一种硫系玻璃光子晶体光纤预制棒的制备方法与流程

本发明涉及光子晶体光纤领域，尤其是涉及一种硫系玻璃光子晶体光纤预制棒的制备方法。

背景技术：

光子晶体光纤（pcf，又称微结构光纤或多孔光纤），包层由周期性排列的沿着光纤轴向延伸至整个光纤的空心孔组成，结构具有很大的可调性，具有一些独特的光学特性，如无截止单模、色散可控、高双折射、高非线性、大模场等。硫系玻璃是一种性能优良的红外光学材料，具有较低的声子能量，较高的折射率，很宽的红外透过窗口，较好的化学和热学性能等特性。近些年，硫系玻璃作为一种新型材料制成的光子晶体光纤的研究备受关注，国际上许多著名研究机构（如英国南安普顿大学、法国雷恩第一大学、美国海军实验室和麻省理工学院等）纷纷开展对硫系玻璃光子晶体光纤的研究。由于硫系玻璃具有良好的中红外传输性能和极高的非线性特征，因此结合光子晶体光纤的结构特性，在中红外超连续谱、空间消零干涉仪、中红外生物传感和化学传感等方面有着广阔的应用前景。此外，由于光子晶体光纤特殊的结构，具有宽波长范围内无截止单模运转、模场面积可调、低弯曲损耗的特性，同时较大的数值孔径也有利于泵浦光的耦合，对提升稀土掺杂硫系玻璃光子晶体光纤光束质量、实现高功率激光的传输有重要意义，可应用于中远红外光纤放大器及激光器。

目前硫系玻璃光子晶体光纤预制棒的制备方法主要有堆积法、铸造法和打孔法。其中堆积法也是目前石英基质光子晶体光纤最主要的制备方法。但是对硫系玻璃来说表面张力小、粘度随温度变化剧烈，很难通过传统堆积法拉丝控制气压的方式获得结构稳定的光子晶体光纤；另外，硫系玻璃不具有石英玻璃熔接的特性，对预制棒不能通过熔接外套管的方式实现精密稳定的气压控制；而其他方式在高温下存在很大的密封不严问题，使毛细管间气压波动剧烈。专利光子晶体光纤预制棒的制备方法（zl200510024669.5），其光子晶体预制棒的制备方法是利用光纤拉丝送料装置，配合抽真空操作，同时使堆积好的初级预制棒缓慢运动经过加热区，形成光子晶体预制棒。此方法存在主要问题：一是不能避开预制棒与抽真空系统的连接密封问题，气压存在较大波动；二是拉丝用炉体加热区间很窄，高温区比较集中，预制棒在下降进入热区时升温较快，继续下降出热区时降温也快，毛细管容易出现受热不均、膨胀不匀、应力较大等现象；三是预制棒缓慢通过热区，热区越窄耗时越长。铸造法是2010年法国雷恩第一大学发明的一种硫系光子晶体光纤制备方法（castingmethod,opt.express,2010,18(9):9107-9112.），其方法为：在熔制硫系玻璃的安瓿瓶顶端焊接石英细棒，形成光子晶体的互补结构；将熔制好的硫系玻璃液体反转180度，使玻璃液流入有石英棒框架的一端，经过淬冷退火，最后用40%氢氟酸溶解掉石英棒，获得硫系光子晶体光纤。此方法主要问题在于硫系玻璃跟石英玻璃膨胀系数存在非常大的差别，使预制板内积聚很大的应力，很容易断裂。钻孔法是制备各类基质光子晶体光纤的通用做法（cn201210535345.8），此方法存在主要问题是，硫系玻璃极易脆裂，不管是机械加工还是超声波加工成功率都不高；另外，打孔法不易调节占空比，空心孔层数严重受限以及空心孔内表面缺陷严重。综上所述，目前硫系光子晶体光纤制备严重受制于硫系光子晶体预制棒的制备。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有空心孔排列规整、毛细管间无空隙缺陷的硫系玻璃光子晶体光纤预制棒的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种硫系玻璃光子晶体光纤预制棒的制备方法，包括如下步骤：

（1）毛细管的制备

将硫系玻璃材料通过钻孔、挤压或直接旋管法制备相应占空比的玻璃空管，通过拉丝制备对应占空比的尺寸均匀的毛细管，将毛细管放入真空加热炉中依次经过初期缓慢抽真空和后期分子泵抽真空达到1×10^-6pa压力，同时将毛细管加热到玻璃转变温度tg±20℃，保温2h，然后在毛细管内部充入惰性气体，熔封毛细管两端使其密封，形成内部气体压力大于或等于一个大气压的空心管道；

