CN114442220B - 基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤技术领域，具体涉及了一种基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法和装置，旨在解决现有的光纤吸收腔制作方法都存在装置复杂、操作难度高的问题。本发明包括：将He气与目标标准气以预设比例混合，获取高压混合气体；将所述高压混合气体注满空芯光纤，获得注满高压混合气体的光纤；在充气状态下将所述注满高压混合气体的光纤两端熔接密封光纤，获得注满高压混合气体的光纤段；将所述注满混合气体的光纤段置于高温环境，排出混合气体中的He气，获得低压标准气体光纤结构吸收腔。本发明提高了光纤吸收腔制作方法的实用性，降低了操作难度，制得全光纤标准气体吸收腔，结构紧凑、与光纤系统完美匹配，稳定性高、环境适应性强。

Description

基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法和装置

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及了一种基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法和装置。

背景技术

空芯光子晶体光纤具有损耗低、色散小、非线性效应低等优良的光学特性，其特殊的中空结构为使用不同介质填充光纤，从而拓宽应用场景提供了可能。通过向空芯光子晶体光纤的内部孔隙中填充特定气体，可以制备体积小、重量轻、有效光程长的光纤气体吸收腔。同时，由于光子晶体光纤特殊的光波导原理，光波可以有效地被束缚在纤芯内传输，在进一步提高光与气体作用效率的同时，也进一步提高了气体吸收腔的稳定性。

气体吸收腔在气体检测、高分辨光谱、激光稳频等领域有着广泛应用，需要将光纤气体吸收腔内气体压强设置成特定值，以获得适合的吸收谱线线宽、和稳定谱线。在实际的使用过程中，由于需要腔体密封和与光纤光路高效耦合，要求气体吸收腔结构紧凑、光路易与系统集成、长期稳定性。现有的光纤气体吸收腔大都采用在光纤两端设置抽气和注气密封腔模块、通过先将空芯光纤内气体抽空再注入设定压力气体的方式制作标准气体吸收腔；先抽气再注气的光纤制作方法存在装置复杂、操作难度高、加工要求高、实用性和环境适用性差的问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有的光纤吸收腔制作方法都存在装置复杂、操作难度高、加工要求高、实用性较低的问题。本发明提供了一种基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，所述方法包括：

步骤S100，将He气与目标标准气以预设比例混合，获取高压混合气体；

步骤S200，截取设定长度的空芯光纤，将所述高压混合气体注满空芯光纤，获得注满高压混合气体的光纤；

步骤S300，在充气状态下将所述注满高压混合气体的光纤两端熔接密封光纤，获得注满高压混合气体的光纤段；

步骤S400，将所述注满混合气体的光纤段置于预设的高温环境，使混合气体中的He气泄露，获得设定的最终气压的标准气体光纤结构吸收腔。

在一些优选的实施方式中，所述空心光纤包括带隙光子晶体光纤、反谐振光子晶体光纤和毛细光纤。

在一些优选的实施方式中，所述密封光纤为实心结构光纤。

在一些优选的实施方式中，所述高压混合气体，包括体积分数为α的目标标准气体，α值由设定的吸收腔中最终气压和高压混合气体的总压强P_T计算得到，吸收腔标准气体的压强为αP_T。

在一些优选的实施方式中，所述步骤S400，具体为：将所述注满混合气体的光纤段置于温度为T的高温温箱中，使He通过光纤包层泄露，直至所述He气完全泄露，光纤中的目标标准气达到预设的最终气压的状态，获得设定的最终气压的标准气体光纤结构吸收腔。

在一些优选的实施方式中，所述低压标准气体光纤结构吸收腔，其光谱为窄线宽高稳定标准吸收光谱。

在一些优选的实施方式中，所述高压混合气体为气压高于气体吸收腔内设定的标准气最终气压且高于大气压力的混合气体。

本发明的另一方面，提出了一种基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作装置，用以执行上述的基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，所述装置包括：

