一种光子晶体光纤的拉制方法及光子晶体光纤

【技术领域】

本发明涉及光纤拉制技术领域，尤其涉及一种光子晶体光纤的拉制方法及应用该光子晶体光纤的拉制方法拉制的光子晶体光纤。

【背景技术】

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers，PCF)也被称为微结构光纤(Micro-Structured Fibers，MSF)，PCF的纤芯由实心的玻璃棒或空心的玻璃管构成，包层由规则分布的空气孔构成。PCF在增益光纤领域具有比传统光纤更优越的特性，具体的，PCF的微孔结构引入了空气，使得包层的等效折射率小于纤芯的折射率，通过对微孔结构的孔径与孔间距的调控，能够精确控制包层与纤芯的折射率差；PCF能够实现基于大模场面积下的无截止单模传输特性，具有比传统光纤更好的散热性能，在高功率激光传输中，非线性效应的影响也明显降低。基于此，PCF已被广泛应用于诸如超快激光器等领域。

现有技术中，PCF的拉制相较传统光纤更为复杂，目前最常用的拉制方法为堆积法，即将相同尺寸的小玻璃管和小玻璃棒堆积成一定的几何形状(如正六边形)后，再通过控制预制棒中小玻璃管内的气体压力，在高温下一次性拉制出PCF，此方法操作相对简便，成本低廉。但是，由于PCF的剖面引入了微米级尺寸的空气小孔，所以在拉制过程中，某些空气小孔很容易坍塌或者变形，从而导致PCF的微孔结构遭到破坏，具体表现为空气小孔尺寸不均匀，形状不够圆，以及d/Λ值大小不一或偏离目标值等(d为空气小孔的直径，Λ为各空气小孔的间距)，进而降低了PCF在生产过程中的稳定性和可替换性，特别是对同一根光纤内的多种不同尺寸的空气小孔的直径进行控制时，难度更大。

因此，有必要对上述PCF的拉制方法进行改进。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：提供一种光子晶体光纤的拉制方法及光子晶体光纤，解决现有技术中PCF在生产过程中的稳定性和可替换性不足的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明实施例第一方面提供一种光子晶体光纤的拉制方法，包括：

