本發(fā)明屬于光纖氣體腔技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于空芯光纖與拉錐處理的實芯光纖高精度對接封裝技術(shù)的低損耗全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

反共振空芯光纖是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型空芯光纖，采用了與傳統(tǒng)石英光纖全內(nèi)反射不同的導(dǎo)光原理，主要利用反共振原理將光波束縛在微米量級的空氣纖芯中進行傳輸，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計方便、傳輸損耗低、非線性效應(yīng)弱等特點。通過在空芯光纖內(nèi)部填充氣體，既可以有效增大光波與氣體的相互作用面積和作用強度，又可以利用低損耗傳輸特性確保相互作用距離。目前，這種空芯光纖已經(jīng)在光纖氣體激光器、自相位調(diào)制、受激拉曼散射、四波混頻等光學(xué)過程研究中得到廣泛應(yīng)用，尤其是已經(jīng)開始將用于氣態(tài)介質(zhì)與光波之間的非線性相互作用研究中，可有效解決長期以來存在的氣態(tài)介質(zhì)與光波非線性作用時非線性系數(shù)低、閾值高等問題。而這一類研究的關(guān)鍵就是制作空芯光纖氣體腔結(jié)構(gòu)。

空芯光纖低壓氣體腔目前主要包括真空等壓型氣體腔和直接熔接的全光纖型氣體腔兩種方案。真空等壓型氣體腔不僅難以實現(xiàn)小型化、整體部件較為笨重，且相對損耗較大，難以保證部件的長期穩(wěn)定性。這種腔體設(shè)計模式都沒有考慮光纖氣體腔內(nèi)部氣體循環(huán)功能設(shè)計，僅實現(xiàn)了氣體封裝后的固定系統(tǒng)，不僅封裝后的氣體腔氣壓不可控，更在大功率光纖激光輸出等領(lǐng)域存在一定的應(yīng)用限制。直接熔接的全光纖型氣體腔具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便等突出優(yōu)點，主要通過合理控制電弧放電時間、放電強度及追加放電次數(shù)來實現(xiàn)空芯光纖與實芯光纖的直接熔接，但容易破壞空芯光纖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，造成附加損耗，降低連接結(jié)構(gòu)強度，也會引起光泄漏，在氣體腔等運用領(lǐng)域存在較大限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有真空等壓型空芯光纖氣體腔體積龐大、穩(wěn)定性不好等技術(shù)問題，以及基于直接熔接技術(shù)的全光纖型空芯光纖氣體腔熔接損耗過大等不足，利用拉錐處理后的實芯光纖可插入空芯光纖內(nèi)部特性，實現(xiàn)兩種光纖高精度對接和穩(wěn)定封裝，繼而通過特殊設(shè)計的夾具和氣體充放系統(tǒng)實現(xiàn)針對特定低壓氣體的具有低損耗、高強度、長期穩(wěn)定性和可用于高功率激光輸出的空芯光纖氣體腔制備系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)，包括空芯光纖(1)、右端拉錐處理的實芯光纖(3)、右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(2)、左端拉錐處理的實芯光纖(5)、左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(4)、氣體腔充放氣模塊(6)，

其中空芯光纖(1)分別通過右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(2)與右端拉錐處理的實芯光纖(3)進行對接封裝；所述空芯光纖(1)通過左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(4)與左端拉錐處理的實芯光纖(5)進行對接封裝；

其中右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(2)和左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(4)與所述氣體腔充放氣模塊(6)緊密連接，用于對空芯光纖氣體腔進行抽取真空、充氣、放氣操作和氣體腔內(nèi)部氣壓監(jiān)測。

上述全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)，其中空芯光纖(1)采用反共振空芯光纖。

上述全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)，其中右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(2)包括第一上夾具(21)和第一下夾具(22)，待空芯光纖(1)與右端拉錐處理后的實芯光纖(3)對接后，通過膠水涂覆被固定相對位置并粘貼在所述第一下夾具(22)凹槽內(nèi)，所述第一上夾具(21)和第一下夾具(22)通過螺絲緊固。

