空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置及其製作方法

2023-05-15 00:38:26

專利名稱：空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置及其製作方法，該裝置可應用於氣體吸收譜分析、雷射頻率穩定、冷原子鐘等領域。
背景技術：
在氣體吸收譜分析、雷射頻率穩定、冷原子鐘等領域，都需要有一個特定頻率且頻率穩定性高的雷射器，利用氣體吸收線作為頻率參考進行穩頻就是實現這種雷射器的一種方法。氣體吸收池是用氣體吸收線作為頻率參考實現雷射穩頻的必要部件之一。對於某些吸收強度比較弱的氣體，需要有光與氣體的相互作用距離較長。此外特別對於星載、 機載、車載的應用，對穩頻雷射器還有重量和抗震的要求，因此氣體吸收池還要具有體積小，重量輕，穩健性高的特點。傳統的氣體吸收池典型代表有White型吸收池(參考在先技術[I] J. U. White. 「Long optical paths of large aperture，，，J. 0. S. A, Vol. 32,May 1942)和 Herriott 型吸收池(參考在先技術[2] D. Herriott, H. Kogelnok, andR. Kompfner, 「Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers」，AppliedOptics, Vol. 3, Iss.4,1 April 1964)，都需要控制光束入射角度，利用腔鏡讓光在空間中實現多次反射來增加光與氣體的相互作用距離，光學穩定性較難保證；這兩種結構體積較大，重量較重，要做好氣密性比較有難度；而且容易損壞，可靠性不高。所以這兩種結構的氣體吸收池不能滿足星載、機載、車載的應用對光學穩定性，氣密性，可靠性的特殊要求。P. S. Light等人提出了一種利用空心光子晶體光纖實現體積小，重量輕，穩健性高的乙炔氣體吸收池的方案(參考在先技術[3] P. S. Light, F. Couny, and F. Benabid. 「Lowoptical insertion—loss and vacuum-pressure all-fiber acetylene cell based onhollow-core photonic crystal fiber」，Optics Letters, Vol. 31, No. 17,1 September2006)，該方案是先在空心光子晶體光纖中充入指定氣壓的乙炔氣體，再充入氦氣直到氣壓略大於環境氣壓，再將空心光子晶體光纖兩端與普通單模光纖熔接，最後等待氦氣通過空心光子晶體光纖的包層全部滲透擴散到光纖外部，完成空心光子晶體光纖氣體吸收池的製作。但是該方案存在下述問題一旦氣體吸收池製作完成，氣池內的氣壓或者氣體種類就無法改變。所以該方案只能製作確定氣體各類並且確定氣壓的氣體吸收池，不適用於需要對氣壓進行調整的穩頻參數優化的實驗環節。Poberezhskiy I. Y.等人提出一種可以實現充放氣體和氣壓控制的空心光子晶體光纖氣體吸收池的方案(參考在先技術[4] Ilya Y. Poberezhskiy, Patrick Meras, and etal.「Compact and robust refilling and connectorization of a hollow core photoniccrystal fiber gas reference cells，，,The 20th Annual Meeting of the IEEE Laser andElectro-Optics Society, 2007)，該方案將空心光子晶體光纖與多模光纖用矽基V型槽對準，實現光耦合，並且兩個光纖端之間留有一點空隙，以供充放氣體，對準的光纖與V型槽放在一塊鋁板上，光纖接頭處用一石英管保護，用環氧樹脂密封，石英管可以接上閥門，抽真空裝置或者充氣裝置，實現可充放氣體、實現氣壓控制的吸收池。但是環氧樹脂密封方法的氣密性與牢固程度與金屬焊接方法相比要差；另外，空心光子晶體光纖與普通單模或者多模光纖的纖徑不一樣，實現光纖對準的V型槽不可能用機械加工的方法實現，必須用光刻的方法製作。

