CN114079219B - 带有金属涂层的空芯光子晶体光纤与高压气室密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合空芯光子晶体光纤与锂、钠、钾、铷、铯等碱金属蒸汽气室密封的结构，包括一个带有金属涂层的空芯光子晶体光纤，一个套筒，一个顶端焊点，一个尾端焊点，一个圆环状螺纹压圈，一个气室。带有金属涂层的空芯光子晶体光纤由通孔穿过套筒的内部，将钎料放置在顶端焊点和尾端焊点上，通过钎焊手段进行焊接，实现带有金属涂层的空芯光子晶体光纤与套筒之间的密封。在常温常压下，将套筒放入外壁面上带有光纤连接通孔的气室，通过圆环状螺纹压圈的螺合挤压，使套筒与气室形成密封。本密封结构光纤涂层、关键密封部位都选择铜材质材料，保证了热膨胀从金属到光纤的自然过度，形成形变互补，此外，通过挤压使套筒发生微形变，增加套筒与气室内壁斜面之间的接触面积和挤压力，形成两处密封带，实现密封双保险，适用于耐高温高压及反复升降温条件。

Description

带有金属涂层的空芯光子晶体光纤与高压气室密封结构

技术领域

本发明涉及碱金属蒸汽激光技术领域，特别涉及一种在反复升降温条件下，可以实现耐高压碱金属(锂、钠、钾、铷、铯等)蒸汽气室与空芯光子晶体光纤密封的结构。

背景技术

光纤激光器具有光束质量好、效率高、散热好、结构紧凑、可靠性高等诸多优点，在通信、传感、医疗、军事等领域有着重要的应用。随着光纤技术的不断发展，诞生了一种被称为空芯光子晶体光纤的特种光纤，其利用包层结构产生光子带隙实现导光，即特定频率的光将完全被限制在纤芯中沿光纤方向传输，基于该特性，可以将流体(气体、液体)填充到空芯光子晶体光纤的中央气孔内，利用光子带隙效应，可实现光纤气体受激拉曼激光器、光纤气体激光器等。

二极管泵浦碱金属激光器(Diode pumped alkali laser，DPAL)近年来发展迅猛，在高功率激光领域有着广阔的发展前景，将碱金属蒸汽和缓冲气体填充到空芯光子晶体光纤中，可以带来较好的散热效果，可实现DPAL高功率输出下较低的量子亏损；另一方面，空芯光子晶体光纤可以将泵浦光约束在微米尺寸中，极大地提高了泵浦强度，光纤可提供较长的作用长度，增加泵浦光与增益介质的相互作用，这些优点非常有利于准分子宽带泵浦碱金属激光器(Excimer pumped alkali laser，XPAL)的发展，可以提高XPAL中准分子的吸收效率，从而提高激光能量。

实现空芯光子晶体光纤在碱金属激光器中的应用，必须要将碱金属蒸汽及缓冲气体充装到空芯光子晶体光纤中，考虑到通常采用的空气引导型空芯光子晶体光纤对弯曲极为敏感，在光纤较长的情况下，不会采用将光纤整体放在气室内的方案，这就需要实现气室与光纤端面密封这一关键技术。由于碱金属蒸汽具有极强的腐蚀性，密封常用的聚四氟垫圈属于有机物，将与碱金属蒸汽发生化学反应，影响密封性，另外，空芯光子晶体光纤的涂覆层材料也是有机物，同样需要剥离掉。在碱金属激光器中，为了提高激光转化效率，需要较高气压的缓冲气体，那么，实现空芯光子晶体光纤与高压气室密封，实际上就是实现高压气室与直径在百微米量级的光纤包层之间的密封。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供了一种实现含有锂、钠、钾、铷、铯等碱金属蒸汽的高压气室与空芯光子晶体光纤密封的结构，适用于缓冲气体气压较高，以及加热温度较高的条件下，能够反复升降温，在反复使用中保证密封性。

本发明的技术方案如下：

一种用于锂、钠、钾、铷、铯等碱金属蒸汽气室与空芯光子晶体光纤密封的结构，包括一个带有金属涂层的空芯光子晶体光纤，其纤芯为空芯，纤芯直径为100～150微米，纤芯外为包层，包层为石英材料，包层厚度为20～40微米，将耐高温金属材料紧覆在光纤包层外，可以采用化学法、电镀法、熔融涂覆法或材料溅射薄膜法等制作手段，金属材料可以选择铜。

