本發明涉及光纖，特別是一種石英玻璃光子晶體光纖端帽的制備方法。

背景技術：

光子晶體光纖(Photonic crystal fiber，PCF)，因其具有無截止單模傳輸、模場面積可控、高非線性、優良雙折射效應和高數值孔徑等特性，因而在光通信、大功率傳輸、光纖激光器、超連續譜等方面有著廣闊的應用。其特有的空氣孔結構，使得其不能像常規石英光纖那樣進行切割、熔接。所以必須采用特殊工藝對PCF端面進行處理，諸如熔接端帽，一方面來改善高功率條件下端面由于溫度上升所引起的污染和端面損傷；另一方面提高PCF端面的抗損傷閾值，也為PCF全光纖應用打下基礎。由于PCF制作和結構的特殊性，處理工藝難度大，花費高，國際上只有NKT等少數幾家公司可以高質量的完成端帽的熔接。國內在光子晶體光纖的制備以及光纖的端面處理方面與國際先進水平還有較大差距。

傳統的光纖端帽是采用光學冷加工的技術得到，然后利用光纖熔接機將加工好的柱狀端帽與光纖進行熔接。這一技術在熔接雙包層全固態光纖端帽時相對容易，但對于空氣孔結構的光子晶體光纖而言，由于空氣孔結構的存在導致光纖切割和研磨都極難處理，因此進行端帽熔接方面一直存在較大難度。國際上NKT公司推出的帶端帽的光子晶體光纖，其制備技術是基于特殊的熔接技術，利用二氧化碳激光將端帽與光纖在45°角熔接完成，其保留了光子晶體光纖內部的空氣孔結構。

目前尚未見采用二氧化碳激光對光子晶體光纖直接進行熔融塌縮制備一體化端帽的制備技術。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種光子晶體光纖一體化端帽的制備方法：采用二氧化碳激光器，將大模場空氣孔光子晶體光纖按照一定的轉速和加熱功率進行旋轉加熱，實現空氣孔的均勻同步塌縮固化，進一步利用光纖切割刀切割，獲得不同端面角度的端帽；該方法顯著改進了大模場空氣孔結構光子晶體光纖端面的處理工藝，獲得了光子晶體光纖一體化端帽，極大的拓展了光子晶體光纖的應用潛力。具有操作方法簡單實用，制備成本低的優點。

為達到上述目的，我們提供的以下的技術方案：

一種光子晶體光纖一體化端帽的制備方法,其特點在于該方法包括下列步驟：

1)取一外徑為400-600微米的光子晶體光纖，先用分析純酒精處理光纖表面，再將所述的光纖置于標準光纖夾具中，光纖夾持的位置到光纖端面的距離為10cm；

2)將所述的標準光纖夾具置于光纖熔接機的夾具卡槽中，所述的光纖置于光纖熔接機的兩個V型槽中，兩個V型槽之間的距離設置為4cm；將自制的M形V型槽蓋板，沿V型槽凹陷方向按壓下去，所述的M形V型槽蓋板的中間的平底壓腳將所述的光纖限制在平底壓腳與V型槽組成的三角形范圍內；

3)設置熔接機參數：激光是10.6微米的二氧化碳激光，激光加熱功率為10W-20W；光纖旋轉速度為0.05-0.15°/ms；加熱時間為9000-20000ms；

4)啟動熔接機，發射激光，開始計時，加熱、旋轉同時啟動；觀察熔接顯示屏，觀察光纖是否平穩旋轉；若光纖發生抖動，停止加熱，清理V型槽和平衡壓腳后重復以上步驟繼續實驗；

5)達到加熱設定時間，取出光纖置于顯微鏡下觀察測量，塌縮區域透明，塌縮區域長度為500-1000微米；塌縮區域端面相鄰兩空氣孔的長度差不超過10微米；

6)將塌縮成功的光纖的塌縮區域置于大直徑光纖切割刀下，按需求將光纖切割角度設置為0-8°，保留塌縮區域的長度即端帽的長度為40-300微米，然后進行切割。

所述的光子晶體光纖是稀土摻雜石英有源光子晶體光纖，或非摻雜純石英無源光子晶體光纖。

本發明具有以下優點：

1、采用二氧化碳激光加熱塌縮，二氧化碳激光的波長為10.6微米，為石英玻璃的吸收波段，可以起到很好的加熱作用；相比較以往的氫氧焰和電弧加熱，激光作為一種清潔能源且激光光斑可控，避免了氫氧焰或其他電極放電加熱的方式帶來的光纖表面損傷和金屬雜質濺射污染；

