专利名称：空心光子晶体光纤气体吸收池装置及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空心光子晶体光纤气体吸收池装置及其制作方法，该装置可应用于气体吸收谱分析、激光频率稳定、冷原子钟等领域。
背景技术：
在气体吸收谱分析、激光频率稳定、冷原子钟等领域，都需要有一个特定频率且频率稳定性高的激光器，利用气体吸收线作为频率参考进行稳频就是实现这种激光器的一种方法。气体吸收池是用气体吸收线作为频率参考实现激光稳频的必要部件之一。对于某些吸收强度比较弱的气体，需要有光与气体的相互作用距离较长。此外特别对于星载、 机载、车载的应用，对稳频激光器还有重量和抗震的要求，因此气体吸收池还要具有体积小，重量轻，稳健性高的特点。传统的气体吸收池典型代表有White型吸收池(参考在先技术[I] J. U. White. “Long optical paths of large aperture，，，J. 0. S. A, Vol. 32,May 1942)和 Herriott 型吸收池(参考在先技术[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，利用腔镜让光在空间中实现多次反射来增加光与气体的相互作用距离，光学稳定性较难保证；这两种结构体积较大，重量较重，要做好气密性比较有难度；而且容易损坏，可靠性不高。所以这两种结构的气体吸收池不能满足星载、机载、车载的应用对光学稳定性，气密性，可靠性的特殊要求。P. S. Light等人提出了一种利用空心光子晶体光纤实现体积小，重量轻，稳健性高的乙炔气体吸收池的方案(参考在先技术[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)，该方案是先在空心光子晶体光纤中充入指定气压的乙炔气体，再充入氦气直到气压略大于环境气压，再将空心光子晶体光纤两端与普通单模光纤熔接，最后等待氦气通过空心光子晶体光纤的包层全部渗透扩散到光纤外部，完成空心光子晶体光纤气体吸收池的制作。但是该方案存在下述问题一旦气体吸收池制作完成，气池内的气压或者气体种类就无法改变。所以该方案只能制作确定气体各类并且确定气压的气体吸收池，不适用于需要对气压进行调整的稳频参数优化的实验环节。Poberezhskiy I. Y.等人提出一种可以实现充放气体和气压控制的空心光子晶体光纤气体吸收池的方案(参考在先技术[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)，该方案将空心光子晶体光纤与多模光纤用硅基V型槽对准，实现光耦合，并且两个光纤端之间留有一点空隙，以供充放气体，对准的光纤与V型槽放在一块铝板上，光纤接头处用一石英管保护，用环氧树脂密封，石英管可以接上阀门，抽真空装置或者充气装置，实现可充放气体、实现气压控制的吸收池。但是环氧树脂密封方法的气密性与牢固程度与金属焊接方法相比要差；另外，空心光子晶体光纤与普通单模或者多模光纤的纤径不一样，实现光纤对准的V型槽不可能用机械加工的方法实现，必须用光刻的方法制作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供空心光子晶体光纤气体吸收池装置及其制作方法，该方案用光纤金属化方案与馈通焊、金属焊接工艺，实现高气密性，高稳健性，可以充放气体，控制气压的空心光子晶体光纤气体吸收池。本发明的技术解决方案如下一种空心光子晶体光纤气体吸收池装置，其特点在于该装置由空心光子晶体光纤及其两端的气密接头构成，所述的气密接头具有相同的结构
