CN106597607B - 一种低损耗全光纤高压气体腔系统的实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种低损耗全光纤高压气体腔系统，包括空芯光纤、左端与右端拉锥处理的实芯光纤、左端与右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块、金属气密腔、高精度气压计、气体流量监测及充放气模块。其中，空芯光纤左端面通过密封胶与金属气密腔紧密连接；金属气密腔与高精度气压计紧密连接；金属气密腔与气体流量监测及充放气模块紧密连接。本发明还设计一种采用低损耗全光纤气体腔系统进行全光纤封装的全光纤高压气体腔实现方法。可实现具有低损耗、高强度和长期稳定性等突出特点的全光纤高压气体腔，在光纤气体拉曼激光器等方面有广泛的应用前景和重要的应用价值。

Description

一种低损耗全光纤高压气体腔系统的实现方法
技术领域
本发明涉及气体腔技术领域，尤其涉及一种基于空芯光纤与拉锥处理的实芯光纤高精度对接封装技术的低损耗全光纤高压气体腔系统及其实现方法。
背景技术
反共振空芯光纤是近年来迅速发展起来的一种新型空芯光纤，采用了与传统石英光纤全内反射不同的导光原理，主要利用反共振原理将光波束缚在微米量级的空气纤芯中进行传输，具有结构简单、设计方便、传输损耗低、非线性效应弱等特点。通过在空芯光纤内部填充气体，既可以有效增大光波与气体的相互作用面积和作用强度，又可以利用低损耗传输特性确保相互作用距离。目前，这种空芯光纤已经在光纤气体激光器、自相位调制、受激拉曼散射、四波混频等光学过程研究中得到广泛应用，尤其是已经开始将空芯光纤用于气态介质与光波之间的非线性相互作用研究中，可有效解决长期以来存在的气态介质与光波非线性作用时非线性系数低、阈值高等问题。而这一类研究的关键就是制作空芯光纤气体腔结构。
目前较为常见的光波通过外部光学窗口与空芯光纤耦合的气体腔结构，不仅耦合损耗大，而且调节、使用极其不便。直接熔接的全光纤型气体腔具有结构简单、体积小、使用方便等突出优点，主要通过合理控制电弧放电时间、放电强度及追加放电次数来实现空芯光纤与实芯光纤的直接熔接，但容易破坏空芯光纤网状结构，造成附加损耗，降低连接结构强度，也会引起光泄漏，在气体腔等运用领域存在较大限制。此外，直接将实芯光纤与空芯光纤放入真空等压腔体等方式，也难以保证部件的长期稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有真空等压型空芯光纤气体腔体积庞大、稳定性不好，以及现有的基于直接熔接技术的全光纤型空芯光纤气体腔熔接损耗过大等不足，利用拉锥处理后的实芯光纤可插入空芯光纤内部特性，实现两种光纤高精度对接和稳定封装，继而实现针对特定气体的具有小型化、低损耗、高强度和长期稳定性等特点的全光纤高压气体腔制备系统。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种低损耗全光纤高压气体腔系统，包括空芯光纤(1)、右端拉锥处理的实芯光纤(21)、左端拉锥处理的实芯光纤(22)、右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块(4)、和左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块(3)，金属气密腔(5)、高精度气压计(6)、气体流量监测及充放气模块(7)，其中，
所述空芯光纤(1)左端面通过密封胶与金属气密腔(5)紧密连接，用于对空芯光纤(1) 内部气体进行操作；
所述金属气密腔(5)与高精度气压计(6)紧密连接，用于实时显示整个腔体的气体压力值；
所述金属气密腔(5)与气体流量监测及充放气模块(7)紧密连接，用于对整个气体腔进行气体流量监测、抽取真空和充气操作。
上述低损耗全光纤高压气体腔系统，其中，空芯光纤(1)采用反共振空芯光纤。
上述低损耗全光纤高压气体腔系统，其中，右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块(4)包括第一上夹具(41)和第一下夹具(42)，待空芯光纤(1)与右端拉锥处理后的实芯光纤(21)对接后通过胶水涂覆固定相对位置并粘贴在所述第一下夹具(42)凹槽内，所述第一上夹具(41)和第一下夹具(42)通过螺丝紧固。
上述低损耗全光纤高压气体腔系统，其中，左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块(3)包括第二上夹具(31)和第二下夹具(32)，所述左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块(3)待空芯光纤(1)与左端拉锥处理后的实芯光纤(22)对接后通过胶水涂覆固定相对位置并粘贴在所述第二下夹具(32)凹槽内，所述第二上夹具(31)和第二下夹具(32)通过螺丝紧固。