排气系统、光纤连接模块、气压检测模块和气体填充模块；

所述气体填充模块，用于将所述混合气体注入空芯光纤；

所述排气系统，用于排出混合气体中的He气，获得低压标准气体光纤结构吸收腔；

所述光纤连接模块，用于连接空芯光纤；

所述气压检测模块，用于实时检测系统内气体压强情况。

在一些优选的实施方式中，所述排气系统，包括温箱和光谱检测模块；

所述温箱，用于提供所述预设的高温环境，进而排除混合气体中的He气；

所述光谱检测模块，用于实时监测吸收腔的吸收光谱，当吸收光谱的谱线线宽不随时间变化，获得低压标准气体光纤结构吸收腔。

在一些优选的实施方式中，所述光纤连接模块，包括塑料连通管、PU气管、UV胶和紫外灯；

所述塑料连通管，配置为在所料连通管第一端通过外侧填涂所述UV胶，并通过所述紫外灯照射固化，与所述PU气管密封连接；将所述空芯光子晶体光纤置于所述塑料连通管的内部，在塑料连通管第二端内部填涂UV胶并使用所述紫外灯照射固化进行密封连接。

在一些优选的实施方式中，所述制作装置，工作时，将空芯光纤通过不锈钢气管顺次连接光纤连接模块、气压检测模块和气体填充模块；

进行排气阶段时将注满高压混合气体的光纤段置于温箱中，第一端连接隔离箱和可调谐光源，第二端连接光谱检测模块。

本发明的有益效果：

(1)本发明基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法通过将He辅助将光纤气体吸收腔内的低压状态暂时转变为高压状态，同时保证目标气体的较低分压，以此来避免开放熔接环境中空气对腔内气体的影响，不引入其他装置，提高了光纤吸收腔制作方法的实用性，降低了操作难度和复杂度。

(2)本发明基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法可在不改变制作装置内任何组件的前提下，通过调整混合气体的输出气体的总压强，得到不同目标气体分压的光纤吸收腔，在保证腔内气体纯度的同时，简化制作装置的复杂性，使其具备可重复操作流程标准化的优势。

(3)本发明获得全光纤的标准气体吸收腔结构，具有结构紧凑、与光纤光路完美匹配、长期稳定性高、环境适应性强等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例中基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作装置工作时连接示意图；

图3是本发明实施例中第一端密封阶段基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作装置连接示意图；

图4是本发明实施例中两端基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作装置连接示意图；

图5是本发明实施例中基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作装置排气阶段连接示意图；

图6是本发明实施例中基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法加热不同时间腔内吸收光谱图；

图7是本发明实施例中基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法完成的标准气体光纤结构吸收腔成品示意图；

图8是本发明实施例中制备完成的光纤低压标准气体吸收腔在1525～1540nm波段的吸收谱线；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，本方法通过He辅助气体将光纤气体吸收腔内的低压状态暂时转变为高压状态，同时保证目标气体的较低分压，以此来避免开放熔接环境中空气对腔内气体的影响，不引入其他装置，提高了光纤吸收腔制作方法的实用性，降低了操作难度和复杂度。

本发明的一种基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，包括：

步骤S100，将He气与目标标准气以预设比例混合，获取高压混合气体；所述高压混合气体为气压高于气体吸收腔内设定的标准气最终气压且高于大气压力的混合气体；

步骤S200，截取设定长度的空芯光纤，将所述高压混合气体注满空芯光纤，获得注满高压混合气体的光纤；

步骤S300，在充气状态下将所述注满高压混合气体的光纤两端熔接实心结构密封光纤，获得注满高压混合气体的光纤段；

步骤S400，将所述注满混合气体的光纤段置于预设的高温环境，使混合气体中的He气泄露，获得设定压力的标准气体光纤结构吸收腔。

为了更清晰地对本发明系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。

本发明第一实施例的基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，各步骤详细描述如下：

步骤S100，将He气与目标标准气以预设比例混合，获取高压混合气体；所述高压混合气体为气压高于气体吸收腔内设定的标准气最终气压且高于大气压力的混合气体；目标标准气可以为C₂H₂、HCN、CO以及所有具有明显特征吸收谱线的气体，通过与He气按根据需求设定的最终气压计算得出的混合比例进行混合得到；

He原子的吸收谱线分布在500～800nm的范围内，且谱线强度较底，不会干扰C₂H₂、HCN、CO这类标准气体在红外波段的特征吸收谱线性能。

所述高压混合气体，包括体积分数为α的目标标准气体，α值由设定的吸收腔中最终气压和高压混合气体的总压强P_T计算得到，吸收腔标准气体的压强为αP_T，P_T高于气体吸收腔内设定的标准气的最终气压且高于大气压。在总压强为300kPa的高压混合气体中，目标标准气的体积分数为7％，气室标准气的压强为21kPa；

步骤S200，将所述高压混合气体注满空芯光纤，获得注满高压混合气体的光纤；注满高压混合气体的光纤吸收腔内变为高压状态；通过向空芯光纤中注入混合气体t小时，优选的t为2.5小时，排空光纤内空气，使空芯光纤成为注满高压混合气体的光纤；