上述全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)，其中左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(4)包括第二上夾具(41)和第二下夾具(42)，待空芯光纖(1)與左端拉錐處理后的實芯光纖(8)對接后通過膠水涂覆固定相對位置并粘貼在所述第二下夾具(42)凹槽內(nèi)，所述第二上夾具(41)和第二下夾具(42)通過螺絲緊固。

上述全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)，其中左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(4)待空芯光纖(1)與左端拉錐處理后的實芯光纖(5)對接后通過膠水涂覆固定相對位置并粘貼在所述下夾具(42)凹槽內(nèi)，所述上夾具(41)和下夾具(42)通過螺絲緊固。

上述全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)，其中氣體腔充放氣模塊(6)包括氣體連接管道(61)、右端全光纖氣體腔氣壓計(62)、右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(63)、左端全光纖氣體腔氣壓計(68)、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(69)、待充氣體源(611)、待充氣體源開關(guān)閥門(610)、真空泵(67)、真空泵開關(guān)閥門(66)、廢氣瓶(65)、廢氣瓶開關(guān)閥門(64)。

上述全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)，其中右端全光纖氣體腔氣壓計(62)通過氣體連接管道(61)與右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(2)緊密連接，右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(63)通過氣體連接管道(61)與右端全光纖氣體腔氣壓計(62)緊密連接，左端全光纖氣體腔氣壓計(68)通過氣體連接管道(61)與左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(4)緊密連接，左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(69)通過氣體連接管道(61)與左端全光纖氣體腔氣壓計(68)緊密連接，用于實現(xiàn)氣體壓力監(jiān)測。

上述全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)，其中待充氣體源(611)通過氣體連接管道(61)與待充氣體源開關(guān)閥門(610)緊密連接，待充氣體源開關(guān)閥門(610)通過密封膠緊密連接在氣體連接管道(61)上，用于實現(xiàn)充氣操作。

上述全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)，其中真空泵(67)通過氣體連接管道(61)與真空泵開關(guān)閥門(66)緊密連接，真空泵開關(guān)閥門(66)通過密封膠緊密連接在氣體連接管道(61)上，用于實現(xiàn)抽取真空操作。

上述全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)，其中廢氣瓶(65)通過氣體連接管道(61)與廢氣瓶開關(guān)閥門(64)緊密連接，廢氣瓶開關(guān)閥門(64)通過密封膠緊密連接在氣體連接管道(61)上，用于實現(xiàn)廢棄氣體的回收。

一種采用上述全光纖低壓氣體腔系統(tǒng)進行全光纖封裝的全光纖低壓氣體腔實現(xiàn)方法，其中包括以下步驟：

(a)將空芯光纖(1)放置在右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(2)下夾具(22)上，將右端拉錐處理的實芯光纖(3)沿纖芯方向精準插入空芯光纖(1)內(nèi)部；

(b)將位于右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(2)下夾具(22)內(nèi)已對接完畢的空芯光纖(1)與右端拉錐處理的實芯光纖(3)通過膠水涂覆固定相對位置，并粘貼在右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(2)下夾具(22)凹槽內(nèi)，右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(2)上夾具(21)與下夾具(22)通過螺絲緊固；

(c)將空芯光纖(1)放置在左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(4)下夾具(42)上，將左端拉錐處理的實芯光纖(5)沿纖芯方向精準插入空芯光纖(1)內(nèi)部；

(d)將位于左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(4)下夾具(42)內(nèi)已對接完畢的空芯光纖(1)與左端拉錐處理的實芯光纖(5)通過膠水涂覆固定相對位置，并粘貼在左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(4)下夾具(42)凹槽內(nèi)，左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(4)上夾具(41)與下夾具(42)通過螺絲緊固；

(e)將封裝完成的右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(2)通過密封膠與氣體腔充放氣模塊(6)的右側(cè)氣體連接管道(61)緊密連接；

