CN105731785B - 一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置及使用方法，装置包括光学平台、两个电动位移平台、两个光纤夹具、带缝石英管和气氛保护管式电阻炉。首先，将装有硫系玻璃光纤的带缝石英管穿过气氛保护电阻炉内部并用光阑夹持固定；然后将光纤两端用光纤夹具固定在电动位移平台上，向炉内通入惰性气体，加热使光纤软化，启动电动位移平台进行双向牵引拉锥；最后向带缝石英管两端注入紫外固化胶对拉锥光纤进行原位固定。本发明装置可实现在惰性气氛保护下对光纤进行拉锥，有效避免光纤表面氧化；对光纤周围的控温效果好，拉锥成功率高；可实现拉锥光纤的原位固定或封装；操作简单、成本低、效率高。

Description

一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种光纤拉锥装置，尤其涉及一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置及使用方法。

背景技术

硫系玻璃拉锥光纤(CGTF)在生物/化学传感、非线性光学、微纳光学等领域有着广泛的应用前景。例如，CGTF具有优异的红外透光性和较大的倏逝场，因此它们被制作成生物/化学传感器，用于分子的探测和识别；CGTF具有极高的三阶非线性系数、可大幅调节的群速色散，且在光纤中易形成极高的光强，因此它们被应用于红外非线性光学领域，如宽带红外超连续谱的产生、光信号的处理等；此外，由于其较大的倏逝场和较小的体积，CGTF常被用作光学微腔的耦合波导，在红外微纳光学领域扮演着重要的角色。

拉锥光纤的制备一般借助光纤拉锥机对一段光纤进行局部加热并沿轴向拉伸获得。市场上现有的光纤拉锥机主要包括氢氧焰加热型拉锥机、CO2激光加热型拉锥机和电极加热型拉锥机，这些光纤拉锥机主要适用于对具有高软化温度的石英光纤进行拉锥，操作温度高且无气氛保护，无法适用于对具有低软化温度且易被氧化的硫系玻璃光纤进行拉锥。目前，市场上尚未见一款适用于硫系玻璃光纤拉锥的设备。尽管国内外一些研究人员采用自制的装置实现了对硫系玻璃光纤的拉锥，但采用这些已报道的装置进行光纤拉锥仍然存在拉锥过程中光纤易被氧化、拉锥成功率低、难以实现拉锥光纤的原位固定或封装等问题，严重制约了硫系玻璃拉锥光纤在红外光器件中的应用与发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有光纤拉锥设备存在的拉锥过程中光纤易被氧化、拉锥成功率低、难以实现拉锥光纤的原位固定或封装等问题，提供一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置及使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置，包括光学平台、两个电动位移平台、两个光纤夹具、带缝石英管和气氛保护管式电阻炉；气氛保护管式电阻炉固定在光学平台上，炉体的轴线与光学平台的表面平行；带缝石英管通过孔径可调节的光阑固定在气氛保护管式电阻炉内，其两端分别从电阻炉的炉口两端伸出，且其轴线与炉体的轴线重合；两个电动位移平台分别位于气氛保护管式电阻炉的两侧并固定在光学平台上，且电动位移平台的轨道方向与气氛保护管式电阻炉的炉体轴线方向平行；两个光纤夹具分别固定在两个电动位移平台的滑块上，且光纤夹具的轴线与气氛保护管式电阻炉的轴线重合。

进一步地，电动位移平台由步进电机、轨道和滑块组成，滑块位于轨道上，可沿轨道方向移动，由步进电机牵引，牵引速度可控。

进一步地，光纤夹具由螺母、橡胶芯和空心螺纹杆组成；空心螺纹杆为前端带有螺纹的中空金属杆；橡胶芯为中空的橡胶管，其前端被加工成沿轴线切开的锥形，后端通过强力胶粘在空心螺纹杆内壁上；螺母的内壁前端为锥形，内壁后端带有螺纹，螺母穿过橡胶芯前端旋进空芯螺纹杆前端的过程中，橡胶芯前端沿轴向切开的锥形闭合，实现光纤的夹紧。

