CN115061234B - 一种声压高灵敏度实芯光子晶体光纤、制备方法及水声器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种声压高灵敏度实芯光子晶体光纤、制备方法及水声器，属于晶体光纤技术领域，解决了现有技术中的实芯光子晶体光纤加工难度大、灵敏度低和结构稳定性低的问题。本发明的声压高灵敏度实芯光子晶体光纤，从内到外依次包括纤芯、包层和涂覆层；包层的直径D1为60μm，实芯光子晶体光纤的直径D2为100μm；空气孔A的直径小于空气孔B的直径，空气孔B的直径小于空气孔C的直径；多个空气孔A设置于纤芯的外层，多个空气孔B和多个空气孔C交替设置于多个空气孔A的外层；多个空气孔A、空气孔B和空气孔C均对称设置。本发明的高声压灵敏度实芯光子晶体光纤不易产生拉锥形变和畸形、信号灵敏度强，结构强度高以及稳定性强。
Description
技术领域
本发明涉及晶体光纤技术领域，具体涉及一种声压高灵敏度实芯光子晶体光纤、制备方法及水声器。
背景技术
近几年，光纤因其对水声压灵敏度高的特点，使该技术在水听器领域的研究得到了长足的进展，但是因光纤尺寸微小，其加工工艺以及内部构型成为阻碍光纤发展的绊脚石。特别是内部设置有空气孔的实芯光子晶体光纤，空气孔的存在大大影响了实芯光子晶体光纤加工难度，进而影响了实芯光子晶体光纤的灵敏度。
发明内容
鉴于上述分析，本发明实施例旨在提供一种声压高灵敏度实芯光子晶体光纤、制备方法及水声器，用以解决现有实芯光子晶体光纤加工难度大、灵敏度低和结构稳定性低的问题。
一方面，本发明提供了一种声压高灵敏度实芯光子晶体光纤，从内到外依次包括纤芯、包层和涂覆层；包层的直径D1为60μm，实芯光子晶体光纤的直径D2为100μm；包层中设置有多个空气孔A、空气孔B和空气孔C，空气孔A的直径小于空气孔B的直径，空气孔B的直径小于空气孔C的直径；多个空气孔A设置于纤芯的外层，多个空气孔B和多个空气孔C交替设置于多个空气孔A的外层；多个空气孔A、空气孔B和空气孔C均对称设置。
可选地，多个空气孔A的轴心连线构成正六边形。
可选地，多个空气孔B的轴心连线构成方形，多个空气孔C的轴心连线构成方形。
可选地，空气孔C直径d1为20μm，空气孔B直径d2为8μm，空气孔A直径d3为4μm，相邻的两个空气孔A轴心间距Λ为5μm。
可选地，每两个空气孔C之间设置一个空气孔B。
另一方面，本发明还提供了一种水声器，所述水声器的光纤前述的声压高灵敏度实芯光子晶体光纤。
第三方面，本发明还提供了一种声压高灵敏度实芯光子晶体光纤的制备方法，用于制备前述的声压高灵敏度实芯光子晶体光纤，包括以下步骤：
S1、根据空气孔A、空气孔B、空气孔C、包层和纤芯尺寸制备空气孔毛细管和实芯毛细棒，并将空气孔毛细管和实芯毛细棒堆积为光纤结构的毛细簇；
S2、将毛细簇插入到毛细外套管中，制备实芯光子晶体光纤预制棒；
S3、采取气压控制拉制实芯光子晶体光纤预制棒，将实芯光子晶体光纤预制棒拉制成包层直径为60μm，涂覆厚度为20μm的涂敷层，制备成光纤直径100为μm的实芯光子晶体光纤。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明的高声压灵敏度实芯光子晶体光纤的空气孔的有效面积比例高且成形过程中不易产生拉锥形变和畸形，结构强度高以及稳定性强。
(2)本发明的高声压灵敏度实芯光子晶体光纤的信号灵敏度强，使用其作为水声器的光纤时，水声器的敏感探头对声波信号的敏感度强，能够提升信号灵敏度。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1是本发明的实芯光子晶体光纤横截面的结构示意图；