(f)將封裝完成的左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊(4)通過密封膠與氣體腔充放氣模塊(6)的左側(cè)氣體連接管道(61)緊密連接；

(g)關(guān)閉氣體腔充放氣模塊(6)的待充氣體源開關(guān)閥門(610)和廢氣瓶開關(guān)閥門(64)，打開氣體腔充放氣模塊(6)的右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(63)、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(69)和真空泵開關(guān)閥門(66)，對氣體腔抽取真空；

(h)實時觀察氣體腔充放氣模塊(6)的右端全光纖氣體腔氣壓計(62)和左端全光纖氣體腔氣壓計(68)上氣壓示數(shù)，當達到所需真空度時，關(guān)閉氣體腔充放氣模塊(6)的右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(63)、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(69)和真空泵開關(guān)閥門(66)；

(i)實時觀察氣體腔充放氣模塊(6)的右端全光纖氣體腔氣壓計(62)和左端全光纖氣體腔氣壓計(68)上氣壓示數(shù)，檢查全光纖氣體腔氣密性，當確認全光纖氣體腔氣密性良好時，打開氣體腔充放氣模塊(6)的右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(63)、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(69)和待充氣體源開關(guān)閥門(610)，觀察氣體腔充放氣模塊(6)的右端全光纖氣體腔氣壓計(62)和左端全光纖氣體腔氣壓計(68)上氣壓示數(shù)；

(j)當右端全光纖氣體腔氣壓計(62)和左端全光纖氣體腔氣壓計(68)上氣壓示數(shù)達到所需要氣體壓力值時，關(guān)閉氣體腔充放氣模塊(6)的右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(63)、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(69)和待充氣體源開關(guān)閥門(610)；

(k)當氣體腔的氣體需要更換時，可打開氣體腔充放氣模塊(6)的右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(63)、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門(69)和廢氣瓶開關(guān)閥門(64)，實現(xiàn)全光纖氣體腔內(nèi)廢棄氣體的回收。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明將拉錐處理后的實芯光纖直接插入空芯光纖中傳光，避免了由于破壞空芯光纖的結(jié)構(gòu)從而影響了對光的束縛，降低了由模場失配造成的損耗，同時通過膠水涂覆封裝，直接避免了由于熔接加熱引起的空芯光纖空氣孔崩塌進而引發(fā)的熔接損耗。

2、本發(fā)明實現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)空芯光纖低壓氣體腔，可進一步解決非光纖氣體腔低壓狀態(tài)下氣態(tài)介質(zhì)與光波之間的作用距離短、閾值高等問題，在全光纖化中紅外氣體激光器中有廣泛的應(yīng)用前景和重要的應(yīng)用價值。

3、本發(fā)明工藝簡單，光纖耦合效率高，封裝后具有低損耗、高強度、長期穩(wěn)定性和可用于高功率激光輸出等突出特點。

附圖說明

圖1為可實現(xiàn)低損耗的全光纖低壓氣體腔結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為反共振空芯光纖橫截面掃描電子顯微圖，其中(a)為冰激凌型結(jié)構(gòu)，(b)為自由邊界型結(jié)構(gòu)。

