一种用于光子带隙光纤拉制的气压控制方法及装置与流程

本发明涉及一种应用于光子带隙光纤拉制的气压控制方法及装置，属于光纤制造技术领域。

背景技术：

光子带隙光纤作为一种新型的微结构光纤，适用于光纤传感、大功率激光器以及光纤通信等领域，这是由于其特殊的蜂窝型空气孔排列形成了光子带隙效应，即某一频带内的光无法在包层蜂窝结构中传输，从而将光波限制在中间的空气纤芯中传输。相比于二氧化硅，空气的物理性质及化学性质更为稳定，因此光子带隙光纤具有相比于传统光纤更优良的环境适应性，如对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低，对弯曲不敏感等，极其适用于复杂环境下的光纤传感及信号传输。

随着对光子带隙光纤的研究不断深入，光子带隙光纤逐步应用于应力和温度传感、原子导引、水声探测、高能激光器等领域；由于光子带隙光纤的纤芯为空气，可以填充液体、气体以及固体微粒进行非线性效应、特殊物理量传感等研究，并已取得一定的成果，因此由于其特殊的结构以及传输特性，光子带隙光纤尚有发展的前景。

除此之外，光子带隙光纤是光纤陀螺用光纤的理想选择。光子晶体光纤出现之前，光纤陀螺大都采用熊猫光纤作为光纤陀螺敏感环绕制光纤，近年来实芯光子晶体光纤逐渐的应用于光纤陀螺中，取代熊猫光纤，虽然实芯光子晶体光纤已经应用于光纤陀螺，并且提升了光纤陀螺的特性，但针对空间用光纤陀螺的磁敏感性、辐照特性等还存在问题，现阶段针对这些问题主要采取被动防护的措施来解决，如添加防护罩等。这些措施虽然能够在一定程度上提高光纤陀螺的环境适应性，但同时也带来了一些副作用，如体积、重量、功耗和成本的增加。因此光子带隙光纤在光纤陀螺应用领域具有广阔的前景。

光子带隙光纤主流制作采用两步法拉制(见参考文献[1]：Hollow-core photonic bandgap fibers:technology and applications,Francesco Poletti*,Marco N.Petrovich and David J.Richardson,Nanophotonics 2013；2(5-6):315–340)，第一步将上百根外径约1mm的薄壁玻璃毛细管堆积完成的预制棒拉制为直径1～3mm的中间体，第二步将第一步拉制的中间体插入石英套管中，最终将其拉制为光子带隙光纤。在光子带隙光纤的制作过程中，其第二步拉制是光子带隙光纤拉制最为重要的一个步骤，由于其包层空气孔甚多，并且二氧化硅在加热到高温(1600℃)时，粘度逐渐下降，空气孔在表面张力的作用下开始塌陷，因此为了维持空气孔形状，得到目标光纤结构，至少需要对光纤第二步拉制中的纤芯区、空气孔包层区以及中间体与套管间隙共三个区进行独立的气压控制，以保证光子带隙光纤包层蜂窝状结构和纤芯结构。因此气压控制的精度以及稳定性直接关系到光子带隙光纤的结构参数以及光学特性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种光子带隙光纤拉制过程中气压控制方法及装置。

本发明首先提供一种光子带隙光纤拉制的气压控制装置，所述的气压控制装置包括第一部分、第二部分和第三部分，其中第一部分和第二部分组装好后作为光纤气压控制夹具，用以夹持中间体，所述的第三部分用于对光子带隙光纤的拉制过程进行气压控制。

所述的第一部分，包括端口密封法兰、双腔体、纤芯腔、纤芯腔气管接口、包层腔、包层腔气管接口、纤芯导管、环状凸轨和紧闭连接法兰；所述的双腔体为具有H型纵截面的圆筒形结构，双腔体上方螺纹连接端口密封法兰实现密封，所述的端口密封法兰的下端面与双腔体的中间隔板之间形成纤芯腔；所述的双腔体的下方端口的外圆周壁设置环状凸轨，内圆周壁具有环状凹槽，在所述环形凸轨上方位置连接紧闭连接法兰，所述双腔体的下方端口的环状凹槽与第二部分中的单腔体顶端凸台结构相配合，并通过紧闭连接法兰实现双腔体和单腔体之间的紧密连接；在所述的单腔体的顶面与所述双腔体的中间隔板之间形成包层腔；所述的中间隔板上设置有通孔，所述通孔与纤芯导管配合贯通；在所述的纤芯腔侧壁设置纤芯腔气管接口；在所述的包层腔的侧壁设置包层腔气管接口。