2、采用二氧化碳激光均勻旋轉加熱塌縮，可以快速且均勻的實現內外不同尺寸空氣孔的均勻同步塌縮，從而獲得平整的塌縮面；相比較在電弧加熱塌縮時，因大模場PCF空氣孔結構的存在，引起導熱率的變化，會出現內外空氣孔塌縮不同步的情況，激光加熱方式的使用，極大的改善了這種情況；

3、設計并制作M形V型槽蓋板，該M形V型槽蓋板的中間的平底壓腳可將所述的光纖限制在平底壓腳與V型槽組成的三角形范圍內，避免光纖在旋轉加熱中出現抖動，導致空氣孔塌縮不均勻，并能適應于外徑不同尺寸的光纖。

4、直接在光子晶體光纖上進行塌縮獲得固態端帽，利用常規的光纖切割刀和光纖研磨盤即可完成切割和加工，而且可以進行角度切割和拋光；

5、操作方法簡單實用、制備周期短、制備成本低。

附圖說明

圖1自制M形V型槽蓋板和V型槽示意圖

1為M形V型槽蓋板、2為蓋板中間的平底壓腳、3為光纖、4為V型槽；

圖2光子晶體光纖的截面示意圖；

圖3顯微鏡下觀察的光子晶體光纖塌縮前后變化側視圖；

左為塌縮前、右為塌縮后

圖4實施例3中光纖一體化端帽的示意圖。

具體實施方式

下面結合實例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。

實施例1：

(1)取一外徑為400微米、內包層200微米、纖芯為40微米、外包層空氣孔直徑為12微米、內包層空氣孔直徑為2微米的光子晶體光纖，先用分析純酒精處理光纖表面，再將所述的光纖置于標準光纖夾具中，光纖夾持的位置到光纖端面的距離為10cm；

(2)將所述的標準光纖夾具置于光纖熔接機的夾具卡槽中，所述的光纖置于光纖熔接機的兩個V型槽中，兩個V型槽之間的距離設置為4cm；將自制的M形V型槽蓋板(如圖1所示)，沿V型槽凹陷方向按壓下去，所述的M形V型槽蓋板的中間的平底壓腳(如圖1中的2)將所述的光纖限制在平底壓腳與V型槽組成的三角形范圍內；

(3)設置熔接機參數：激光是10.6微米的二氧化碳激光，激光加熱功率為10W；光纖旋轉速度為0.05°/ms；加熱時間為9000ms；

(4)啟動熔接機，發射激光，開始計時，加熱、旋轉同時啟動；觀察熔接顯示屏，觀察光纖是否平穩旋轉；若光纖發生抖動，停止加熱，清理V型槽和平衡壓腳后重復以上步驟繼續實驗；

(5)達到加熱設定時間，取出光纖置于顯微鏡下觀察測量，塌縮區域透明，測量得：塌縮區域長度為500微米；塌縮區域端面相鄰兩空氣孔的長度差不超過10微米；

(6)將塌縮成功的光纖的塌縮區域置于大直徑光纖切割刀下，按需求將光纖切割角度設置為0°，保留塌縮區域的長度即端帽的長度為300微米，然后進行切割。

實施例2：

(1)取一外徑為400微米、內包層200微米、纖芯為40微米、外包層空氣孔直徑為12微米、內包層空氣孔直徑為2微米的光子晶體光纖，先用分析純酒精處理光纖表面，再將所述的光纖置于標準光纖夾具中，光纖夾持的位置到光纖端面的距離為10cm；

(2)將所述的標準光纖夾具置于光纖熔接機的夾具卡槽中，所述的光纖置于光纖熔接機的兩個V型槽中，兩個V型槽之間的距離設置為4cm；將自制的M形V型槽蓋板(如圖1所示)，沿V型槽凹陷方向按壓下去，所述的M形V型槽蓋板的中間的平底壓腳(如圖1中的2)將所述的光纖限制在平底壓腳與V型槽組成的三角形范圍內；

(3)設置熔接機參數：激光是10.6微米的二氧化碳激光，激光加熱功率為15W；光纖旋轉速度為0.15°/ms；加熱時間為20000ms；

(4)啟動熔接機，發射激光，開始計時，加熱、旋轉同時啟動；觀察熔接顯示屏，觀察光纖是否平穩旋轉；若光纖發生抖動，停止加熱，清理V型槽和平衡壓腳后重復以上步驟繼續實驗；