所述的气密接头包括保护套、气密室、真空计、真空阀、窗口玻璃、外调节组件、内调节组件、耦合镜，上述元部件的连接关系如下所述的气密室具有光纤接口、通气管和气密室窗口，所述的光纤接口和气密室窗口相对，所述的光纤接口用于连接所述的空心光子晶体光纤，该空心光子晶体光纤与光纤接口的连接部位用保护套保护，在所述的通气管上安装所述的真空计和真空阀，所述的窗口玻璃镀以环型金属膜，与所述的气密室窗口用金属焊接工艺连接，所述的外调节组件从气密室窗口方向与所述的气密室用螺钉固定，所述的内调节组件是一个中空圆筒，圆筒外有细螺纹的构件，所述的耦合镜固定在所述的内调节组件的圆筒的内端上，该内调节组件的外端接具有FC接头的普通光纤，所述的内调节组件的外细螺纹旋入所述的外调节组件的内螺纹中，通过内调节组件的旋转以改变内调节组件与外调节组件的配合深度，该内调节组件的位置通过外调节组件的径向螺钉锁定。所述空心光子晶体光纤与所述的气密室采用馈通焊工艺连接，即所述的空心光子晶体光纤经过光纤金属化处理后，插入所述的气密室的光纤接口中，用馈通焊工艺连接。所述的空心光子晶体光纤气体吸收池装置的制作方法，其特点在于该方法包括如下步骤I)、空心光子晶体光纤与气密接头连接①首先在窗口玻璃接触气密室的区域用磁控溅射的方法镀上一层环形金属膜，再用金属焊接工艺把窗口玻璃焊接到气密室的窗口上；②在气密室的通气管上安装好真空计与真空阀；③在空心光子晶体光纤其中一端选取合适长度去除的涂覆层，在其端面位置涂上保护胶，封住空心光子晶体光纤端面的开口，防止在光纤金属化过程中化学试剂进入空心光子晶体光纤的内部造成堵塞；用现有的光纤金属化工艺在空心光子晶体光纤一端已经除掉涂覆层的表面镀上金属层，再把涂有保护胶的头部割掉，将经过上述处理的空心光子晶体光纤的一端插入到气密室的光纤接口用现有的馈通焊工艺焊接，最后在连接处外部套好保护套；④把耦合镜用光学环氧胶固定在内调节组件上，依次装配好外调节组件，内调节组件，该内调节组件的外端接具有FC接头的普通光纤；2)、空心光子晶体光纤的另一端与气密接头按如上步骤I)进行连接；
3)、对连接好的空心光子晶体光纤气体吸收池装置进行光路调节把其中一个气密接头的普通光纤接上激光器；另一个气密接头的外调节组件与气密室暂时分开，在其气密室窗口处用光功率计探测从空心光子晶体光纤出射的光功率；调节前一个气密接头外调节组件和内调节组件的位置，直到光功率计探测到的光功率最大；然后把光功率计去掉，把后一个气密接头的外调节组件和气密室连接起来，在其普通光纤后接上光功率计，调节其外调节组件和内调节组件的位置，直到光功率计探测到的光功率最大，完成光路调节，制作完成。所述的气密室用于保持空心光子晶体光纤内部的气密性，通过真空计与真空阀调节控制空心光子晶体光纤内部的气压，另外还可以把气密室的通气管密封起来，撤掉真空计、真空阀、气瓶和真空泵，作为小巧的气体吸收池使用。所述的外调节组件和内调节组件是用于调节空心光子晶体光纤与普通光纤的相对位置，用以保证两者之间的耦合效率最大。本发明与在先技术相比，有如下优点和积极效果 I、与在先技术[I]、[2]相比，本发明的空心光子晶体光纤气体吸收池体积小，质量轻，结构牢固可靠，气密性高，更适于在星载、机载等恶劣环境下使用。2、与在先技术[3]相比，本发明的空心光子晶体光纤气体吸收池可以更换气体和改变气压，可以用于调整气压的稳频参数优化的实验环节。3、与在先技术[4]相比，本发明的空心光子晶体光纤气体吸收池用馈通焊工艺和金属焊接工艺实现密封，气密性和结构牢固程序比用环氧树脂或其他胶粘的方法更好，另外没有用到V型槽，不用光刻工艺，加工更简单。总之，本发明装置具有结构紧凑小巧，可靠性高，气压可控，可重复使用，光束截面与气体截面重合度高的特点。可用于气体光谱分析实验，稳频激光器频率参考的气体吸收池，
