一種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光子晶體光纖制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置及方法。本發(fā)明方法通過(guò)在微結(jié)構(gòu)光纖拉制過(guò)程中利用液壓自動(dòng)穩(wěn)壓設(shè)備保持微結(jié)構(gòu)光纖的形狀。尤其應(yīng)用于具有大比例空氣孔結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖制作中的拉絲成型質(zhì)量。該方法通過(guò)密封連接微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒和具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能的液壓穩(wěn)定裝置使得微結(jié)構(gòu)光纖的微孔結(jié)構(gòu)在預(yù)制棒拉制成為光纖的拉絲過(guò)程中能夠克服表面張力維持理想截面形狀。
【專利說(shuō)明】一種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置及方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光子晶體光纖制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體光纖(Photonic crystal Fibers,簡(jiǎn)稱PCFs)是當(dāng)前光纖光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。光子晶體光纖的概念源自于光子晶體(Photonic Crystal)。1987年E.Yablonovitch提出了光子晶體的概念，幾乎同時(shí)，S.John在討論光子局域特性時(shí)也提出了這一概念，在1989年，E.Yablonovitch和T.J.Gmitter首次在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了三維光子帶隙結(jié)構(gòu)的存在。1992年，St.J.Russell將光子晶體的思想引入到光纖中，提出了光子晶體光纖的概念，即通過(guò)在光纖中引入周期性的空氣孔形成帶線缺陷的二維光子晶體，最初設(shè)計(jì)這種光纖的目的是利用光子晶體包層形成的光子禁帶進(jìn)行導(dǎo)光。廣義的光子晶體光纖同時(shí)有著其他幾種稱呼，如:微結(jié)構(gòu)光纖，多孔光纖(Holy Fibers)。1996年J.C.Knight在OFC會(huì)議上報(bào)道實(shí)際制作出了第一根光子晶體光纖，這種光纖只是在結(jié)構(gòu)上使用了類似的空氣孔周期性排列，而其導(dǎo)光機(jī)理并不是基于光子晶體帶隙理論，而是類似于傳統(tǒng)光纖的全內(nèi)反射，稱為空氣孔微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructured Optical Fibers, MOFs)。1998年J.C.Knight等研制成功第一根帶隙導(dǎo)模的光子晶體光纖,又稱為光子帶隙光纖(PhotonicBandgap Fibers)。
[0003]光子晶體光纖的制造最為常用的方法是毛細(xì)管堆積拉絲工藝，將石英玻璃毛細(xì)管和石英玻璃棒按照預(yù)期設(shè)計(jì)的周期性結(jié)構(gòu)堆積并熔合成形，然后經(jīng)過(guò)拉絲制備光子晶體光纖，工藝過(guò)程具體參數(shù)需要根據(jù)具體的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)來(lái)確定。
[0004]光纖拉絲一般都是采用傳統(tǒng)的石墨爐高溫加熱拉絲工藝，將預(yù)制棒放在光纖拉絲塔中，利用普通光纖的拉絲方法在更精確的溫度和速度控制下拉制成符合尺寸要求的光子晶體光纖。在拉絲過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整預(yù)制棒內(nèi)部氣體(一般為惰性氣體)壓強(qiáng)和拉絲的速度來(lái)保持光纖中空氣孔的大小比例，從而獲得光子晶體光纖成品。對(duì)于毛細(xì)管堆積法，根據(jù)所需光纖中空氣孔相對(duì)整根光纖絲徑的尺寸關(guān)系，還可以采用多次拉絲套管的方法進(jìn)行制作。光子晶體光纖的制備存在兩個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，一是保持光纖端面空氣孔結(jié)構(gòu)的完善性；二是降低光纖的傳輸損耗。在拉絲過(guò)程中完好地保持空氣孔結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖各種設(shè)計(jì)特性的基礎(chǔ)，而降低光纖的傳輸損耗是最終實(shí)用化的根本保證。
[0005]微結(jié)構(gòu)光纖的制作工藝，尤其是空氣孔的保持是一個(gè)難點(diǎn)。通常在拉絲過(guò)程中會(huì)造成含空氣孔微結(jié)構(gòu)光纖的氣孔變形，薄，這使得拉絲過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)維持稱為制作該類光纖的核心工藝問(wèn)題。
