一种空芯光纤封装及其制作方法

1.本发明涉及空芯光纤领域，特别是空芯光纤真空以及气体填充的保护封装及其制作方法。


背景技术：

2.空芯光纤是一种特殊的微结构光纤，目前主要有光子带隙型空芯光纤，kagome型空芯光纤以及反谐振型空芯光纤等。空芯光纤由于其中空的纤芯结构，使其纤芯区域在真空状态下，将激光能量限制在较小的非实芯区域内；或者在气体或液体填充状态下，可提供米级光与物质的相互作用距离。与实芯光纤相比，空芯光纤具有低传输损耗(特别是中红外以及紫外波段)、高损伤阈值、弱非线性效应、低群速度色散等特点，在气体光纤激光器、高能激光传输、脉冲压缩、光纤传感等方面都具有重要的应用价值和广泛的应用前景。
3.目前碱金属气体激光器的气室多为体积较大且封闭的玻璃气室，由于泵浦光与气体相互作用距离较短、散热性能差而导致其输出功率低和光束质量低。因此需要进一步增加光与物质空间相互交叠面积，提高两者的相互作用距离和气室的散热性能。目前采用的气室类型为半开放式气室，通过气室内气体的循环流动来增加光与物质的相互作用长度，同时也气体流动也能带走大部分的热量。然而对于金属气腔，由于金属加工存在的误差以及气体腐蚀金属气室结构，存在气体泄漏的风险。另外，气室内气体的流速难以控制且流速对激光器输出功率的稳定性和光束质量影响非常大，而且系统复杂，难以操作。
4.此外，在空芯光纤的实际应用中，由于空芯光纤在使用时其光纤内部通常与复杂的外部环境相联通，从而导致空芯光纤使用过程中的性能变差，损耗提高，甚至是被完全损伤(主要为空气中的微尘以及水汽)。故在空芯光纤使用过程中需要保持空芯光纤内部处于一个稳定、封闭、干燥的环境，同时最好能够将空芯光纤集成进入现有成熟的实芯光纤系统。目前采用的技术方案包括直接对接使用电弧放电和去除实芯光纤包层、涂覆层插入后熔接两种方案。直接对接使用电弧放电方案采用了熔接普通单模光纤的熔接技术，主要通过合理控制放电时间、放电强度以及认为追加放电次数来实现空芯光纤与实芯光纤的直接熔接。这种方案较适合应用于实芯光子晶体光纤熔接，对于大量存在空气孔的空芯光纤来说，电弧放电会不可避免的造成空气孔崩塌，从而造成空芯光纤横截面被破坏而凹陷，从而在光纤截面处形成空气缝隙，不仅增加了光传输的损耗，降低了连接处的结构强度，也会引起光泄露。去除实芯光纤包层、涂覆层插入后熔接方案主要运用特殊的化学方法将实芯光纤的包层、涂覆层全部去除，之后将裸露的纤芯部分直接插入空芯光纤的纤芯内部，在两光纤充分接触后使用co2激光器进行熔接。这种方案减少了因直接放电熔接而造成的损耗，但使用化学方法处理后的实芯光纤极为脆弱，且难以操作，在需要进行高气压和低气压实验的空芯气体腔等领域难以得到应用。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：克服现有空芯光纤的封装气体腔体积庞大、无法脱
离气路系统独立以及碱金属气体填充气体腔易腐蚀和光与物质相互作用距离短等技术问题，以及基于直接熔接技术的全光纤型空芯光纤气体腔熔接损耗过大等不足。利用全玻璃结构设计和超快激光焊接技术，结合特殊设计的气体腔实现长期稳定性高、光纤气室一体化、独立化及小型化的永久封装，适用于高能激光的柔性传输和高功率气体光纤激光器。
6.本发明的具体技术解决方案如下：
7.一种用于空芯光纤的封装结构，包括空芯光纤，其特点在于：还包括由玻璃或陶瓷制成的光纤固定件、气体腔和窗口片；
