CN110568547A - 用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置及气体填充方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置，包括气体填充腔室、空芯光子晶体光纤和二氧化碳激光器，所述空芯光子晶体光纤放置在气体填充腔室的内部，所述二氧化碳激光器放置在气体填充腔室的外部，所述气体填充腔室的内部充满特殊气体，所述空芯光子晶体光纤的侧壁加工有若干空气孔，所述气体填充腔室内的特殊气体在压差的作用下通过空气孔填充入空芯光子晶体光纤内，所述特殊气体填充完成后，所述二氧化碳激光器对空气孔进行熔融密封。本发明提供的装置适用于在各类型空芯光子晶体光纤纤芯内填充特殊气体，制备基于特殊气体的空芯光子晶体光纤气体腔室，可作为近紫外、可见光和红外光产生的激光光源，也可以作为高能激光传输的波导。

Description

用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置及气体填充方法

技术领域

本发明属于光纤技术与激光技术领域，尤其涉及一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置及气体填充方法。

背景技术

脉冲型高功率激光器在工业制造、医疗、军事国防等领域具有广泛的应用。空芯光子晶体光纤大多以空气为传输媒介，由于该类型的光纤对传输高能量的激光而言具有更低的非线性效应和瑞利散射效应，因此广泛应用于高能量的激光器系统中作为重要的导光器件。在空芯光子晶体光纤纤芯内填充惰性特定气体，通过外部泵浦激光的泵浦，能够以特殊气体作为激光的增益介质，实现特定波长的激光输出。相比于固体掺杂的增益光纤，以特殊气体为增益介质的激光器能够实现更宽波段，更高输出功率的激光输出。该类型高功率激光器在工业加工，医疗等领域具有极大潜在的应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置及气体填充方法，本发明提供的气体填充装置和气体填充方法适用于在各类型空芯光子晶体光纤纤芯内填充特殊气体。

本发明提供一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置，包括气体填充腔室、空芯光子晶体光纤和二氧化碳激光器，所述空芯光子晶体光纤放置在气体填充腔室的内部，所述二氧化碳激光器放置在气体填充腔室的外部，所述气体填充腔室的内部充满特殊气体，所述空芯光子晶体光纤的侧壁加工有若干空气孔，所述气体填充腔室内的特殊气体在压差的作用下通过空气孔填充入空芯光子晶体光纤内，所述特殊气体填充完成后，所述二氧化碳激光器对空气孔进行熔融密封。

进一步地，所述气体填充腔室的上端设置激光入射窗口，所述二氧化碳激光器发射的激光通过激光入射窗口进入气体填充腔室内。

进一步地，所述气体填充腔室的侧面设置进气阀和放气阀，所述进气阀用于向气体填充腔室内通入特殊气体，所述放气阀用于排出特殊气体。

进一步地，所述空芯光子晶体光纤的两端熔接实芯光纤。

进一步地，所述特殊气体选用氦气、氖气、氩气、氢气等中的任一种或者其中若干种气体按一定比例混合的混合气体。

进一步地，所述空芯光子晶体光纤包括光纤外包层、若干根微毛细管和空气纤芯，所述微毛细管按照五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形以空气纤芯的中心为对称中心均匀排列于光纤外包层的内壁，所述微毛细管与光纤外包层的内壁接触的部位以熔融的方式紧贴固定，所述特殊气体通过空芯光子晶体光纤侧壁的空气孔填充入空气纤芯内。

进一步地，利用飞秒激光器在空芯光子晶体光纤的侧壁特定位置加工空气孔，所述空气孔位于空芯光子晶体光纤内的两根微毛细管之间，所述空气孔的直径为3μm-20μm。

本发明还提供一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充方法，包括以下步骤：

S1，利用飞秒激光器在空芯光子晶体光纤的侧壁加工若干空气孔；

S2，使用光纤熔接机在空芯光子晶体光纤的两端分别熔接一段实芯光纤；

S3，将加工后的空芯光子晶体光纤置于气体填充腔室内，然后向气体填充腔室内充满特殊气体，在压差的作用下，气体填充腔室内的特殊气体通过空气孔填充入空芯光子晶体光纤的空气纤芯内；