根据所述光子晶体光纤的结构准备拉制材料；

基于所述拉制材料制备预制棒，并对所述预制棒进行拉制；

基于所述拉制材料制备空气套管，并对所述空气套管进行拉制；

将拉制后的所述空气套管套设于拉制后的所述预制棒，得到初始光子晶体光纤；

对所述初始光子晶体光纤进行拉制，得到光子晶体光纤。

在一些实施例中，所述拉制材料包括：玻璃丝、毛细管、预制棒棒芯及第一外套管。

在一些实施例中，所述基于所述拉制材料制备预制棒包括：

基于堆积法，对所述预制棒棒芯和多个所述毛细管进行堆积，其中，所述预制棒棒芯位于中间位置，多个所述毛细管环绕所述预制棒棒芯设置；

利用金属丝对堆积后的所述预制棒棒芯和多个所述毛细管进行捆绑，得到预制棒管束；

将所述第一外套管套设于所述预制棒管束；

利用所述玻璃丝填充所述预制棒管束与第一外套管间的缝隙，得到预制棒。

在一些实施例中，所述预制棒管束沿垂直所述预制棒棒芯的轴线方向的剖面形状为正六边形，所述第一外套管的内径至少比所述正六边形的对角线的长度大预设长度。

在一些实施例中，所述对所述预制棒进行拉制包括：对所述预制棒进行抽负压操作，同时在保持高温、负压的条件下对所述预制棒进行拉制。

在一些实施例中，所述拉制材料还包括内套管和第二外套管，所述基于所述拉制材料制备空气套管包括：

将多个所述毛细管环绕设置于所述内套管的外壁；

利用金属丝捆绑所述内套管和设置于所述内套管的外壁的多个所述毛细管，得到毛细管环绕结构；

将所述第二外套管套设于所述毛细管环绕结构，并利用氢氧焰固定所述毛细管环绕结构和第二外套管，得到空气套管。

在一些实施例中，所述对所述空气套管进行拉制包括：对所述空气套管进行抽负压操作，同时在保持高温、负压的条件下对所述空气套管进行拉制。

在一些实施例中，所述将拉制后的所述空气套管套设于拉制后的所述预制棒，得到初始光子晶体光纤，包括：

将拉制后的所述空气套管套设于拉制后的所述预制棒，并利用氢氧焰固定拉制后的所述空气套管和拉制后的所述预制棒；

对利用氢氧焰固定的拉制后的所述空气套管和拉制后的所述预制棒进行抽负压操作，同时保持高温条件，得到初始光子晶体光纤。

在一些实施例中，所述对所述初始光子晶体光纤进行拉制，得到光子晶体光纤，包括：

对所述初始光子晶体光纤在预设温度下进行拉制；

当拉制速度大于或等于预设速度时，为所述预制棒内的毛细管提供第一正压，同时为所述空气套管内的毛细管提供第二正压；

调节所述第一正压和第二正压的大小，使得各所述毛细管的尺寸符合预设尺寸，得到光子晶体光纤。

在一些实施例中，所述对所述初始光子晶体光纤进行拉制，得到光子晶体光纤之后，还包括：

利用涂覆胶对所述光子晶体光纤进行涂覆操作；

对进行涂覆操作后的所述光子晶体光纤进行截取，并利用显微镜观察截面结构；

根据所述截面结构，得到进行涂覆操作后的所述光子晶体光纤是否符合预设要求。

本发明实施例第二方面提供一种光子晶体光纤，所述光子晶体光纤由如本发明实施例第一方面所述的光子晶体光纤的拉制方法拉制，所述光子晶体光纤包括：预制棒及空气套管，所述空气套管套设于所述预制棒。

在一些实施例中，所述空气套管包括：毛细管环绕结构及第二外套管，所述第二外套管套设于所述毛细管环绕结构；

所述毛细管环绕结构包括：内套管及多个毛细管，多个所述毛细管环绕设置于所述内套管的外壁，相邻的所述毛细管的外壁相互抵接。

在一些实施例中，所述预制棒包括：预制棒管束、第一外套管及玻璃丝，所述第一外套管套设于所述预制棒管束，所述第一外套管与所述预制棒管束间形成间隙，所述玻璃丝填充于所述间隙；

所述预制棒管束包括：预制棒棒芯及多个毛细管，所述预制棒棒芯位于中间位置，多个所述毛细管环绕所述预制棒棒芯堆积。

在一些实施例中，所述预制棒管束沿垂直所述预制棒棒芯的轴线方向的剖面形状为正六边形，所述第一外套管的内径与所述正六边形的对角线的长度的差值至少为0.5mm。

从上述描述可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

根据光子晶体光纤的结构准备拉制材料，并基于这些拉制材料分别制备预制棒和空气套管，同时分别对预制棒和空气套管进行拉制，在拉制完成预制棒和空气套管后，再将拉制后的空气套管套设于拉制后的预制棒，以得到初始光子晶体光纤，最后对初始光子晶体光纤进行拉制，得到PCF。由此可见，相较传统的一次性拉制成型方式，本发明分阶段拉制预制棒和空气套管，再将拉制后的预制棒和空气套管进行组合拉制，使得拉制过程中的各项工艺参数能够得到精确的控制，增加了PCF在生产过程中的稳定性和可替换性，同时在稳定的温度、气压和拉制速度的情况下，拉制出的PCF的径向均匀度更好。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光子晶体光纤的拉制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的图1中步骤S12的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的预制棒的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的图1中步骤S13的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的空气套管的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的图1中步骤S14的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的图1中步骤S15的流程示意图；