發明內容
本發明的目的在於克服上述在先技術的不足，提供空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置及其製作方法，該方案用光纖金屬化方案與饋通焊、金屬焊接工藝，實現高氣密性，高穩健性，可以充放氣體，控制氣壓的空心光子晶體光纖氣體吸收池。本發明的技術解決方案如下一種空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置，其特點在於該裝置由空心光子晶體光纖及其兩端的氣密接頭構成，所述的氣密接頭具有相同的結構
所述的氣密接頭包括保護套、氣密室、真空計、真空閥、窗口玻璃、外調節組件、內調節組件、耦合鏡，上述元部件的連接關係如下所述的氣密室具有光纖接口、通氣管和氣密室窗口，所述的光纖接口和氣密室窗口相對，所述的光纖接口用於連接所述的空心光子晶體光纖，該空心光子晶體光纖與光纖接口的連接部位用保護套保護，在所述的通氣管上安裝所述的真空計和真空閥，所述的窗口玻璃鍍以環型金屬膜，與所述的氣密室窗口用金屬焊接工藝連接，所述的外調節組件從氣密室窗口方向與所述的氣密室用螺釘固定，所述的內調節組件是一個中空圓筒，圓筒外有細螺紋的構件，所述的耦合鏡固定在所述的內調節組件的圓筒的內端上，該內調節組件的外端接具有FC接頭的普通光纖，所述的內調節組件的外細螺紋旋入所述的外調節組件的內螺紋中，通過內調節組件的旋轉以改變內調節組件與外調節組件的配合深度，該內調節組件的位置通過外調節組件的徑向螺釘鎖定。所述空心光子晶體光纖與所述的氣密室採用饋通焊工藝連接，即所述的空心光子晶體光纖經過光纖金屬化處理後，插入所述的氣密室的光纖接口中，用饋通焊工藝連接。所述的空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置的製作方法，其特點在於該方法包括如下步驟I)、空心光子晶體光纖與氣密接頭連接①首先在窗口玻璃接觸氣密室的區域用磁控濺射的方法鍍上一層環形金屬膜，再用金屬焊接工藝把窗口玻璃焊接到氣密室的窗口上；②在氣密室的通氣管上安裝好真空計與真空閥；③在空心光子晶體光纖其中一端選取合適長度去除的塗覆層，在其端面位置塗上保護膠，封住空心光子晶體光纖端面的開口，防止在光纖金屬化過程中化學試劑進入空心光子晶體光纖的內部造成堵塞；用現有的光纖金屬化工藝在空心光子晶體光纖一端已經除掉塗覆層的表面鍍上金屬層，再把塗有保護膠的頭部割掉，將經過上述處理的空心光子晶體光纖的一端插入到氣密室的光纖接口用現有的饋通焊工藝焊接，最後在連接處外部套好保護套；④把耦合鏡用光學環氧膠固定在內調節組件上，依次裝配好外調節組件，內調節組件，該內調節組件的外端接具有FC接頭的普通光纖；2)、空心光子晶體光纖的另一端與氣密接頭按如上步驟I)進行連接；
3)、對連接好的空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置進行光路調節把其中一個氣密接頭的普通光纖接上雷射器；另一個氣密接頭的外調節組件與氣密室暫時分開，在其氣密室窗口處用光功率計探測從空心光子晶體光纖出射的光功率；調節前一個氣密接頭外調節組件和內調節組件的位置，直到光功率計探測到的光功率最大；然後把光功率計去掉，把後一個氣密接頭的外調節組件和氣密室連接起來，在其普通光纖後接上光功率計，調節其外調節組件和內調節組件的位置，直到光功率計探測到的光功率最大，完成光路調節，製作完成。所述的氣密室用於保持空心光子晶體光纖內部的氣密性，通過真空計與真空閥調節控制空心光子晶體光纖內部的氣壓，另外還可以把氣密室的通氣管密封起來，撤掉真空計、真空閥、氣瓶和真空泵，作為小巧的氣體吸收池使用。所述的外調節組件和內調節組件是用於調節空心光子晶體光纖與普通光纖的相對位置，用以保證兩者之間的耦合效率最大。