上述低损耗全光纤高压气体腔系统，其中，气体流量监测及充放气模块(7)包括四通连接管道(71)、待充气体源(76)、气体流量计(75)、真空泵(77)和第一阀门(72)、第二阀门(73)、第三阀门(74)。
上述低损耗全光纤高压气体腔系统，其中，四通连接管道(71)通过第二阀门(73)、第一阀门(72)和第三阀门(74)分别与待充气体源(76)、气体流量计(75)和真空泵(77)相连通，通过开关所述第一、第二、第三阀门控制实现充气、抽取真空、气体流量监测功能。
一种采用上述低损耗全光纤高压气体腔系统进行全光纤封装的全光纤气体腔实现方法，其中，包括以下步骤：
(a)将空芯光纤(1)放置在右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(42)上，将右端拉锥处理的实芯光纤(21)沿纤芯方向精准插入空芯光纤(1)内部；
(b)将位于右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(42)内已对接完毕的空芯光纤(1)与右端拉锥处理的实芯光纤(21)通过胶水涂覆固定相对位置，并粘贴在右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(42)凹槽内，右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块第一上夹具(41)与第一下夹具(42)通过螺丝紧固；
(c)将空芯光纤(1)左端面通过密封胶与金属气密腔(5)紧密连接，关闭四通连接管道与待充气体源阀门(73)、四通连接管道与气体流量计阀门(72)，打开四通连接管道与真 空泵阀门(74)，开始对气体腔抽取真空；
(d)实时观察高精度气压计(6)与真空泵(77)上气压示数，当达到所需真空度时，关闭四通连接管道与真空泵阀门(74)；
(e)实时观察高精度气压计(6)上示数，检查空芯光纤(1)与金属气密腔(5)气密性，当确认气体腔气密性良好时，打开四通连接管道与待充气体源阀门(73)，观察高精度气压计(6)示数，向气体腔内充入大于等于1个大气压的气体，并记录此时高精度气压计(6)示数p1，之后关闭四通连接管道与待充气体源阀门(73)；
(f)打开四通连接管道与气体流量计阀门(72)，实时记录气体泄漏速度v(t)；
(g)当高精度气压计(6)示数接近大气压时，停止记录气体泄漏速度v(t)，关闭四通连接管道与气体流量计阀门(72)，打开四通连接管道与真空泵阀门(74)，再次对气体腔抽取真空；
(h)实时观察高精度气压计(6)与真空泵(77)上气压示数，当再次达到所需真空度时，关闭四通连接管道与真空泵阀门(74)；
(i)打开四通连接管道与待充气体源阀门(73)，观察高精度气压计(6)示数，当向气体腔内充入高精度气压计(6)示数为p1的气体后，关闭四通连接管道与待充气体源阀门(73)；
(j)从空芯光纤(1)左端面与金属气密腔(5)紧密连接处截断空芯光纤(1)，并记录此时刻时间t0，将截断后空芯光纤(1)左端面放置在左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(32)上，将左端拉锥处理的实芯光纤(22)沿纤芯方向精准插入空芯光纤(1)内部；
(k)将位于左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(32)内已对接完毕的空芯光纤(1)与左端拉锥处理的实芯光纤(22)通过胶水涂覆固定相对位置，并粘贴在左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(32)凹槽内，左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块上夹具(31)与下夹具(32)通过螺丝紧固，并记录此时刻时间t1；
(l)通过计算得到气体泄漏时间T＝t1-t0，并依据气体泄漏速度v(t)，计算得到封装完成后的全光纤气体腔内部气压为
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明将拉锥处理后的实芯光纤直接插入空芯光纤中传光，避免了由于破坏空芯光纤的结构从而影响了对光的束缚，降低了由模场失配造成的损耗，同时通过胶水涂覆封装，直接避免了由于熔接加热引起的空芯光纤空气孔崩塌进而引发的熔接损耗。
2、本发明实现全光纤结构空芯光纤高压气体腔，可进一步解决非光纤气体腔中气态介质与光波之间的作用距离短、拉曼阈值高等问题，在全光纤化气体拉曼激光器中有广泛的应用 前景和重要的应用价值。。
3、本发明工艺简单，光纤耦合效率高，封装后具有小型化、低损耗、高强度和长期稳定性等突出特点。
附图说明
图1为低损耗全光纤气体腔制备系统结构示意图。
图2为反共振空芯光纤横截面扫描电子显微图，其中(a)为冰激凌型结构，(b)为自由边界型结构。