一套筒，其形状为圆锥台形，右侧为套筒的圆锥台上底面，外径为a，左侧为套筒的圆锥台下底面，外径为b，套筒内部从下底面开始有一部分为圆锥台形凹槽，圆锥台形凹槽下底面直径为b，与套筒的圆锥台下底面外径一致，圆锥台形凹槽上底面直径为c，从圆锥台形凹槽上底面到套筒的圆锥台上底面有一通孔贯穿，通孔直径为c。套筒中涉及的直径尺寸关系为c<a<b。

带有金属涂层的空芯光子晶体光纤通过通孔穿过套筒的内部，通过钎焊手段将空芯光子晶体光纤与套筒焊接在一起，套筒材料为无氧铜，空芯光子晶体光纤表面金属涂层为铜，可以采用铜基钎料，钎焊过程中通过800～900℃的低温加热，使钎料熔化，但是对套筒的无氧铜以及光纤的铜涂层和石英不会造成影响，待降温冷却后，在套筒的圆锥台上底面与光纤之间形成顶端焊点，顶端焊点完全覆盖套筒的圆锥台上底面，在套筒内的圆锥台形凹槽上底面与光纤之间形成尾端焊点，可以实现套筒、焊料、光纤之间的焊接，从而实现套筒与光纤的密封。对顶端焊点表面，以及尾端焊点左侧表面处理成球面形曲面，以强化在应力作用下的密封。

一外壁面上带有光纤连接通孔气室，光纤连接通孔从左至右包括依次同轴设置于的三部份，左侧为大圆柱形管腔，中间为圆锥台形管腔，右侧为小圆柱形管腔，气室右侧内部存储产生的碱金属蒸汽和缓冲气体，气室内的圆锥台型管腔的上底面直径为d，下底面直径为e，d<e，圆锥台形管腔上底面与右侧气室通过小圆柱形管腔连接，小圆柱形管腔内直径为d，与圆锥台形管腔上底面直径相同，圆锥台形管腔下底面通过大圆柱形管腔连接到气室外部，大圆柱形管腔作为光纤连接通孔的管口，管口带有内螺纹，大圆柱形管腔内直径为e，与圆锥台形管腔下底面直径相同。

从气室外部光纤连接通孔管口一端，将已与带有铜金属涂层的空芯光子晶体光纤密封的套筒，放入圆锥台形管腔内，套筒的圆锥台下底面面向外部光纤连接通孔管口一侧，将一带有外螺纹的圆环状螺纹压圈螺合于气室的管口内，圆环状螺纹压圈内部中心有通孔，可以使带有铜金属涂层的空芯光子晶体光纤穿过其内部，圆环状螺纹压圈的右端有凸台，凸台为圆环形，外直径为f，其尺寸介于套筒的圆锥台下底面外径b与套筒内部通孔直径c之间，即c<f<b，通过螺纹压圈右侧的圆环状凸台顶压套筒内的圆锥台形凹槽内壁的斜面，进一步螺合圆环状螺纹压圈，可以挤压套筒与气室形成密封。套筒和气室内部形成双层密封，可实现密封的双保险，第一处密封位于套筒的圆锥台靠近上底面的侧壁与气室光纤连接通孔圆锥台形管腔内壁的接触部位；由于套筒的圆锥台形下底面边缘较薄，通过圆环状螺纹压圈的螺合挤压，使套筒的圆锥台形下底面边缘向外发生形变，因此，另一处密封位于套筒的圆锥台靠近下底面的侧壁与气室圆锥台形管腔内壁的接触部位。通过圆环状螺纹压圈的螺合挤压增加了套筒与气室之间的接触面积，再借助焊点，实现了带有金属涂层的空芯光子晶体光纤、套筒、以及气室之间的密封。

上述所涉及的结构中相关直径之间的关系为：c<a<d<b<e，c<f<b。气室内光纤连接通孔的轴截面上，圆锥台形管腔的内壁面剖线与小圆柱形管腔侧壁的剖线延长线构成的锐角为∠α，套筒(2)的轴截面上，套筒(2)外壁面剖线与通孔内壁面剖线构成的锐角为∠β，所涉及的角度之间的关系为：1°<∠α-∠β<3°。

