CN103513326B - 一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空芯光子晶体光纤的全光纤低压气体腔的制备方法，步骤为：对空芯光子晶体光纤孔隙中的空气进行高压置换；将光子晶体光纤一端在空气中与普通单模光纤熔接；将光子晶体光纤另一端置于真空腔中，将HC-PCF抽成真空；将真空腔内迅速充入高于一个大气压的待充气体，并停留1min；将光子晶体光纤另一端与普通多模光纤在空气中熔接密封。本发明方法利用在密封前先在空芯光子晶体光纤中充入高于一个大气压的待充气体，可以有效避免在空气中熔接时外界气体对光子晶体腔内气体的污染；通过合理控制充气时间，实现空芯光子晶体光纤低压腔的制备；此种熔接密封方式制备的全光纤型空芯光子晶体低压气体腔具有小型化、低损耗、长期稳定性及密封性好等优点。

Description

一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法

技术领域

本发明涉及激光稳频领域，具体涉及一种小型化、长期稳定性好的全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法。

背景技术

利用气体吸收谱线实现激光频率稳定是当前一类重要的稳频技术，它将某种特定气体分子的吸收线作为参考频率，利用主动式稳频技术将激光频率锁定在该参考频率，以实现频率的稳定。通常地，为了提高稳频精度，人们希望参考频率具有极窄的线宽以及高的频率稳定性。目前，通常采用具有较大吸收系数的气体分子（例如乙炔、甲烷、二氧化碳等）制备成低压腔（室）可以实现吸收光谱的窄线宽及高信噪比。传统的低压气室主要分为单程气室和长程气室（例如怀特型气室、Herriott型气室等）。单程气室为了保证气体的有效吸收长度导致其体积大，使用不够灵活，不利于器件的小型化；长程气室通过特殊的光路设计使得在气室内多次往复反射，从而增加了气体有效吸收光程，但其结构较复杂，稳定性差，并且由于光在气室内多次反射，将造成较大的光传输损耗。

空芯光子晶体光纤（Hollow-Core Photonic Crystal Fiber，HC-PCF）是近些年来发展起来的新型低损耗传输光纤，与传统石英光纤全内反射的导光机制不同，光子晶体光纤利用光子带隙效应将光波束缚在微米量级的空气纤芯中进行传输，具有低瑞利散射、低非线性、低传输损耗等优点。当在空芯光子晶体光纤中填充低压气体，一方面光波与气体之间的相互作用面积保持为微米量级，有效地增强了两者间的相互作用强度；另一方面光纤的低损耗传输特性保证了有效的相互作用距离；并且光纤良好的柔韧性及抗干扰能力等有助于提高低压气体腔的稳定性及实现小型化。于是，空芯光子晶体光纤低压气体腔在激光稳频、高分辨光谱、气体痕量检测与传感等领域具有重要的应用前景。

目前，空芯光子晶体光纤低压气体腔主要有真空等压腔体型及全光纤型两大类。真空等压腔体型的HC-PCF低压气体腔是在输出端通过陶瓷插芯或V型槽把HC-PCF与普通光纤对接，将连接端放入带有腔压控制的密闭真空室里来实现腔的密封。然而，由于真空室较为笨重，利用这种方法制备的低压腔不易于小型化；并且利用V型槽等将HC-PCF与普通光纤对接时的耦合损耗相对较大，且长期稳定性不易保证。全光纤型HC-PCF低压气体腔则是通过将光子晶体光纤两端分别与普通单模（或者多模）光纤进行熔接来实现密封，具有小型化、稳定性好等的优点。但是，密封过程中为了尽可能避免开放熔接环境对低压腔内气体的影响，通常需要将光子晶体光纤一端进行拉锥熔接，破坏HC-PCF的微结构，导致气体腔的插入损耗高达10dB以上。

发明内容

本发明主要解决的技术问题为克服现有真空等压型HC-PCF低压腔较为笨重、长期稳定性不好，以及全光纤型HC-PCF低压气体腔插入损耗过大等问题，提出一种新型的全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法，其特征在于，包括对空芯光子晶体光纤进行气体置换及充入所需气体，以及先后将空芯光子晶体光纤的两端分别与普通单模及多模光纤熔接；具体方法包括以下步骤：

a)将空芯光子晶体光纤（1）两端分别与气密A腔（2）、气密B腔（3）连接，气密A、B腔（2）、（3）分别配备的抽气阀门（4）和（6）打开，均与真空泵连通，待达到所需真空度后，关闭抽气阀门（4）和（6），再将气密B腔（3）的进气阀门（5）与待充气体源连接，充入高压高纯待充气体，对空芯光子晶体光纤孔隙中的空气进行置换；

b）将空芯光子晶体光纤（1）与气密A腔（2）断开，并与标准单模光纤进行低损耗熔接；

c）关闭气密B腔（3）的进气阀门（5），并将其抽气阀门（6）与真空泵连通，对空芯光子晶体光纤抽真空，使得其内部的气体压强尽可能低；

d）关闭抽气阀门（6），打开充气阀门（5），迅速充入高于一个大气压的待充气体，维持1min；

e）将空芯光子晶体光纤（1）与气密B腔（3）断开，并与多模光纤在<1.5min内进行低损耗熔接。

所述的一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法，其特征在于，所述的空芯光子晶体光纤（1）的两端与气密A腔（2）及气密B腔（3）经密封胶粘合连接。

