本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，涉及一種實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖與實(shí)心光纖低損耗熔接的方法。
背景技術(shù)：
：光子晶體光纖(PhotonicCrystalFiber，PCF)或稱為微結(jié)構(gòu)光纖(Micro-StructureFiber，MSF)，是近十幾年出現(xiàn)的一種新型光纖，與常規(guī)實(shí)心光纖有顯著區(qū)別的新型特種光纖。這種結(jié)構(gòu)的光纖沿光線軸向方向有規(guī)律地分布著許多空氣孔，改變空氣孔的大小和排列方式，將會(huì)改變輸出光的特性，這種特有的特點(diǎn)使它有望研制出各種新穎的光電子器件，特種光纖，因此光子晶體光纖將會(huì)廣泛應(yīng)用于光通信和光電子領(lǐng)域。但在開發(fā)研究這些應(yīng)用時(shí)，都涉及光子晶體光纖的連接技術(shù)，目前可通過(guò)光纖活動(dòng)連接器、電弧放電熔接方式、二氧化碳激光器熔接方式進(jìn)行光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖之間的連接。而二氧化碳激光器熔接方式以其高吸收率(波長(zhǎng)10.6um)，激光的形狀和能量可控，無(wú)如染和殘留物等優(yōu)勢(shì)成為光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖熔接的首選方式。然而一方面由于光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖結(jié)構(gòu)、物理參數(shù)都存在差異，同時(shí)光子晶體光纖存在的特殊空氣孔結(jié)構(gòu)的存在，在對(duì)二氧化碳激光器放電加熱過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)與普通實(shí)心光纖溫升、溫度分布情況、熔融情況不一致的現(xiàn)象影響熔接損耗；另一方面可通過(guò)匹配光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖模場(chǎng)來(lái)減小熔接損耗，而光子晶體光纖有效模場(chǎng)面積取決于熔接完成后的光子晶體光纖空氣孔結(jié)構(gòu)。因此，必須通過(guò)對(duì)放電加熱過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布數(shù)值分析與仿真，研究出一套控制光子晶體光纖空氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，精確實(shí)現(xiàn)兩側(cè)光纖熔融的同時(shí)，控制光子晶體光纖空氣孔塌陷程度使兩種光纖有效模場(chǎng)達(dá)到最佳匹配，從而使熔接損耗降低至最小。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的：提供一種通過(guò)控制光子晶體空氣孔塌陷程度，實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖與實(shí)心光纖低損耗熔接的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案：一種實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖與實(shí)心光纖低損耗熔接的方法，其通過(guò)建立光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖熔融狀態(tài)下的溫度場(chǎng)分布模型以及空氣孔受力模型，模擬放電過(guò)程中兩側(cè)光纖溫度變化情況以及空氣孔壁受力情況，進(jìn)而推導(dǎo)出空氣孔塌陷程度與二氧化碳激光器放電參數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系，再通過(guò)建立光子晶體光纖端面結(jié)構(gòu)與其有效模場(chǎng)面積的數(shù)值關(guān)系，得到光子晶體光纖與實(shí)心光纖熔接的損耗模型，進(jìn)而精確計(jì)算出實(shí)現(xiàn)低損耗熔接的二氧化碳激光器放電參數(shù)。