8.所述的光纤固定件呈圆环状，供所述的空芯光纤贯穿；
9.所述的气体腔上设有抽(充)气管，用于对气体腔进行抽真空或充气，该气体腔的端面与所述的窗口片密封连接，另一端面套设在所述的光纤固定件的一端外，并密封连接。
10.所述的气体腔与所述的窗口片连接的端面是具有一定角度倾斜的光滑平面，用于消除平行平面腔的干涉现象。
11.所述的密封连接是通过高真空密封胶或高温熔接或超快激光焊接而成。
12.所述空芯光纤是以气体介质为纤芯的光子带隙空芯光纤、kagome型空芯光纤或反谐振空芯光纤等各种不同类型的空芯光纤。
13.所述光纤固定件可以是空芯玻璃棒，玻璃组分与空芯光纤材料组分相匹配，且内外表面光滑。
14.所述气体腔可以是玻璃或陶瓷等材料构成的空芯管，内表面光滑。
15.所述气体腔的侧表面熔接抽(充)管，用于对气体腔进行真空抽气或碱金属气体填充。
16.所述气体腔的端面可以是垂直光滑平面或一定角度倾斜的光滑平面。
17.所述窗口片的上下表面可以镀有对传输激光波长和泵浦波长反射低、对输出波长具有选择透过的膜层。
18.本发明提供了一种空芯光纤真空封装的制作方法，其特征在于包括抽(充)气管与气体腔的连接，空芯光纤与光纤固定件的连接，光纤固定件与气体腔的连接，气体腔和窗口片的连接，稳定的真空或气体填充环境的生成以及气体腔外接抽(充)气管的熔封。
19.所述空芯光纤封装的制作方法中抽(充)气管与气体腔的连接，通过高温火焰在气体腔侧表面与抽(充)气管的密封连接。
20.所述空芯光纤封装的制作方法中空芯光纤与光纤固定件的连接，空芯光纤从光纤固定件中心孔穿入光纤固定件后，先用co2激光熔封空芯光纤端面，保证在光纤固化胶在固化过程空芯光纤不被污染。然后将少量光纤固化胶滴于空芯光纤的涂覆层表面，通过毛细管作用使光纤固化胶往光纤固定件内部渗入，实现两者之间密封的连接。
21.所述空芯光纤封装的制作方法中空芯光纤与光纤固定件的连接，空芯光纤与光纤固定件保持共轴。
22.所述空芯光纤封装的制作方法中光纤固定件与气体腔的高真空密封胶粘合，先将被熔封的光纤端面切掉，然后在光纤固定件的外表面涂抹高真空密封胶，将空芯光纤和光纤固定件的组合从气体腔端面缓慢推进气体腔，实现光纤固定件与气体腔密封连接。
23.所述空芯光纤封装的制作方法中光纤固定件与气体腔的高温熔融连接，利用高温火焰加热软化光纤固定件和气体腔的连接端，将两者贴合后继续加热，直至熔融实现光纤
固定件和气体腔的接合。
24.所述空芯光纤封装的制作方法中光纤固定件与气体腔的连接，光纤固定件与气体腔保持共轴。
25.所述空芯光纤封装的制作方法中气体腔与窗口片的高真空密封胶粘合，用高真空密封胶将窗口片密封固定在气体腔的光滑表面，气体腔与窗口片保持共轴。
26.所述空芯光纤封装的制作方法中光纤固定件与气体腔的超快激光焊接，保持气体腔与窗口片保持共轴，用超快环形激光束照射窗口片与气体腔的光滑表面而实现密封连接。
27.所述空芯光纤封装的制作方法中稳定的真空环境的生成，在形成密封腔体后，利用气体腔外接抽(充)气作为连接口，结合气路系统，向气体腔以及与气体腔联通的空芯光纤提供稳定的真空环境。
28.所述空芯光纤封装的制作方法中稳定的碱金属气体填充环境的生成，在形成密封腔体后，利用气体腔外接抽(充)气管作为连接口，结合气路系统，形成长时间的真空环境后关闭抽真空阀门，打开碱金属气体存放容器阀门，通过气路系统向气体腔以及与气体腔联通的空芯光纤填充碱金属气体，形成稳定的碱金属气体填充环境。