图8为本发明实施例提供的光子晶体光纤的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的图1中步骤S15之后的附加流程示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的光子晶体光纤的拉制方法的流程示意图。

如图1所示，本发明实施例提供一种光子晶体光纤的拉制方法，包括如下步骤S11至S15。

S11、根据光子晶体光纤的结构准备拉制材料；

由于光子晶体光纤具有不同的结构、尺寸和规格，所以在拉制光子晶体光纤之前，需要根据待拉制的光子晶体光纤的结构准备相应的拉制材料。具体的，这些拉制材料可以但不限于包括玻璃丝、毛细管、预制棒棒芯及第一外套管。应当理解，这些拉制材料的规格、尺寸与待拉制的光子晶体光纤对应，且这些拉制材料的规格、尺寸可以包括多种规格、尺寸，而这些拉制材料的数量是根据待拉制的光子晶体光纤和实际的拉制过程确定的，本发明实施例对此不做限定。

较好的，在准备拉制材料时，相同尺寸的各毛细管间的直径误差应当控制在0.5％内，以避免后续拉制完成的光子晶体光纤不符合规定要求。

S12、基于拉制材料制备预制棒，并对预制棒进行拉制；

在拉制材料准备完成后，本发明实施例首先需要利用这些拉制材料制备构成光子晶体光纤的其中一个必要结构，即预制棒，在预制棒制备完成后，即可开始对预制棒的拉制工作。

作为一种可行的实施方式，如图2所示，为本发明实施例提供的图1中步骤S12的流程示意图，从图2中可以看出，步骤S12可以包括如下步骤S121至S124。

S121、基于堆积法，对预制棒棒芯和多个毛细管进行堆积，其中，预制棒棒芯位于中间位置，多个毛细管环绕预制棒棒芯设置；

作为本领域公知常识，由于堆积法为拉制光子晶体光纤的常用方法，所以关于堆积法的原理、堆积过程等内容，本发明实施例于此处不再赘述。

需要注意的是，在对预制棒棒芯和多个毛细管进行堆积时，需要保证预制棒棒芯和各毛细管的清洁，更要避免由于预制棒棒芯和各毛细管间的过度挤压所造成的损坏。

S122、利用金属丝对堆积后的预制棒棒芯和多个毛细管进行捆绑，得到预制棒管束；

具体的，预制棒管束沿垂直预制棒棒芯的轴线方向的剖面形状可以为正六边形。应当理解，预制棒管束沿垂直预制棒棒芯的轴线方向的剖面形状并不限于此，在其他实施方式中，预制棒管束沿垂直预制棒棒芯的轴线方向的剖面形状还可以为正八边形等形状，简单地认为，预制棒管束沿垂直预制棒棒芯的轴线方向的剖面形状是根据待拉制的光子晶体光纤和实际应用场景确定的，本发明实施例对此不做限定。

S123、将第一外套管套设于预制棒管束，并利用玻璃丝填充预制棒管束与第一外套管间的缝隙，得到预制棒；

在得到预制棒管束之后，需要将第一外套管套设于预制棒管束，而由于第一外套管与预制棒管束间的关系是相互套设的关系，所以第一外套管的内径应当满足使得第一外套管能够套设于预制棒管束的条件。以预制棒管束沿垂直预制棒棒芯的轴线方向的剖面形状为正六边形为例，第一外套管的内径应当至少比正六边形的对角线的长度大预设长度左右，如0.5mm左右。应当理解，关于预设长度的取值，是根据待拉制的光子晶体光纤和实际拉制过程确定的，本发明实施例对此不做限定。

S124、对预制棒进行抽负压操作，同时在保持高温、负压的条件下对预制棒进行拉制。

通过步骤S121至S123，虽然已经制备出了预制棒，但是所制备出的预制棒中各毛细管间的间隙较大，故为了得到与光纤结构类似的预制棒，需要在拉制预制棒的过程中消除各毛细管间的间隙，即需要对预制棒进行抽负压操作，同时在保持高温、负压的条件下对预制棒进行拉制。