二氧化碳激光器放電參數(shù)包括放電中心位置、放電時(shí)間、放電量。所述的實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖與實(shí)心光纖低損耗熔接的方法，其具體步驟如下：步驟1：建立兩側(cè)光纖有效模場(chǎng)面積與熔接損耗模型光子晶體光纖的高雙折射特性是由其中心附近兩個(gè)大圓的幾何結(jié)構(gòu)形成的，根據(jù)光的電磁理論計(jì)算，光被束縛在光纖中心時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度分布光子晶體光纖中心的電場(chǎng)強(qiáng)度分布E1；同時(shí)計(jì)算普通實(shí)心光纖纖芯中的電場(chǎng)分布E2；高雙折射型光子晶體光纖和熊貓保偏光纖耦合時(shí)，在突變界面將發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，其中一部分與波導(dǎo)的模式相匹配，將繼續(xù)在波導(dǎo)中傳播；另一部分與波導(dǎo)的模式不匹配，變成輻射模而損失掉，損失掉的這部分能量成為耦合失配損耗，通過(guò)兩波導(dǎo)的模式匹配計(jì)算耦合效率，進(jìn)而可以建立兩側(cè)光纖有效模場(chǎng)面積與熔接損耗的模型；步驟2：光子晶體光纖導(dǎo)熱特性分析對(duì)光子晶體光纖受熱的導(dǎo)熱特性進(jìn)行分析，得到不同二氧化碳激光器放電參數(shù)下光子晶體光纖溫度場(chǎng)分布模型；步驟3：光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖熔接時(shí)導(dǎo)熱特性分析結(jié)合步驟2光子晶體光纖溫度場(chǎng)分布模型，進(jìn)行光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖熔接時(shí)的導(dǎo)熱特性分析，進(jìn)而建立不同二氧化碳激光器放電參數(shù)下兩側(cè)光纖的溫度場(chǎng)分布模型；步驟4：光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖熔接時(shí)力學(xué)特性分析結(jié)合步驟3不同二氧化碳激光器放電參數(shù)下的兩側(cè)光纖溫度場(chǎng)分布模型，建立熔融狀態(tài)下光子晶體光纖粘度系數(shù)與溫度的關(guān)系和光子晶體光纖流動(dòng)方程，根據(jù)光子晶體光纖中氣液兩相界面的流動(dòng)過(guò)程，使用氣液兩相流中的水平集方法對(duì)其石英-空氣界面進(jìn)行追蹤，得到石英液體界面在表面張力下運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)而建立不同二氧化碳激光器放電參數(shù)下光子晶體光纖空氣孔結(jié)構(gòu)模型；步驟5：建立二氧化碳激光器放電參數(shù)與熔接損耗的數(shù)值模型結(jié)合步驟4不同二氧化碳激光器放電參數(shù)下光子晶體光纖空氣孔結(jié)構(gòu)模型，以及步驟1光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖有效模場(chǎng)面積與損耗模型，建立二氧化碳激光器放電參數(shù)與熔接損耗的數(shù)值關(guān)系；步驟6：低損耗熔接參數(shù)確定結(jié)合步驟5二氧化碳激光器放電參數(shù)與熔接損耗的數(shù)值模型，為了得到最低的熔接損耗，即需要實(shí)現(xiàn)兩側(cè)光纖模場(chǎng)的最佳匹配，求得熔融狀態(tài)下光子晶體光纖空氣孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以推導(dǎo)出要得到上述結(jié)構(gòu)需要的二氧化碳激光器放電參數(shù)：放電量、放電時(shí)間、放電中心位置。