基于空芯光子晶体光纤的全光纤高压气体腔的制作方法

摘要

本发明公开了一种基于空芯光子晶体光纤的全光纤高压气体腔的制作方法。步骤为：a)将空芯光子晶体光纤(1)两端与气密A腔(2)、气密B腔(3)连通，配气台(4)一端与气密B腔(3)、另一端分别与真空泵(5)、待充气体源(6)连接；b)将气密B腔(3)先经配气台(4)与真空泵(5)接通，待达到所需真空度后，再经配气台(4)与待充气体源(6)接通，直至气密A腔(2)内气压≥1个大气压；c)先后将空芯光子晶体光纤(1)两端与标准单模光纤(10)在≤1.5min内熔接；d)由公式得出空芯光子晶体光纤(1)纤芯内的气压分布函数p(x)；e)由一个以上的p(x)计算出全光纤高压气体腔内的最终气压值。它能准确确定全光纤高压气体腔内的气压值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种全光纤气体腔的制作方法，尤其是一种基于空芯光子晶体光纤的全光纤高压气体腔的制作方法。

背景技术

空芯光子晶体光纤(Hollow-core photonic crystal fiber，简称HC-PCF)是近年来发展起来的新一代低损耗传输光纤，具有传统光纤无法比拟的奇异特性，在光与物质非线性相互作用、高功率光波能量传输、光脉冲色散与非线性传输控制以及新型光子器件等方面都具有重要的应用。

由于空芯光子晶体光纤将光波限制在纤芯大孔中以基模形式传输，当在该大孔中填充介质后，可使光波与填充介质之间的相互作用面积保持为微米量级，而光纤的低损耗传输特性又保证了有效相互作用距离，从而可显著增强光波与物质的相互作用效果。长期以来，低密度气态介质因非线性系数低、非线性效应阈值高，造成了与光波非线性相互作用的困难，而空芯光子晶体光纤恰好为研究低密度气态介质与光波之间非线性相互作用提供了全新的研究平台。目前，空芯光子晶体光纤已被应用于研究包括自相位调制、受激拉曼散射、四波混频、电磁致透明等非线性光学过程中，这类工作的关键器件之一就是空芯光子晶体光纤气体腔。现今，虽有各种类型的空芯光子晶体光纤气体腔，如将空芯光子晶体光纤两端均置于带有光学窗口的密封气体腔内，或将空芯光子晶体光纤整体置于气体压力腔内，或将空芯光子晶体光纤的一端与标准单模光纤(SMF)熔接、另一端置于带有光学窗口的密封气体腔内；这些空芯光子晶体光纤气体腔的气压均由外部气体腔控制，光波则通过光学窗口与空芯光子晶体光纤实现耦合输入和输出，它们均存在耦合困难、损耗大的缺点。为解决这一问题，人们作了一些尝试和努力，如在2006年7月27日公开的世界知识产权组织专利申请说明书WO 2006/077437A1中披露的“一种具有光纤接口的空芯光纤气体盒光学装置及其制作方法(AN OPTICALASSEMBLY OF A HOLLOW CORE FIBRE GAS CELL SPLICED TO FIBRE END ANDMETHODS OF ITS PRODUCTION)”。它意欲提供一种空芯光子晶体光纤的全光纤气体腔及其制作方法，其中，全光纤气体腔是由其内充满特定气体的空芯光子晶体光纤的两端都与标准单模光纤熔接而构成，其制作方法是，先将空芯光子晶体光纤一端与标准单模光纤熔接，并通过与空芯光子晶体光纤另一端相连的真空泵将空芯光子晶体光纤中的残余气体抽出，再充入所需高压气体，最后将这一端也与标准单模光纤熔接起来构成全光纤型气体高压腔，该方法可以获得足够高的气体纯度。但是，由于空芯光子晶体光纤纤芯仅为数微米，其气体填充过程属于微管管流问题，使得该制作方法难以确定腔内的气压大小及其分布，特别是当所用空芯光子晶体光纤长度较长时，无法判断其内部气压，从而对定量研究气体介质与光波非线性相互作用造成困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种能够准确确定气体腔内气压值的基于空芯光子晶体光纤的全光纤高压气体腔的制作方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于空芯光子晶体光纤的全光纤高压气体腔的制作方法包括向空芯光子晶体光纤内充入所需气体，以及先后将空芯光子晶体光纤的两端与标准单模光纤熔接，特别是所说方法包含以下步骤：(a)将空芯光子晶体光纤的两端分别与气密A腔、气密B腔相连通，其中，气密A腔带有气压表、气密B腔与配气台相接通，所说配气台分别与真空泵、待充气体源相连接；(b)将气密A腔、空芯光子晶体光纤和气密B腔先经配气台与真空泵相接通，待达到所需真空度后，再经配气台与待充气体源相接通，直至气密A腔内的气压值≥1个大气压；(c)先将空芯光子晶体光纤与气密A腔相连通的一端切断，并将其与标准单模光纤熔接，再将与气密B腔相连通的一端切断，并将其与标准单模光纤熔接，其中，空芯光子晶体光纤与气密A腔或气密B腔间的连通被切断，至与标准单模光纤熔接结束的时间间隔为≤1.5min；(d)由公式$p\left(x\right)=p\left(1\right)(-c+\sqrt{a^2-\mathrm{bx}})$得出空芯光子晶体光纤纤芯内的气压分布函数p(x)，式中：p(1)为切断空芯光子晶体光纤与气密A腔的连通时气密A腔内的气压，c＝8K_n，a＝∏+c，b＝(∏-1)(∏+1+2c)，∏为切断空芯光子晶体光纤与气密A腔的连通时气密B腔内的气压与气密A腔内的气压的比值，K_n＝λ/H为流动Kundsen系数，λ为待充气体分子的平均自由程，H为空芯光子晶体光纤的纤芯直径；(e)由一个以上的p(x)计算出全光纤高压气体腔内的最终气压值。