进一步地，带缝石英管的管壁上设有一条沿轴向方向的缝，便于保护气体的进入。

进一步地，气氛保护管式电阻炉包括石英材质的炉管、电阻加热圈、热电偶、用于固定热电偶的金属片和两个孔径可调节的光阑；炉管两端各设有一个气孔，用于保护气体的输入；电阻加热圈位于炉管的中部，紧贴炉管外壁；热电偶的测温端位于炉管内，接线端通过金属片的小孔伸出炉管外；金属片通过强力胶粘在炉管的一端口，金属片上远离中心位置设一小孔，用于固定热电偶；一个光阑粘在金属片上，另一个光阑粘在炉管的另一端口上，两个光阑的中心法线均与石英炉管的轴线重合。

一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置的使用方法，包括下述步骤：

1)取一段硫系玻璃光纤，将光纤放入带缝石英管内，之后将带缝石英管插入气氛保护管式电阻炉的炉管中，保持带缝石英管的缝朝上以防止光纤从缝滑落，调小光阑的孔径以夹紧带缝石英管，使其悬在炉管中间；

2)将硫系玻璃光纤两端插入光纤夹具的橡胶芯内，然后将螺母旋进空芯螺纹杆将光纤夹紧；

3)调节两个电动位移平台的滑块位置，使其位于轨道上距离气氛保护管式电阻炉较近的一端，然后将两个光纤夹具分别固定在滑块上，微调滑块在轨道上的位置将光纤拉紧，使光纤轴线与带缝石英管的轴线重合；

4)将带缝石英管伸出气氛保护管式电阻炉的部分用生料带缠紧，以尽可能避免空气经管壁上的缝进入管内；

5)从气氛保护管式电阻炉的炉管两端的气孔向炉内输入高纯保护气体，使炉内保持微正压，将炉管内空气经带缝石英管的两端赶出；

6)通过电阻加热圈对硫系玻璃光纤加热，光纤受热软化后立即同时启动两个电动位移平台的步进电机进行双向牵引拉锥，当电动位移平台的滑块到达预定位置时，关闭两个步进电机，并同时停止加热；

7)待气氛保护管式电阻炉的炉内温度降至室温后，停止向炉内输入高纯保护气，向带缝石英管两端注入紫外固化胶，将拉锥光纤固定在带缝石英管内；

8)取掉缠在带缝石英管两端的生料带，松开两个光纤夹具的螺母，将光纤夹具移开，松开气氛保护管式电阻炉两端的光阑，将固定有拉锥光纤的带缝石英管从炉管中抽出，最后可根据需要对固定在带缝石英管中的拉锥光纤进行测试或封存。

作为优选，所述高纯保护气体为纯度不低于99.999％的氩气或氮气。

本发明的有益效果如下：

a)硫系玻璃光纤拉锥在惰性气体保护下进行，故拉锥时光纤不会被氧化，可有效避免光纤被氧化而造成传输性能恶化。

b)硫系玻璃光纤位于悬在气氛保护电阻炉轴线上的带缝石英管中，对带缝石英管或光纤的加热通过气体对流实现，这样不会造成带缝石英管内光纤周围温度的骤升或骤降，在拉锥过程中光纤材料的粘度易控制，拉锥成功率高；假设没有带缝石英管的保护，由于炉管管壁的温度显著高于炉体中心的温度，光纤一旦接触炉管管壁就会粘在高温处，导致拉锥失败，同时粘在管壁上的光纤材料会污染炉管。

c)容纳硫系玻璃光纤的带缝石英管属于耗材，最终可以从气氛保护管式电阻炉中抽出，因此可以通过向带缝石英管两端注入紫外固化胶实现硫系玻璃拉锥光纤的原位固定或封装。

与现有光纤拉锥设备相比，本发明装置的优点在于：可实现在惰性气氛保护下进行光纤拉锥，有效避免光纤表面氧化；对光纤周围的控温效果好，拉锥成功率高；可实现拉锥光纤的原位固定或封装；操作简单、成本低、效率高。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明电动位移平台的结构示意图。