在放電時(shí)間確定時(shí)，放電中心位置delta可由公式(1)得出z＝-419.6delta2-0.945delta+7.943×10-5(7)其中，Z為光纖端面軸向坐標(biāo)。放電量在確定放電時(shí)間下，由z＝0位置處，溫度與放電時(shí)間的關(guān)系曲線確定。在確定放電時(shí)間下，z＝0位置處，溫度與放電時(shí)間的關(guān)系曲線，由如式(8)所示的二氧化硅粘度系數(shù)μ確定其中，T為與放電時(shí)間相關(guān)的溫度。光子晶體光纖空氣孔的塌陷程度影響塌陷面積，從而影響光纖耦合，兩側(cè)光纖在突變界面將發(fā)生模式匹配時(shí)的光纖耦合效率，由公式(5)確定，其中，E1(x，y)和E2(x，y)分別為兩側(cè)光纖在突變界面的兩個(gè)模場(chǎng)分布。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：通過(guò)建立光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖熔融狀態(tài)下的溫度場(chǎng)分布模型以及空氣孔受力模型，模擬放電過(guò)程中兩側(cè)光纖溫度變化情況以及空氣孔壁受力情況，進(jìn)而推導(dǎo)出空氣孔塌陷程度與二氧化碳激光器放電參數(shù)(放電中心位置、放電時(shí)間、放電量)之間的數(shù)值關(guān)系，通過(guò)兩側(cè)光纖有效模場(chǎng)面積與熔接損耗的數(shù)值模型推導(dǎo)出冷卻后光子晶體光纖有效模場(chǎng)直徑，進(jìn)而精確計(jì)算出二氧化碳激光器的放電參數(shù)(放電中心位置、放電時(shí)間、放電量)。這樣一方面可以在熔接操作實(shí)施前精確計(jì)算出能使兩側(cè)光纖同時(shí)達(dá)到熔融狀態(tài)，且最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在界面處的二氧化碳激光器放電參數(shù)，避免具體生產(chǎn)操作過(guò)程中操作失敗帶來(lái)的損失，減少返工；另一方面可以通過(guò)對(duì)二氧化碳激光器放電參數(shù)的精確計(jì)算，可以控制光子晶體光纖空氣孔結(jié)構(gòu)，使光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖在熔融狀態(tài)時(shí)的有效模場(chǎng)達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，進(jìn)而使冷卻后熔接損耗降至最低。附圖說(shuō)明圖1是光子晶體光纖電場(chǎng)有效模式的等值線圖；圖2是二氧化碳激光器加熱被熔光纖示意圖；圖3是氧化碳激光器加熱光子晶體光纖示意圖；圖4是t＝300ms兩側(cè)光纖的溫度分布曲線；圖5是在溫度和表面張力作用下導(dǎo)致空氣孔塌陷的光子晶體端面示意圖；圖6是粘度與溫度的關(guān)系曲線；圖7端面溫度與時(shí)間關(guān)系曲線；圖80.5s時(shí)空氣孔的收縮情況；圖9收縮前后模型對(duì)比；圖10收縮后光子晶體光纖模式。