一种无损耗超高真空光纤导入装置及方法与流程

本发明属于光纤导入装置技术领域，具体涉及一种无损耗超高真空光纤导入装置及方法。

背景技术：

真空尤其是超高真空不仅为高能粒子、核物理研究及表面科学等基础学科的众多研究方面提供必备的实验环境，而且在半导体工业、航天、国防等关乎国计民生的重要领域都有着广阔的应用。

真空系统的应用过程中经常需要将光、电、物体移动等物理量由真空外导入或导出真空内。其中光的导入导出方法主要有两种方式。一种常用的方法为真空窗口，即光直接穿过透光介质从而达到光导入导出真空的目的。在一般的应用中真空窗口的主要目的是观察真空内部装置的运行情况。在超高真空系统应用中，人们通常使用玻璃、石英等材料作为光导入导出介质。但是在涉及激光物理实验和工业生产中普通的真空窗片对不同波长的激光透射率存在差异，不同波长的激光传输经过优质的石英真空窗片的透过率存在一定频率带宽，而且最高透过率为98％左右，仍有部分光被损耗。而在实际操作过程中人们在窗片表面镀以介质减反膜来提高激光的透过率以减少光的损耗，但是窗片镀膜不仅提高了设备成本，而且激光在不同角度穿过窗片时透过率也存在较大差异。另外一种真空光导入的方法是光纤导入。光纤可以在空间上很好地束缚激光光束，因此在光导入导出真空的过程中光纤引导激光不仅损耗低而且更容易控制。但是现有的商用光纤导入导出器件是利用光纤耦合接头结合玻璃、陶瓷或者塑料等材料来传导激光并起到真空密封的效果，工艺不仅复杂、而且成本高，另外由于此类激光导入装置在真空内外均需要使用光纤接头连接，激光由真空外部(内部)光纤输出后再次耦合输入内部(外部)光纤，必定会引入一定激光耦合损耗，通常在1dB左右。而且此类激光导入装置一旦制作完成光纤的接头类型即以确定，所以此类装置只能支持单种光纤或部分种类光纤使用，通用型差。

在部分半导体激光加工和微纳材料光谱特性等研究中激光需要由光纤导入导出真空，并需要尽可能减小光在导入导出过程的传输损耗，同时还可以支持多种光纤类型，因此亟需一种无损耗通用型的激光真空导入装置。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有真空光纤导入装置存在传输损耗大和通用型差的技术问题，提供一种无损耗超高真空光纤导入装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种无损耗超高真空光纤导入装置，包括紧固螺帽、中间设有通孔的弹性密封塞和管状接头，所述紧固螺帽的帽盖上设有通孔，弹性密封塞的头部塞装在管状接头的左端口，紧固螺帽与管状接头的左端螺纹连接，且使弹性密封塞的尾部位于紧固螺帽的帽腔中。

所述中间设有通孔的弹性密封塞的头部为锥台型，以便与管状接头密封连接。

所述管状接头为一圆柱管，圆柱管左端内壁为与弹性密封塞锥台型头部相匹配的锥形面，在圆柱管左端的外壁设有外螺纹，以便与紧固螺帽螺纹连接。

一种采用所述无损耗超高真空光纤导入装置获取超高真空的方法，包括以下步骤：

(1)选取光纤为裸光纤；将光纤穿过弹性密封件中心通孔，将弹性密封件锥台状头部插入管状接头的左端，将紧固螺帽中心圆孔穿入光纤并旋转固定在管状接头上，裸光纤依次穿过紧固螺帽、中间设有通孔的弹性密封塞、管状接头和真空法兰进入真空气室，旋转紧固螺帽直到帽盖内侧将弹性密封件压紧；(2)利用机械泵和涡轮分子泵在常温下制备低真空；(3)获取低真空后，第一次对紧固螺帽紧固，促使低真空保持和改善；(4)真空系统烘烤升温，离子泵和过渡真空管道的烘烤温度和加热速度略大于真空室和光纤导入装置；(5)升温结束后第二次对紧固螺帽紧固；(6)高温持续烘烤真空系统；(7)高温烘烤结束后，第三次将紧固螺帽紧固；(8)真空系统烘烤降温，降温速度低于升温过程，在降温过程中根据真空压强变化适时紧固紧固螺帽，直到最终获得超高真空；(9)利用高纯液体对光纤导入装置进行检漏。

利用此无损耗超高真空光纤导入装置及其采用此类导入装置的真空获取方法最终可以获得4.0×10^-8Pa的超高真空系统，并且激光在光纤中传输经过导入装置进入超高真空的过程中无损耗。通过改变弹性密封件中心圆孔直径可以支持不同类型的光纤。

本发明采用以上技术方案，包括紧固螺帽、中间设有通孔的弹性密封塞和管状接头，管状接头焊接在真空法兰上，并与真空室贯通。真空法兰采用适用于超高真空的Conflat Flang法兰，简称CF法兰。此法兰由无氧铜作为密封材料与真空系统连接，可以支持超高真空。裸光纤依次穿过紧固螺帽、中间设有通孔的弹性密封塞、管状接头和真空法兰进入真空气室，由于紧固螺帽帽盖上的圆孔直径小于弹性密封件尾部直径，所以当紧固螺帽旋转固定在管状接头上时，螺帽可以将弹性密封件向内压紧，将紧固螺帽旋转固定在管状接头上，进一步向内挤压弹性密封件，弹性密封件锥台斜面被挤压进入管状接头锥形孔面并与锥形孔面紧密接触，在挤压的同时由于材料的弹性其中心圆孔直径减小将光纤压紧并紧密接触，这样可以将真空内部与外界大气隔离；从而将光纤由外界大气连续穿过封装装置并将激光传导到真空室。由于光纤连续穿过真空环境、封装装置和外界环境，光纤无中断，所以激光在传输过程无额外损耗。带保护层光纤可以选取多种类型光纤，弹性密封件中心开孔可根据不同种类不同直径光纤选择相应直径。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明紧固螺帽的结构示意图；