图3为右端空芯光纤与拉锥处理的实芯光纤对接封装示意图。
图4为右端空芯光纤与拉锥处理的实芯光纤对接封装完成后效果图。
图5为左端空芯光纤与拉锥处理的实芯光纤对接封装完成后效果图。
图6为气体流量监测及充放气模块结构示意图。
图7为封装完成后全光纤气体腔效果图。
图例说明：
1、空芯光纤；21、右端拉锥处理的实芯光纤；22、左端拉锥处理的实芯光纤；3、左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块；31、左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块上夹具；32、左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具；4、右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块；41、右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块上夹具；42、右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具；5、金属气密腔；6、高精度气压计；7、气体流量监测及充放气模块；71、四通连接管道；72、四通连接管道与气体流量计阀门；73、四通连接管道与待充气体源阀门；74、四通连接管道与真空泵阀门；75、气体流量计；76、待充气体源；77、真空泵。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的新型低损耗全光纤高压气体腔系统制备系统，包括空芯光纤1、右端拉锥处理的实芯光纤21、右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块4、金属气密腔5、高精度气压计6、气体流量监测及充放气模块7、左端拉锥处理的实芯光纤22和左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块3，所述的空芯光纤1左端面通过密封胶与金属气密腔5紧密连接用于对空芯光纤1内部气体进行操作，所述的金属气密腔5与高精度气压计6紧密连接用于实时显示整个腔体的气体压力值，所述的金属气密腔5与气体流量监测及充放气模块7紧密连接用于对整个气体腔进行气体流量监测、抽取真空和充气操作。
本实施例中，进一步的，所述的空芯光纤可采用反共振空芯光纤，其横截面扫描电子显微图如图2所示。
本实施例中，进一步的，所述的右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块4包括上夹具41和下夹具42。右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块上夹具41和下夹具42为现有技术，例如可以使用Vytran公司涂覆机FSR-02配套光纤夹具，通过V型槽定位光纤并由磁性材料翻盖固定。
本实施例中，进一步的，如图3所示，所述的右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块4待空芯光纤1与右端拉锥处理后的实芯光纤21对接后通过胶水涂覆固定相对位置并粘贴在所述下夹具42凹槽内，所述上夹具41和下夹具42通过螺丝紧固，右端空芯光纤与拉锥处理的实芯光纤对接封装完成后效果如图4所示。
本实施例中，进一步的，所述的左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块3包括上夹具31和下夹具32。左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块上夹具31和下夹具32为现有技术，例如可以使用Vytran公司涂覆机FSR-02配套光纤夹具，通过V型槽定位光纤并由磁性材料翻盖固定。
本实施例中，进一步的，所述的左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块3待空芯光纤1与左端拉锥处理后的实芯光纤22对接后通过胶水涂覆固定相对位置并粘贴在所述下夹具32凹槽内，所述上夹具31和下夹具32通过螺丝紧固，左端空芯光纤与拉锥处理的实芯光纤对接封装完成后效果如图5所示。
本实施例中，进一步的，如图6所示，所述的气体流量监测及充放气模块7包括四通连接管道71、待充气体源76、气体流量计75、真空泵77和阀门72、阀门73、阀门74，气体流量监测及充放气模块7四通连接管道71通过阀门73、阀门72和阀门74分别与待充气体源76、气体流量计75和真空泵77相连通，通过开关阀门可控制模块实现充气、抽取真空、气体流量监测等功能。封装完成后全光纤气体腔效果图如图7所示。
本发明进一步包括采用低损耗全光纤气体腔进行全光纤封装的全光纤高压气体腔实现方法，包括以下步骤：