圖3為右端空芯光纖與拉錐處理的實芯光纖對接封裝示意圖。

圖4為右端空芯光纖與拉錐處理的實芯光纖對接封裝完成后效果圖。

圖5為左端空芯光纖與拉錐處理的實芯光纖對接封裝示意圖。

圖6為左端空芯光纖與拉錐處理的實芯光纖對接封裝完成后效果圖。

圖7為氣體腔充放氣模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖例說明：

1、空芯光纖；2、右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊；21、右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊上夾具；22、右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊下夾具；3、右端拉錐處理的實芯光纖；4、左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊；41、左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊上夾具；42、左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊下夾具；5、左端拉錐處理的實芯光纖；6、氣體腔充放氣模塊；61、氣體連接管道；62、右端全光纖氣體腔氣壓計；63、右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門；64、廢氣瓶開關(guān)閥門；65、廢氣瓶；66、真空泵開關(guān)閥門；67、真空泵；68、左端全光纖氣體腔氣壓計；69、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門；610、待充氣體源開關(guān)閥門；611、待充氣體源。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明的可實現(xiàn)低損耗的全光纖低壓氣體腔，包括空芯光纖1、右端拉錐處理的實芯光纖3、右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊2、左端拉錐處理的實芯光纖5、左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊4、氣體腔充放氣模塊6，所述的空芯光纖1通過右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊2與右端拉錐處理的實芯光纖3進行對接封裝，所述的空芯光纖1通過左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊4與左端拉錐處理的實芯光纖5進行對接封裝，所述的右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊2和左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊4與氣體腔充放氣模塊6緊密連接用于對空芯光纖氣體腔進行抽取真空、充氣、放氣操作和氣體腔內(nèi)部氣壓監(jiān)測。

本實施例中，進一步的，所述的空芯光纖可反共振空芯光纖，其橫截面掃描電子顯微圖如圖2所示。

本實施例中，進一步的，所述的右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊2包括上夾具21和下夾具22。右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊上夾具21和下夾具22為現(xiàn)有技術(shù)，例如可以使用Vytran公司涂覆機FSR-02配套光纖夾具，通過V型槽定位光纖并由磁性材料翻蓋固定。

本實施例中，進一步的，如圖3所示，所述的右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊2待空芯光纖1與右端拉錐處理后的實芯光纖3對接后通過膠水涂覆固定相對位置并粘貼在所述下夾具22凹槽內(nèi)，所述上夾具21和下夾具22通過螺絲緊固，如圖4所示。

本實施例中，進一步的，所述的左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊4包括上夾具41和下夾具42。左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊上夾具41和下夾具42為現(xiàn)有技術(shù)，例如可以使用Vytran公司涂覆機FSR-02配套光纖夾具，通過V型槽定位光纖并由磁性材料翻蓋固定。

本實施例中，進一步的，如圖5所示，所述的左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊4待空芯光纖1與左端拉錐處理后的實芯光纖5對接后通過膠水涂覆固定相對位置并粘貼在所述下夾具42凹槽內(nèi)，所述上夾具41和下夾具42通過螺絲緊固，如圖6所示。

本實施例中，進一步的，如圖7所示，所述的氣體腔充放氣模塊6包括氣體連接管道61、右端全光纖氣體腔氣壓計62、右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門63、左端全光纖氣體腔氣壓計68、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門69、待充氣體源611、待充氣體源開關(guān)閥門610、真空泵67、真空泵開關(guān)閥門66、廢氣瓶65、廢氣瓶開關(guān)閥門64。

本實施例中，進一步的，所述的右端全光纖氣體腔氣壓計62通過氣體連接管道61與右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊2緊密連接，右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門63通過氣體連接管道61與右端全光纖氣體腔氣壓計62緊密連接，左端全光纖氣體腔氣壓計68通過氣體連接管道61與左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊4緊密連接，左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門69通過氣體連接管道61與左端全光纖氣體腔氣壓計68緊密連接，實現(xiàn)全光纖氣體腔內(nèi)部氣體壓力監(jiān)測。

本實施例中，進一步的，所述的待充氣體源611通過氣體連接管道61與待充氣體源開關(guān)閥門610緊密連接，待充氣體源開關(guān)閥門610通過密封膠緊密連接在氣體連接管道61上，實現(xiàn)對全光纖氣體腔充氣操作。

本實施例中，進一步的，所述的真空泵67通過氣體連接管道61與真空泵開關(guān)閥門66緊密連接，真空泵開關(guān)閥門66通過密封膠緊密連接在氣體連接管道61上，實現(xiàn)對全光纖氣體腔抽取真空操縱。

