環670在范圍或距離Ad內前后振動。電極602、604、606經受:相應的振動,該振動擴大由電弧612、614、616引起的等尚子場618。因此,可以調整等離子場的寬度。振動裝置可以是任何各種類型的振動裝置，如例如壓電致動器，該致動器響應于應用的AC電壓經受膨脹和收縮形式的振動。在本實施例中，壓電致動器可以由水晶、陶瓷或其它壓電材料，或它們的組合制成。該壓電可以建立在彎曲階段中以提供精確的線性運動。為了說明的目的，圖6C顯示了兩個如高斯曲線等離子場的熱剖面。這里，Y軸表示溫度及X軸表示自電極的距離，且曲線的中心表示O距離。首先，狹窄的等離子場的熱剖面由實線表示，并且當電極不振動時產生。其次，較寬的等離子的熱剖面由虛線表示，并且當電極振動時產生。例如，參考圖6A的實施例，沿著光纖610的軸的等離子場618的熱剖面大大地寬于在電極602、604、606都不振動時的等離子場。振動的電極導致較寬的等離子場的熱剖面；功率也優選地被添加以維持等離子場處于不振動的電極的實施例的最大值處。本發明不限于圖6C中所示的剖面，由于這些可以通過功率、振動頻率和振動范圍的調整而改變。圖7是用于驅動圖6的三個電極600布置的電路700的實施例的示意圖。圖7中的實施例在緩沖器、MOSFET和變壓器方面類似于圖5，但是與圖5不同，圖7中第三個電極接地且不包括緩沖器、MOSFET和變壓器電路。 在圖7的實施例中，打開和關閉驅動MOSFET 732、734、736和738的信號可以由可編程微控制器單元750產生，并且經由緩沖器710、712、714和716提供。如實例，MOSFET驅動器732、734、736和738可以是MC34151 (或類似的)MOSFET且微控制器750可以是由微芯片公司(Microchip, Inc.)制造的PAL18F2520。該實施例的電路允許驅動信號的持續時間和相位關系的實時控制和調整。該實時調整可以以維持電弧612、614和616在強度上基本一致為目標或為了各種目的而故意改變它們的相對強度來進行。為了微控制器750能夠檢測電弧強度。小值電阻Rl (例如100歐姆(Ohm)電阻)可以與串聯連接返回地面的每個驅動信號。電阻Rl兩端的壓降正比于由電極602提供的電弧電流。為每個電極提供檢測電阻Rl。例如，來自電極602的20mA電流將在IOOOhm檢測電阻Rl的兩端產生2V的信號。檢測電阻信號是高頻交流電壓的形式。可以對信號整流和濾波以產生DC電壓，直流電壓更適合于通過微控制器單元750的測量。顯示的簡單整流/濾波網絡包括二極管D、兩個電阻R2和R3、以及電容器C，該網絡提供給三個電極的每個電極。該網絡產生電壓，該電壓正比于檢測電阻電壓的絕對值的算術均值(即平均值)。如果要求更大的精確度，眾所周知的裝置可以被用于產生正比于檢測電阻電壓的算術均值(例如，均方根或RMS)的電壓。該RMS值是傳遞至電弧的功率的更好的測量，在一些應用中該RMS值是重要的。對于實施例的另外的改善可以將使電源為可調節的，如圖7中所示為“12V”。本領域熟知的可調節的“降壓調節器”電路可以調節電壓從12V降到很低的電壓(例如，IV)或任何期望的中間電壓。當需要很低功率的電弧時這可能是有用的，因為已經發現MOSFET (獲得低功率操作的現有方法)的很低的脈寬可以導致不穩定電弧操作。可替代的，較低輸入電壓和/或較低變壓器的升壓比可以結合增壓類型的調節器使用以提供等效的電壓范圍。圖8是描述能夠由圖7的微控制器單元750實施的實時控制運算800的實施例的流程圖。該控制運算800執行檢測的電極602、604和606的每個電極的電流(在圖7和8中表示為電流I、I2和I3)的評估。在該方法中電極602、604和606的脈寬基于檢測電流I1^ I2和I3是否基本等于電流Isrt而調節，電流Isrt表示微控制器單元設置的起始電流。