本發明與在先技術相比，有如下優點和積極效果 I、與在先技術[I]、[2]相比，本發明的空心光子晶體光纖氣體吸收池體積小，質量輕，結構牢固可靠，氣密性高，更適於在星載、機載等惡劣環境下使用。2、與在先技術[3]相比，本發明的空心光子晶體光纖氣體吸收池可以更換氣體和改變氣壓，可以用於調整氣壓的穩頻參數優化的實驗環節。3、與在先技術[4]相比，本發明的空心光子晶體光纖氣體吸收池用饋通焊工藝和金屬焊接工藝實現密封，氣密性和結構牢固程序比用環氧樹脂或其他膠粘的方法更好，另外沒有用到V型槽，不用光刻工藝，加工更簡單。總之，本發明裝置具有結構緊湊小巧，可靠性高，氣壓可控，可重複使用，光束截面與氣體截面重合度高的特點。可用於氣體光譜分析實驗，穩頻雷射器頻率參考的氣體吸收池，


圖I是本發明空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置的結構示意2是本發明空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置的結構另一實施例結構示意圖
具體實施例方式下面結合實例和附圖對本發明進行進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。先請參閱圖1，圖I是本發明空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置的結構示意。由圖可見，本發明空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置，由空心光子晶體光纖I及其兩端的氣密接頭構成，所述的氣密接頭具有相同的結構所述的氣密接頭包括保護套2、氣密室3、真空計4、真空閥5、窗口玻璃6、外調節組件7、內調節組件8、耦合鏡9，上述元部件的連接關係如下所述的氣密室3具有光纖接口3a、通氣管3b和氣密室窗口 3c，所述的光纖接口 3a和氣密室窗口 3c相對，所述的光纖接口3a用於連接所述的空心光子晶體光纖1，該空心光子晶體光纖I與光纖接口 3a的連接部位用保護套2保護，在所述的通氣管3b上安裝所述的真空計4和真空閥5，所述的窗口玻璃6鍍以環型金屬膜，與所述的氣密室窗口 3c用金屬焊接工藝連接，所述的外調節組件7從氣密室窗口 3c方向與所述的氣密室3用螺釘固定，所述的內調節組件8是一個中空圓筒，圓筒外有細螺紋的構件，所述的耦合鏡9固定在所述的內調節組件8的圓筒的內端上，該內調節組件8的外端接具有FC接頭的普通光纖10，所述的內調節組件8的外細螺紋旋入所述的外調節組件7的內螺紋中，通過內調節組件8的旋轉以改變內調節組件8與外調節組件7的配合深度，該內調節組件8的位置通過外調節組件7的徑向螺釘鎖定。所述空心光子晶體光纖I與所述的氣密室3的連接採用饋通焊工藝連接，即所述的空心光子晶體光纖I的一端Ia經過光纖金屬化處理後，插入所述的氣密室3的光纖接口3a中，用饋通焊工藝連接。外調節組件7與氣密室3用螺釘固定，藉助機械加工公差可以微量調節接觸面方向的位移，內調節組件8與外調節組件7通過細螺紋連接，通過旋轉可以改變內調節組件8與外調節組件7的配合深度，並可以通過外調節組件7用螺釘鎖死內調節組件8的位置，耦 合鏡9固定在內調節組件8上，FC接頭的普通光纖10接在內調節組件8上。使用時，將空心光子晶體光纖I的一端Ia作為氣體入口，所連接的氣密室3的通氣管3b與氣瓶連接，實現氣體的充入；空心光子晶體光纖I的另一端為氣體出口，該端的通氣管3b與真空泵連接，實現氣體抽出。氣密室3用於保持空心光子晶體光纖I內部的氣密性，通過安裝在通氣管3b上的真空計4與真空閥5調節控制空心光子晶體光纖I內部的氣壓。另外還可以把氣密室的通氣管密封起來，撤掉真空計、真空閥，作為小巧的氣體吸收池使用，如圖2所示。外調節組件7和內調節組件8是用於調節光子晶體光纖I與普通光纖10的相對位置，用以保證兩者之間的耦合效率最大。