[发明专利]一种硫系玻璃光子晶体光纤预制棒的制备方法

说明书

本发明公开了一种硫系玻璃光子晶体光纤预制棒的制备方法，特点是包括如下步骤：（1）将硫系玻璃材料通过钻孔、挤压或直接旋管法制备玻璃空管，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抽真空、加热、充惰性气体，熔封毛细管两端使其密封；（2）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；（3）将初级预制棒整体垂直放入真空加热炉中，依次抽真空、加热、充惰性气体，获得毛细管间无间隙的硫系玻璃光子晶体光纤预制棒，优点是具有空心孔排列规整、毛细管间无空隙缺陷。

技术领域

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。

发明内容

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：