S4，特殊气体填充完成后，使用二氧化碳激光器对空芯光子晶体光纤侧壁的空气孔进行熔融封装；

S5，熔融封装完成后，排出气体填充腔室内的特殊气体，将空芯光子晶体光纤取出，即得到全光纤化的基于空芯光子晶体光纤的特殊气体腔室。

进一步地，所述气体填充腔室的上端设置激光入射窗口，所述二氧化碳激光器发射的激光通过激光入射窗口进入气体填充腔室内。

进一步地，所述气体填充腔室的侧面设置进气阀和放气阀，所述进气阀用于向气体填充腔室内通入特殊气体，所述放气阀用于排出特殊气体。

进一步地，所述空芯光子晶体光纤的两端熔接实芯光纤。

进一步地，所述特殊气体选用氦气、氖气、氩气、氢气等中的任一种或者其中若干种按一定比例混合的混合气体。

进一步地，所述空芯光子晶体光纤包括光纤外包层、若干根微毛细管和空气纤芯，所述微毛细管按照五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形以空气纤芯的中心为对称中心均匀排列于光纤外包层的内壁，所述微毛细管与光纤外包层的内壁接触的部位以熔融的方式紧贴固定，所述特殊气体通过空芯光子晶体光纤侧壁的空气孔填充入空气纤芯内。

进一步地，所述空气孔位于空芯光子晶体光纤内的两根微毛细管之间。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：利用本发明提供的装置制作的空芯光纤气室为全光纤化的结构，具有结构紧凑、环境抗干扰能力强、易与光纤集成、可批量低成本制备等优点；本发明提供的装置适用于在各类型空芯光子晶体光纤纤芯内填充特殊气体，制备基于特殊气体的空芯光子晶体光纤气体腔室，可作为高功率近紫外、可见光和红外光产生的激光光源，也可以作为高能激光传输的波导。

附图说明

图1是本发明一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置的结构示意图。

图2是本发明一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置的空芯光子晶体光纤的结构示意图。

图3是本发明对空芯光子晶体光纤侧壁加工空气孔的示意图。

图4是本发明一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置，包括气体填充腔室101、空芯光子晶体光纤102和二氧化碳激光器103，空芯光子晶体光纤102放置在气体填充腔室101的内部，二氧化碳激光器103放置在气体填充腔室101的外部。

参考图2，空芯光子晶体光纤102主要包括光纤外包层1021、若干根微毛细管1022和空气纤芯1023。

光纤外包层1021用于对微毛细管1022进行固定。

微毛细管1022在空芯光子晶体光纤102内构成内包层结构，限制入射光的传输模场，使入射光能够低损耗地传输基模。

具体地，微毛细管1022的排列可以按照五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形以空气纤芯1023的中心为对称中心均匀排列于光纤外包层1021的内壁，作为空芯光子晶体光纤102的包层实现对入射光的反谐振；反谐振区能够对入射光的高阶模泄露损耗大，对基模的损耗小，能够实现高能量基模激光在空气纤芯1023内低损耗传输；设计微毛细管1022不同的厚度和不同的直径，可实现在空气纤芯1023内传输不同模式或波长的光。

具体地，微毛细管1022与光纤外包层1021的内壁接触的部位以熔融的方式紧贴固定。

参考图3，空芯光子晶体光纤102的侧壁加工若干垂直于光纤表面的直径为3μm-20μm的空气孔1024，空气孔1024由飞秒激光器105发出高能量的飞秒脉冲加工得到，空气孔1024的位置精确定位于空芯光子晶体光纤102内的两根微毛细管1022之间，空芯光子晶体光纤102的两端熔接实芯光纤1025构成F-P腔结构，实芯光纤1025的作用有两个：一是作为入射泵浦光的输入端和产生激光的输出端；二是作为空芯光子晶体光纤102两端的密封器件，成为该光纤型密封气体腔室的一部分。

实芯光纤1025可以为单模实芯光纤或多模实芯光纤或者玻璃端帽；由熔接机对实芯光纤1025和空芯光子晶体光纤102进行低损耗熔接处理。

实芯光纤1025与空芯光子晶体光纤102熔接的两个端面可以在空芯光子晶体光纤102两端构成F-P腔结构，对气体产生的激光实现多次的连续谐振，以获得一定功率的激光输出。

气体填充腔室101为封闭的中空腔体结构，其内部被充满特殊气体104，气体填充腔室101的上端设置激光入射窗口1011，气体填充腔室101的侧面设置进气阀1012和放气阀1013，将侧壁加工有空气孔1024的空芯光子晶体光纤102放置在气体填充腔室101内，在压差的作用下，特殊气体104通过空气孔1024进入到空气纤芯1023内，填充完成后，空气纤芯1023内的气体压力和气体填充腔室101内的气压达到一致，不存在压差，此时利用二氧化碳激光器103通过激光入射窗口1011对空气孔1024进行熔融密封，不会产生鼓包、塌缩等问题，最终在空气纤芯1023内形成封闭的全光纤化的气体腔室，空气纤芯1023内填充的特殊气体104作为对应波长激光产生的增益介质或传输媒介，可以提高空气纤芯1023的非线性阈值和损伤阈值。