空芯光子晶体光纤外部的金属涂层选择铜材料，由于铜层较薄，可以保证热膨胀从铜层自然过度到光纤包层的石英。套筒与气室材料都选择金属材料来抵御碱金属蒸汽的腐蚀，套筒可以选择无氧铜材料，顶端焊点和尾端焊点的钎料采用铜基，这样与同为铜质材料的套筒及光纤钎焊后，将保持良好的力学性能。气室材料选择黄铜，无氧铜的硬度低于黄铜，在圆环状螺纹压圈的螺合挤压过程中，通过无氧铜的形变，增加套筒与气室之间的接触面积和挤压力，强化密封效果。关键的密封部件都选择铜质材料，也保证了热膨胀的自然过度，可形成形变互补，也保证了密封性，该密封结构可实现气室温度从室温到450℃范围内反复升降，可承受气压大于10个大气压。

本发明所述的用于锂、钠、钾、铷、铯等碱金属蒸汽气室与空芯光子晶体光纤密封结构具有以下几个优点：

1)本密封结构利用低温钎焊，不会对光纤结构造成破坏，可实现带有金属涂层的空芯光子晶体光纤与套筒之间的密封；

2)本密封结构通过挤压使套筒发生微形变，增加套筒与气室内壁斜面之间的接触面积，并可保证两处密封带，实现密封双保险，耐高温高压及反复升降温情况；

3)本密封结构采用的密封部件的金属涂层、金属材质都为铜质材料，可实现热膨胀从金属到光纤的自然过度，形成形变互补，强化了密封效果；

4)本密封结构设计简单，易于加工实现，更换空芯光子晶体光纤不会对气室造成破坏。

本密封结构光纤涂层、关键密封部位都选择铜材质材料，保证了热膨胀从金属到光纤的自然过度，形成形变互补，此外，通过挤压使套筒发生微形变，增加套筒与气室内壁斜面之间的接触面积和挤压力，形成两处密封带，实现密封双保险，适用于耐高温高压及反复升降温条件。

附图说明

图1为本发明实现含有锂、钠、钾、铷、铯等碱金属蒸汽气室与带有金属涂层的空芯光子晶体光纤密封结构示意图。其中1-带有金属涂层的空芯光子晶体光纤，2-套筒，3-顶端焊点，4-尾端焊点，5-圆环状螺纹压圈，6-气室。

具体实施方式

结合附图1，说明本发明的具体实施方式。

实施例1

本发明主要结构包括：一个带有金属涂层的空芯光子晶体光纤1，一个套筒2，一个顶端焊点3，一个尾端焊点4，一个圆环状螺纹压圈5，一个气室6。

具体实施方式为：

套筒2采用无氧铜材料，加工成圆锥台形，右侧为套筒2的圆锥台上底面，外径为a，左侧为套筒2的圆锥台下底面，外径为b，a<b，套筒2内部从下底面开始将一部分加工为圆锥台形凹槽，圆锥台形凹槽下底面直径为b，与套筒2的圆锥台下底面外径一致，圆锥台形凹槽上底面直径为c，c<a，从圆锥台形凹槽上底面到套筒2的圆锥台上底面有一通孔贯穿，通孔直径为c；

带有金属涂层的空芯光子晶体光纤1，其纤芯为空芯，纤芯直径为130微米，纤芯外为包层，包层为石英材料，包层厚度为25微米，包层有金属涂层，金属涂层采用铜材质，经金属涂覆后光纤整体直径为1.5毫米，从套筒2内的通孔中穿过带有金属涂层的空芯光子晶体光纤1，采用铜磷银钎料放置在套筒(2)右端面的顶端焊点3和圆锥台形凹槽内靠近上底面的尾端焊点4上，通过800～900℃的低温加热，使钎料熔化，待降温冷却后，在顶端焊点3和尾端焊点4两处位置实现了带有金属涂层的空芯光子晶体光纤1与套筒2之间的密封，两处焊点保证了密封的双保险，顶端焊点3完全覆盖套筒的圆锥台上底面，将顶端焊点3的外形处理成半球形，尾端焊点4左侧的表面处理成球面形曲面，强化应力作用下的密封性；