图2是本发明的实芯光子晶体光纤结构横截面尺寸示意图。
附图标记：
1：纤芯；2：包层；3：涂覆层；4：第一空气孔A；5：第二空气孔A；6：第三空气孔A；7：第四空气孔A；8：第五空气孔A；9：第六空气孔A；10：第一空气孔B；11：第二空气孔B；12：第三空气孔B；13：第四空气孔B；14：第一空气孔C；15：第二空气孔C；16：第三空气孔C；17：第四空气孔C；d1：空气孔C直径；d2：空气孔B直径；d3：空气孔A直径；D1：包层直径；D2：光纤直径；Λ：空气孔A间距。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。
本发明的一个具体实施例，如图1-2，公开了一种声压高灵敏度实芯光子晶体光纤，从内到外依次包括纤芯1、包层2和涂覆层3；包层2的直径D1为60μm，实芯光子晶体光纤的直径D2为100μm；其特征在于，包层2中设置有多个空气孔A、空气孔B和空气孔C，空气孔A的直径小于空气孔B的直径，空气孔B的直径小于空气孔C的直径；多个空气孔A设置于纤芯1的外层，多个空气孔B和多个空气孔C交替设置于多个空气孔A的外层；多个空气孔A、空气孔B和空气孔C均对称设置。
可选地，声压高灵敏度实芯光子晶体光纤用于水声器。
可选地，两个空气孔C中间设置一个空气孔B。
可选地，纤芯1和包层2的材料为二氧化硅。
可选地，多个空气孔A均匀地围绕纤芯的外层设置；多个空气孔A的轴心连线构成一个正六边形；优选地，空气孔A设置六个，包括第一空气孔A4、第二空气孔A5、第三空气孔A6、第四小空气7、第五空气孔A8和第六空气孔A9；多个空气孔A横截面构成轴对称图形。
可选地，多个空气孔B和空气孔C均匀地围绕空气孔A的外层设置；多个空气孔B的轴心连线构成一个正方形，多个空气孔C的轴心连线构成一个正方形；优选地，空气孔B设置四个，包括第一空气孔B10、第二中空气11、第三空气孔B12和第四空气孔B13；空气孔C设置四个，包括第一空气孔C14、第二大空气15、第三空气孔C16和第四空气孔C17；多个空气孔C横截面构成轴对称图形，多个空气孔B横截面构成轴对称图形。
可选地，参见附图1，以纤芯1的圆心为原点建立水平坐标系x-y轴，四个空气孔C关于原点中心对称，第一空气孔C14的圆心在x轴负方向18μm处，第二空气孔C15的圆心在y轴正方向18μm处；第三空气孔C16的圆心在x轴正方向18μm处，第四空气孔C17的圆心在y轴负方向18μm处；在两个空气孔C中间设置一个空气孔B，空气孔B关于原点中心对称，第一中等空气孔10在x轴负方向15μm、y轴正方向15μm处，第二空气孔B11在x轴正方向15μm、y轴正方向15μm处，第三空气孔B12在x轴正方向15μm、y轴负方向15μm处，第四空气孔B10在x轴负方向15μm、y轴负方向15μm处。
可选地，参见附图2，空气孔C直径d1为20μm，空气孔B直径d2为8μm，空气孔A直径d3为4μm，相邻的两个空气孔A轴心间距Λ为5μm；空气孔A、空气孔B和空气孔C与包层的面积比为1:2。
表1本申请与现有技术中光纤实验结果对比
光纤的相位变化量与光纤应变量有关。光纤在相同力作用下的应变量相当于光纤的相位变化量，等同于传感探头上光纤的声压灵敏度。如表1所示，根据应变量可知，本发明的Φ60/100μm(即：包层与光纤直径分别为60μm和100μm)实芯光子晶体光纤比Φ125/250μm(即：包层与光纤直径分别为125μm和250μm)单模光纤的应力灵敏度提高了一个数量级，比Φ80/135μm(即：包层与光纤直径分别为80μm和135μm)单模光纤的应力灵敏度提高了3.8倍，比Φ60/100μm(即：包层与光纤直径分别为60μm和100μm)单模光纤的应力灵敏度提高了2倍，比普通Φ60/100μm(即：空气孔直径为1.5μm，空气孔间距Λ为2μm，包层与光纤直径分别为60μm和100μm的实芯光子晶体光纤)实芯光子晶体光纤的应力灵敏度提高了1.7倍。