图I是本发明空心光子晶体光纤气体吸收池装置的结构示意2是本发明空心光子晶体光纤气体吸收池装置的结构另一实施例结构示意图
具体实施例方式下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图I是本发明空心光子晶体光纤气体吸收池装置的结构示意。由图可见，本发明空心光子晶体光纤气体吸收池装置，由空心光子晶体光纤I及其两端的气密接头构成，所述的气密接头具有相同的结构所述的气密接头包括保护套2、气密室3、真空计4、真空阀5、窗口玻璃6、外调节组件7、内调节组件8、耦合镜9，上述元部件的连接关系如下所述的气密室3具有光纤接口3a、通气管3b和气密室窗口 3c，所述的光纤接口 3a和气密室窗口 3c相对，所述的光纤接口3a用于连接所述的空心光子晶体光纤1，该空心光子晶体光纤I与光纤接口 3a的连接部位用保护套2保护，在所述的通气管3b上安装所述的真空计4和真空阀5，所述的窗口玻璃6镀以环型金属膜，与所述的气密室窗口 3c用金属焊接工艺连接，所述的外调节组件7从气密室窗口 3c方向与所述的气密室3用螺钉固定，所述的内调节组件8是一个中空圆筒，圆筒外有细螺纹的构件，所述的耦合镜9固定在所述的内调节组件8的圆筒的内端上，该内调节组件8的外端接具有FC接头的普通光纤10，所述的内调节组件8的外细螺纹旋入所述的外调节组件7的内螺纹中，通过内调节组件8的旋转以改变内调节组件8与外调节组件7的配合深度，该内调节组件8的位置通过外调节组件7的径向螺钉锁定。所述空心光子晶体光纤I与所述的气密室3的连接采用馈通焊工艺连接，即所述的空心光子晶体光纤I的一端Ia经过光纤金属化处理后，插入所述的气密室3的光纤接口3a中，用馈通焊工艺连接。外调节组件7与气密室3用螺钉固定，借助机械加工公差可以微量调节接触面方向的位移，内调节组件8与外调节组件7通过细螺纹连接，通过旋转可以改变内调节组件8与外调节组件7的配合深度，并可以通过外调节组件7用螺钉锁死内调节组件8的位置，耦 合镜9固定在内调节组件8上，FC接头的普通光纤10接在内调节组件8上。使用时，将空心光子晶体光纤I的一端Ia作为气体入口，所连接的气密室3的通气管3b与气瓶连接，实现气体的充入；空心光子晶体光纤I的另一端为气体出口，该端的通气管3b与真空泵连接，实现气体抽出。气密室3用于保持空心光子晶体光纤I内部的气密性，通过安装在通气管3b上的真空计4与真空阀5调节控制空心光子晶体光纤I内部的气压。另外还可以把气密室的通气管密封起来，撤掉真空计、真空阀，作为小巧的气体吸收池使用，如图2所示。外调节组件7和内调节组件8是用于调节光子晶体光纤I与普通光纤10的相对位置，用以保证两者之间的耦合效率最大。