(a)将空芯光纤1放置在右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具42上，将右端拉锥处理的实芯光纤21沿纤芯方向精准插入空芯光纤1内部，本实施例中，可采用的拉锥处理后的实芯光纤例如采用自行拉制的锥腰为30～40微米的SM28单模光纤；
(b)将位于右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具42内已对接完毕的空芯光纤1与右端拉锥处理的实芯光纤21通过胶水涂覆固定相对位置，并粘贴在右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具42凹槽内，右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块上夹具41与下夹具42通过螺丝紧固；
(c)将空芯光纤1左端面通过密封胶与金属气密腔5紧密连接，关闭四通连接管道与待 充气体源阀门73、四通连接管道与气体流量计阀门72，打开四通连接管道与真空泵阀门74，开始对气体腔抽取真空；
(d)实时观察高精度气压计6与真空泵77上气压示数，当达到所需真空度时，关闭四通连接管道与真空泵阀门74；
(e)实时观察高精度气压计6上示数，检查空芯光纤1与金属气密腔5气密性，当确认气体腔密性良好时，打开四通连接管道与待充气体源阀门73，观察高精度气压计6示数，向气体腔内充入大于等于1个大气压的气体，并记录此时高精度气压计6示数p1，之后关闭四通连接管道与待充气体源阀门73，本实施例中，可以充入的高压气体例如氢气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和乙烯等；
(f)打开四通连接管道与气体流量计阀门72，实时记录气体泄漏速度v(t)；
(g)当高精度气压计6示数接近大气压时，停止记录气体泄漏速度v(t)，关闭四通连接管道与气体流量计阀门72，打开四通连接管道与真空泵阀门74，再次对气体腔抽取真空；
(h)实时观察高精度气压计6与真空泵77上气压示数，当再次达到所需真空度时，关闭四通连接管道与真空泵阀门74；
(i)打开四通连接管道与待充气体源阀门73，观察高精度气压计6示数，当向气体腔内充入高精度气压计6示数为p1的气体后，关闭四通连接管道与待充气体源阀门73；
(j)从空芯光纤1左端面与金属气密腔5紧密连接处截断空芯光纤1，并记录此时刻时间t0，将截断后空芯光纤1左端面放置在左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具32上，将左端拉锥处理的实芯光纤22沿纤芯方向精准插入空芯光纤1内部,本实施例中，可采用的拉锥处理后的实芯光纤例如采用自行拉制的锥腰为30～40微米的SM28单模光纤；；
(k)将位于左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具32内已对接完毕的空芯光纤1与左端拉锥处理的实芯光纤22通过胶水涂覆固定相对位置，并粘贴在左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具32凹槽内，左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块上夹具31与下夹具32通过螺丝紧固，并记录此时刻时间t1；
(l)通过计算得到气体泄漏时间T＝t1-t0，并依据气体泄漏速度v(t)，计算得到封装完成后的全光纤气体腔内部气压为
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低损耗全光纤高压气体腔系统的实现方法，所述低损耗全光纤高压气体腔系统，包括空芯光纤(1)、右端拉锥处理的实芯光纤(21)、左端拉锥处理的实芯光纤(22)、右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块(4)、和左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块(3)，金属气密腔(5)、高精度气压计(6)、气体流量监测及充放气模块(7)，其特征在于：
所述空芯光纤(1)左端面通过密封胶与金属气密腔(5)紧密连接，用于对空芯光纤(1)内部气体进行操作；
所述金属气密腔(5)与高精度气压计(6)紧密连接，用于实时显示整个腔体的气体压力值；
所述金属气密腔(5)与气体流量监测及充放气模块(7)紧密连接，用于对整个气体腔进行气体流量监测、抽取真空和充气操作；
包括以下步骤：
(a)将空芯光纤(1)放置在右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(42)上，将右端拉锥处理的实芯光纤(21)沿纤芯方向精准插入空芯光纤(1)内部；
