本發(fā)明屬于光纖導(dǎo)入裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無損耗超高真空光纖導(dǎo)入裝置及方法。

背景技術(shù)：

真空尤其是超高真空不僅為高能粒子、核物理研究及表面科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的眾多研究方面提供必備的實驗環(huán)境，而且在半導(dǎo)體工業(yè)、航天、國防等關(guān)乎國計民生的重要領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用。

真空系統(tǒng)的應(yīng)用過程中經(jīng)常需要將光、電、物體移動等物理量由真空外導(dǎo)入或?qū)С稣婵諆?nèi)。其中光的導(dǎo)入導(dǎo)出方法主要有兩種方式。一種常用的方法為真空窗口，即光直接穿過透光介質(zhì)從而達(dá)到光導(dǎo)入導(dǎo)出真空的目的。在一般的應(yīng)用中真空窗口的主要目的是觀察真空內(nèi)部裝置的運行情況。在超高真空系統(tǒng)應(yīng)用中，人們通常使用玻璃、石英等材料作為光導(dǎo)入導(dǎo)出介質(zhì)。但是在涉及激光物理實驗和工業(yè)生產(chǎn)中普通的真空窗片對不同波長的激光透射率存在差異，不同波長的激光傳輸經(jīng)過優(yōu)質(zhì)的石英真空窗片的透過率存在一定頻率帶寬，而且最高透過率為98％左右，仍有部分光被損耗。而在實際操作過程中人們在窗片表面鍍以介質(zhì)減反膜來提高激光的透過率以減少光的損耗，但是窗片鍍膜不僅提高了設(shè)備成本，而且激光在不同角度穿過窗片時透過率也存在較大差異。另外一種真空光導(dǎo)入的方法是光纖導(dǎo)入。光纖可以在空間上很好地束縛激光光束，因此在光導(dǎo)入導(dǎo)出真空的過程中光纖引導(dǎo)激光不僅損耗低而且更容易控制。但是現(xiàn)有的商用光纖導(dǎo)入導(dǎo)出器件是利用光纖耦合接頭結(jié)合玻璃、陶瓷或者塑料等材料來傳導(dǎo)激光并起到真空密封的效果，工藝不僅復(fù)雜、而且成本高，另外由于此類激光導(dǎo)入裝置在真空內(nèi)外均需要使用光纖接頭連接，激光由真空外部(內(nèi)部)光纖輸出后再次耦合輸入內(nèi)部(外部)光纖，必定會引入一定激光耦合損耗，通常在1dB左右。而且此類激光導(dǎo)入裝置一旦制作完成光纖的接頭類型即以確定，所以此類裝置只能支持單種光纖或部分種類光纖使用，通用型差。

在部分半導(dǎo)體激光加工和微納材料光譜特性等研究中激光需要由光纖導(dǎo)入導(dǎo)出真空，并需要盡可能減小光在導(dǎo)入導(dǎo)出過程的傳輸損耗，同時還可以支持多種光纖類型，因此亟需一種無損耗通用型的激光真空導(dǎo)入裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有真空光纖導(dǎo)入裝置存在傳輸損耗大和通用型差的技術(shù)問題，提供一種無損耗超高真空光纖導(dǎo)入裝置及方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種無損耗超高真空光纖導(dǎo)入裝置，包括緊固螺帽、中間設(shè)有通孔的彈性密封塞和管狀接頭，所述緊固螺帽的帽蓋上設(shè)有通孔，彈性密封塞的頭部塞裝在管狀接頭的左端口，緊固螺帽與管狀接頭的左端螺紋連接，且使彈性密封塞的尾部位于緊固螺帽的帽腔中。