另一方面，本发明还公开了一种水声器，所述水声器的光纤采用前述的高声压灵敏度实芯光子晶体光纤。
第三方面，本发明还公开了一种前述声压高灵敏度实芯光子晶体光纤的制备方法，包括以下步骤：
S1、根据空气孔A、空气孔B、空气孔C、包层和纤芯尺寸制备空气孔毛细管和实芯毛细棒，并将空气孔毛细管和实芯毛细棒堆积为光纤结构的毛细簇；
使用光纤拉制塔将制备外径为1mm的空气孔毛细管和直径为1mm毛细棒，其中，空气孔A毛细管的内径为0.1mm，空气孔B毛细管的内径为0.2mm，空气孔C毛细管的内径为0.5mm；以1mm毛细棒为中心，由内向外按照空气孔A、空气孔B和空气孔C的排列方式分别将空气孔A毛细管、空气孔B毛细管和空气孔C毛细管排列堆积起来形成毛细簇。
S2、将毛细簇插入到毛细外套管中，制备实芯光子晶体光纤预制棒；
将毛细簇插入到外径尺寸15mm的毛细外套管中，并在毛细簇的外壁和毛细外套管的内壁之间的空隙中插入支撑毛细棒以维持毛细管簇的结构稳定，制成实芯光子晶体光纤预制棒。
S3、采取气压控制拉制实芯光子晶体光纤预制棒，将实芯光子晶体光纤预制棒拉制成包层直径为60μm后，涂覆厚度为20μm的涂敷层，制备成光纤直径100为μm的实芯光子晶体光纤。
制备时，将预制棒固定在光纤拉制塔上，控制拉制温度为1950℃，固定下棒速度为5mm/min，拉丝速度为70～150mm/min。
该制备方法能够避免毛细管的坍塌，另外在光纤拉制过程中能够精确控制毛细管孔内压力、毛细管与毛细棒之间空隙的压力以及毛细管与毛细外套管壁之间空隙的压力，以保证拉制完成的声压高灵敏度实芯光子晶体光纤具有较好的结构强度以及稳定性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种声压高灵敏度实芯光子晶体光纤，从内到外依次包括纤芯(1)、包层(2)和涂覆层(3)；其特征在于，包层(2)的直径D1为60μm，实芯光子晶体光纤的直径D2为100μm；包层(2)中设置有多个空气孔A、空气孔B和空气孔C，空气孔A的直径小于空气孔B的直径，空气孔B的直径小于空气孔C的直径；多个空气孔A设置于纤芯(1)的外层，多个空气孔B和多个空气孔C交替设置于多个空气孔A的外层；多个空气孔A、空气孔B和空气孔C均对称设置；空气孔C直径d1为20μm，空气孔B直径d2为8μm，空气孔A直径d3为4μm，相邻的两个空气孔A轴心间距Λ为5μm；多个空气孔A的轴心连线构成正六边形；多个空气孔B的轴心连线构成方形，多个空气孔C的轴心连线构成方形；每两个空气孔C之间设置一个空气孔B。
2.一种水声器，所述水声器的光纤采用权利要求1所述的声压高灵敏度实芯光子晶体光纤。
3.一种声压高灵敏度实芯光子晶体光纤的制备方法，用于制备权利要求1所述的声压高灵敏度实芯光子晶体光纤，包括以下步骤：
S1、根据空气孔A、空气孔B、空气孔C、包层和纤芯尺寸制备空气孔毛细管和实芯毛细棒，并将空气孔毛细管和实芯毛细棒堆积为光纤结构的毛细簇；
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S3、采取气压控制拉制实芯光子晶体光纤预制棒，将实芯光子晶体光纤预制棒拉制成包层直径为60μm，涂覆厚度为20μm的涂敷层，制备成光纤直径为100μm的实芯光子晶体光纤。
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