图3是本发明光纤夹具的结构示意图。

图4是本发明带缝石英管的结构示意图。

图5是本发明气氛保护管式电阻炉的结构示意图。

1-光学平台，2-电动位移平台，3-光纤夹具，4-带缝石英管，5-气氛保护管式电阻炉，6-光纤，2.1-步进电机，2.2-轨道，2.3-滑块，3.1-螺母，3.2-橡胶芯，3.3-空心螺纹杆，5.1-炉管，5.1.1-气孔，5.2-电阻加热圈，5.3-热电偶，5.4-金属片，5.5-光阑。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置，由一个光学平台1、两个电动位移平台2、两个光纤夹具3、一根带缝石英管4和一个气氛保护管式电阻炉5组成。其中，气氛保护管式电阻炉5通过支架被固定在光学平台1上，炉体的轴线与光学平台的表面平行；带缝石英管4通过孔径可调节的光阑固定在气氛保护管式电阻炉5内，其两端分别从电阻炉的炉口两端伸出，其轴线与炉体的轴线重合；两个电动位移平台2分别位于气氛保护管式电阻炉5的两侧，它们通过螺丝固定在光学平台1上，且电动位移平台2的轨道方向与气氛保护管式电阻炉5的炉体轴线方向平行；两个光纤夹具3通过支架分别固定在两个电动位移平台2的滑块上，且光纤夹具3的轴线与气氛保护管式电阻炉5的轴线重合。

如图2所示，电动位移平台2由步进电机2.1、轨道2.2和滑块2.3组成。滑块2.3位于轨道2.2上，可沿轨道方向移动，由步进电机2.1牵引，牵引速度可控。

如图3所示，光纤夹具3由螺母3.1、橡胶芯3.2和空心螺纹杆3.3组成。空心螺纹杆3.3为前端带有螺纹的中空金属杆；橡胶芯3.2为中空的橡胶管，其前端被加工成沿轴线切开的锥形，后端通过强力胶粘在空心螺纹杆3.3内壁上；螺母3.1的内壁前端为锥形，内壁后端带有螺纹，螺母3.1穿过橡胶芯3.2前端旋进空芯螺纹杆3.3前端的过程中，橡胶芯3.2前端沿轴向切开的锥形闭合，实现光纤的夹紧。

如图4所示，带缝石英管4的管壁上设有一条沿轴向方向的缝，便于保护气体的进入。

如图5所示，气氛保护管式电阻炉5由一根石英材质的炉管5.1、一个电阻加热圈5.2、一个热电偶5.3、一个用于固定热电偶的金属片5.4和两个孔径可调节的光阑5.5组成。炉管两端各设有一个气孔5.1.1，用于保护气体的输入；电阻加热圈5.2位于炉管5.1的中部，紧贴炉管外壁；热电偶5.3的测温端位于炉管5.1内，接线端通过金属片5.4的小孔伸出炉管5.1外；金属片5.4通过强力胶粘在炉管5.1的一端口，金属片上远离中心位置设一小孔，用于固定热电偶5.3；一个光阑5.5通过强力胶粘在金属片5.4上，另一个光阑5.5通过强力胶粘在炉管5.1的另一端口上，两个光阑的中心法线均与石英炉管5.1的轴线重合。