特別的，在步驟802中，起始電流設置加入了電極602/604和606，包括起始電流IsetO在步驟804中，確定是否I1=I215如果答案為“是”，則方法繼續到步驟810。如果在步驟804中，I1O2則進程繼續到步驟806，在步驟806用于電極602的脈寬被增加。如果在步驟804中，I1M2則進程繼續到步驟808，在步驟808用于電極604的脈寬被增加。如步驟804 一樣，在步驟806、808后，進程繼續810。在步驟810中，確定是否I3=I1, 12。如果答案為“是”，則進程繼續到步驟816。如果在步驟810中，I3M1, I2，則進程繼續到步驟812，在步驟812相差增加。如果在步驟810中，I3O1, I2，則進程繼續到步驟812，在步驟812相差減小。如步驟810 —樣，在步驟812、814后，進程繼續到步驟816，在步驟816確定是否I1' 12、I3=Iseto如果答案為“是”，則進程繼續到步驟804且被重復。如果在步驟816中，IpI2J3Mset則在步驟818中用于電極602和604的脈寬被減小。如果在步驟816中，IpWIset則在步驟820用于電極602和604的脈寬被增大。在每種情況中，然后進程繼續到步驟804且被重復。顯然，存在電極其他可能的布置且其在本發明的思想和范圍內。在改變光纖的加 熱模式或可替代布置促進關于大型系統中的其他設備的電極的定位的環境中，這些可替代的排布可以是更合適的。圖9A (仰視圖)和9B (側視圖)是顯示了根據本發明的幾個方面電極布置的另一實施例的圖。在這些附圖中，顯示了三個電極光纖系統900，該系統900包括位于水平面中的電極902、904和906，以使電弧912、914和916在相同的平面產生。光纖910安排在該平面的上方，以使其基本被來自電弧區域的熱量的向上的對流加熱。在該實施例中平面間的距離范圍將是Imm-lOmm。電極可以被配置成“Y”結構、“T”結構或者如應用所需或可能方便的其它結構。例如，四個電極可以放置成矩形電弧排列，或五個電極可以被排布成五角形。電極902、904、906的一個或多個電極可以被耦合到振動裝置903、905、907 (如上文所述)。圖IOA (仰視圖)和IOB (側視圖)是顯示了根據本發明的幾個方面的三個電極布置的另一實施例。在這些附圖中，顯示了三個電極光纖系統1000，其包括產生電弧1012、1014和1016的電極1002、1004和1006。光纖1010可以如電極1002、1004和1006被安排在同一平面(例如，垂直平面)。在該布置中，光纖1010與電弧1012、1014和1016的至少兩個電弧交叉。在這種方式中，光纖將沿著它的長度的較大部分被加熱，即使周圍的加熱分布與其它實施例中不同。電極902、904、906的一個或多個電極可以被耦合到振動裝置903、905、907 (如上文所述)。圖IlA-H顯示了根據本發明的幾個方面使用四個電極布置的多電極系統1110的多個實施例。在每個實施例中，顯示的電極1102、1104、1106和1108，并產生電弧1112、1114,1116和1118。電弧創建等離子場1119，該等離子場1119加熱至少一個光纖1110。電極可以被安排在至少局部真空1120中(如上所述)，但還可以使用不具有至少局部真空1120的實施例。電極1102、1104、1106和1108中的一個或多個電極可以選擇性地被安裝到振動裝置1172 (如上所述)。其它實施例可以去掉振動裝置和至少局部真空的一者或兩者。在圖IlA中光纖1110對于電極被正交定向且在圖IlB中光纖1110平行于電極的方式被定向。在圖IlC中，電極以交叉(“X”)布置的方式被定向。在圖IlD中，電極對于光纖1110被以對角線形式排布。在圖IlE中電極對在不同的平面被定向且光纖在第三平面定向，該第三平面穿過電極被定向的平面之間。在圖IlA-D的實施例中，電極可以都在相同的平面中。在圖IlA-C的實施例中，光纖可以像電極或接近平面的電極一樣在相同的平面。在圖11A-11E中顯示的任何實施例中，如果光纖1110被安排成好像由頁面延伸出，例如，基本垂直于頁面和場1119。如實例，圖IlF顯示了圖IlC的實施例，其中光纖1110延伸出頁面。圖IlG顯示了圖IlA或IlB的實施例，其中光纖1110延伸出頁面。以及圖IlH顯示了電極1102和1104成直線且電極1106和1108成一角度，以及光纖1110延伸出頁面的情況的實施例。圖IlH的實施例還可以與穿過電弧1112和1116、1114和1118的光纖1110 —起使用，或用于一些其它布置。這僅僅是可以替代電極和光纖的布置的示例。由于其維護多個所控制的電弧放電的唯一能力，本發明提供廣泛的各種布置。在三個電極實施例的任何一個中，圖5或7的電路可以用于驅動這樣的電極。盡管上文已經描述什么是考慮的最佳模式和/或其它優選實施例，但應該理解于此可以進行各種修改并且發明可以在各種形式和實施例中實施，以及他們可以應用在許多·應用中(僅僅其中的一些在此已經被描述)。通過所附權利要求意圖要求那些逐字描述的及另外所有等價物，包括落在每個權利要求范圍內的所有修改和變化。