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明：本發(fā)明實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖與實(shí)心光纖低損耗熔接的方法通過(guò)建立光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖熔融狀態(tài)下的溫度場(chǎng)分布模型以及空氣孔受力模型，模擬放電過(guò)程中兩側(cè)光纖溫度變化情況以及空氣孔壁受力情況，進(jìn)而推導(dǎo)出空氣孔塌陷程度與二氧化碳激光器放電參數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系。再通過(guò)建立光子晶體光纖端面結(jié)構(gòu)與其有效模場(chǎng)面積的數(shù)值關(guān)系，得到光子晶體光纖與實(shí)心光纖熔接的損耗模型，進(jìn)而精確計(jì)算出實(shí)現(xiàn)低損耗熔接的二氧化碳激光器放電參數(shù)。具體過(guò)程包括如下步驟：步驟1：建立兩側(cè)光纖有效模場(chǎng)面積與熔接損耗模型光子晶體光纖的導(dǎo)光特性是由中心附近的數(shù)層空氣孔決定的，其高雙折射特性是由其中心附近兩個(gè)大圓的幾何結(jié)構(gòu)形成的。根據(jù)光的電磁理論，利用有限元的方法，由下式為基礎(chǔ)可以分析光子晶體光纖的模式。εr＝(n-jk)2(3)其中，E是電場(chǎng)強(qiáng)度，k0為真空中波數(shù)，εr為相對(duì)介電常數(shù)，β為傳播常數(shù)，n為折射率。(1)式為亥姆霍茲方程，(2)式為將電場(chǎng)的z分量分離，(3)式為折射率與相對(duì)介電常數(shù)和波數(shù)的關(guān)系。根據(jù)(2)式，可將(1)式轉(zhuǎn)化為x,y平面上的電場(chǎng)方程。根據(jù)(3)式，可將(1)式轉(zhuǎn)化為與折射率相關(guān)的方程。光在進(jìn)入光纖時(shí)，包含許多模式，每一個(gè)模式與相應(yīng)的有效折射率對(duì)應(yīng)。由于光纖結(jié)構(gòu)的限制，只有特定的模式可以存在。因此，使用有限元方法對(duì)光子晶體光纖材料折射率附近的有效折射率進(jìn)行篩選，即可得到可在纖芯中傳播的模式，傳播模式在端面上的電場(chǎng)分布為E1(x，y)，如附圖1所示。對(duì)于熊貓型單模保偏光纖，光強(qiáng)在橫截面內(nèi)的分布為高斯型，若模場(chǎng)直徑為2ω(在1/e2光強(qiáng)處)，高斯光束的模場(chǎng)分布表示為：高雙折射型光子晶體光纖和熊貓保偏光纖耦合時(shí)，在突變界面將發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，其中一部分與波導(dǎo)的模式相匹配，將繼續(xù)在波導(dǎo)中傳播；另一部分與波導(dǎo)的模式不匹配，變成輻射模而損失掉，損失掉的這部分能量成為耦合失配損耗，因此可得到其耦合效率η為：步驟2：光子晶體光纖導(dǎo)熱特性分析激光具有高單色性、高相干性、高方向性和高亮度的特點(diǎn)，它是一種理想的熱、光能源。二氧化碳激光的波長(zhǎng)為10.6um，其光子能量為0.176eV，遠(yuǎn)小于化合物的電離能，不能直接導(dǎo)致化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。二氧化碳激光器的工作模式為TEM00，光束為高斯分布，光斑為圓形，激光輻照區(qū)與光纖之間相對(duì)位置示意圖如附圖2所示。激光輻照度為其中，Ptotal為總功率，Wy，Wz分別為二氧化碳激光器光束照射形成的圓形光斑y，z場(chǎng)的半徑。由于實(shí)心PCF的材料是二氧化硅，其熔點(diǎn)為(1700±5)K，熔接光子晶體光纖既要求熔接區(qū)域的溫度能夠達(dá)到熔點(diǎn)，又不能夠太高，以免造成空氣孔的塌陷，而且為了得到熔接質(zhì)量較好的光子晶體光纖，需要纖芯和包層同時(shí)達(dá)到熔點(diǎn)。