光纖製程會直接影響光纖生成，進而影響光纖成品品質，尤其成品會殘留應力，會影響光纖的品質(因為會改變折射率)和機械強度，殘留應力一般和材料性質、冷卻過程與拉伸張力有關，以機械觀點來看，可能會造成預型體的破裂，對光纖來說，可能會降低強度和使用年限，以光學觀點來說，會造成材料的非等向性，導致折射率的失真，使光纖分散或是損失。
在製程中的高溫冷卻過程，光纖纖心(Core)和纖覆層(Cladding)因材料性質差異會相互擠壓，最後殘留應力在光纖內部，由於其不同的熱傳導及熱膨脹係數，都可能會造成預型體交界面的破壞以及光纖抽絲成品折射率的影響。由前人製作摻鉻預型體實驗結果可知，在石英與Cr4+：YAG晶體的界面上可能會因熱膨脹係數差異過大而破裂；根據研究，不同方向應力會造成光纖破壞或是折射率的改變。
本文主要是以數值模擬的方式，分別就預型體製程之冷卻過程及光纖抽絲自然冷卻段，評估高溫冷卻時不同材料性質對溫度場、熱應力分佈之影響，除了模擬計算出光纖與預型體溫度場及不同方向應力分佈之外，並由應力分佈情形得知纖心和纖覆層在交界面處有應力集中之現象。

Factors in fiber manufacturing procedures affect fiber’s production, and the fiber quality will be affected accordingly. The residual stresses, in particular, have a significant influence on fiber quality, due to the mechanical strength and the refraction rate that has been changed. Mechanically, residual stresses may cause ruptures in the preform, reducing the intrinsic strength of the fiber and its durability; optically, it may also cause anisotropic distortions of the refractive index profiles.
In the process of cooling under high temperature, fiber core and cladding will be compressed owing to the material difference and the residual stress will be in the fiber. Thermal conductance and thermal expansion coefficient contribute to the cracks on the interface and thus affect the refraction rate. Experiments have shown that quartz and Cr4+：YAG will rupture on the interface as a result of the huge thermal expansion coefficient. According to researches, stress in different directions will bring about fiber cracks or changes of the refraction rate.
This paper mainly investigates the influence of material properties on the temperature field and thermal stress distribution in the cooling process of fiber and preform manufacturing by numerical simulations. The results show the preform temperature profile and the stress distribution in different directions. Also, through the stress distribution, the stress is known to be centered on the interface between core and cladding.

中文摘要 I
Abstract II
表目錄 V
圖目錄 VI
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 光纖抽絲製程簡介 2
1-3 文獻回顧 3
1-4 研究動機及目的 5
第二章 理論基礎 7
2-1 ANSYS有限元素分析軟體 7
2-1-1 ANSYS軟體架構 7
2-1-2 ANSYS熱分析流程 8
2-1-3 耦合場分析流程 9
2-2 有限元素法分析理論 10
2-2-1 熱傳導與熱對流有限元素分析理論 12
2-2-2 應力和應變的關係 13
2-2-3 熱彈性有限元素法 16
第三章 問題描述與分析方法 20
3-1 問題描述 20
3-2 分析方法 20
3-2-1 基本假設 20
3-2-2 ANSYS分析步驟 20
第四章 數值分析的結果與討論 24
4-1 網格獨立測試 24
4-2 數值模擬的驗證 24
4-2-1 無摻雜光纖預型體自然對流冷卻 25
4-2-2 無摻雜光纖自然對流冷卻 27
4-3 摻鉻晶體光纖預型體自然對流冷卻 29
4-3-1 應力分析 29
4-3-2 溫度分析 31
4-4 摻鉻晶體光纖自然對流冷卻 31
4-4-1 應力分析 31
4-4-2 溫度分析 32
第五章 結論 34
參考文獻 36

[1] 王新榮，陳時錦，劉亞忠，“有限元素法及其應用”中央圖書出
版社，1997

[2] 李憲中編譯，“光纖利用技術”，文笙書局，1993

[3] 康淵、陳信吉 編著，“ANSYS入門”，全華圖書股份有限公司，
2007

[4] 黃光瑤(2003)，“摻鉻釔鋁石榴石晶體光纖之超頻寬自發輻射放大光
源之研製”， 國立中山大學光電工程研究所碩士論文

[5] 黃昱銘(2006)，“抽絲塔製程之摻鉻光纖”，國立中山大學光電工程
研究所碩士論文。

[6] 劉晉奇、褚晴暉 著，“有限元素分析與ANSYS的工程應用”，滄
海書局，2006

[7] 盧竹佑，2006，“摻鉻晶體光纖連接模組之溫度場與應力場數值分
析”，國立中山大學光電工程研究所碩士論文。

[8] Cherin, A.H.(1987)•“光纖概論”(林立德、高嵩岳、鄭文博 譯
述)•台北市 : 科技。(原著出版於1983)

[9] Gallagher, R. H.(1990)•“有限元素法”(李雅榮等譯述)•臺北市 :
科技。(原著出版於1975)

[10] Chen, P. Y. P., “ Thermalviscoelastic stress in cylinders due
to cooling down from high temperatures” Journal of Thermal Stress, vol.7,pp.197-205, 1984

[11] Davis, M. K., Digonnet, M. J. F., and Pantell, R. H., “Thermal effects on
doped fiber,” Journal of lightwave technology, Vol.16, No.6,pp.1013-1023,June 1998.

[12] Incropera, F. P. and DeWitt, D. P., “Fundamental of heat and mass
transfer,” fifth edition.

[13] Krohn, David A., “Determination of axial stress in clad glass
fibers” Journal of The American Ceramic Society, VOl. pp.505-507, 1970

[14] Knight, C.E.,“The finite element method in mechanical design”
PWS Publishing, Boston, 1993

[15] Zienkiewicz, R.L. Taylor, “The finite element method”,
Edition Vol. 1, Butterworth-Heinemann,2000.

[16] P. Kohnme, ANSYS help documentation, ANSYS, Inc

[17] Paek, U. C., and Kurkjian, C. R., “Calculation of cooling rate
induced stresses in drawing of optical fibers” Journal of The American Ceramic Society, vol.58,No. 7-8, 1975

[18] Pagnotta L, Poggialini A., “ Measurement of residual internal
stresses in optical fiber preforms” Society for Experimental Mechanics,43(1):69–76, 2003

[19] Scherer, G. W ., “Thermal stresses in a cylinder application
to optical waveguide blanks” Journal of Non-Crystalline Solids 34 : 223-238 , 1979

[20] Scherer, G. W and Cooper, A. R., “Thermal Stresses in Clad-Glass
Fibers” Journal of The American Ceramic Society, 63, 346-347 , 1980

[21] Scherer, G. W., “Stress-induced index profile distortion in
optical waveguides”Applied Optics, vol. 19, June 15, p. 2000-2006, 1980