外壁面上带有光纤连接通孔的气室6采用黄铜材料，光纤连接通孔从左至右包括依次同轴设置于的三部份，左侧为大圆柱形管腔，中间为圆锥台形管腔，右侧为小圆柱形管腔，气室右侧内部存储产生的碱金属蒸汽和缓冲气体，气室内圆锥台型管腔的上底面直径为d，下底面直径为e，d<e，圆锥台形管腔上底面与右侧气室通过小圆柱形管腔连接，小圆柱形管腔内直径为d，与圆锥台形管腔上底面直径相同，圆锥台形管腔下底面通过大圆柱形管腔连接到气室外部，大圆柱形管腔作为光纤连接通孔的管口，管口带有内螺纹，大圆柱形管腔内直径为e，与圆锥台形管腔下底面直径相同；

圆环状螺纹压圈5的内部有通孔，带有金属涂层的空芯光子晶体光纤1可以由通孔穿过圆环状螺纹压圈5，圆环状螺纹压圈5外部有外螺纹，并且其右端有凸台，凸台为圆环形，外直径为f，其尺寸介于套筒2的圆锥台下底面外径b与套筒内部通孔直径c之间，即c<f<b；

所涉及的各密封部件相关直径之间的关系为：c<a<d<b<e，c<f<b；

从气室6外部光纤连接通孔管口一端，将已与带有金属涂层的空芯光子晶体光纤1密封的套筒2放入气室6圆锥台形管腔内，套筒2的圆锥台下底面面向光纤连接通孔管口一侧，将圆环状螺纹压圈5螺合于气室6的外部光纤连接通孔管口内，进一步螺合圆环状螺纹压圈5，通过其右侧的圆环状凸台顶压套筒2内的圆锥台形凹槽内壁斜面，挤压套筒2与气室6形成密封，关键密封部位包括两处：一处为套筒2的圆锥台靠近上底面的侧壁与气室6光纤连接通孔圆锥台形管腔靠近上底面的内壁接触部位；另一处为套筒2的圆锥台靠近下底面的侧壁与气室6光纤连接通孔圆锥台形管腔靠近下底面的内壁接触部位；

气室6内光纤连接通孔的轴截面上，圆锥台形管腔的内壁面剖线与与小圆柱形管腔侧壁的剖线延长线构成的锐角为∠α＝10°，套筒(2)的轴截面上，套筒2外壁面剖线与通孔内壁面剖线构成的锐角为∠β＝8°；

通过圆环状螺纹压圈5的螺合挤压，使采用相对偏软的无氧铜的套筒2的圆锥台形下底面边缘向外发生微形变，增加套筒2与气室6光纤连接通孔圆锥台形管腔内壁之间的接触面积和挤压力，关键密封部件的金属材质、金属涂层都为铜质材料，保证了热膨胀从金属到光纤的自然过度，形成形变互补，强化了密封效果，该密封结构可实现气室温度从室温到450℃范围内反复升降，可承受气压大于10个大气压。

Claims (7)

1.带有金属涂层的空芯光子晶体光纤与高压气室密封结构，其特征在于：包括一带有金属涂层的空芯光子晶体光纤（1）；

一套筒（2），其形状为圆锥台形，右侧为套筒（2）的圆锥台上底面，外径为a，左侧为套筒（2）的圆锥台下底面，外径为b，套筒（2）内部从下底面开始有一部分为圆锥台形凹槽，圆锥台形凹槽下底面直径为b，与套筒（2）的圆锥台下底面外径一致，圆锥台形凹槽上底面直径为c，从圆锥台形凹槽上底面到套筒（2）的圆锥台上底面有一通孔贯穿，通孔直径为c，套筒（2）中涉及的直径尺寸关系为c<a<b；

一外壁面上带有光纤连接通孔的气室（6），光纤连接通孔从左至右包括依次同轴设置的三部份，左侧为大圆柱形管腔，中间为圆锥台形管腔，右侧为小圆柱形管腔，圆锥台型管腔的上底面直径为d，下底面直径为e，d<e，圆锥台形管腔上底面与右侧气室通过小圆柱形管腔连接，小圆柱形管腔内直径为d，与圆锥台形管腔上底面直径相同，圆锥台形管腔下底面通过大圆柱形管腔连接到气室外部，大圆柱形管腔作为光纤连接通孔的管口，管口带有内螺纹，大圆柱形管腔内直径为e，与圆锥台形管腔下底面直径相同；