所述的一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法，其特征在于，利用高压待充气体对空芯光子晶体光纤（1）进行气体置换前，先对气密A腔（2）和气密B腔（3）抽低压，以缩短置换所需时间及提高置换气体的纯度。

所述的一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法，其特征在于，所述的空芯光子晶体光纤（1）与单模及多模光纤使用Ericsson公司的FSU-975型光纤熔接机进行熔接。可优化熔接时的放电时间和放电电流，实现空芯光子晶体光纤（1）与标准单模及多模光纤的低损耗熔接，并在熔接后用热缩管保护加固。

本发明结合气体动力学理论模型对低压腔制备过程中气体在空芯光子晶体光纤内的动力学行为进行分析，从而对气体置换、抽/充气时间等提供理论依据。

空芯光子晶体光纤（1）与单模光纤熔接时，光子晶体光纤（1）内为高压气体，外界空气不会进入到光子晶体光纤内；且空芯光子晶体光纤（1）与多模光纤熔接时，熔接端的局部高压气体也有效避免了外界空气对腔内气体的影响。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

其一，由于空芯光子晶体光纤中空气孔的直径仅为数微米，且在我们考虑的低压范围内（几mbar到几百mbar），气体的Knudsen常数较小（Kn<0.01），可用流体力学流态(hydrodynamic regime)的动力学方程来描述气体流动的动力学行为：，其中p=p(x,t)为t时刻光子晶体光纤x位置处的压强，d为光子晶体光纤中央大孔的直径，η为气体粘度系数；大量的理论和实验结果表明，待空芯光子晶体光纤抽成接近真空压强p_a后，往其中迅速充入略高于一个大气压p_b的待充气体，并维持1min钟后，气体进入到光子晶体光纤中，气压形成梯度分布；且在较短的时间内（<3min），该充气端口处待充气体的压强仍高于一个大气压，并逐渐往外泄漏；此时若迅速将光子晶体光纤与气密B腔断开与多模光纤熔接，把熔接时间控制在3min以内，可以有效避免外界空气进入到空芯光子晶体光纤气体腔内；此种熔接密封方式避免了拉锥熔接时对空芯光子晶体光纤的破坏，通过优化熔接参数，实现了整腔损耗小于4dB；

其二，熔接完成后，充入的高压气体通过自由扩散最终达到气压平衡，根据上述动力学方程可计算出充气1min钟后光子晶体光纤内的气压分布，并进而利用平均压强公式近似计算出全光纤气体腔内的最终气压值，其中L为光子晶体光纤的总长度，L₁为气体充入的高压气体进入到光子晶体光纤的长度。正是由于空芯光纤微米量级的孔隙， 1min钟内进入到光纤中的待充气体依然很少，而当空芯光子晶体长度较长时，平衡后腔内气体压强较低，从而实现低压腔的制备；由于光纤良好的柔韧性及抗干扰能力，此种小型化的全光纤HC-PCF低压气体腔具有良好的长期稳定性，有利于提高激光稳频系统的稳定度。

作为有益效果的进一步体现，一是上述全光纤HC-PCF低压腔制备方案尤其适用于较长光纤的情况；二是先用高纯高压气体冲洗，然后在空芯光子晶体光纤填满高压气体情况下实现与单模光纤熔接，确保了气体的纯度；三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单模熔接完成，尽可能地避免了熔接过程中外界空气对待充气体的污染；四是空芯光子晶体光纤与标准单模/多模光纤熔接时，选用Ericsson公司的FSU-975型光纤熔接机，通过优化熔接参数（两次放电的电流强度与放电时间），达到了较好的熔接效果，熔接时间小于1.5min，单端熔接损耗小于2dB；五是采用熔接密封的方式确保低压腔具有良好的气密性及长期稳定性。