在本实施例中，所述空心光纤包括带隙光子晶体光纤、反谐振光子晶体光纤和毛细光纤。采用使用空芯光纤为7cell型带隙光子晶体光纤，长度为1.5m。

步骤S300，在充气状态下将所述注满高压混合气体的光纤两端熔接密封光纤，获得注满高压混合气体的光纤段；

在本实施例中，所述密封光纤为实心结构光纤。

步骤S400，将所述注满混合气体的光纤段置于预设的高温环境，排出混合气体中的He气，获得设定的最终气压标准气体光纤结构吸收腔。所述设定的最终气压标准气体光纤结构吸收腔在大气降温后即可应用于气体检测、高分辨光谱或激光稳频领域。

具体为：将所述注满混合气体的光纤段置于温度为T的高温箱中，使He通过光纤包层泄露，直至所述He气完全泄露，光纤中的目标标准气达到预设的最终气压的状态，获得设定的最终气压的标准气体光纤结构吸收腔。高温排气过程中，通过光谱检测模块实时检测吸收腔的吸收光谱，为吸收腔内He渗透程度提供依据。利用He在光纤包层的渗透性和高温对渗透的加速作用，使He从空芯光纤中完全泄露。

以目标标准气与He均匀混合后的气体为例，气体符合理想气体状态方程，P_TV_i＝n_iRT，其中P_T为混合气体总压强，V_i和n_i分别为某气体组分体积和物质的量，R为理想气体常数，T为温度，即在混合气体中，各组分气体的分压与分体积成正比；所述He在光纤包层中具有高渗透特性，其渗透速度满足F＝K·S·Δp/δ，其中K为渗透系数；S为固体壁面的面积；Δp为器壁两侧的气体压力差；δ为容器器壁的厚度；在本实施例中，在排气系统中使用温箱排出注满混合气体的光纤段中的He时，随着He渗透时间的增加，空芯光纤1内气体分子数量减少，分子间碰撞产生的谱线展宽减小，谱线线宽逐渐变窄。当排气温度为75℃时，1小时后谱线线宽不再明显减小，可以认为此时He渗透完全；空芯光纤1与密封光纤6的熔点由石英槽、环氧树脂胶或热缩管进行保护，制备完成的低压标准气体光纤结构吸收腔如图7所示；

在本实施例中，所述低压标准气体光纤结构吸收腔，其光谱为窄线宽高稳定标准吸收光谱。成品的低压标准气体光纤结构吸收腔的吸收光谱图如图8所示，其中上部曲线为光纤低压标准气体吸收腔实测光谱，下部曲线为Harvard-Smithsonian天体物理中心运营的HITRAN气体光谱参数数据库中C₂H₂气体的标准吸收系数，两者吸收谱线中心位置保持一致，且不随温度变化波动，具备窄线宽、低损耗、高稳定特性。

本发明第二实施例的基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作装置，用以执行上述的基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，所述装置包括：排气系统、光纤连接模块、气压检测模块和气体填充模块；

所述气体填充模块，用于制备混合气体和将所述混合气体注入空芯光纤；包括带有开关阀的气瓶和制备好的混合气体；

所述排气系统，用于排出混合气体中的He气，获得低压标准气体光纤结构吸收腔；

在本实施例中，所述排气系统，包括温箱和光谱检测模块；

所述温箱，用于提供所述预设的高温环境，进而排除混合气体中的He气；

所述光谱检测模块，用于实时监测吸收腔的吸收光谱，当吸收光谱的谱线线宽不随时间变化，如图6所示，获得低压标准气体光纤结构吸收腔。

所述光纤连接模块，用于连接空芯光纤；

在本实施例中，所述光纤连接模块，包括塑料连通管、PU气管、UV胶和紫外灯；

所述塑料连通管，配置为在所料连通管第一端通过外侧填涂所述UV胶，并通过所述紫外灯照射固化，与所述PU气管密封连接；将所述空芯光子晶体光纤置于所述塑料连通管的内部，在塑料连通管第二端内部填涂UV胶并使用所述紫外灯照射固化进行密封连接。在本实施例中，本实施例中使用空芯光纤为7cell型带隙光子晶体光纤，长度为1.5m，如图8所示；