[0006]光纖的拉制通常采用預(yù)制棒拉絲的方法，如圖1所示，預(yù)制棒逐步送入拉絲爐，預(yù)制棒剩余體積不斷變化從而造成微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒的空氣孔內(nèi)部壓強(qiáng)的不斷變化。這使得拉絲過(guò)程中微結(jié)構(gòu)光纖的微孔由于承受張力隨之不斷變化導(dǎo)致光纖的縱向不均勻甚至氣孔塌縮或破裂。[0007]中國(guó)專利CN1267369C采用氣體充壓的方法維持光纖氣孔形狀，該壓力控制裝置由質(zhì)量流量計(jì)壓力控制器和氣體泄放管道構(gòu)成。拉絲過(guò)程中多種因素使得的預(yù)制棒氣壓不斷變化而熔融態(tài)的預(yù)制棒對(duì)氣壓非常敏感，測(cè)壓和充氣裝置存在固有的反饋延遲和測(cè)量誤差由此帶來(lái)的壓力波動(dòng)使得拉制出的光纖不能保證良好的縱向均勻性，而高靈敏的氣壓控制系統(tǒng)也使得制作成本大大增加。如圖2所示為預(yù)制棒拉絲過(guò)程中剩余長(zhǎng)度和管內(nèi)壓力的關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置及方法。 [0009]一種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置，該裝置由石英外套管、石英管、柔性氣路、密閉容器和連通器組成；由多個(gè)細(xì)管構(gòu)成的光子晶體光纖預(yù)制棒的底部設(shè)置于石英外套管中，并與石英外套管內(nèi)壁相連；所述多由多個(gè)細(xì)管構(gòu)成的光子晶體光纖預(yù)制棒的頂部設(shè)置于石英管內(nèi)，并與石英管內(nèi)壁相連；所述構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒的多個(gè)細(xì)管之間涂有密封膠，用于密封細(xì)管之間的間隙；所述石英管通過(guò)柔性氣路和密閉容器頂部相連，所述密閉容器底部與連通器相連；所述石英外套管下部設(shè)置于拉絲爐中；所述密閉容器和連通器上設(shè)置液面?zhèn)鞲衅鳎糜跍y(cè)量密閉容器和連通器的液面高度；所述連通器與液面高度調(diào)節(jié)裝置相連，用于調(diào)節(jié)密閉容器和連通器的液面高度差；所述液面?zhèn)鞲衅骱鸵好娓叨日{(diào)節(jié)裝置與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
[0010]所述密閉容器與柔性氣路之間設(shè)置過(guò)濾系統(tǒng)防止雜質(zhì)進(jìn)入構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒的多個(gè)細(xì)管中。
[0011]一種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置進(jìn)行液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的方法，其具體方案如下:
[0012]在密閉容器內(nèi)充有惰性氣體，且密閉容器底部及連通器中裝有液體，連通器液面和密閉容器的液面存在高度差，通過(guò)液面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)定連通器液面和密閉容器的液面的高度差，自動(dòng)計(jì)算出密閉容器內(nèi)的氣壓大?。桓鶕?jù)需要，通過(guò)液面高度調(diào)節(jié)裝置向連通器中自動(dòng)補(bǔ)入或排出液體，調(diào)節(jié)連通器液面和密閉容器的液面的高度差，實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒的多個(gè)細(xì)管腔內(nèi)的壓力自動(dòng)穩(wěn)壓控制，使得光子晶體光纖預(yù)制棒經(jīng)拉絲爐加熱拉制成光子晶體光纖的過(guò)程中，構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒的多個(gè)細(xì)管內(nèi)壓力保持穩(wěn)定。
[0013]所述液面高度調(diào)節(jié)裝置采用慢速滴入的方法向連通器中補(bǔ)充液體防止氣壓降低。
[0014]在密封不理想的情況下通過(guò)補(bǔ)氣裝置向密閉容器內(nèi)補(bǔ)充氣體。
[0015]所述惰性氣體為氬氣、氮?dú)夂秃庵械囊环N或多種。
[0016]所述液體為硅油、密封油或水等不易揮發(fā)液體。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:
[0018]本發(fā)明在光子晶體光纖拉絲過(guò)程中通過(guò)利用連通器的液面高度自適應(yīng)調(diào)整壓力，控制拉絲程中微孔內(nèi)的氣體壓力，從而使得高溫下熔融石英玻璃的表面張力收縮和管內(nèi)氣體壓力的膨脹作用達(dá)到平衡使得拉絲過(guò)程中的微孔結(jié)構(gòu)能夠保持形狀不會(huì)塌縮和漲破。本發(fā)明尤其應(yīng)用于具有大比例空氣孔結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖制作中的拉絲成型質(zhì)量。采用液壓自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，避免了傳統(tǒng)設(shè)備的壓力波動(dòng)，同時(shí)降低了設(shè)備成本?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1傳統(tǒng)光子晶體光纖預(yù)制棒拉絲部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2預(yù)制棒拉絲過(guò)程中剩余長(zhǎng)度和管內(nèi)壓力的關(guān)系；