由傳熱學(xué)理論可知，只要橫截面包層與纖芯的溫差小于1％，就可以認(rèn)為它們達(dá)到了統(tǒng)一的溫度。另外，由于激光能量在光纖長(zhǎng)度方向呈高斯分布，對(duì)光纖溫度場(chǎng)進(jìn)行三維仿真，研究光子晶體光纖中空氣孔的效應(yīng)和對(duì)熔接條件的控制。附圖3所示為利用二氧化碳激光器加熱光子晶體光纖的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，圖中z＝0的位置即光子晶體光纖的左端面位于激光輻照區(qū)的中心位置。以附圖3所示參數(shù)以及光子晶體光纖一維熱傳導(dǎo)方程作為邊界條件，建立與二氧化碳激光器放電參數(shù)相關(guān)的光子晶體光纖三維溫度場(chǎng)分布模型。步驟3：光子晶體光纖與實(shí)心光纖熔接時(shí)導(dǎo)熱特性分析基于步驟2的數(shù)值仿真方法，要計(jì)算實(shí)心PCF與PM光纖熔接所需要的激光功率和放電時(shí)間，需要首先計(jì)算激光輻照區(qū)域的中心位置向?qū)嵭腜CF方向偏移的偏移量。偏移量的定義為：熔接時(shí)兩光纖端面中心位置為偏移量零點(diǎn)，向PM光纖方向移動(dòng)，偏移量為正；向光子晶體光纖方向移動(dòng)，偏移量為負(fù)。偏移量的值為激光輻照區(qū)中心位置至(x＝0，y＝0，z＝0)點(diǎn)的距離。由于二氧化碳用于光纖熔接時(shí)有兩個(gè)可控的熔接參數(shù)，即激光器功率P和放電時(shí)間t，同時(shí)，針對(duì)實(shí)心PCF與PM光纖熔接時(shí)的特殊性，還存在第三個(gè)熔接參數(shù)即激光輻照區(qū)中心的位置delta。這里需要計(jì)算出能使兩種光纖界面位置(即z＝0的位置)為整個(gè)被加熱區(qū)域的溫度最高點(diǎn)，二氧化碳激光器的加熱中心位置delta，以及兩光纖界面位置(即z＝0的位置)處的溫度曲線與激光器加熱功率P、加熱時(shí)間t的關(guān)系。對(duì)表1中不同時(shí)間下功率P，激光輻照區(qū)中心位置delta的取值進(jìn)行仿真。表1仿真條件參數(shù)表可以得到確定加熱時(shí)間下，對(duì)應(yīng)不同功率P與不同加熱中心z時(shí)，實(shí)心PCF與PM光纖上的溫度分布曲線。對(duì)確定時(shí)間下的仿真數(shù)值結(jié)果進(jìn)行分析，溫度最高點(diǎn)的位置delta僅于加熱中心z的位置有關(guān)，與加熱功率無(wú)關(guān)，因此可以對(duì)加熱中心z和溫度最高點(diǎn)的位置delta進(jìn)行二次項(xiàng)擬合，結(jié)果如式(5)所示。z＝-419.6delta2-0.945delta+7.943×10-5(7)可以求得溫度最高點(diǎn)的位置出現(xiàn)在兩光纖界面時(shí)，即z＝0時(shí)的加熱中心位置delta如表2所示。表2對(duì)應(yīng)不同加熱時(shí)間加熱中心位置的數(shù)值結(jié)果序號(hào)二氧化碳激光器加熱時(shí)間T(ms)加熱中心位置delta(um)溫度最高點(diǎn)位置Z(um)1300113.680235090.220340088.420445086.50550081.10接下來(lái)通過(guò)對(duì)加熱功率P和溫度最高值T線性擬合，可以得到兩光纖界面位置(即z＝0的位置)處的溫度曲線與激光器加熱功率P、加熱時(shí)間t的關(guān)系模型。如附圖4所示為t＝300ms，對(duì)應(yīng)不同的偏移量delta，不同加熱功率下，兩側(cè)光纖的溫度曲線分布。步驟4：光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖熔接時(shí)力學(xué)特性分析光子晶體光纖受熱熔融后為石英液體，石英液體與空氣的交界面在微觀分子力的作用下，宏觀形成表面張力，表面張力使石英液體中的空氣孔收縮，收縮規(guī)律符合流體力學(xué)理論。