进一步的，为了清楚地理解步骤S121至S124，可以参见图3，为本发明实施例提供的预制棒的结构示意图，即通过步骤S121至S124制备出的预制棒的结构示意图，图3中，各标号所表征的结构分别为：预制棒棒芯103，玻璃丝101、102及104，毛细管105和第一外套管106。

S13、基于拉制材料制备空气套管，并对空气套管进行拉制；

在制备、拉制完成预制棒后，本发明实施例还需要利用步骤S11所准备的拉制材料制备构成光子晶体光纤的另一个必要结构，即空气套管，在空气套管制备完成后，即可开始对空气套管的拉制工作。

作为一种可行的实施方式，如图4所示，为本发明实施例提供的图1中步骤S13的流程示意图，从图4中可以看出，步骤S13可以包括如下步骤S131至S133，而为了制备空气套管，步骤S11中所准备的拉制材料还可以包括内套管和第二外套管。应当理解，内套管和第二外套管的规格、尺寸与待拉制的光子晶体光纤对应，且内套管和第二外套管的规格、尺寸可以包括多种规格、尺寸，而内套管和第二外套管的数量是根据待拉制的光子晶体光纤和实际拉制过程确定的，本发明实施例对此不做限定。

S131、将多个毛细管环绕设置于内套管的外壁，并利用金属丝捆绑内套管和设置于内套管的外壁的多个毛细管，得到毛细管环绕结构；

在步骤S131中，设置于内套管的外壁的各毛细管间需要紧密排列，每一根毛细管均需要紧贴于内套管的外壁。

S132、将第二外套管套设于毛细管环绕结构，并利用氢氧焰固定毛细管环绕结构和第二外套管，得到空气套管；

S133、对空气套管进行抽负压操作，同时在保持高温、负压的条件下对空气套管进行拉制。

通过步骤S131至S132，虽然已经制备出了空气套管，但是所制备出的空气套管中各毛细管间的间隙较大，故为了在拉制空气套管的过程中消除各毛细管间的间隙，需要在拉制过程中对空气套管进行抽负压操作，同时在保持高温、负压的条件下对空气套管进行拉制。

进一步的，为了清楚地理解步骤S131至S133，可以参见图5，为本发明实施例提供的空气套管的结构示意图，即通过步骤S131至S133制备出的空气套管的结构示意图，图5中，各标号所表征的结构分别为：内套管201、毛细管203和第二外套管202。

S14、将拉制后的空气套管套设于拉制后的预制棒，得到初始光子晶体光纤；

在将制备出的空气套管和预制棒分别进行拉制后，需要将拉制后的空气套管套设于拉制后的预制棒，以得到初始光子晶体光纤，此时，还需要对初始光子晶体光纤进行拉制，才能够得到最终的光子晶体光纤。

作为一种可行的实施方式，如图6所示，为本发明实施例提供的图1中步骤S14的流程示意图，从图6中可以看出，步骤S14可以包括如下步骤S141至S142。

S141、将拉制后的空气套管套设于拉制后的预制棒，并利用氢氧焰固定拉制后的空气套管和拉制后的预制棒；

S142、对利用氢氧焰固定的拉制后的空气套管和拉制后的预制棒进行抽负压操作，同时保持高温条件，得到初始光子晶体光纤。

将拉制后的空气套管套设于拉制后的预制棒并利用氢氧焰固定后，需要对利用氢氧焰固定的拉制后的空气套管和拉制后的预制棒进行抽负压操作，同时保持高温条件，以消除拉制后的空气套管与拉制后的预制棒间的间隙。