作为基于空芯光子晶体光纤的全光纤高压气体腔的制作方法的进一步改进，所述的空芯光子晶体光纤的两端与气密A腔、气密B腔间经密封胶粘合连接；所述的配气台中置有气压表和阀门；所述的切断空芯光子晶体光纤与气密A腔间的连通时，待充气体源继续向气密B腔充气，直至空芯光子晶体光纤与气密B腔间被切断时；所述的切断为剪断或割断；所述的气密A腔内的气压为3MPa后，再将空芯光子晶体光纤与气密A腔相连通的一端切断；所述的空芯光子晶体光纤与标准单模光纤相熔接使用的是Fujikura公司的FSM-50S型电弧放电光纤熔接机，熔接时的放电强度为10mA、放电时间为200ms；所述的空芯光子晶体光纤的两端与标准单模光纤熔接后，先将其置于水中检查气密性，然后再用热缩管加固。

相对于现有技术的有益效果是，其一，通过对空芯光子晶体光纤气体填充过程中动力学行为的实验研究并结合微管管流理论的分析，在充气过程中，空芯光子晶体光纤的两端存在着气压差，且其内部的气压呈梯度分布状态，这是由于空芯光子晶体光纤中气孔的直径仅约数微米，气体流动具有较大的Knudsen系数(K_n)，从而使得空芯光子晶体光纤高压气体填充属于微管管流范畴。针对这一情况，采用将空芯光子晶体光纤的两端分别与带有气压表的气密A腔、气密B腔相连通，配气台的一端与气密B腔相接、另一端分别与真空泵、待充气体源相连接的抽、配气构造，以及将气密A腔、空芯光子晶体光纤和气密B腔先经配气台与真空泵相接通，待达到所需真空度后，再经配气台与待充气体源相接通，直至气密A腔内的气压值≥1个大气压的抽气和配气的工艺过程，确保了空芯光子晶体光纤与标准单模光纤熔接时两端气压的确定性，减小了影响空芯光子晶体光纤气体腔内气压的不确定因素；其二，经对开放空芯光子晶体光纤A端和B端时的气体泄漏情况的大量实验，其结果表明，在短时间内泄漏的气体量相对腔内气体总量较小，因此，只要先后将空芯光子晶体光纤的两端与标准单模光纤分别在≤1.5min内熔接起来，就既保证了空芯光子晶体光纤被切断时，其两端的断面处不会有杂质气体进入光纤内，又仅有空芯光子晶体光纤断面附近的气体来得及泄漏掉，而当空芯光子晶体光纤的长度较长时，熔接过程中泄漏的气体量可以忽略不计；其三，在空芯光子晶体光纤两端气压都确定的情况下将其与标准单模光纤熔接起来后，气体腔内的气体通过自由扩散最终会达到气压平衡，可根据微管管流理论计算出切断光纤两端时其内部的气压分布，即由公式$p\left(x\right)=p\left(1\right)(-c+\sqrt{a^2-\mathrm{bx}})$得出空芯光子晶体光纤内的气压分布函数p(x)，并进而由一个以上的p(x)计算出全光纤高压气体腔内的最终气压值。