所述的第二部分包括单腔体、固定环架、中间体固定台、外腔、外腔气管接口和石英尾管；单腔体为圆筒型结构，单腔体顶端是凸台结构，凸台结构外径小于单腔体的外径，所述凸台结构的高度和外径与双腔体下端口的环状凹槽的深度和内径相匹配；在所述凸台结构以下的单腔体外侧壁上加工有外螺纹，用以与气压控制装置第一部分中的紧闭连接法兰螺纹连接固定；所述单腔体内部设置有一个固定环架，所述的固定环架平面垂直于单腔体的侧壁，中间具有通孔，使用时中间体从通孔穿过；固定环架上表面用以支撑和固定中间体固定台；单腔体底端与石英尾管熔接，形成外腔；所述外腔的侧壁设置外腔气管接口。

第三部分为气压控制部分，所述的第三部分包括抽气电磁阀、气流限制钢珠、连接三通、充气电磁阀、气室、压力变送器以及气压控制电路，所述的气压控制电路以电连接方式分别连接控制有抽气电磁阀、充气电磁阀和压力变送器，所述的连接三通分别连接抽气电磁阀的进气口、充气电磁阀的出气口和气室；所述的抽气电磁阀的出气口连接气压控制抽气端，所述的充气电磁阀的进气口连接气压控制充气端；所述的压力变送器连接气室；在所述的抽气电磁阀的进气口和充气电磁阀的进气口设置有气流限制钢珠；在所述的气室分别通过导气管连通纤芯腔、包层腔和外腔，实现对中间体纤芯区、中间体包层区和套管间隙区的气压控制。

基于所述的气压控制装置，本发明提供一种用于光子带隙光纤拉制的气压控制方法，具体包括以下步骤：

第一步，将光子带隙光纤第二步拉制过程中的中间体插入到第二部分的中间体固定台，并采用密封胶密封。

第二步，将通过第一步组装完成的气压控制装置第二部分中的单腔体与第一部分中的双腔体通过螺纹连接，连接过程中保证纤芯导管插入到中间体纤芯中，完成组装后将纤芯腔气管接口、包层腔气管接口以及外腔气管接口各自通过导气管与气压控制电气部分的气室连通。

第三步，根据光纤拉直过程中的实际气压拉制需求，分别将与气压控制夹具相连的三个气压控制电气部分中的气压值P、压差极值ΔP₁、ΔP₂和停止状态判定条件Δ设定为需求值，实现纤芯腔、包层腔和外腔三个区域的气压独立控制。

本发明的优点与有益效果在于：

(1)本发明解决了光子带隙光纤拉制过程中三个区域气压独立精确控制的难题，保证光子带隙光纤拉制过程中的气压稳定。

(2)本发明方法及气压控制夹具有普适性，可适用于需分区独立控制气压的多孔微结构光纤的拉制，包括光子带隙光纤以及实芯光子晶体光纤等其他微结构光纤。

(3)本发明采用压差判定控制电磁阀通断时间，从而通过压差控制气体流量，提高气压控制的精度。

附图说明

图1是本发明一种应用于光子带隙光纤拉制的气压控制方法及装置所应用的光纤第二步拉制中光纤套管初始结构端面示意图。

图2是本发明一种应用于光子带隙光纤拉制的气压控制装置的第一部分结构示意图。

图3是本发明一种应用于光子带隙光纤拉制的气压控制装置的第二部分结构示意图。

图4是本发明一种应用于光子带隙光纤拉制的气压控制装置的第三部分结构示意图。

图5是本发明一种应用于光子带隙光纤拉制的气压控制方法原理示意图。

图6本发明一种应用于光子带隙光纤拉制的气压控制方法中压差检测定时规则图示。

图中：

1-中间体纤芯 2-中间体包层 3-中间体

4-套管间隙区 5-石英套管 6-端口密封法兰

7-双腔体 8-纤芯腔 9-纤芯腔气管接口

10-包层腔 11-包层腔气管接口 12-纤芯导管

13-环状导轨 14-紧闭连接法兰 15-单腔体

16-固定环架 17-中间体固定台 18-外腔

19-外腔气管接口 20-石英尾管 21-抽气电磁阀

22-气流限制钢珠 23-连接三通 24-充气电磁阀

25-气室 26-压力变送器 27-气压控制电路

28-气压控制夹具 29-气压控制抽气端 30-气压控制充气端

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明首先提供一种应用于光子带隙光纤拉制的气压控制装置，图2～图4所示结构分别对应所述的气压控制装置的第一部分、第二部分和第三部分，其中第一部分和第二部分组装好后作为光纤气压控制夹具28，主要用以夹持中间体3以及将气压分区，第三部分为气压控制电气部分，具备气压控制功能。如图1所示，光子带隙光纤第二步拉制过程主要是将第一步拉制的中间体3插入到石英套管5中拉制成光子带隙光纤，其中需要控制的区域有三个，分别为中间体纤芯区1、中间体包层区2、以及中间体3与石英套管5之间的套管间隙区4，共三个独立的区域。在实际操作过程中先将中间体3固定在气压控制装置的第二部分上，然后将所述的第二部分和第一部分组合，在第三部分的气压控制下进行光纤拉制，得到最终的光子带隙光纤。