本发明空心光子晶体光纤气体吸收池装置的具体制作步骤如下I、空心光子晶体光纤I与气密接头连接①首先在窗口玻璃6接触气密室3的区域用磁控溅射的方法镀上一层环形金属膜，再用金属焊接工艺把窗口玻璃6焊接到气密室3的窗口 3c上；②在气密室3的通气管3b上安装好真空计4与真空阀5 ；③在空心光子晶体光纤I其中一端Ia选取合适长度去除的涂覆层，在其端面位置涂上保护胶，封住空心光子晶体光纤I端面的开口，防止在光纤金属化过程中化学试剂进入空心光子晶体光纤I的内部造成堵塞；用现有的光纤金属化工艺在空心光子晶体光纤I一端Ia已经除掉涂覆层的表面镀上金属层，再把涂有保护胶的头部割掉，将经过上述处理的空心光子晶体光纤I的一端Ia插入到气密室3的光纤接口 3a用现有的馈通焊工艺焊接，最后在连接处外部套好保护套2 ；④把耦合镜9用光学环氧胶固定在内调节组件8上，依次装配好外调节组件7，内调节组件8，该内调节组件8的外端接具有FC接头的普通光纤10 ；2、空心光子晶体光纤I的另一端按如上步骤I进行连接；3、对连接好的空心光子晶体光纤气体吸收池装置进行光路调节把其中一个气密接头的普通光纤10接上激光器；另一个气密接头的外调节组件7与气密室3暂时分开，在其气密室窗口 3c处用光功率计探测从空心光子晶体光纤I出射的光功率；调节前一个气密接头外调节组件7和内调节组件8的位置，直到光功率计探测到的光功率最大；然后把光功率计去掉，把后一个气密接头的外调节组件7和气密室3连接起来，在其普通光纤10后接上光功率计，调节其外调节组件7和内调节组件8的位置，直到光功率计探测到的光功率最大，完成光路调节，本发明空心光子晶体光纤气体吸收池装置的制作完成。本发明的操作方法如下I.其中一个气密接头的通气管3b接气瓶，作为气体入口 ；另一个气密接头的通气管3b接真空泵，作为气体出口 ；2.在充入实验气体前，先用真空泵把空心光子晶体光纤I与其两端的气密接头抽成真空，在另一个通气管3b处接入氦气气瓶，用氦气对空心光子晶体光纤I进行冲洗，最后再用真空泵抽成真空；2.通气管3b改接入实验所需气体的气瓶，充入实验气体，气体入口处的通气管3b的真空计2气压读数可略大于所需气压，等待气体缓慢流通到气体出口处，直到气体入口 处真空计2气压读数与气体出口处真空计2气压读数相等，再交替打开真空泵和气瓶进行抽气和充气，直到气体入口处与气体出口处的气压读数均为所需气压，此时气体充入完成，可作为实验用的气体吸收池；3.需要制作小巧结构的吸收池时，把通气管3b钳紧压扁不漏气，割去真空计4和真空阀5，再对通气管3b填充焊料进行密封，如图2所示。本发明采用了光纤金属化、馈通焊接、金属焊接工艺实现气体吸收池的制作，能很好地保证吸收池的密封性，以及结构的牢固性，另外它的结构紧凑和轻便小巧的特点可以很好地适用于星载的应用环境。气密室的设计结构可以满足在实验阶段对气压的调整，也可以将通气管密封起来后作为小巧的气体吸收池使用。
权利要求
1.一种空心光子晶体光纤气体吸收池装置，其特征在于该装置由空心光子晶体光纤(I)及其两端的气密接头构成，所述的气密接头具有相同的结构 所述的气密接头包括保护套(2)、气密室(3)、真空计(4)、真空阀(5)、窗口玻璃(6)、外调节组件(7)、内调节组件(8)、耦合镜(9)，上述元部件的连接关系如下所述的气密室(3)具有光纤接口(3a)、通气管(3b)和气密室窗口(3c)，所述的光纤接口(3a)和气密室窗口(3c)相对，所述的光纤接口(3a)用于连接所述的空心光子晶体光纤(1)，该空心光子晶体光纤(I)与光纤接口(3a)的连接部位用保护套(2)保护，在所述的通气管(3b)上安装所述的真空计(4)和真空阀(5)，所述的窗口玻璃(6)镀以环型金属膜，与所述的气密室窗口(3c )用金属焊接工艺连接，所述的外调节组件(7 )从气密室窗口( 3c )方向与所述的气密室(3)用螺钉固定，所述的内调节组件(8)是一个中空圆筒，圆筒外有细螺纹的构件，所述的耦合镜(9)固定在所述的内调节组件(8)的圆筒的内端上，该内调节组件(8)的外端接具有FC接头的普通光纤(10)，所述的内调节组件(8)的外细螺纹旋入所述的外调节组件(7)的内螺纹中，通过内调节组件(8)的旋转以改变内调节组件(8)与外调节组件(7)的配合深度，该内调节组件(8)的位置通过外调节组件(7)的径向螺钉锁定。