图3是本发明管状接头的结构示意图；

图4是本发明弹性密封塞的结构示意图；

图5是安装无损耗超高真空光纤导入装置的超高真空系统示意图；

图6为安装无损耗超高真空光纤导入装置的超高真空获得操作流程图。

具体实施方式

以下具体实施例是结合本发明中的附图用于对本发明中的技术方案和操作步骤进行清楚、完整的描述，但不能根据此实施例来规定和限制本发明的范围，此实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。有关领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内在没有做出创造性劳动的前提下，可以做出各种变型实施例，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴，本发明的专利保护范围应由各项权利要求限定。

如图1-2所示，本实施例中的一种无损耗超高真空光纤导入装置，包括紧固螺帽1、中间设有通孔的弹性密封塞2和管状接头3，所述紧固螺帽1的帽盖上设有通孔，弹性密封塞2的头部塞装在管状接头3的左端口，紧固螺帽1与管状接头3的左端螺纹连接，且使弹性密封塞2的尾部位于紧固螺帽1的帽腔中。

如图4所示，所述中间设有通孔的弹性密封塞2的头部为锥台型，以便与管状接头3密封连接。

如图3所示，所述管状接头3为一圆柱管，圆柱管左端内壁为与弹性密封塞2锥台型头部相匹配的锥形面，在圆柱管左端的外壁设有外螺纹，以便与紧固螺帽1螺纹连接。

本实施例的管状接头3采用不锈钢材料，其右端与CF真空法兰焊接，中间通孔与法兰真空室相通；管状接头3和紧固螺帽1采用1/8英寸型号，管状接头3左端内壁的锥形面具有24度锥形孔面；由铁氟龙材料制作的弹性密封件2具锥台型头部，头部直径3.8mm，尾部为圆柱形，直径为6.1mm，弹性密封件2表面光洁度优于50微米。铁氟龙弹性密封件2头部塞装在管状接头3的左端口并与其与壁锥形面接触，其余部分位于管状接头3外面。铁氟龙弹性密封件2中心通孔直径为0.35mm。

一种采用所述无损耗超高真空光纤导入装置获取超高真空的方法，包括以下步骤：

(1)选取导入光纤4为单模通信光纤，其带有高分子聚合物保护层，外直径为0.25mm。将光纤穿过弹性密封件2中心通孔，将弹性密封件2锥台状头部插入管状接头的左端，将紧固螺帽1中心圆孔穿入光纤并旋转固定在管状接头3上。裸光纤依次穿过紧固螺帽1、中间设有通孔的弹性密封塞2、管状接头3和真空法兰进入真空气室，旋转紧固螺帽1直到帽盖内侧将弹性密封件2压紧。紧固螺帽1帽盖通孔直径为小于6mm，并小于铁氟龙弹性密封件2的直径。把紧固螺帽1旋转固定在管状接头3上，紧固螺帽1内部后侧会将铁氟龙弹性密封件2向前挤压，这使得铁氟龙弹性密封件2锥台斜面与管状接头3内壁锥形斜面紧密接触。在手动旋紧紧固螺帽1后，光纤4仍可以轻轻向外拉出。再使用扳手将紧固螺帽1旋转3/4圈，进一步挤压铁氟龙弹性密封件2，此时光纤4无法由外部拉出，这证明光纤4已经被缩小的铁氟龙弹性密封件2中心通孔挤压且紧密接触，从而达到密封的效果。此为带有无损耗光纤导入装置的超高真空获取的第一步；

(2)利用机械泵和涡轮分子泵在常温下制备低真空。安装完成无损耗超高真空光纤导入装置后，按照图5示意图连接各真空部件，真空系统由机械泵6、涡轮分子泵5和离子泵9组合完成真空抽取。无损耗超高真空光纤导入装置7焊接于真空室8的法兰上。首先打开机械泵6和真空阀门10进行粗真空制备，半小时后真空压强达到3.0×10^-2Pa。随后开启涡轮分子泵5，真空压强迅速减少至3.4×10^-3Pa，经过6小时真空压强达到2.2×10^-5Pa。开启离子泵9，42小时后真空压强达到1.1×10^-6Pa。至此完成低真空制备，见图6；

(3)获取低真空后，第一次对紧固螺帽紧固，旋转螺帽1/2圈，促使低真空保持和改善；

(4)真空系统烘烤升温，离子泵9和过渡真空管道的烘烤温度和加热速度略大于真空室和光纤导入装置。13小时内升温完成；最终离子泵9温度烘烤130摄氏度，真空过渡管道烘烤温度110摄氏度，带有光纤导入装置7的真空烘烤温度为80摄氏度；

(5)升温结束后第二次对紧固螺帽1紧固，旋转1/6圈；

(6)高温持续烘烤真空系统，烘烤持续36小时；

(7)高温烘烤结束后，第三次将紧固螺帽1紧固，旋转1/8圈；

(8)真空系统烘烤降温，降温速度低于升温过程，降温共用时14小时，在降温过程中根据真空压强变化紧固螺帽1两次，每次旋转约1/10圈。关闭真空阀门10后关闭机械泵6和涡轮分子泵5。离子泵9单独工作，直到最终压强达到4.0×10^-8Pa，实现超高真空；

(9)利用高纯液体对光纤导入装置进行检漏。

上述实施例仅用于进一步详细解释说明本发明，而非对本发明权利保护的专利范围，凡利用此专利保护的装置和方法所完成的等效结构和操作流程包括对本发明进行的非创造性和非实质性的改动，均属于本发明的保护范围。