（2）硫系玻璃光子晶体光纤预制棒的成型

将毛细管堆积成横截面为对称结构的多边形或圆形的结构，纤芯采用实心玻璃棒或者空心管，纤芯直径等于或小于毛细管外径，固定好堆积的模型，套入事先准备好的外套管中，制成硫系玻璃光子晶体初级预制棒；若纤芯直径小于毛细管外径，则纤芯与毛细管之间的空隙采用实心玻璃丝填充；若毛细管堆积成的横截面与外套管的内孔横截面形状不同，则毛细管与外套管之间的空隙采用相同材质的实心玻璃丝填充；

（3）预制棒热处理

将硫系玻璃光子晶体初级预制棒整体垂直放入真空加热炉中，依次经过初期缓慢抽真空和后期分子泵抽真空达到1×10^-6pa压力，同时将硫系玻璃光子晶体初级预制棒加热到玻璃转变温度tg＋50～tg＋180℃、保温定型0.5h～2h，获得毛细管间无间隙的硫系玻璃光子晶体光纤预制棒。

步骤（1）中所述的惰性气体为在红外无吸收峰的气体，包括高纯的氦、氖、氩、氪、氙或者氮气。

步骤（1）中熔封毛细管两端方法为采用电热圈加热或火焰加热的方式，加热熔封过程局限于端头2毫米内。避免产生应力而破裂，加热温度达到玻璃融化温度tm±50℃。

步骤（2）中所述的实心玻璃丝材料采用与所述的毛细管相同组分的玻璃材料。

步骤（2）中所述的外套管的横截面为正六边形或者圆形。

步骤（2）中所述的毛细管的堆积的横截面的形状为正六边形或圆形。

步骤（3）所述的真空加热炉的炉腔内温度场波动小于0.1℃，腔体具有观察窗。可实时监控毛细管及预制棒的状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种基于硫系玻璃的光子晶体光纤预制棒的制备方法，该方法采用端头密封的空心毛细管堆积光子晶体光纤预制棒，配合真空高温箱消除毛细管间隙、快速稳定整体成型。所述毛细管是经过真空烘干、填充惰性气体、熔封两端头，构成一个密闭的空心管道。将得到的光子晶体初级预制棒垂直送入真空高温炉中，在特定温度与真空度下保温一定时间，缓慢冷却后获得光子晶体光纤预制棒。该方法使用硫系玻璃作为材料，利用真空高温炉抽真空、充气、加热的功能对毛细管做干燥填充处理，对易碎硫系毛细管端头完美熔封并充气保护；其次，通过对初级预制棒整体抽真空加热的方式解决了拉丝过程中难以控制气压的问题，能够保证预制棒整体处于均匀温度场中，获得具有空心孔排列规整、毛细管间无空隙缺陷且结构稳定的毛细管间无空隙的光子晶体结构预制棒；此外，整体处理方式在保证稳定性的前提下提高了处理效率；利用本方法制备的预制棒拉丝过程简单，不再需要考虑毛细管间气压的控制问题。

综上所述，发明一种基于硫系玻璃的光子晶体光纤预制棒的制备方法，可以有效地避免硫系玻璃毛细管之间空隙及缺陷，保持结构的规整性，降低结构缺陷造成的光纤损耗，并且具有快速稳定可控的特性。

附图说明

图1是本发明实施例一的硫系玻璃光子晶体光纤初级预制棒横截面示意图；

图2是本发明实施例一的硫系玻璃光子晶体光纤最终预制棒横截面示意图；

图3是本发明实施例二的硫系玻璃光子晶体光纤初级预制棒横截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

制备硫系玻璃光子晶体光纤，采用传统的熔体冷却方法制备硫系玻璃材料，样品的制备经过石英安瓿的预处理、起始原料的称量、真空封管、熔制、退火、切割、钻孔等过程，获得相应占空比的玻璃空管和外套管1。对获得的硫系玻璃空管，进行拉丝，要求拉制的光纤，尺寸均匀，通过拉丝制备对应占空比的尺寸均匀的毛细管2。

用光纤切割刀截取长度适中的毛细管2，将毛细管2放入真空加热炉中依次经过初期缓慢抽真空和后期分子泵抽真空达到1×10^-6pa压力，同时将毛细管2加热到玻璃转变温度tg+20℃，保温2h，然后在毛细管2内部充入惰性气体（n2），并采用低温火焰加热熔封两端端口（tm＋50℃），使毛细管2两端密封，形成内部气体压力大于或等于一个大气压的空心管道，待进一步使用。