29.所述空芯光纤封装的制作方法中气体腔外接抽(充)气管的熔封，用高温火焰对外接抽(充)气管进行局部加热熔融，使抽(充)气管坍缩密封。
30.与现有技术相比，本发明的优点在于：
31.1、本发明采用玻璃气体腔以及侧面熔接玻璃抽气管的设计，解决了金属气腔无法脱离气路系统独立使用而整体体积庞大的问题，实现了空芯光纤的小型化独立封装。
32.2、本发明实现全玻璃结构的光纤气室一体化封装，避免了由于碱金属气体的强还原性腐蚀气腔而造成气体泄漏，提高了封装的长期稳定性和使用的安全性，在碱金属气体光纤激光器中有重要的应用价值。
33.3、本发明工艺简单，成本低，封装后具有小型化、永久化和长期稳定性高等突出特点。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1：本发明中镀膜窗口片结构示意图；
36.图2：本发明中气体腔与光纤固定件高真空密封胶连接示意图；
37.图3：本发明中气体腔与光纤固定件熔接示意图；
38.图4：冰淇淋型反谐振空芯光纤封装示意图；
39.图5：无节点型反谐振空芯光纤封装示意图。
40.附图标记说明：
41.1—空芯光纤；2—光纤固定件；2-1—空芯光纤与光纤固定件连接端面；2-2—空芯光纤与光纤固定件连接端面；3—气体腔；3-1—光纤固定件与气体腔连接面；3-2—气体腔
与窗口片连接端面；4—窗口片；4-1—膜层；4-2—膜层；5—气体腔外接抽(充)气管
具体实施方式
42.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
43.需要理解的是，术语“内部”、“中心”、“外接”、“上下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
44.实施例1：参照图4，图4为用于中红外2.5um激光传输的冰淇淋型反谐振空芯光纤的封装示意图，包括冰淇淋型反谐振空芯光纤(1)、光纤固定件(2)、气体腔(3)和蓝宝石窗口片(4)。
45.1)选取内径为3mm、外径为5mm、长度为15mm的空芯石英玻璃管作为气体腔(3)，在气体腔(3)的侧表面熔接内径为2.4mm、外径为4mm、长度为20mm的空芯薄壁石英玻璃管(5)。
46.2)对冰淇淋型反谐振空芯光纤(1)进行涂覆层剥除，将裸纤直径为220um的冰淇淋型反谐振空芯光纤(1)从内部(2-1)穿过内径为240um、外径为2.6mm的光纤固定件(2)，并且保持光纤端面与光纤固定件端面(2-2)的距离为3mm以及空芯光纤(1)和光纤固定件(2)保持共轴，用co2激光熔封空芯光纤(1)端面。然后将光纤固化胶涂抹于空芯光纤表面，反复移动光纤引导光纤固化胶往光纤固定件(2)内部渗入，结合毛细管作用实现冰淇淋型反谐振空芯光纤(1)和光纤固定件(2)密封固定。
47.3)将双面(4-1、4-2)镀增透膜、直径为5mm的蓝宝石窗口片(4)置于水平工作台，然后用针管沿气体腔(3)的光滑端面(3-2)涂抹薄层高真空密封胶，随后将气体腔(3)垂直向下使光滑端面(3-2)与窗口片(4)所处平面平行，将其轻轻按压于窗口片(4)的上表面(4-1)，观察和调整两者的相对位置，保持气体腔(3)与窗口片(4)保持共轴和保证窗口片(4)的通光口径最大，最后通过加热固化，实现窗口片(4)与气体腔(3)的密封固定。