所述气压检测模块，用于实时检测系统内气体压强情况。

在本实施例中，所述制作装置，工作时，如图2所示，将空芯光纤1通过不锈钢气管3顺次连接光纤连接模块2、气压检测模块4和气体填充模块5；气压检测模块4还包括用于传感的真空规管和用于显示的正负压测量表；密封阶段如图3和图4所示，在空芯光纤的两端分别熔接密封光纤6；在图3中，先在充气状态下将空芯光纤1的左端与密封光纤6熔接，再如图4所示关闭气体填充模块5，断开空芯光纤1与光纤连接模块2的连接，将空芯光纤1与密封光纤6熔接，将混合气体永久密封在空芯光纤1中；空芯光纤1与密封光纤6的熔接使用康阔PFS-500型号光纤熔接机实现，放电强度为14bit，放电时间为200ms，放电次数为5次，放电熔接的时间小于3min；

进行排气阶段时，如图5所示，将注满高压混合气体的光纤段置于温箱9中，第一端连接隔离箱8和可调谐光源7，第二端连接光谱检测模块10。

使用He作为低压目标标准气体填充时的辅助气体，通过将He与目标标准气体按一定比例混合，形成高于大气压的混合气体，将光纤气体吸收腔内的低压状态暂时转变为高压状态，同时保证目标气体的较低分压，以此来避免开放熔接环境中空气对腔内气体的影响，且不引入其他装置，操作步骤简单。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S100，将He气与目标标准气以预设比例混合，获取高压混合气体；所述高压混合气体，包括体积分数为α的目标标准气体，α值由设定的吸收腔中最终气压和高压混合气体的总压强P_T计算得到，吸收腔标准气体的压强为αP_T；

步骤S200，截取设定长度的空芯光纤，将所述高压混合气体注满空芯光纤，获得注满高压混合气体的光纤；

步骤S300，在充气状态下将所述注满高压混合气体的光纤两端熔接密封光纤，获得注满高压混合气体的光纤段；

步骤S400，将所述注满混合气体的光纤段置于预设的高温环境，使混合气体中的He气泄露，获得设定的最终气压的标准气体光纤结构吸收腔。

2.根据权利要求1所述的基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，其特征在于，所述空芯 光纤包括带隙光子晶体光纤、反谐振光子晶体光纤和毛细光纤。

3.根据权利要求1所述的基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，其特征在于，所述密封光纤为实心结构光纤。

4.根据权利要求1所述的基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，其特征在于，所述步骤S400，具体为：将所述注满混合气体的光纤段置于温度为T的高温箱中，使He通过光纤包层泄露，直至所述He气完全泄露，光纤中的目标标准气达到预设的最终气压的状态，获得最终气压的标准气体光纤结构吸收腔。

5.根据权利要求1所述的基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，其特征在于，所述高压混合气体为气压高于气体吸收腔内设定的标准气最终气压且高于大气压力的混合气体。

6.一种基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作装置，其特征在于，用以执行如权利要求1-4任一项所述的基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作方法，所述装置包括：排气系统、光纤连接模块、气压检测模块和气体填充模块；

所述气体填充模块，用于将所述混合气体注入空芯光纤；

所述排气系统，用于排出混合气体中的He气，获得设定压力的标准气体光纤结构吸收腔；

所述光纤连接模块，用于连接空芯光纤；

所述气压检测模块，用于实时检测系统内气体压强情况。

7.根据权利要求6所述的基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作装置，其特征在于，所述排气系统，包括温箱、隔离器和光谱检测模块；

所述温箱，用于提供所述预设的高温环境，进而排除混合气体中的He气；

所述光谱检测模块，用于实时监测吸收腔的吸收光谱，当吸收光谱的谱线线宽不随时间变化时，获得设定的最终气压的标准气体光纤结构吸收腔。

8.根据权利要求6所述的基于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作装置，其特征在于，所述光纤连接模块，包括塑料连通管、PU气管、UV胶和紫外灯；

所述塑料连通管，配置为在所料连通管第一端通过外侧填涂所述UV胶，并通过所述紫外灯照射固化，与所述PU气管密封连接；将空芯光子晶体光纤置于所述塑料连通管的内部，在塑料连通管第二端内部填涂UV胶并使用所述紫外灯照射固化进行密封连接。

9.根据权利要求6所述的于He辅助光纤标准气体吸收腔的制作装置，其特征在于，所述制作装置，工作时，将空芯光纤通过不锈钢气管顺次连接光纤连接模块、气压检测模块和气体填充模块；

进行排气阶段时将注满高压混合气体的光纤段置于温箱中，第一端连接隔离箱和可调谐光源，第二端连接光谱检测模块。

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