将毛细管2堆积成横截面为正六边形的结构，横截面几何中心的毛细管2用实心细棒3替代作为纤芯，固定好堆积的模型，套入事先准备好的外套管1中，制成硫系玻璃光子晶体光纤初级预制棒；由于纤芯直径与毛细管2直径相同，且毛细管2排丝的六边形尺寸与外套管1六边形内孔尺寸完全匹配，不需要额外玻璃丝填充，如图1所示。

将硫系玻璃光子晶体初级预制棒整体垂直放入真空加热炉中，依次经过初期缓慢抽真空和后期分子泵抽真空达到1×10^-6pa压力，同时将硫系玻璃光子晶体初级预制棒加热到玻璃转变温度tg＋50℃、保温定型2h；利用毛细管2内外压差及加热后玻璃变软特性发生膨胀变形消除毛细管2间、毛细管2与纤芯间、毛细管2与外套管1间空隙，外套管1内外无压力差不会产生变形；制备得到毛细管2间无间隙的最终光子晶体光纤预制棒，如图2所示，同时形成包层中的空气孔4。

将制备的硫系玻璃光子晶体预制棒放入拉丝塔进行拉丝（300℃），拉丝过程不需要额外进行压力控制，与实心玻璃棒拉丝工艺完全类似；此外需要干燥气氛（n2）保护以避免氧化和空气中水汽侵入。

在此具体实施例中，惰性气体为在红外无吸收峰的气体，包括高纯的氦、氖、氩、氪、氙或者氮气。熔封毛细管2两端方法为采用电热圈加热或火焰加热的方式，加热熔封过程局限于端头2毫米内。实心玻璃丝材料采用与毛细管2相同组分的玻璃材料。真空加热炉的炉腔内温度场波动小于0.1℃，腔体具有观察窗。

实施例二

制备硫系玻璃光子晶体光纤，采用传统的熔体冷却方法制备硫系玻璃材料，样品的制备经过石英安瓿的预处理、起始原料的称量、真空封管、熔制、退火、切割、钻孔等过程，获得相应占空比的玻璃空管和外套管1。对获得的硫系玻璃空管，进行拉丝，要求拉制的光纤，尺寸均匀，通过拉丝制备对应占空比的尺寸均匀的毛细管2。

用光纤切割刀截取长度适中的毛细管2，将毛细管2放入真空加热炉中依次经过初期缓慢抽真空和后期分子泵抽真空达到1×10^-6pa压力，同时将毛细管2加热到玻璃转变温度tg-20℃，保温2h，然后在毛细管2内部充入惰性气体（n2），并采用低温火焰加热熔封两端端口（tm＋50℃），使毛细管2两端密封，形成内部气体压力大于或等于一个大气压的空心管道，待进一步使用。

将毛细管堆2积成横截面为正六边形的结构，横截面几何中心的毛细管2用两端密封的大占空比且直径小于毛细管2外径的空心毛细管5替代作为纤芯，纤芯与毛细管2之间的空隙采用玻璃细丝6填充，固定好堆积的模型，套入事先准备好的内孔横截面形状为圆形的外套管1中，毛细管2与外套管1间空隙用玻璃细丝6填充，制成硫系玻璃光子晶体光纤初级预制棒，如图3所示。

将硫系玻璃光子晶体初级预制棒整体垂直放入真空加热炉中，依次经过初期缓慢抽真空和后期分子泵抽真空达到1×10^-6pa压力，同时将硫系玻璃光子晶体初级预制棒加热到玻璃转变温度tg＋180℃、保温定型0.5h；利用毛细管2内外差及加热后玻璃变软特性发生膨胀变形消除毛细管2间、毛细管2与纤芯间、毛细管2与外套管1间空隙，外套管1内外无压力差不会产生变形，制备毛细管2间无间隙的最终光子晶体光纤预制棒。

将制备的硫系玻璃光子晶体预制棒放入拉丝塔进行拉丝（550℃），拉丝过程不需要额外进行压力控制，与实心玻璃棒拉丝工艺完全类似；此外需要干燥气氛（n2）保护以避免氧化和空气中水汽侵入。

实施例三

同上述具体实施例1，其区别在于：

毛细管加热到玻璃转变温度tg℃；将硫系玻璃光子晶体初级预制棒加热到玻璃转变温度tg＋110℃、保温定型1h。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。