以下结合附图1-5对本发明气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置的使用方法作具体描述。

待拉锥硫系玻璃光纤为直径200μm的As2Se3裸光纤。如图1所示，取一段长度40cm的As2Se3光纤6，将其放入长度为24cm、内外径分别为5mm和7mm的带缝石英管4内，之后将带缝石英管4插入气氛保护管式电阻炉的炉管5.1中，炉管5.1的长度为16cm，内外径分别为24mm和28mm，保持带缝石英管4的缝朝上以防止光纤6从缝滑落，调小光阑5.3的孔径以夹紧带缝石英管4，使其悬在炉管5.1中间；将光纤6两端插入光纤夹具3的橡胶芯3.2内，然后将螺母3.1旋进空芯螺纹杆3.3将光纤6夹紧；调节两个电动位移平台的滑块2.3位置，使其位于轨道2.2上距离气氛保护管式电阻炉5较近的一端，然后将两个光纤夹具3分别固定在滑块2.3上，微调滑块2.3在轨道上的位置将光纤拉紧，使光纤轴线与带缝石英管4的轴线重合；将带缝石英管4伸出气氛保护管式电阻炉5的部分用生料带缠紧，以尽可能避免空气经管壁上的缝进入管内；从气氛保护管式电阻炉的炉管5.1两端的气孔向炉内输入纯度为99.999％的氮气作为保护气体，使炉内保持微正压，将炉管内空气经带缝石英管4的两端赶出；30分钟后，通过电阻加热圈5.2对光纤6加热，在290℃时，光纤6受热开始软化，启动两个电动位移平台的步进电机2.1以1.5mm/s的速率进行双向牵引拉锥，当电动位移平台的滑块2.2到达预定位置时，关闭两个步进电机，并同时停止加热；待气氛保护管式电阻炉5的炉内温度降至室温后，停止向炉内输入氮气，向带缝石英管4两端注入紫外固化胶，将拉锥光纤固定在带缝石英管内；取掉缠在带缝石英管4两端的生料带，松开两个光纤夹具的螺母3.1，将光纤夹具移开，松开气氛保护管式电阻炉5两端的光阑5.5，将固定有拉锥光纤的带缝石英管4从炉管5.1中抽出，即得所需As2Se3拉锥光纤。重复上述操作6次，其中向炉内输入的保护气体分别为：2次99.999％纯度的氮气，2次99.999％纯度的氩气，2次不输入气体。

6次操作均成功地对As2Se3光纤进行了拉锥并进行了原位固定。用高倍光学显微镜对6个固定在带缝石英管中的拉锥光纤进行观测发现：未向炉内输入保护气体条件下获得的2根拉锥光纤的锥区表面较暗淡，有少量鱼鳞状暗斑，这表明光纤表面发生了氧化；向炉内输入保护气体条件下获得的4根拉锥光纤的锥区表面光亮，未发现氧化现象。

Claims (6)

1.一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置，其特征在于：包括光学平台(1)、两个电动位移平台(2)、两个光纤夹具(3)、带缝石英管(4)和气氛保护管式电阻炉(5)；气氛保护管式电阻炉(5)固定在光学平台(1)上，炉体的轴线与光学平台的表面平行；带缝石英管(4)通过孔径可调节的光阑固定在气氛保护管式电阻炉(5)内，其两端分别从电阻炉的炉口两端伸出，且其轴线与炉体的轴线重合；两个电动位移平台(2)分别位于气氛保护管式电阻炉(5)的两侧并固定在光学平台(1)上，且电动位移平台(2)的轨道方向与气氛保护管式电阻炉(5)的炉体轴线方向平行；两个光纤夹具(3)分别固定在两个电动位移平台(2)的滑块上，且光纤夹具(3)的轴线与气氛保护管式电阻炉(5)的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置，其特征在于：所述电动位移平台(2)由步进电机(2.1)、轨道(2.2)和滑块(2.3)组成，滑块(2.3)位于轨道(2.2)上，可沿轨道方向移动，由步进电机(2.1)牵引。