所述的气压控制装置的第一部分如图2所示，包括端口密封法兰6、双腔体7、纤芯腔8、纤芯腔气管接口9、包层腔10、包层腔气管接口11、纤芯导管12、环状凸轨13和紧闭连接法兰14。所述的双腔体7为具有H型纵截面的圆筒形结构，双腔体17上方螺纹连接端口密封法兰6实现密封，所述的端口密封法兰6的下端面与双腔体7的中间隔板之间形成纤芯腔8。所述的双腔体7的下方端口的外圆周壁设置环状凸轨13，内圆周壁具有环状凹槽701，在所述环形凸轨13上方位置连接紧闭连接法兰14，所述双腔体7的下方端口的环状凹槽701与第二部分中的单腔体15顶端凸台结构相配合，并通过紧闭连接法兰14实现双腔体7和单腔体15之间的紧密连接。在所述的单腔体15的顶面与所述双腔体7的中间隔板之间形成包层腔10。所述的中间隔板上设置有通孔，所述通孔与纤芯导管12配合贯通。在所述的纤芯腔8侧壁设置纤芯腔气管接口9；在所述的包层腔10的侧壁设置包层腔气管接口11。

所述的端口密封法兰6的存在主要是为了双腔体7的加工方便，同时相对较长的实芯结构用来在拉丝塔上夹持。组装时根据中间体纤芯1的大小，将纤芯导管12的外围涂真空胶，之后逐渐插入到中间体纤芯1，最终双腔体7的下方端口的环状凹槽与单腔体15的顶部凸台相吻合，优选的，在双腔体7的环状凹槽位置和单腔体15的凸台结构上分别加工固定槽，采用将固定销插入固定槽的方式固定所述的双腔体7和单腔体15，以防止后续操作使得与纤芯腔8相通的纤芯导管12的移动破坏中间体纤芯1的内壁。再将固定在双腔体7上的紧闭连接法兰14拧在第二部分的单腔体15的外螺纹上，环状凸轨13可以将紧闭连接法兰14卡在双腔体7上，通过螺纹拧紧将双腔体7与单腔体15密闭连接，从而使包层腔独立开，最终实现气压控制夹具的整体连接，此时纤芯腔8通过纤芯导管12与中间体纤芯区1连通，可以实现对中间体纤芯区1的气压控制，中间体包层区2位于包层腔10，通过包层腔10实现对中间体包层区2的气压控制。所述的纤芯腔8和包层腔10分别通过纤芯腔气管接口9和包层腔气管接口11与第三部分的气室25相连。

如图3所示，所述的第二部分包括单腔体15、固定环架16、中间体固定台17、外腔18、外腔气管接口19和石英尾管20。单腔体15为圆筒型结构，单腔体15顶端是凸台结构，凸台结构外径小于单腔体15的外径，所述凸台结构的高度和外径与双腔体7下端口的环状凹槽701的深度和内径相匹配。在所述凸台结构以下的单腔体15外侧壁上加工有外螺纹，用以与气压控制装置第一部分中的紧闭连接法兰14螺纹连接固定。所述单腔体15内部设置有一个固定环架16。优选的，固定环架16与单腔体15为一体加工成型结构。所述的固定环架16平面垂直于单腔体15的侧壁，中间具有通孔，使用时中间体3从通孔穿过。固定环架16上表面用以支撑和固定中间体固定台17；单腔体15底端与石英尾管20采取金属与石英的熔接技术进行熔接，形成外腔18。所述外腔18的侧壁打孔，形成外腔气管接口19。

其中固定环架16用来固定中间体固定台17，在组装时需根据中间体3尺寸选取合适的中间体固定台17，中间体固定台17外壁与单腔体15内壁之间的空隙可使用密封胶进行密封，由于光纤拉制过程中整个气压控制装置处于低真空状态，因此对气密性要求不严格，再选取合适的石英套管5与石英尾管20进行熔接，最后将中间体3插入到中间体固定台17中，采用密封胶密封，此时当拉丝坠头后，外腔18独立，控制区域为套管间隙区4，并通过外腔气管接口19与第三部分的气室25相连通。