[0021]圖3是本發(fā)明光子晶體光纖(微結(jié)構(gòu)光纖)預(yù)制棒拉絲部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4是本發(fā)明使用液壓自適應(yīng)穩(wěn)壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖中標(biāo)號(hào):1-預(yù)制棒；2_石英外套管；3_石英管；4_密閉容器；5_液體；6_連通器；7_拉絲爐；8_光子晶體光纖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明提供了一種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置及方法，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025]一種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置，該裝置由石英外套管2、石英管3、柔性氣路、密閉容器4和連通器6組成；由多個(gè)細(xì)管構(gòu)成的光子晶體光纖預(yù)制棒I的底部設(shè)置于石英外套管2中，并與石英外套管2內(nèi)壁相連；所述多由多個(gè)細(xì)管構(gòu)成的光子晶體光纖預(yù)制棒I的頂部設(shè)置于石英管3內(nèi)，并與石英管3內(nèi)壁相連；所述構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒I的多個(gè)細(xì)管之間涂有密封膠，用于密封細(xì)管之間的間隙；所述石英管3通過(guò)柔性氣路和密閉容器4頂部相連，所述密閉容器4底部與連通器6相連；所述石英外套管2下部設(shè)置于拉絲爐7中；所述密閉容器4和連通器6上設(shè)置液面?zhèn)鞲衅?，用于測(cè)量密閉容器4和連通器6的液面高度；所述連通器6與液面高度調(diào)節(jié)裝置相連，用于調(diào)節(jié)密閉容器4和連通器6的液面高度差；所述液面?zhèn)鞲衅骱鸵好娓叨日{(diào)節(jié)裝置與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
`[0026]所述密閉容器4與柔性氣路之間設(shè)置過(guò)濾系統(tǒng)防止雜質(zhì)進(jìn)入構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒I的多個(gè)細(xì)管中。
[0027]—種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置進(jìn)行液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的方法，其具體方案如下:
[0028]在密閉容器4內(nèi)充有惰性氣體，且密閉容器4底部及連通器6中裝有液體5，連通器6液面和密閉容器4的液面存在高度差，通過(guò)液面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)定連通器6液面和密閉容器4的液面的高度差，自動(dòng)計(jì)算出密閉容器4內(nèi)的氣壓大小；根據(jù)需要，通過(guò)液面高度調(diào)節(jié)裝置向連通器6中自動(dòng)補(bǔ)入或排出液體5，調(diào)節(jié)連通器6液面和密閉容器4的液面的高度差，實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒I的多個(gè)細(xì)管腔內(nèi)的壓力自動(dòng)穩(wěn)壓控制，使得光子晶體光纖預(yù)制棒I經(jīng)拉絲爐7加熱拉制成光子晶體光纖8的過(guò)程中，構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒I的多個(gè)細(xì)管內(nèi)壓力保持穩(wěn)定。
[0029]所述液面高度調(diào)節(jié)裝置采用慢速滴入的方法向連通器6中補(bǔ)充液體5防止氣壓降低。
[0030]在密封不理想的情況下通過(guò)補(bǔ)氣裝置向密閉容器4內(nèi)補(bǔ)充氣體。
[0031]所述惰性氣體為氬氣、氮?dú)夂秃庵械囊环N或多種。
[0032]所述液體5為硅油、密封油或水。