所述中間設(shè)有通孔的彈性密封塞的頭部為錐臺型，以便與管狀接頭密封連接。

所述管狀接頭為一圓柱管，圓柱管左端內(nèi)壁為與彈性密封塞錐臺型頭部相匹配的錐形面，在圓柱管左端的外壁設(shè)有外螺紋，以便與緊固螺帽螺紋連接。

一種采用所述無損耗超高真空光纖導(dǎo)入裝置獲取超高真空的方法，包括以下步驟：

(1)選取光纖為裸光纖；將光纖穿過彈性密封件中心通孔，將彈性密封件錐臺狀頭部插入管狀接頭的左端，將緊固螺帽中心圓孔穿入光纖并旋轉(zhuǎn)固定在管狀接頭上，裸光纖依次穿過緊固螺帽、中間設(shè)有通孔的彈性密封塞、管狀接頭和真空法蘭進(jìn)入真空氣室，旋轉(zhuǎn)緊固螺帽直到帽蓋內(nèi)側(cè)將彈性密封件壓緊；(2)利用機械泵和渦輪分子泵在常溫下制備低真空；(3)獲取低真空后，第一次對緊固螺帽緊固，促使低真空保持和改善；(4)真空系統(tǒng)烘烤升溫，離子泵和過渡真空管道的烘烤溫度和加熱速度略大于真空室和光纖導(dǎo)入裝置；(5)升溫結(jié)束后第二次對緊固螺帽緊固；(6)高溫持續(xù)烘烤真空系統(tǒng)；(7)高溫烘烤結(jié)束后，第三次將緊固螺帽緊固；(8)真空系統(tǒng)烘烤降溫，降溫速度低于升溫過程，在降溫過程中根據(jù)真空壓強變化適時緊固緊固螺帽，直到最終獲得超高真空；(9)利用高純液體對光纖導(dǎo)入裝置進(jìn)行檢漏。

利用此無損耗超高真空光纖導(dǎo)入裝置及其采用此類導(dǎo)入裝置的真空獲取方法最終可以獲得4.0×10^-8Pa的超高真空系統(tǒng)，并且激光在光纖中傳輸經(jīng)過導(dǎo)入裝置進(jìn)入超高真空的過程中無損耗。通過改變彈性密封件中心圓孔直徑可以支持不同類型的光纖。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，包括緊固螺帽、中間設(shè)有通孔的彈性密封塞和管狀接頭，管狀接頭焊接在真空法蘭上，并與真空室貫通。真空法蘭采用適用于超高真空的Conflat Flang法蘭，簡稱CF法蘭。此法蘭由無氧銅作為密封材料與真空系統(tǒng)連接，可以支持超高真空。裸光纖依次穿過緊固螺帽、中間設(shè)有通孔的彈性密封塞、管狀接頭和真空法蘭進(jìn)入真空氣室，由于緊固螺帽帽蓋上的圓孔直徑小于彈性密封件尾部直徑，所以當(dāng)緊固螺帽旋轉(zhuǎn)固定在管狀接頭上時，螺帽可以將彈性密封件向內(nèi)壓緊，將緊固螺帽旋轉(zhuǎn)固定在管狀接頭上，進(jìn)一步向內(nèi)擠壓彈性密封件，彈性密封件錐臺斜面被擠壓進(jìn)入管狀接頭錐形孔面并與錐形孔面緊密接觸，在擠壓的同時由于材料的彈性其中心圓孔直徑減小將光纖壓緊并緊密接觸，這樣可以將真空內(nèi)部與外界大氣隔離；從而將光纖由外界大氣連續(xù)穿過封裝裝置并將激光傳導(dǎo)到真空室。由于光纖連續(xù)穿過真空環(huán)境、封裝裝置和外界環(huán)境，光纖無中斷，所以激光在傳輸過程無額外損耗。帶保護(hù)層光纖可以選取多種類型光纖，彈性密封件中心開孔可根據(jù)不同種類不同直徑光纖選擇相應(yīng)直徑。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明緊固螺帽的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明管狀接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明彈性密封塞的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是安裝無損耗超高真空光纖導(dǎo)入裝置的超高真空系統(tǒng)示意圖；

圖6為安裝無損耗超高真空光纖導(dǎo)入裝置的超高真空獲得操作流程圖。

具體實施方式

以下具體實施例是結(jié)合本發(fā)明中的附圖用于對本發(fā)明中的技術(shù)方案和操作步驟進(jìn)行清楚、完整的描述，但不能根據(jù)此實施例來規(guī)定和限制本發(fā)明的范圍，此實施例只是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。有關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下，可以做出各種變型實施例，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由各項權(quán)利要求限定。

如圖1-2所示，本實施例中的一種無損耗超高真空光纖導(dǎo)入裝置，包括緊固螺帽1、中間設(shè)有通孔的彈性密封塞2和管狀接頭3，所述緊固螺帽1的帽蓋上設(shè)有通孔，彈性密封塞2的頭部塞裝在管狀接頭3的左端口，緊固螺帽1與管狀接頭3的左端螺紋連接，且使彈性密封塞2的尾部位于緊固螺帽1的帽腔中。

如圖4所示，所述中間設(shè)有通孔的彈性密封塞2的頭部為錐臺型，以便與管狀接頭3密封連接。

如圖3所示，所述管狀接頭3為一圓柱管，圓柱管左端內(nèi)壁為與彈性密封塞2錐臺型頭部相匹配的錐形面，在圓柱管左端的外壁設(shè)有外螺紋，以便與緊固螺帽1螺紋連接。

本實施例的管狀接頭3采用不銹鋼材料，其右端與CF真空法蘭焊接，中間通孔與法蘭真空室相通；管狀接頭3和緊固螺帽1采用1/8英寸型號，管狀接頭3左端內(nèi)壁的錐形面具有24度錐形孔面；由鐵氟龍材料制作的彈性密封件2具錐臺型頭部，頭部直徑3.8mm，尾部為圓柱形，直徑為6.1mm，彈性密封件2表面光潔度優(yōu)于50微米。鐵氟龍彈性密封件2頭部塞裝在管狀接頭3的左端口并與其與壁錐形面接觸，其余部分位于管狀接頭3外面。鐵氟龍彈性密封件2中心通孔直徑為0.35mm。