本發明空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置的具體製作步驟如下I、空心光子晶體光纖I與氣密接頭連接①首先在窗口玻璃6接觸氣密室3的區域用磁控濺射的方法鍍上一層環形金屬膜，再用金屬焊接工藝把窗口玻璃6焊接到氣密室3的窗口 3c上；②在氣密室3的通氣管3b上安裝好真空計4與真空閥5 ；③在空心光子晶體光纖I其中一端Ia選取合適長度去除的塗覆層，在其端面位置塗上保護膠，封住空心光子晶體光纖I端面的開口，防止在光纖金屬化過程中化學試劑進入空心光子晶體光纖I的內部造成堵塞；用現有的光纖金屬化工藝在空心光子晶體光纖I一端Ia已經除掉塗覆層的表面鍍上金屬層，再把塗有保護膠的頭部割掉，將經過上述處理的空心光子晶體光纖I的一端Ia插入到氣密室3的光纖接口 3a用現有的饋通焊工藝焊接，最後在連接處外部套好保護套2 ；④把耦合鏡9用光學環氧膠固定在內調節組件8上，依次裝配好外調節組件7，內調節組件8，該內調節組件8的外端接具有FC接頭的普通光纖10 ；2、空心光子晶體光纖I的另一端按如上步驟I進行連接；3、對連接好的空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置進行光路調節把其中一個氣密接頭的普通光纖10接上雷射器；另一個氣密接頭的外調節組件7與氣密室3暫時分開，在其氣密室窗口 3c處用光功率計探測從空心光子晶體光纖I出射的光功率；調節前一個氣密接頭外調節組件7和內調節組件8的位置，直到光功率計探測到的光功率最大；然後把光功率計去掉，把後一個氣密接頭的外調節組件7和氣密室3連接起來，在其普通光纖10後接上光功率計，調節其外調節組件7和內調節組件8的位置，直到光功率計探測到的光功率最大，完成光路調節，本發明空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置的製作完成。本發明的操作方法如下I.其中一個氣密接頭的通氣管3b接氣瓶，作為氣體入口 ；另一個氣密接頭的通氣管3b接真空泵，作為氣體出口 ；2.在充入實驗氣體前，先用真空泵把空心光子晶體光纖I與其兩端的氣密接頭抽成真空，在另一個通氣管3b處接入氦氣氣瓶，用氦氣對空心光子晶體光纖I進行衝洗，最後再用真空泵抽成真空；2.通氣管3b改接入實驗所需氣體的氣瓶，充入實驗氣體，氣體入口處的通氣管3b的真空計2氣壓讀數可略大於所需氣壓，等待氣體緩慢流通到氣體出口處，直到氣體入口 處真空計2氣壓讀數與氣體出口處真空計2氣壓讀數相等，再交替打開真空泵和氣瓶進行抽氣和充氣，直到氣體入口處與氣體出口處的氣壓讀數均為所需氣壓，此時氣體充入完成，可作為實驗用的氣體吸收池；3.需要製作小巧結構的吸收池時，把通氣管3b鉗緊壓扁不漏氣，割去真空計4和真空閥5，再對通氣管3b填充焊料進行密封，如圖2所示。本發明採用了光纖金屬化、饋通焊接、金屬焊接工藝實現氣體吸收池的製作，能很好地保證吸收池的密封性，以及結構的牢固性，另外它的結構緊湊和輕便小巧的特點可以很好地適用於星載的應用環境。氣密室的設計結構可以滿足在實驗階段對氣壓的調整，也可以將通氣管密封起來後作為小巧的氣體吸收池使用。
權利要求
1.一種空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置，其特徵在於該裝置由空心光子晶體光纖(I)及其兩端的氣密接頭構成，所述的氣密接頭具有相同的結構 所述的氣密接頭包括保護套(2)、氣密室(3)、真空計(4)、真空閥(5)、窗口玻璃(6)、外調節組件(7)、內調節組件(8)、耦合鏡(9)，上述元部件的連接關係如下所述的氣密室(3)具有光纖接口(3a)、通氣管(3b)和氣密室窗口(3c)，所述的光纖接口(3a)和氣密室窗口(3c)相對，所述的光纖接口(3a)用於連接所述的空心光子晶體光纖(1)，該空心光子晶體光纖(I)與光纖接口(3a)的連接部位用保護套(2)保護，在所述的通氣管(3b)上安裝所述的真空計(4)和真空閥(5)，所述的窗口玻璃(6)鍍以環型金屬膜，與所述的氣密室窗口(3c )用金屬焊接工藝連接，所述的外調節組件(7 )從氣密室窗口( 3c )方向與所述的氣密室(3)用螺釘固定，所述的內調節組件(8)是一個中空圓筒，圓筒外有細螺紋的構件，所述的耦合鏡(9)固定在所述的內調節組件(8)的圓筒的內端上，該內調節組件(8)的外端接具有FC接頭的普通光纖(10)，所述的內調節組件(8)的外細螺紋旋入所述的外調節組件(7)的內螺紋中，通過內調節組件(8)的旋轉以改變內調節組件(8)與外調節組件(7)的配合深度，該內調節組件(8)的位置通過外調節組件(7)的徑向螺釘鎖定。