附图说明

图1为HC-1550-02型空芯光子晶体光纤的横截面示意图。

图2为实现本发明的一种基本结构示意图。

图3为标准单模光纤（左）与空芯光子晶体光纤（右）熔接后的显微放大图。

图4 为真空空芯光子晶体光纤暴露在1.5atm待充气体1min后，光子晶体光纤内部的气体压强分布情况。

具体实施方式

一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法，首先将空芯光子晶体光纤1的两端进行端面处理，并分别与气密A腔2、气密B腔3间经密封胶粘合连通；其中，空芯光子晶体光纤1为丹麦NKT公司生产的HC-1550-02型，其长度20m，横截面结构如图1所示，纤芯直径为10μm，包层孔间距为3.8μm，多孔区域直径为70μm。气密A、B腔2、3均与真空泵相连接，打开抽气阀门4和6，待达到所需真空度（10mbar左右）后，关闭抽气阀门，再将气密B腔3的进气阀门5与待充气体源连接，充入4-5个大气压的高纯高压待充气体，对空芯光子晶体光纤1孔隙中的空气进行置换；并在理论上利用微管管流理论对气体置换时间进行评估，一般而言，对于长度为20m的空芯光子晶体光纤，完全置换大约需要12小时左右。待置换完全后，将空芯光子晶体光纤1与气密A腔2断开，处理断面后，按照已优化的熔接参数，使用Ericsson公司的FSU-975型光纤熔接机与单模光纤熔接，并用热缩管保护熔接点，熔接损耗小于2dB。在此熔接过程中，待充气体源继续向气密B腔3充气，直至整个熔接过程结束。然后，关闭气密B腔3的进气阀门5，并将其抽气阀门6与真空泵连通，对空芯光子晶体光纤1抽真空，使得其内部的气体压强低至0.1-1mbar。通过在理论和实验上对上述抽气过程进行分析，我们对抽气时间进行了评估，对于20m的空芯光子晶体光纤，从原来的4atm的高压腔抽气至0.1mbar，大约需要10天的时间。最后，关闭抽气阀门6，打开充气阀门5，往气密B腔3中迅速充入高于一个大气压（现为1.5atm）的待充气体，并维持1min；将空芯光子晶体光纤1与气密B腔3断开，利用Ericsson公司的FSU-975型熔接机将其与50微米芯径的多模石英光纤熔接，熔接时间控制在1.5min内，熔接损耗小于1.5dB。根据气体动力学理论的分析，往0.1mbar的HC-PCF低压腔内迅速充入1.5atm待充气体，在1min钟时间内气体进入到空芯光子晶体光纤约2m的位置，且在该2m范围内气压呈近似线性分布，于是对于典型的20m长的光子晶体低压腔，熔接后腔内气体自由扩散，最终达到的平衡压强为

$\stackrel{\&OverBar;}{p}=\frac{0.5\&times;1.5\&times;1000\mathrm{mbar}\&times;2m+0.1\mathrm{mbar}\&times;20m}{20m}\&ap;75\mathrm{mbar}$ .

若增加光子晶体光纤的长度，我们将可以得到更低压强的HC-PCF气体腔。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备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。

Claims (4)

1.一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法，其特征在于，包括对空芯光子晶体光纤进行气体置换及充入所需气体，以及先后将空芯光子晶体光纤的两端分别与普通单模及多模光纤熔接；具体方法包括以下步骤：

a) 将空芯光子晶体光纤（1）两端分别与气密A腔（2）、气密B腔（3）连接，气密A、B腔（2、3）分别配备的抽气阀门（4和6）打开，均与真空泵连通，待达到所需真空度后，关闭抽气阀门（4和6），再将气密B腔（3）的进气阀门（5）与待充气体源连接，充入高压高纯待充气体，对空芯光子晶体光纤孔隙中的空气进行置换；

b）将空芯光子晶体光纤（1）与气密A腔（2）断开，并与标准单模光纤进行低损耗熔接；

c）关闭气密B腔（3）的进气阀门（5），并将其抽气阀门（6）与真空泵连通，对空芯光子晶体光纤抽真空，使得其内部的气体压强尽可能低；

d）关闭抽气阀门（6），打开充气阀门（5），迅速充入高于一个大气压的待充气体，维持1min；

e）将空芯光子晶体光纤（1）与气密B腔（3）断开，并与多模光纤在<1.5min内进行低损耗熔接。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法，其特征在于，所述的空芯光子晶体光纤（1）的两端与气密A腔（2）及气密B腔（3）经密封胶粘合连接。

3.根据权利要求1所述的一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法，其特征在于，利用高压待充气体对空芯光子晶体光纤（1）进行气体置换前，先对气密A腔（2）和气密B腔（3）抽真空。

4.根据权利要求1所述的一种全光纤空芯光子晶体光纤低压气体腔的制备方法，其特征在于，所述的空芯光子晶体光纤（1）与单模及多模光纤使用Ericsson公司的FSU-975型光纤熔接机进行熔接。