[0033]制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置，該裝置包括石英外套管、石英管、柔性氣路、密閉容器和連通器，由細(xì)管堆成光子晶體光纖(或微結(jié)構(gòu)光纖)預(yù)制棒1，放入石英外套管2中，細(xì)管長(zhǎng)度大于外套管，長(zhǎng)出外套管的細(xì)管外部涂抹耐高溫密封膠，套入另一匯流用石英管3內(nèi)，所述密封膠用于密封預(yù)制棒內(nèi)細(xì)管之間的間隙，所述匯流用石英管3和柔性氣路連接，柔性氣路將細(xì)管和一充有高純惰性氣體的密閉容器4相連，密閉容器4與氣路之間有過(guò)濾系統(tǒng)防止雜質(zhì)進(jìn)入預(yù)制棒細(xì)管，容器底部裝有不易揮發(fā)的液體5，且底部與連通器6相連，連通器6液面和密閉容器4的液面存在高度差，以保證容器內(nèi)的氣壓維持在適當(dāng)?shù)臄?shù)值。[0034]上述裝置進(jìn)行自動(dòng)穩(wěn)壓的方法:利用液面?zhèn)鞲衅骺梢詼y(cè)得連通器6的液面高度和密閉容器4的液面高度，從而得到兩者液面差，(液面差實(shí)際反映了密閉容器內(nèi)部的氣壓大小)當(dāng)氣壓偏離正常值的時(shí)候通過(guò)加入或排出液體來(lái)調(diào)整密閉容器的氣壓即可實(shí)現(xiàn)對(duì)密閉容器內(nèi)部氣壓的穩(wěn)定。使得預(yù)制棒經(jīng)拉絲爐7加熱拉制成光纖8過(guò)程中細(xì)管內(nèi)壓力保持穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.一種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置，其特征在于:該裝置由石英外套管(2)、石英管(3)、柔性氣路、密閉容器(4)和連通器(6)組成；由多個(gè)細(xì)管構(gòu)成的光子晶體光纖預(yù)制棒(I)的底部設(shè)置于石英外套管(2)中，并與石英外套管(2)內(nèi)壁相連；所述多由多個(gè)細(xì)管構(gòu)成的光子晶體光纖預(yù)制棒(I)的頂部設(shè)置于石英管(3)內(nèi)，并與石英管(3)內(nèi)壁相連；所述構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒(I)的多個(gè)細(xì)管之間涂有密封膠，用于密封細(xì)管之間的間隙；所述石英管(3)通過(guò)柔性氣路和密閉容器(4)頂部相連，所述密閉容器(4)底部與連通器(6)相連；所述石英外套管(2)下部設(shè)置于拉絲爐(7)中；所述密閉容器(4)和連通器(6)上設(shè)置液面?zhèn)鞲衅鳎糜跍y(cè)量密閉容器(4)和連通器(6)的液面高度；所述連通器(6)與液面高度調(diào)節(jié)裝置相連，用于調(diào)節(jié)密閉容器(4)和連通器(6)的液面高度差；所述液面?zhèn)鞲衅骱鸵好娓叨日{(diào)節(jié)裝置與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述密閉容器(4)與柔性氣路之間設(shè)置過(guò)濾系統(tǒng)防止雜質(zhì)進(jìn)入構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒(I)的多個(gè)細(xì)管中。
3.如權(quán)利要求1所述的一種制作光子晶體光纖時(shí)通過(guò)液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的裝置進(jìn)行液壓自動(dòng)穩(wěn)壓的方法，其特征在于，具體方案如下: 在密閉容器(4)內(nèi)充有惰性氣體，且密閉容器(4)底部及連通器(6)中裝有液體(5)，連通器(6 )液面和密閉容器(4 )的液面存在高度差，通過(guò)液面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)定連通器(6 )液面和密閉容器(4)的液面的高度差，自動(dòng)計(jì)算出密閉容器(4)內(nèi)的氣壓大小；根據(jù)需要，通過(guò)液面高度調(diào)節(jié)裝置向連通器(6)中自動(dòng)補(bǔ)入或排出液體(5)，調(diào)節(jié)連通器(6)液面和密閉容器(4)的液面的高度差，實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒(I)的多個(gè)細(xì)管腔內(nèi)的壓力自動(dòng)穩(wěn)壓控制，使得光子晶體光纖預(yù)制棒(I)經(jīng)拉絲爐(7)加熱拉制成光子晶體光纖(8)的過(guò)程中，構(gòu)成光子晶體光纖預(yù)制棒(I)的多個(gè)細(xì)管內(nèi)壓力保持穩(wěn)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述`的方法，其特征在于:所述液面高度調(diào)節(jié)裝置采用慢速滴入的方法向連通器(6)中補(bǔ)充液體(5)防止氣壓降低。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:在密封不理想的情況下通過(guò)補(bǔ)氣裝置向密閉容器(4)內(nèi)補(bǔ)充氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:所述惰性氣體為氬氣、氮?dú)夂秃庵械囊环N或多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:所述液體(5)為硅油、密封油或水。
【文檔編號(hào)】C03B37/07GK103553327SQ201310471119
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月10日
【發(fā)明者】魏淮 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)