48.4)先将被熔封的光纤端面切除，然后在光纤固定件(2)的外表面涂抹高真空密封胶，将空芯光纤和光纤固定件的组合从气体腔端面(3-1)缓慢推进气体腔(3)，最后到达光纤端面与气体腔端面(3-2)的距离为1mm的位置，同时保持光纤固定件(2)和气体腔(3)共轴，实现光纤固定件(2)与气体腔(3)的密封连接，参考图2。
49.5)将抽真空系统接口与气体腔外接抽(充)气管(5)相接，对由空芯光纤(1)、光纤固定件(2)、气体腔(3)和蓝宝石窗口片(4)组成的封闭整体进行抽真空除气，当封闭整体的真空度达到10-5
量级并维持一小时以上后，关闭真空泵，最后用高温火焰对气体腔外接抽(充)气管(5)进行局部加热熔融封装，实现用于中红外2.5um激光传输的冰淇淋型反谐振空芯光纤的真空封装。
50.6)光纤另一端的封装步骤与上述步骤相同，在此不再赘述。
51.实施例2：参照图5，图5为用于碱金属气体光纤激光器的无节点型反谐振空芯光纤的封装示意图，包括无节点反谐振空芯光纤(1)、光纤固定件(2)、气体腔(3)和石英窗口片
(4)。
52.1)选取内径为3mm、外径为5mm、长度为35mm的空芯玻璃管作为气体腔(3)，在气体腔(3)的侧表面熔接内径为2.4mm、外径为4mm、长度为45mm的空芯玻璃管(5)。
53.2)用高温火焰加热软化内径为240um、外径为2.85mm的光纤固定件(2)和气体腔(3)的连接端，将两者贴合后继续加热，最后烧熔实现光纤固定件(2)和气体腔(3)的接合，同时保持光纤固定件(2)与气体腔(3)共轴，参考图3。
54.3)将裸纤直径为200um的无节点型反谐振空芯光纤从内部(2-1)穿入光纤固定件(2)的内部并从端面(3-2)穿出，随后切割光纤，使其端面干净平整。将光纤固化胶涂抹于空芯光纤涂敷层表面，反复移动光纤引导光纤固化胶往光纤固定件(2)内部渗入，最后停留在光纤端面与气体腔端面(3-2)距离为1mm的位置，同时空芯光纤(1)和光纤固定件(2)保持共轴，实现无节点型反谐振空芯光纤(1)和光纤固定件(2)密封固定。
55.4)将外表面(4-1)镀790nm高透膜、内表面(4-2)镀790nm高反膜以及直径为5mm的石英窗口片(4)置于水平工作台，然后用针管沿气体腔(3)的光滑端面(3-3)涂抹薄层高真空密封胶，随后将气体腔(3)垂直向下使光滑端面(3-3)与窗口片(4)所处平面平行，将其轻轻按压于窗口片(4)的内表面(4-2)，观察和调整两者的相对位置，保持气体腔(3)与窗口片(4)保持共轴和保证窗口片(4)的通光口径最大，最后通过加热固化，实现窗口片(4)与气体腔(3)的密封固定。
56.5)将抽真空系统接口与气体腔外接抽(充)气管(5)相接，对由空芯光纤(1)、光纤固定件(2)、气体腔(3)和石英窗口片(4)组成的封闭整体进行抽真空，当封闭整体真空度到达10-5
量级并维持一个小时以上后，关闭真空泵，打开充气阀门，通过加热存放碱金属的容器而产生碱金属蒸汽，由于压强差和扩散作用，使光纤内部填充稀薄碱金属气体。随后用高温火焰对气体腔外接抽(充)气管(5)进行局部加热熔融封装，最后实现用于碱金属气体光纤激光器的无节点型反谐振空芯光纤的气体填充封装。
57.6)光纤另一端的封装步骤与上述步骤相同，在此不再赘述。
58.在本发明提及的所有文献都在本技术中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。