由于空氣的粘度、密度都遠(yuǎn)小于石英液體，因此，只研究石英液體這種不可壓縮流體在表面張力作用下的流場(chǎng)。同時(shí)，根據(jù)步驟3不同二氧化碳激光器放電參數(shù)下的兩側(cè)光纖溫度場(chǎng)分布模型，推導(dǎo)出石英光子晶體光纖熔融狀態(tài)下，溫度場(chǎng)分布與粘度系數(shù)模型，進(jìn)而建立熔融狀態(tài)下光子晶體光纖流動(dòng)方程，如式(8)(9)、(10)所示。▽·u＝0(10)其中，F(xiàn)st為表面張力，U為流場(chǎng)速度，ρ為研究點(diǎn)處的密度，I為單位矩陣，t為時(shí)間，μ為粘度。式(9)、(10)來(lái)源于流體流動(dòng)的Navier-Stokes方程。式(9)中，作用于氣液兩相交界面的表面張力與表面張力系數(shù)、曲率有關(guān)，由此建立式(10)的表面張力方程。Fst＝σκδn(11)式(11)中σ為表面張力系數(shù)，κ為曲率，δ為狄拉克函數(shù)(在氣液交界面處為1，在其他位置為0)，n為交界面的法線單位向量。式(7)中，粘度μ是端面溫度的函數(shù)，隨著端面溫度的提高，粘度數(shù)值變小。由步驟三可得，端面溫度是二氧化碳激光器加熱時(shí)間、加熱位置和加熱功率的函數(shù)。忽略石英液化時(shí)密度和液化潛熱引起的變化，可知光子晶體光纖端面空氣孔的收縮與二氧化碳激光器加熱時(shí)間、加熱位置和加熱功率有關(guān)。式(8)中不包含重力項(xiàng)，由于表面張力遠(yuǎn)大于重力，故不考慮重力對(duì)光子晶體光纖收縮的影響。根據(jù)光子晶體光纖中氣液兩相界面的流動(dòng)過(guò)程，使用氣液兩相流中的水平集方法對(duì)其石英-空氣界面進(jìn)行追蹤，得到石英液體界面在表面張力下運(yùn)動(dòng)方程如式(11)所示。公式中，γ為重新初始化參數(shù)，ε為界面厚度參數(shù)，φ表示兩流體交界處的物質(zhì)比例，ρ'為交界處的等效密度，μ'為交界處的等效粘度，ρ1為石英液體密度，ρ2為空氣氣體密度，μ1為石英液體粘度，μ2為空氣氣體粘度。根據(jù)φ的物理意義，定義φ＜0.5時(shí)為石英液體，φ＞0.5時(shí)為空氣流體。在忽略空氣密度和粘度的條件下，根據(jù)(9)式分析石英液體在表面張力作用下內(nèi)部的流場(chǎng)速度分布，根據(jù)(12)式分析石英液體外界面的界面移動(dòng)。結(jié)合式(9)和式(12)，依靠有限元分析手段，通過(guò)計(jì)算φ＝0.5的點(diǎn)的位置，即可追蹤石英液體界面在表面張力下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，進(jìn)而建立不同二氧化碳激光器放電參數(shù)下光子晶體光纖空氣孔結(jié)構(gòu)模型。附圖5所示為經(jīng)過(guò)二氧化碳激光器的加熱，空氣孔發(fā)生塌陷后的表面結(jié)構(gòu)示意圖。步驟5：建立二氧化碳激光器放電參數(shù)與熔接損耗的數(shù)值模型根據(jù)步驟1的模場(chǎng)損耗模型，以及實(shí)際應(yīng)用中光子晶體光纖和普通實(shí)心光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算滿足最低損耗要求，兩側(cè)光纖匹配的有效模場(chǎng)面積，進(jìn)而求得受熱塌陷后光子晶體光纖的端面結(jié)構(gòu)。將步驟3求得的不同放電時(shí)間下要達(dá)到兩側(cè)界面處(即z＝0)的位置為溫度最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加熱中心位置，以及不同放電時(shí)間t、放電功率P時(shí)，兩側(cè)光纖界面處(即z＝0)的位置溫度曲線作為步驟4的仿真條件，進(jìn)而仿真計(jì)算出要得到最終模場(chǎng)匹配時(shí)光子晶體光纖的端面結(jié)構(gòu)，需要的二氧化碳激光器的放電參數(shù)(放電時(shí)間t、放電中心位置delta，以及放電功率P)。