2.根據權利要求I所述的空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置，其特徵在於所述空心光子晶體光纖(I)與所述的氣密室(3)採用饋通焊工藝連接，即所述的空心光子晶體光纖(I)經過光纖金屬化處理後，插入所述的氣密室(3)的光纖接口(3a)中，用饋通焊工藝連接。
3.權利要求I或2所述的空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置的製作方法，其特徵在於該方法包括如下步驟 1)、空心光子晶體光纖(I)與氣密接頭連接 ①首先在窗口玻璃(6)接觸氣密室(3)的區域用磁控濺射的方法鍍上一層環形金屬膜，再用金屬焊接工藝把窗口玻璃(6)焊接到氣密室(3)的窗口(3c)上； ②在氣密室(3)的通氣管(3b)上安裝好真空計(4)與真空閥(5)； ③在空心光子晶體光纖(I)其中一端(Ia)選取合適長度去除的塗覆層，在其端面位置塗上保護膠，封住空心光子晶體光纖(I)端面的開口，防止在光纖金屬化過程中化學試劑進入空心光子晶體光纖(I)的內部造成堵塞；用現有的光纖金屬化工藝在空心光子晶體光纖(I)一端(Ia)已經除掉塗覆層的表面鍍上金屬層，再把塗有保護膠的頭部割掉，將經過上述處理的空心光子晶體光纖(I)的一端(Ia)插入到氣密室(3)的光纖接口(3a)用現有的饋通焊工藝焊接，最後在連接處外部套好保護套(2)； ④把耦合鏡(9)用光學環氧膠固定在內調節組件(8)上，依次裝配好外調節組件(7)，內調節組件(8)，該內調節組件(8)的外端接具有FC接頭的普通光纖(10)； 2)、空心光子晶體光纖(I)的另一端與氣密接頭按如上步驟I)進行連接； 3)、對連接好的空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置進行光路調節把其中一個氣密接頭的普通光纖(10)接上雷射器；另一個氣密接頭的外調節組件(7)與氣密室(3)暫時分開，在其氣密室窗口(3c)處用光功率計探測從空心光子晶體光纖(I)出射的光功率；調節前一個氣密接頭外調節組件(7)和內調節組件(8)的位置，直到光功率計探測到的光功率最大；然後把光功率計去掉，把後一個氣密接頭的外調節組件(7)和氣密室(3)連接起來，在其普通光纖(10)後接上光功率計，調節其外調節組件(7)和內調節組件(8)的位置，直到光功率計探測到的光功率最大，完成光路調節，製作完成。
全文摘要
一種空心光子晶體光纖氣體吸收池裝置及製作方法，該裝置由空心光子晶體光纖、保護套、氣密室、真空計、真空閥、窗口玻璃、耦合鏡、調節組件構成。本發明利用空心光子晶體光纖柔韌可彎曲，纖芯可以充入氣體的特點，用氣密室、真空計、真空閾實現氣體的定量注入，將光束經耦合鏡和窗口玻璃耦合進入空心光子晶體光纖中，用光纖金屬化及饋通焊工藝進行密封，本發明裝置具有結構緊湊小巧，可靠性高，氣壓可控，可重複使用，光束截面與氣體截面重合度高的特點。可用於氣體光譜分析實驗，穩頻雷射器頻率參考的氣體吸收池。
文檔編號G02B6/38GK102866468SQ20121032767
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月6日 優先權日2012年9月6日
發明者黃崇德, 程楠, 皮浩洋, 陳迪俊, 陳高庭, 蔡海文, 瞿榮輝 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所