一種采用所述無損耗超高真空光纖導(dǎo)入裝置獲取超高真空的方法，包括以下步驟：

(1)選取導(dǎo)入光纖4為單模通信光纖，其帶有高分子聚合物保護(hù)層，外直徑為0.25mm。將光纖穿過彈性密封件2中心通孔，將彈性密封件2錐臺狀頭部插入管狀接頭的左端，將緊固螺帽1中心圓孔穿入光纖并旋轉(zhuǎn)固定在管狀接頭3上。裸光纖依次穿過緊固螺帽1、中間設(shè)有通孔的彈性密封塞2、管狀接頭3和真空法蘭進(jìn)入真空氣室，旋轉(zhuǎn)緊固螺帽1直到帽蓋內(nèi)側(cè)將彈性密封件2壓緊。緊固螺帽1帽蓋通孔直徑為小于6mm，并小于鐵氟龍彈性密封件2的直徑。把緊固螺帽1旋轉(zhuǎn)固定在管狀接頭3上，緊固螺帽1內(nèi)部后側(cè)會將鐵氟龍彈性密封件2向前擠壓，這使得鐵氟龍彈性密封件2錐臺斜面與管狀接頭3內(nèi)壁錐形斜面緊密接觸。在手動旋緊緊固螺帽1后，光纖4仍可以輕輕向外拉出。再使用扳手將緊固螺帽1旋轉(zhuǎn)3/4圈，進(jìn)一步擠壓鐵氟龍彈性密封件2，此時光纖4無法由外部拉出，這證明光纖4已經(jīng)被縮小的鐵氟龍彈性密封件2中心通孔擠壓且緊密接觸，從而達(dá)到密封的效果。此為帶有無損耗光纖導(dǎo)入裝置的超高真空獲取的第一步；

(2)利用機械泵和渦輪分子泵在常溫下制備低真空。安裝完成無損耗超高真空光纖導(dǎo)入裝置后，按照圖5示意圖連接各真空部件，真空系統(tǒng)由機械泵6、渦輪分子泵5和離子泵9組合完成真空抽取。無損耗超高真空光纖導(dǎo)入裝置7焊接于真空室8的法蘭上。首先打開機械泵6和真空閥門10進(jìn)行粗真空制備，半小時后真空壓強達(dá)到3.0×10^-2Pa。隨后開啟渦輪分子泵5，真空壓強迅速減少至3.4×10^-3Pa，經(jīng)過6小時真空壓強達(dá)到2.2×10^-5Pa。開啟離子泵9，42小時后真空壓強達(dá)到1.1×10^-6Pa。至此完成低真空制備，見圖6；

(3)獲取低真空后，第一次對緊固螺帽緊固，旋轉(zhuǎn)螺帽1/2圈，促使低真空保持和改善；

(4)真空系統(tǒng)烘烤升溫，離子泵9和過渡真空管道的烘烤溫度和加熱速度略大于真空室和光纖導(dǎo)入裝置。13小時內(nèi)升溫完成；最終離子泵9溫度烘烤130攝氏度，真空過渡管道烘烤溫度110攝氏度，帶有光纖導(dǎo)入裝置7的真空烘烤溫度為80攝氏度；

(5)升溫結(jié)束后第二次對緊固螺帽1緊固，旋轉(zhuǎn)1/6圈；

(6)高溫持續(xù)烘烤真空系統(tǒng)，烘烤持續(xù)36小時；

(7)高溫烘烤結(jié)束后，第三次將緊固螺帽1緊固，旋轉(zhuǎn)1/8圈；

(8)真空系統(tǒng)烘烤降溫，降溫速度低于升溫過程，降溫共用時14小時，在降溫過程中根據(jù)真空壓強變化緊固螺帽1兩次，每次旋轉(zhuǎn)約1/10圈。關(guān)閉真空閥門10后關(guān)閉機械泵6和渦輪分子泵5。離子泵9單獨工作，直到最終壓強達(dá)到4.0×10^-8Pa，實現(xiàn)超高真空；

(9)利用高純液體對光纖導(dǎo)入裝置進(jìn)行檢漏。

上述實施例僅用于進(jìn)一步詳細(xì)解釋說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明權(quán)利保護(hù)的專利范圍，凡利用此專利保護(hù)的裝置和方法所完成的等效結(jié)構(gòu)和操作流程包括對本發(fā)明進(jìn)行的非創(chuàng)造性和非實質(zhì)性的改動，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。