實(shí)施例1本發(fā)明提出了一種通過(guò)控制光子晶體光纖空氣孔塌陷實(shí)現(xiàn)其與實(shí)心光纖低損耗熔接的方法。以下為具體實(shí)施例。在本實(shí)施例中，分以下四步進(jìn)行計(jì)算：(1)根據(jù)步驟3的分析，高雙折射光子晶體光纖和熊貓保偏光纖熔接時(shí)，光纖軸向最高溫度位置與二氧化碳激光器加熱功率無(wú)關(guān)，與加熱時(shí)間、加熱位置有關(guān)。因此，可指定加熱時(shí)間和加熱位置，使其在兩種光纖交界面處溫度最高，接著可改變二氧化碳激光器加熱功率，求得適當(dāng)?shù)墓庾泳w光纖端面結(jié)構(gòu)，使得熔接損耗最小。本算例選擇一個(gè)二氧化碳激光器加熱功率，在確定加熱時(shí)間，確定加熱位置下，計(jì)算熔接損耗。(2)在上述選定的二氧化碳激光器加熱功率、加熱時(shí)間、加熱位置下，計(jì)算兩種光纖軸向溫度分布。將兩種光纖交界處溫度與時(shí)間的關(guān)系以多項(xiàng)式函數(shù)擬合，得到溫度的時(shí)間函數(shù)：T＝T(t)(13)(3)在步驟4所述的力學(xué)模型中，將溫度T＝T(t)作為輸入，使粘度隨溫度變化，計(jì)算在粘度變化下的空氣孔收縮。收縮結(jié)束后，根據(jù)孔的收縮量及位置計(jì)算其有效模式。將有效模式下的電場(chǎng)強(qiáng)度輸出。(4)根據(jù)光子晶體光纖有效模式下的電場(chǎng)強(qiáng)度，以步驟1的理論，計(jì)算損耗。在開始計(jì)算之前，首先給出實(shí)心光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)尺寸如表3所示，計(jì)算過(guò)程中所需的物理參數(shù)如表4所示。表3實(shí)心PCF空氣孔結(jié)構(gòu)尺寸表序號(hào)名稱長(zhǎng)度(um)1光纖包層外徑802纖芯直徑(x)4.093纖芯直徑(y)8.184孔間距5.755大孔直徑7.216小孔直徑3.9表4物理參數(shù)表符號(hào)定義值單位CSiO2石英比熱容1345J.Kg-1.K-1Cair空氣比熱容1010J.Kg-1.K-1D光纖直徑80umR光纖半徑40umI二氧化碳激光器輻照度見(jiàn)式(1)W.m-2Ptotal激光器的輸出功率待定Wq熱流密度見(jiàn)式(8)W.m-3Qabs吸收系數(shù)3E-5無(wú)量綱t時(shí)間待定msT熔融溫度1700KWy，Wzy，z方向的激光束寬度1.5mmWabs能量吸收率/WSiO2石英密度2200Kg.m-3air空氣密度0.93Kg.m-3kSiO2石英熱傳導(dǎo)率2.68W.m-1.K-1Kair空氣熱傳導(dǎo)率0.032W.m-1.K-1根據(jù)附圖2，定義光纖軸向?yàn)閦方向，光子晶體光纖z方向的范圍為0mm<z<3mm，熊貓光纖z方向的范圍為-3mm<z<0mm，二氧化碳激光器加熱的范圍為-1.5mm<z<1.5mm。選定加熱時(shí)間為500ms，選定加熱功率為1.7W。為求出在選定加熱時(shí)間下，使兩光纖交界處溫度最大的二氧化碳激光器加熱中心偏移量，選定二氧化碳激光器加熱中心位置在z軸負(fù)向的偏移為delta＝0:30um:300um。即從偏移量為0開始，每隔30um選擇一個(gè)偏移點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，到偏移量為300um結(jié)束。根據(jù)每個(gè)偏移點(diǎn)的最高溫度位置函數(shù)擬合出最高溫度在兩光纖交界處的偏移量。