權利要求
1.一種多電極系統,該系統包括 光纖支撐架，該光纖支撐架支撐至少一根光導纖維； 多個電極，該多個電極被排布以產生加熱場來加熱所述至少一根光導纖維；以及 振動裝置，該振動裝置使來自所述多個電極的至少一個電極振動。
2.根據權利要求I所述的系統，其中所述至少一根光導纖維是具有至少約125微米的直徑的至少一根大直徑光導纖維。
3.根據權利要求I所述的系統，其中所述至少一根光導纖維是多根光導纖維。
4.根據權利要求I所述的系統，其中所述振動裝置將所述加熱場的寬度擴大到高斯熱剖面的最大值的整個一半。
5.根據權利要求I所述的系統，其中所述多個電極的至少兩個電極振動。
6.根據權利要求I所述的系統，其中所述多個電極的全部電極振動。
7.根據權利要求I所述的系統，其中所述振動裝置是至少一個壓電致動器。
8.根據權利要求I所述的系統，其中所述振動裝置的振動頻率大于OHz但不大于約IOHz。
9.根據權利要求I所述的系統，其中所述多個電極是兩個電極。
10.根據權利要求I所述的系統，其中所述多個電極是三個電極。
11.根據權利要求I所述的系統，其中所述多個電極是四個電極。
12.根據權利要求I所述的系統，其中所述多個電極在鄰近的電極之間產生等離子電弧且所述加熱場是加熱的等離子場。
13.根據權利要求12所述的系統，其中所述加熱的等離子場是基本均勻加熱的等離子場。
14.根據權利要求I所述的系統，其中所述多個電極被安排在至少局部真空中。
15.根據權利要求14所述的系統，其中所述電極被安排在22"到24"Hg表壓真空，200到150托絕對真空。
16.根據權利要求14所述的系統，其中所述局部真空是富氧局部真空。
17.根據權利要求I所述的系統，其中多個電極的至少兩個電極之間的距離是可調節的。
18.—種多電極系統,該系統包括 光纖支撐架，該光纖支撐架支撐至少一根光導纖維； 多個電極，該多個電極被排布以產生基本均勻加熱的等離子場來加熱所述至少一根光導纖維；以及 振動裝置，該振動裝置使來自所述多個電極的至少一個電極振動，其中所述振動裝置使所述基本均勻加熱的等離子場的寬度擴大到高斯熱剖面的最大值的整個一半。
19.一種產生用于處理至少一根光導纖維的加熱場的方法，該方法包括 將所述至少一根光導纖維支撐在光纖支撐架中； 使用多個電極，產生所述加熱場以加熱所述至少一根光導纖維；以及 振動來自所述多個電極的至少一個電極。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述至少一根光導纖維是具有至少約125微米的直徑的至少一根大直徑光導纖維。
21.根據權利要求19所述的方法，其中所述至少一根光導纖維是多根光導纖維。
22.根據權利要求19所述的方法，其中振動所述至少一個電極將所述加熱場的寬度擴大到高斯熱剖面的最大值的整個一半。
23.根據權利要求19所述的方法，其中所述加熱場是基本均勻加熱的等離子場。
24.根據權利要求19所述的方法，該方法包括安排所述多個電極在至少局部真空中。
25.根據權利要求19所述的方法，其中所述多個電極是兩個電極。
26.根據權利要求19所述的方法，其中所述多個電極是三個電極。
27.根據權利要求19所述的方法，其中所述多個電極是四個電極。
28.根據權利要求19所述的方法，該方法包括振動所述多個電極的至少兩個電極。
29.根據權利要求19所述的方法，該方法包括振動所有所述多個電極。
30.根據權利要求19所述的方法，其中所述振動裝置是至少一個壓電致動器。
全文摘要
多電極系統，包括光纖支撐架，該光纖支撐架支撐至少一根光導纖維，多個電極，該多個電極被排布以產生加熱場來加熱所述至少一根光導纖維，以及振動裝置，該振動裝置使來自所述多個電極的至少一個電極振動。所述電極可以被安排在至少局部真空中。所述系統可以被用于處理多個類型的光纖，該處理包括，如熔接、剝除、熱處理、拉錐等。還提供相應的光纖處理方法。
文檔編號G02B6/25GK102918438SQ201080061587
公開日2013年2月6日 申請日期2010年1月15日 優先權日2010年1月15日
發明者R·G·威利, B·克拉克, J·C·邁茨勒, C·J·特勞特曼 申請人:3Sae科技公司