一圆环状螺纹压圈（5），内部有通孔，带有金属涂层的空芯光子晶体光纤（1）可以由通孔穿过其内部，圆环状螺纹压圈（5）外部有外螺纹，其右端有凸台，凸台为圆环形，外直径为f，其尺寸介于套筒（2）的圆锥台下底面外径b与套筒（2）内部通孔直径c之间，即c<f<b；

所述密封结构涉及的相关直径之间的关系为：c<a<d<b<e，c<f<b；

带有金属涂层的空芯光子晶体光纤（1）由通孔穿过套筒（2）的内部，通过钎焊手段进行焊接，将钎料放置在套筒（2）右端面的顶端焊点（3）和圆锥台形凹槽内靠近上底面的尾端焊点（4）上，通过加热使钎料熔化，待降温冷却后，在顶端焊点（3）和尾端焊点（4）两处位置实现了带有金属涂层的空芯光子晶体光纤（1）与套筒（2）之间的密封，顶端焊点（3）完全覆盖套筒（2）的圆锥台上底面，将顶端焊点（3）的外形处理成半球形，尾端焊点（4）的左侧表面处理成球面形曲面，强化应力作用下的密封性，两处密封点可实现双保险；

将已与带有金属涂层的空芯光子晶体光纤（1）密封的套筒（2），从气室（6）外部光纤连接通孔管口一端放入其圆锥台形管腔内，套筒（2）的圆锥台下底面面向气室（6）光纤连接通孔管口一侧，通过圆环状螺纹压圈（5）的外螺纹与管口的内螺纹将圆环状螺纹压圈（5）螺合于气室（6）光纤连接通孔的管口内，通过圆环状螺纹压圈（5）右侧的圆环状凸台顶压套筒2内的圆锥台形凹槽内壁的斜面，挤压套筒（2）与气室（6）光纤连接通孔内壁面紧密接触，借助顶端焊点（3）和尾端焊点（4），实现带有金属涂层的空芯光子晶体光纤（1）、套筒（2）、以及气室（6）之间的密封。

2.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：带有金属涂层的空芯光子晶体光纤（1）外部的金属涂层选择铜金属材料，由于金属层较薄，厚度为0.5-1.0毫米，可以保证热膨胀从金属层自然过度到光纤包层的石英，套筒（2）选择无氧铜金属材料，顶端焊点（3）和尾端焊点（4）的钎料采用铜基钎料或银基钎料，同质铜金属材料的套筒（2）及带有铜金属涂层的空芯光子晶体光纤（1）钎焊后，可以保持良好的力学性能，热膨胀也可以从铜金属材料自然过度到光纤，能够实现形变互补，强化密封性，可实现气室温度从室温到450℃范围内反复升降，可承受气压大于10个大气压。

3.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：气室（6）需采用材质较硬的黄铜合金材料，由于套筒（2）所采用的无氧铜硬度低于黄铜，这样在圆环状螺纹压圈（5）的挤压过程中，无氧铜会发生形变，增加了套筒（2）与气室（6）之间的接触面积和挤压力，实现充分密封，特别是使套筒（2）的圆锥台形下底面较薄的边缘向外发生形变，增加一处密封部位，实现了套筒（2）与气室（6）的双层密封，增强了密封保险性。

4.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：气室（6）光纤连接通孔的轴截面上，圆锥台形管腔的内壁面剖线与小圆柱形管腔侧壁的剖线延长线构成的锐角为∠α；套筒（2）的轴截面上，套筒（2）外壁面剖线与通孔内壁面剖线构成的锐角为∠β，所涉及的角度之间的关系为：1°<∠α-∠β<3°。

5.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：包括一带有金属涂层的空芯光子晶体光纤（1），空芯光子晶体光纤（1）纤芯直径为100-150微米，其外部设有包层，包层材料为石英，厚度为20~40微米，包层外表面涂覆铜金属涂层，带有铜金属涂覆后的光纤整体直径为1-2毫米。

6.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：气室右侧内部存储产生的碱金属蒸汽和/或缓冲气体，碱金属蒸汽为锂、钠、钾、铷、铯中的一种或二种以上的蒸汽；缓冲气体为氦、氖、氩、氪、氙、甲烷、乙烷、丙烷中的一种或二种以上。

7.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：通过800~900℃的低温加热，使钎料熔化。