3.根据权利要求1所述的一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置，其特征在于：所述的光纤夹具(3)由螺母(3.1)、橡胶芯(3.2)和空心螺纹杆(3.3)组成，空心螺纹杆(3.3)为前端带有螺纹的中空金属杆；橡胶芯(3.2)为中空的橡胶管，其前端为沿轴线切开的锥形，后端粘在空心螺纹杆(3.3)内壁上；螺母(3.1)的内壁前端为锥形，内壁后端带有螺纹，螺母(3.1)穿过橡胶芯(3.2)前端旋进空芯螺纹杆(3.3)前端的过程中，橡胶芯(3.2)前端沿轴向切开的锥形闭合，实现光纤的夹紧。

4.根据权利要求1所述的一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置，其特征在于：所述的带缝石英管(4)的管壁上设有一条沿轴向方向的缝。

5.根据权利要求1所述的一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置，其特征在于：所述的气氛保护管式电阻炉(5)包括石英材质的炉管(5.1)、电阻加热圈(5.2)、热电偶(5.3)、用于固定热电偶的金属片(5.4)和两个孔径可调节的光阑(5.5)；炉管两端各设有一个气孔，用于保护气体的输入；电阻加热圈(5.2)位于炉管(5.1)的中部，紧贴炉管外壁；热电偶(5.3)的测温端位于炉管(5.1)内，接线端通过金属片(5.4)的小孔伸出炉管(5.1)外；金属片(5.4)通过强力胶粘在炉管(5.1)的一端口，金属片上远离中心位置设一小孔，用于固定热电偶(5.3)；一个光阑(5.5)粘在金属片(5.4)上，另一个光阑(5.5)粘在炉管(5.1)的另一端口上，两个光阑的中心法线均与石英炉管(5.1)的轴线重合。

6.权利要求1所述的一种气氛保护型硫系玻璃光纤拉锥装置的使用方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)取一段硫系玻璃光纤(6)，将光纤放入带缝石英管(4)内，之后将带缝石英管(4)插入气氛保护管式电阻炉的炉管(5.1)中，调小光阑(5.3)的孔径以夹紧带缝石英管(4)，使其悬在炉管(5.1)中间；

2)将硫系玻璃光纤(6)两端插入光纤夹具(3)的橡胶芯(3.2)内，然后将螺母(3.1)旋进空芯螺纹杆(3.3)将光纤夹紧；

3)调节两个电动位移平台的滑块(2.3)位置，使其位于轨道(2.2)上距离气氛保护管式电阻炉(5)较近的一端，然后将两个光纤夹具(3)分别固定在滑块(2.3)上，微调滑块(2.3)在轨道上的位置将光纤拉紧，使光纤轴线与带缝石英管(4)的轴线重合；

4)将带缝石英管(4)伸出气氛保护管式电阻炉(5)的部分用生料带缠紧，以尽可能避免空气经管壁上的缝进入管内；

5)从气氛保护管式电阻炉的炉管(5.1)两端的气孔向炉内输入高纯保护气体，使炉内保持微正压，将炉管内空气经带缝石英管(4)的两端赶出；

6)通过电阻加热圈(5.2)对硫系玻璃光纤(6)加热，光纤受热软化后立即同时启动两个电动位移平台的步进电机(2.1)进行双向牵引拉锥，当电动位移平台的滑块(2.2)到达预定位置时，关闭两个步进电机，并同时停止加热；

7)待气氛保护管式电阻炉(5)的炉内温度降至室温后，停止向炉内输入高纯保护气，向带缝石英管(4)两端注入紫外固化胶，将拉锥光纤固定在带缝石英管内；

8)取掉缠在带缝石英管(4)两端的生料带，松开两个光纤夹具的螺母(3.1)，将光纤夹具移开，松开气氛保护管式电阻炉两端的光阑(5.5)，将固定有拉锥光纤的带缝石英管(4)从炉管(5.1)中抽出，最后可根据需要对固定在带缝石英管(4)中的拉锥光纤进行测试或封存。