(b)将位于右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(42)内已对接完毕的空芯光纤(1)与右端拉锥处理的实芯光纤(21)通过胶水涂覆固定相对位置，并粘贴在右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(42)凹槽内，右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块第一上夹具(41)与第一下夹具(42)通过螺丝紧固；
(c)将空芯光纤(1)左端面通过密封胶与金属气密腔(5)紧密连接，关闭四通连接管道与待充气体源阀门(73)、四通连接管道与气体流量计阀门(72)，打开四通连接管道与真空泵阀门(74)，开始对气体腔抽取真空；
(d)实时观察高精度气压计(6)与真空泵(77)上气压示数，当达到所需真空度时，关闭四通连接管道与真空泵阀门(74)；
(e)实时观察高精度气压计(6)上示数，检查空芯光纤(1)与金属气密腔(5)气密性，当确认气体腔气密性良好时，打开四通连接管道与待充气体源阀门(73)，观察高精度气压计(6)示数，向气体腔内充入大于等于1个大气压的气体，并记录此时高精度气压计(6)示数p1，之后关闭四通连接管道与待充气体源阀门(73)；
(f)打开四通连接管道与气体流量计阀门(72)，实时记录气体泄漏速度v(t)；
(g)当高精度气压计(6)示数接近大气压时，停止记录气体泄漏速度v(t)，关闭四通连接管道与气体流量计阀门(72)，打开四通连接管道与真空泵阀门(74)，再次对气体腔抽取真空；
(h)实时观察高精度气压计(6)与真空泵(77)上气压示数，当再次达到所需真空度时，关闭四通连接管道与真空泵阀门(74)；
(i)打开四通连接管道与待充气体源阀门(73)，观察高精度气压计(6)示数，当向气体腔内充入高精度气压计(6)示数为p1的气体后，关闭四通连接管道与待充气体源阀门(73)；
(j)从空芯光纤(1)左端面与金属气密腔(5)紧密连接处截断空芯光纤(1)，并记录此时刻时间t0，将截断后空芯光纤(1)左端面放置在左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(32)上，将左端拉锥处理的实芯光纤(22)沿纤芯方向精准插入空芯光纤(1)内部；
(k)将位于左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(32)内已对接完毕的空芯光纤(1)与左端拉锥处理的实芯光纤(22)通过胶水涂覆固定相对位置，并粘贴在左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块下夹具(32)凹槽内，左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块上夹具(31)与下夹具(32)通过螺丝紧固，并记录此时刻时间t1；
(l)通过计算得到气体泄漏时间T＝t1-t0，并依据气体泄漏速度v(t)，计算得到封装完成后的全光纤气体腔内部气压为所述空芯光纤(1)采用反共振空芯光纤。
2.根据权利要求1所述的低损耗全光纤高压气体腔系统实现方法，其特征在于：所述右端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块(4)包括第一上夹具(41)和第一下夹具(42)，待空芯光纤(1)与右端拉锥处理后的实芯光纤(21)对接后通过胶水涂覆固定相对位置并粘贴在所述第一下夹具(42)凹槽内，所述第一上夹具(41)和第一下夹具(42)通过螺丝紧固。
3.根据权利要求1所述的低损耗全光纤高压气体腔系统实现方法，其特征在于：所述左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块(3)包括第二上夹具(31)和第二下夹具(32)，所述左端空芯光纤与实芯光纤对接封装模块(3)待空芯光纤(1)与左端拉锥处理后的实芯光纤(22)对接后通过胶水涂覆固定相对位置并粘贴在所述第二下夹具(32)凹槽内，所述第二上夹具(31)和第二下夹具(32)通过螺丝紧固。
4.根据权利要求1所述的低损耗全光纤高压气体腔系统实现方法，其特征在于：所述气体流量监测及充放气模块(7)包括四通连接管道(71)、待充气体源(76)、气体流量计(75)、真空泵(77)和第一阀门(72)、第二阀门(73)、第三阀门(74)。
5.根据权利要求4所述的低损耗全光纤高压气体腔系统实现方法，其特征在于：所述四通连接管道(71)通过第二阀门(73)、第一阀门(72)和第三阀门(74)分别与待充气体源(76)、气体流量计(75)和真空泵(77)相连通，通过开关所述第一、第二、第三阀门控制实现充气、抽取真空、气体流量监测功能。
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