第三部分为气压控制部分，如图4所示，所述的第三部分包括抽气电磁阀21、气流限制钢珠22、连接三通23、充气电磁阀24、气室25、压力变送器26以及气压控制电路27。所述的气压控制电路27以电连接方式分别连接控制有抽气电磁阀21、充气电磁阀24和压力变送器26，所述的连接三通23分别连接抽气电磁阀21的进气口、充气电磁阀24的出气口和气室25。所述的抽气电磁阀21的出气口连接气压控制抽气端，所述的充气电磁阀24的进气口连接气压控制充气端30。所述的压力变送器26连接气室25。在所述的抽气电磁阀21的进气口和充气电磁阀24的进气口设置有气流限制钢珠22。气流限制钢珠22可根据实际应用过程中气流速度在两进气口添加或者减少钢珠数量，用以保证管内气流足够缓慢，便于压力控制，加速气压稳定过程。所述的气室25连接气压控制夹具28，气压控制夹具28是由气压控制装置的第一部分和第二部分完成安装后组成。即，所述的气室25分别通过导气管连通纤芯腔8、包层腔10和外腔18，实现对中间体纤芯区1、中间体包层区2和套管间隙区4的气压控制。

所述的抽气电磁阀21和充气电磁阀24的作用为控制气体通断，气流限制钢珠22的作用是减小气体流速，防止大压差情况下流速过大导致抽气电磁阀21或充气电磁阀24通断时产生长时间的气压震荡；气室25的作用是为了降低气压变化速率，易于气压稳定，但也不宜过大，气室25过大会影响对光纤内气压的控制精度，使气压控制过程相对于光纤内气压变化产生较大的滞后。使用时，将气室25输出端与气压控制夹具28进行连接(此处只给出一个区域气压控制图样)，并将气压控制抽气端29连接抽气装置，气压控制充气端30连接充气装置。为了提高控制精度，气压控制电路27采用了压差控制通断时间的办法进行气体流量控制，如图5所示，其中P为压力变送器26测得气室25内的绝对压强，P₀为期望压强，ΔP₁为极大压强差，即当气室25内绝对压强P超过期望压强P₀，并且(P-P₀)>ΔP₁时，根据现有压强差确定通断时间，从而对气室25抽气降低气室25内气压，直到|P-P₀|≤Δ，断电保持。ΔP₂为极小压强差，即当气室25内的绝对压强P较期望压强P₀小，并且(P-P₀)<ΔP₂时，根据现有压强差确定通断时间，从而对气室25充气升高气室25内气压，直到|P-P₀|≤Δ，断电保持。Δ是充气及抽气状态停止的压强差判定条件，ΔP₂≤Δ≤ΔP₁。当气室25内绝对气压P与期望压强P₀的差值在ΔP₂≤Δ≤ΔP₁以内时停止抽气和充气，维持气室内压强。即保证气室25内压强差满足|P-P₀|≤Δ。

所述气室25内压差与通断时间的关系曲线如图6所示，共分为四个阶段，压差分别为0～300Pa，300～600Pa，600～1000Pa以及1000Pa以上，其中前三个阶段在图6中标明，第四阶段的通断时间为压差1000Pa时的通断时间。采用这种压差定时的方法，将抽气电磁阀21或充气电磁阀24的通断作用改为流量控制，使得气压控制更为精确。上述步骤全部完成之后，即可根据各个区域所需气压值进行气压控制，拉制光子带隙光纤。

基于所述的气压控制装置，本发明提供一种用于光子带隙光纤第二步拉制过程中的分区域气压控制方法，所述方法包括如下步骤：

第一步，将光子带隙光纤第二步拉制过程中的中间体3插入到第二部分的中间体固定台17，并采用密封胶密封。

第二步，将通过第一步组装完成的气压控制装置第二部分中的单腔体15与第一部分中的双腔体7通过螺纹连接，连接过程中保证纤芯导管12插入到中间体纤芯1中，完成组装后将纤芯腔气管接口9、包层腔气管接口11以及外腔气管接口19各自通过导气管与气压控制电气部分的气室25连通。

第三步，根据光纤拉直过程中的实际气压拉制需求，分别将与气压控制夹具28相连的三个气压控制电气部分中的气压值P、压差极值ΔP₁、ΔP₂和停止状态判定条件Δ设定为需求值，实现纤芯腔8、包层腔10和外腔18三个区域的气压独立控制。

本发明提出了光子带隙光纤第二步拉制过程中的分区域气压控制方法，并研制了用于光子带隙光纤的气压控制装置，解决了光子带隙光纤拉制过程中的气压精确控制难题，为拉制结构均匀的光子带隙光纤、实芯光子晶体光纤以及其他需分区控制气压的多空微结构光纤奠定工艺基础。