2.根据权利要求I所述的空心光子晶体光纤气体吸收池装置，其特征在于所述空心光子晶体光纤(I)与所述的气密室(3)采用馈通焊工艺连接，即所述的空心光子晶体光纤(I)经过光纤金属化处理后，插入所述的气密室(3)的光纤接口(3a)中，用馈通焊工艺连接。
3.权利要求I或2所述的空心光子晶体光纤气体吸收池装置的制作方法，其特征在于该方法包括如下步骤 1)、空心光子晶体光纤(I)与气密接头连接 ①首先在窗口玻璃(6)接触气密室(3)的区域用磁控溅射的方法镀上一层环形金属膜，再用金属焊接工艺把窗口玻璃(6)焊接到气密室(3)的窗口(3c)上； ②在气密室(3)的通气管(3b)上安装好真空计(4)与真空阀(5)； ③在空心光子晶体光纤(I)其中一端(Ia)选取合适长度去除的涂覆层，在其端面位置涂上保护胶，封住空心光子晶体光纤(I)端面的开口，防止在光纤金属化过程中化学试剂进入空心光子晶体光纤(I)的内部造成堵塞；用现有的光纤金属化工艺在空心光子晶体光纤(I)一端(Ia)已经除掉涂覆层的表面镀上金属层，再把涂有保护胶的头部割掉，将经过上述处理的空心光子晶体光纤(I)的一端(Ia)插入到气密室(3)的光纤接口(3a)用现有的馈通焊工艺焊接，最后在连接处外部套好保护套(2)； ④把耦合镜(9)用光学环氧胶固定在内调节组件(8)上，依次装配好外调节组件(7)，内调节组件(8)，该内调节组件(8)的外端接具有FC接头的普通光纤(10)； 2)、空心光子晶体光纤(I)的另一端与气密接头按如上步骤I)进行连接； 3)、对连接好的空心光子晶体光纤气体吸收池装置进行光路调节把其中一个气密接头的普通光纤(10)接上激光器；另一个气密接头的外调节组件(7)与气密室(3)暂时分开，在其气密室窗口(3c)处用光功率计探测从空心光子晶体光纤(I)出射的光功率；调节前一个气密接头外调节组件(7)和内调节组件(8)的位置，直到光功率计探测到的光功率最大；然后把光功率计去掉，把后一个气密接头的外调节组件(7)和气密室(3)连接起来，在其普通光纤(10)后接上光功率计，调节其外调节组件(7)和内调节组件(8)的位置，直到光功率计探测到的光功率最大，完成光路调节，制作完成。
全文摘要
一种空心光子晶体光纤气体吸收池装置及制作方法，该装置由空心光子晶体光纤、保护套、气密室、真空计、真空阀、窗口玻璃、耦合镜、调节组件构成。本发明利用空心光子晶体光纤柔韧可弯曲，纤芯可以充入气体的特点，用气密室、真空计、真空阈实现气体的定量注入，将光束经耦合镜和窗口玻璃耦合进入空心光子晶体光纤中，用光纤金属化及馈通焊工艺进行密封，本发明装置具有结构紧凑小巧，可靠性高，气压可控，可重复使用，光束截面与气体截面重合度高的特点。可用于气体光谱分析实验，稳频激光器频率参考的气体吸收池。
文档编号G02B6/38GK102866468SQ20121032767
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者黄崇德, 程楠, 皮浩洋, 陈迪俊, 陈高庭, 蔡海文, 瞿荣辉 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所