进气阀1012用于向气体填充腔室101内通入一定压力的特殊气体104；放气阀1013用于在空气纤芯1023充完气体且密封后，将气体填充腔室101内的特殊气体104排出。

特殊气体104主要指氦气，氖气，氩气等惰性气体，以及氢气等高纯气体或者它们的混合气体。

参考图4，本发明的实施例还提供了一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充方法，包括以下步骤：

步骤S1，将空芯光子晶体光纤102置于飞秒激光器105的载物台上，使用高能量的飞秒脉冲在空芯光子晶体光纤102的侧壁加工若干空气孔1024，空气孔1024位于空芯光子晶体光纤102内的两根微毛细管1022之间；

步骤S2，使用光纤熔接机在空芯光子晶体光纤102的两端分别低损耗熔接一段实芯光纤1025；

步骤S3，将加工后的空芯光子晶体光纤102置于气体填充腔室101内，然后通过进气阀1012向气体充腔室101内充满特殊气体104，在压差的作用下，气体填充腔室101内的特殊气体104通过空气孔1024填充入空气纤芯1023内；

步骤S4，特殊气体104填充完成后，使用二氧化碳激光器103对空芯光子晶体光纤102侧壁的空气孔1024进行熔融封装；

步骤S5，熔融封装完成后，通过放气阀1013排出气体填充腔室101内的特殊气体104，将空芯光子晶体光纤102取出，即得到全光纤化的基于空芯光子晶体光纤的特殊气体腔室。一般地，取出后会对空芯光子晶体光纤102侧壁打孔又密封的部位进行再次涂敷光纤涂料，以确保其拥有较好的机械强度和弯曲性能。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置，其特征在于，包括气体填充腔室、空芯光子晶体光纤和二氧化碳激光器，所述空芯光子晶体光纤放置在气体填充腔室的内部，所述二氧化碳激光器放置在气体填充腔室的外部，所述气体填充腔室的内部充满特殊气体，所述空芯光子晶体光纤的侧壁加工有若干空气孔，所述气体填充腔室内的特殊气体在压差的作用下通过空气孔填充入空芯光子晶体光纤内，所述特殊气体填充完成后，所述二氧化碳激光器对空气孔进行熔融密封。

2.根据权利要求1所述的用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置，其特征在于，所述气体填充腔室的上端设置激光入射窗口，所述二氧化碳激光器发射的激光通过激光入射窗口进入气体填充腔室内。

3.根据权利要求1所述的用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置，其特征在于，所述气体填充腔室的侧面设置进气阀和放气阀，所述进气阀用于向气体填充腔室内通入特殊气体，所述放气阀用于排出特殊气体。

4.根据权利要求1所述的用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤的两端熔接实芯光纤。

5.根据权利要求1所述的用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置，其特征在于，所述特殊气体选用氦气、氖气、氩气、氢气中的任一种或者其中若干种气体混合的混合气体。

6.根据权利要求1所述的用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤包括光纤外包层、若干根微毛细管和空气纤芯，所述微毛细管按照五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形以空气纤芯的中心为对称中心均匀排列于光纤外包层的内壁，所述微毛细管与光纤外包层的内壁接触的部位以熔融的方式紧贴固定，所述特殊气体通过空芯光子晶体光纤侧壁的空气孔填充入空气纤芯内。

7.根据权利要求6所述的用于空芯光子晶体光纤的气体填充装置，其特征在于，利用飞秒激光器在空芯光子晶体光纤的侧壁加工空气孔，所述空气孔位于空芯光子晶体光纤内的两根微毛细管之间，所述空气孔的直径为3μm-20μm。

8.一种用于空芯光子晶体光纤的气体填充方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用飞秒激光器在空芯光子晶体光纤的侧壁加工若干空气孔；

S2，使用光纤熔接机在空芯光子晶体光纤的两端分别熔接一段实芯光纤；

S3，将加工后的空芯光子晶体光纤置于气体填充腔室内，然后向气体填充腔室内充满特殊气体，在压差的作用下，气体填充腔室内的特殊气体通过空气孔填充入空芯光子晶体光纤的空气纤芯内；

S4，特殊气体填充完成后，使用二氧化碳激光器对空芯光子晶体光纤侧壁的空气孔进行熔融封装；

S5，熔融封装完成后，排出气体填充腔室内的特殊气体，将空芯光子晶体光纤取出，即得到全光纤化的基于空芯光子晶体光纤的特殊气体腔室。