(5)達到加熱設定時間，取出光纖置于顯微鏡下觀察測量，塌縮區域透明，測量得：塌縮區域長度為1000微米；塌縮區域端面相鄰兩空氣孔的長度差不超過10微米；

(6)6)將塌縮成功的光纖的塌縮區域置于大直徑光纖切割刀下，按需求將光纖切割角度設置為8°，保留塌縮區域的長度即端帽的長度為40微米，然后進行切割。

實施例3：

(1)取一外徑為570微米、內包層430微米、纖芯為110微米、外包層空氣孔直徑為15微米、內包層空氣孔直徑為3微米的光子晶體光纖，先用分析純酒精處理光纖表面，再將所述的光纖置于標準光纖夾具中，光纖夾持的位置到光纖端面的距離為10cm；

(2)將所述的標準光纖夾具置于光纖熔接機的夾具卡槽中，所述的光纖置于光纖熔接機的兩個V型槽中，兩個V型槽之間的距離設置為4cm；將自制的M形V型槽蓋板(如圖1所示)，沿V型槽凹陷方向按壓下去，所述的M形V型槽蓋板的中間的平底壓腳(如圖1中的2)將所述的光纖限制在平底壓腳與V型槽組成的三角形范圍內；

(3)設置熔接機參數：激光是10.6微米的二氧化碳激光，激光加熱功率為20W；光纖旋轉速度為0.1°/ms；加熱時間為10000ms；

(4)啟動熔接機，發射激光，開始計時，加熱、旋轉同時啟動；觀察熔接顯示屏，觀察光纖是否平穩旋轉；若光纖發生抖動，停止加熱，清理V型槽和平衡壓腳后重復以上步驟繼續實驗；

(5)達到加熱設定時間，取出光纖置于顯微鏡下觀察測量，塌縮區域透明，測量得：塌縮區域長度為800微米；塌縮區域端面相鄰兩空氣孔的長度差不超過10微米；

(6)將塌縮成功的光纖的塌縮區域置于大直徑光纖切割刀下，按需求將光纖切割角度設置為0°，保留塌縮區域的長度即端帽的長度為100微米，然后進行切割。

結果如圖4所示。

實施例4：

(1)取一外徑為600微米、內包層450微米、纖芯為120微米、外包層空氣孔直徑為16微米、內包層空氣孔直徑為3微米的光子晶體光纖，先用分析純酒精處理光纖表面，再將所述的光纖置于標準光纖夾具中，光纖夾持的位置到光纖端面的距離為10cm；

(2)將所述的標準光纖夾具置于光纖熔接機的夾具卡槽中，所述的光纖置于光纖熔接機的兩個V型槽中，兩個V型槽之間的距離設置為4cm；將自制的M形V型槽蓋板(如圖1所示)，沿V型槽凹陷方向按壓下去，所述的M形V型槽蓋板的中間的平底壓腳(如圖1中的2)將所述的光纖限制在平底壓腳與V型槽組成的三角形范圍內；

(3)設置熔接機參數：激光是10.6微米的二氧化碳激光，激光加熱功率為20W；光纖旋轉速度為0.1°/ms；加熱時間為15000ms；

(4)啟動熔接機，發射激光，開始計時，加熱、旋轉同時啟動；觀察熔接顯示屏，觀察光纖是否平穩旋轉；若光纖發生抖動，停止加熱，清理V型槽和平衡壓腳后重復以上步驟繼續實驗；

(5)達到加熱設定時間，取出光纖置于顯微鏡下觀察測量，塌縮區域透明，測量得：塌縮區域長度為900微米；塌縮區域端面相鄰兩空氣孔的長度差不超過10微米；

(6)將塌縮成功的光纖的塌縮區域置于大直徑光纖切割刀下，按需求將光纖切割角度設置為0°，保留塌縮區域的長度即端帽的長度為200微米，然后進行切割。

實驗表明，本發明避免了外接石英玻璃端帽與光子晶體光纖熔接時面臨的光纖切割斷面不平整導致熔接強度不足的問題，可以在原有光子晶體光纖上直接塌縮得到無縫連接的端帽，便于后續處理應用，同時不影響光纖的激光性能。