S15、对初始光子晶体光纤进行拉制，得到光子晶体光纤。

上文中也提到，在得到初始光子晶体光纤后，需要对初始光子晶体光纤进行拉制，以得到最终的光子晶体光纤。

作为一种可行的实施方式，如图7所示，为本发明实施例提供的图1中步骤S15的流程示意图，从图7中可以看出，步骤S15可以包括如下步骤S151至S153。

S151、对初始光子晶体光纤在预设温度下进行拉制；

对初始光子晶体光纤进行拉制时，需要保持在预设温度下，如1950℃。应当理解，预设温度是根据待拉制的光子晶体光纤和实际拉制过程确定的，本发明实施例对此不做限定。

S152、当拉制速度大于或等于预设速度时，为预制棒内的毛细管提供第一正压，同时为空气套管内的毛细管提供第二正压；

在对初始光子晶体光纤进行拉制的过程中，当拉制速度大于或等于预设速度时，如10m/min，需要为预制棒内的毛细管提供第一正压，同时为空气套管内的毛细管提供第二正压，以根据第一正压和第二正压的大小调整各毛细管的尺寸。

S153、调节第一正压和第二正压的大小，使得各毛细管的尺寸符合预设尺寸，得到光子晶体光纤。

通过对第一正压和第二正压的精确调节，使得各毛细管的尺寸符合预设尺寸后，便可以结束拉制，至此，光子晶体光纤拉制完成。

进一步的，为了清楚地理解步骤S151至S153，可以参见图8，为本发明实施例提供的光子晶体光纤的结构示意图，即通过步骤S151至S153拉制出的光子晶体光纤的结构示意图，图8中，各标号所表征的结构分别为：预制棒棒芯301、预制棒中的毛细管302和空气套管中的毛细管303。

本发明实施例提供的光子晶体光纤的拉制方法相较传统的一次性拉制成型方式，分阶段拉制预制棒和空气套管，再将拉制后的预制棒和空气套管进行组合拉制，使得拉制过程中的各项工艺参数能够得到精确的控制，增加了光子晶体光纤在生产过程中的稳定性和可替换性，同时在稳定的温度、气压和拉制速度的情况下，拉制出的光子晶体光纤的径向均匀度更好。

此外，通过分阶段对光子晶体光纤进行拉制的方法，能够极大地提高拉制过程中的稳定性，降低拉制的复杂性，特别是在需要使用气体压力的情况下更具优势。作为本领域公知常识，为了消除拉制过程中各结构间的间隙(如上文所示出的空气套管中各毛细管间的间隙)，通常需要抽负压，而为了控制各毛细管的尺寸大小往往又需要加正压，并且不同类型的毛细管，所要求的尺寸一般不同，这就要求所加的正压的大小也要有所区别，此时，多路正、负气体压力同时施加需要对各个不同的施压对象进行密封隔离，操作起来会非常困难，而在光子晶体光纤中采用分阶段拉制的方法，先抽压消除间隙，再加正压控制各毛细管的尺寸，能够很好地解决以上问题。

请进一步参阅图9，图9为本发明实施例提供的图1中步骤S15之后的附加流程示意图。

如图9所示，为了对拉制出的光子晶体光纤进行合格检验，步骤S15之后还可以包括如下步骤S21至S23。

S21、利用涂覆胶对光子晶体光纤进行涂覆操作；

S22、对进行涂覆操作后的光子晶体光纤进行截取，并利用显微镜观察截面结构；

S23、根据截面结构，得到进行涂覆操作后的光子晶体光纤是否符合预设要求。

当进行涂覆操作后的光子晶体光纤符合预设要求时，表征拉制出的光子晶体光纤为合格品；当进行涂覆操作后的光子晶体光纤不符合预设要求时，表征拉制出的光子晶体光纤为残次品。

需要说明的是，本发明内容中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本发明内容中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明内容。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明内容中所定义的一般原理可以在不脱离本发明内容的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明内容将不会被限制于本发明内容所示的这些实施例，而是要符合与本发明内容所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。