偏移后的熱源范圍為-1.5mm-delta<z<1.5mm-delta，在以上邊界條件下，以有限元分析為手段，計(jì)算得到選定加熱時(shí)間為500ms，選定加熱功率為1.7W，各個(gè)偏移量下的最高溫度位置為如表5所示。表5各偏移量下的最高溫度及位置delta(um)位置(um)最大溫度(K)0811922.33130421917.44360271912.58390-61907.861120-361902.986150-721898.256180-1111893.655210-1381889.204240-1711885.176270-2071881.061300-2401877.102將最大值位置z和偏移量delta作多項(xiàng)式擬合，得：z＝-419.6delta2-0.945delta+7.943×10-5(14)令z＝0，求得偏移量為delta＝81.13um。即在加熱時(shí)間為500ms下，使得兩光纖交界面溫度最高的二氧化碳激光器中心偏移量為81.13um。觀察最大溫度，為1900K左右，在此溫度下石英液體的粘度極大，不利于光子晶體光纖空氣孔的收縮(將在后文具體闡述)。由于二氧化碳激光器中心偏移量與其加熱功率無(wú)關(guān)，所以提高加熱功率后，二氧化碳激光器中心偏移量仍為81.13um。將加熱功率以1.8W為起始，每隔0.1W取一點(diǎn)，至2.5W結(jié)束，求得在各個(gè)功率下的最大溫度如表6所示：表6不同加熱功率下的最大溫度功率(W)1.81.92.02.12.22.32.42.5最大溫度(K)20062101219722922388248325792675石英液體的沸點(diǎn)約為2600K，選擇加熱功率時(shí)，應(yīng)保證此加熱功率下的最大溫度小于2600K。在模場(chǎng)直徑不匹配的情況下，應(yīng)選擇一定的溫度使石英液體的粘度符合收縮要求，進(jìn)而使空氣孔的收縮量一定，使其收縮后形成的模場(chǎng)符合使用要求。石英的粘度和溫度的關(guān)系如附圖6所示，粘度值隨溫度降低指數(shù)下降，空氣孔收縮速度也隨之加快。根據(jù)計(jì)算(由下文中空氣孔的收縮過(guò)程得到)，本發(fā)明中的光子晶體光纖在粘度數(shù)值為105(對(duì)應(yīng)溫度2100K左右)時(shí)，收縮速度約為0.7um/s。在本例計(jì)算中，根據(jù)溫度與石英液體粘度的關(guān)系，選擇二氧化碳激光器加熱功率為2.2W。在二氧化碳激光器功率為2.2W下，0～0.5s時(shí)間內(nèi)的溫度如附圖7所示。以二次多項(xiàng)式擬合圖8中的曲線，得到溫度與時(shí)間的關(guān)系為：由此可建立粘度與時(shí)間的關(guān)系，即μ＝μ(T(t))。根據(jù)步驟4的理論分析，計(jì)算在0～0.5s空氣孔的收縮情況。所得收縮量如圖8所示，從收縮量的數(shù)值可得，光子晶體光纖空氣孔收縮后的形狀近似為圓形，空氣孔排列的形式仍為三角形，全部空氣孔仍構(gòu)成近似正六邊形。收縮之后的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)與原光子晶體光纖結(jié)構(gòu)的比較如表7所示：表7光子晶體光纖收縮前后參數(shù)比較序號(hào)名稱收縮前(um)收縮后(um)1光纖包層外徑8076.622孔間距5.755.003大孔直徑7.215.184小孔直徑3.92.65根據(jù)上表進(jìn)行光子晶體光纖端面的建模，以進(jìn)行有效模式的計(jì)算。收縮前后模型的對(duì)比如圖9所示。在收縮后的模型下，根據(jù)步驟1的理論，可求得光在光子晶體光纖中的傳播模式如附圖10所示。同時(shí)，熊貓光纖的模式電場(chǎng)分布可以如下公式表示：其中，ω＝3.2um，去A＝1。，由公式(5)可計(jì)算得到耦合效率為η＝0.9493。故本算例中，光子晶體光纖與普通實(shí)心光纖的熔接損耗為：當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3