作为有益效果的进一步体现，一是空芯光子晶体光纤的两端与气密A腔、气密B腔间经密封胶粘合连接，不仅能保证对空芯光子晶体光纤抽气时的真空度，还可防止杂质气体进入空芯光子晶体光纤；二是切断空芯光子晶体光纤与气密A腔间的连通时，待充气体源继续向气密B腔充气，直至空芯光子晶体光纤与气密B腔间被切断时，尽可能地确保了空芯光子晶体光纤内气压的确定性；三是空芯光子晶体光纤与标准单模光纤相熔接时选用的是Fujikura公司的FSM-50S型电弧放电光纤熔接机，熔接时的放电强度优选10mA、放电时间优选200ms，既可达到较好的熔接结果，又能使所对应的损耗值最低，仅为2dB；四是空芯光子晶体光纤的两端与标准单模光纤熔接后，先将其置于水中检查气密性，然后再用热缩管加固，防止了因熔接点泄露而造成的整体返工。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的说明。

图1是实现本发明的一种基本结构示意图；

图2是空芯光子晶体光纤的横截面示意图；

图3是空芯光子晶体光纤两端与标准单模光纤熔接后的示意图。

具体实施方式

参见图1，制作方法为：首先，将空芯光子晶体光纤1的两端分别与气密A腔2、气密B腔3间经密封胶粘合连接连通；其中，空芯光子晶体光纤1为Crystal Fiber A/S公司生产的HC-1060-02型，其长度为50m、横截面结构如图2所示，纤芯的直径为9.7μm、包层孔间距为2.75μm、多孔区域直径为50μm。气密A腔2带有气压表7，气密B腔3与配气台4相接通。内置有气压表8和阀门9的配气台4分别与真空泵5、待充气体源6相连接。接着，将气密A腔2、空芯光子晶体光纤1和气密B腔3先经配气台4与真空泵5相接通，待达到所需真空度后，现为0.001MPa，再经配气台4与待充气体源6氮气源相接通。具体的操作为先通过气压表8和阀门9控制气密B腔3的气压为6MPa。由于空芯光子晶体光纤1的两端存在着压力差，气体将沿其纤芯大孔以及包层小孔流动。之后，在气密A腔2的气压达到3MPa后，先将空芯光子晶体光纤1与气密A腔2相连通的一端剪断，并迅速地将其与标准单模光纤10熔接，再将与气密B腔3相连通的一端剪断，并同样迅速地将其与标准单模光纤10熔接，其中，空芯光子晶体光纤1与气密A腔2或气密B腔3间的连通被剪断，至与标准单模光纤10熔接结束的时间间隔约为1min(可在≤1.5min内完成)。空芯光子晶体光纤1与标准单模光纤10相熔接所使用的是Fujikura公司的FSM-50S型电弧放电光纤熔接机，熔接时的放电强度为10mA、放电时间为200ms。在剪断空芯光子晶体光纤1与气密A腔2间的连通时，待充气体源6氮气源继续向气密B腔3充气，直至空芯光子晶体光纤1与气密B腔3间被剪断时。然后，先将两端熔接有标准单模光纤10的空芯光子晶体光纤1置于水中检查气密性，再用热缩管对其进行加固，制得如图3所示的基于空芯光子晶体光纤的全光纤高压气体腔。最后，全光纤高压气体腔内的气体将通过自由扩散，最终达到气压平衡。可先由公式$p\left(x\right)=p\left(1\right)(-c+\sqrt{a^2-\mathrm{bx}})$得出空芯光子晶体光纤1纤芯内的气压分布函数p(x)，式中：p(1)为剪断空芯光子晶体光纤1与气密A腔2的连通时气密A腔2内的气压，现为3MPa，c＝8K_n，a＝∏+c，b＝(∏-1)(∏+1+2c)，∏为剪断空芯光子晶体光纤1与气密A腔2的连通时气密B腔3内的气压与气密A腔2内的气压的比值，现为2，K_n＝λ/H为流动Kundsen系数，λ为待充气体氮气的分子平均自由程，现为0.055μm，H为空芯光子晶体光纤1的纤芯直径，现为9.7μm。再由一个以上的p(x)计算出全光纤高压气体腔内的最终气压值。在熔接的过程中，空芯光子晶体光纤1的端面暴露在空气中的时间约一分钟，经计算，泄漏的气体量约占全光纤高压气体腔内气体总量的百分之四，扣除泄漏，腔内最终气压约为4.4MPa。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的基于空芯光子晶体光纤的全光纤高压气体腔的制作方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。