本實施例中，進一步的，所述的廢氣瓶65通過氣體連接管道61與廢氣瓶開關(guān)閥門64緊密連接，廢氣瓶開關(guān)閥門64通過密封膠緊密連接在氣體連接管道61上，實現(xiàn)對全光纖氣體腔內(nèi)廢棄氣體的回收。

本發(fā)明進一步包括采用一種可實現(xiàn)低損耗的全光纖低壓氣體腔進行全光纖封裝的全光纖低壓氣體腔實現(xiàn)方法，包括以下步驟：

(a)將空芯光纖1放置在右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊2下夾具22上，將右端拉錐處理的實芯光纖3沿纖芯方向精準插入空芯光纖1內(nèi)部，本實施例中，可采用的拉錐處理后的實芯光纖例如采用自行拉制的錐腰為30～40微米的SM28單模光纖；

(b)將位于右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊2下夾具22內(nèi)已對接完畢的空芯光纖1與右端拉錐處理的實芯光纖3通過膠水涂覆固定相對位置，并粘貼在右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊2下夾具22凹槽內(nèi)，右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊2上夾具21與下夾具22通過螺絲緊固；

(c)將空芯光纖1放置在左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊4下夾具42上，將左端拉錐處理的實芯光纖5沿纖芯方向精準插入空芯光纖1內(nèi)部，本實施例中，可采用的拉錐處理后的實芯光纖例如采用自行拉制的錐腰為30～40微米的SM28單模光纖；

(d)將位于左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊4下夾具42內(nèi)已對接完畢的空芯光纖1與左端拉錐處理的實芯光纖5通過膠水涂覆固定相對位置，并粘貼在左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊4下夾具42凹槽內(nèi)，左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊4上夾具41與下夾具42通過螺絲緊固；

(e)將封裝完成的右端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊2通過密封膠與氣體腔充放氣模塊6的右側(cè)氣體連接管道61緊密連接；

(f)將封裝完成的左端空芯光纖與實芯光纖對接封裝模塊4通過密封膠與氣體腔充放氣模塊6的左側(cè)氣體連接管道61緊密連接；

(g)關(guān)閉氣體腔充放氣模塊6的待充氣體源開關(guān)閥門610和廢氣瓶開關(guān)閥門64，打開氣體腔充放氣模塊6的右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門63、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門69和真空泵開關(guān)閥門66，開始對氣體腔抽取真空；

(h)實時觀察氣體腔充放氣模塊6的右端全光纖氣體腔氣壓計62和左端全光纖氣體腔氣壓計68上氣壓示數(shù)，當達到所需真空度時，關(guān)閉氣體腔充放氣模塊6的右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門63、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門69和真空泵開關(guān)閥門66；

(i)實時觀察氣體腔充放氣模塊6的右端全光纖氣體腔氣壓計62和左端全光纖氣體腔氣壓計68上氣壓示數(shù)，檢查全光纖氣體腔氣密性，當確認全光纖氣體腔氣密性良好時，打開氣體腔充放氣模塊6的右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門63、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門69和待充氣體源開關(guān)閥門610，觀察氣體腔充放氣模塊6的右端全光纖氣體腔氣壓計62和左端全光纖氣體腔氣壓計68上氣壓示數(shù)，本實施例中，可以充入的氣體包括乙炔、二氧化碳氣體等；

(j)當右端全光纖氣體腔氣壓計62和左端全光纖氣體腔氣壓計68上氣壓示數(shù)達到所需要氣體壓力值時，關(guān)閉氣體腔充放氣模塊6的右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門63、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門69和待充氣體源開關(guān)閥門610，完成全光纖氣體腔的制備；

(k)當氣體腔的氣體需要更換時，可打開氣體腔充放氣模塊6的右端全光纖氣體腔開關(guān)閥門63、左端全光纖氣體腔開關(guān)閥門69和廢氣瓶開關(guān)閥門64，實現(xiàn)全光纖氣體腔內(nèi)廢棄氣體的回收。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例。對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)構(gòu)思前提下所得到的改進和變換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。