CN101840020A

CN101840020A - 一种红外光纤

Info

Publication number: CN101840020A
Application number: CN 201010195154
Authority: CN
Inventors: 陈鹤鸣; 陈妍; 施伟华; 钱晨; 邹建华; 赵新彦
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2010-09-22

Abstract

一种传输CO₂激光的红外光纤，具有较小的损耗和较高的空气击穿阈值功率，该红外光纤包括三角晶格结构的包层，包层层数是7层，由空心玻璃管的堆叠形成。a为空气孔间距，等于空心玻璃管外直径，也等于光子晶体的晶格常数。d为空气孔直径，等于空心玻璃管内直径，纤芯的7根空心玻璃管用内径为a，外径为R的空心玻璃管代替。在玻璃管之间的空隙插入细的实心毛细玻璃棒。空气纤芯折射率n₁＝1.00，空心玻璃管和实心玻璃棒为石英玻璃介质，其折射率n₂＝1.45，包层的空心玻璃棒的内直径a为9.45μm，外直径a为13.50μm，包层层数是7层。纤芯的空心玻璃管内半径为a，外半径为R＝1.232a。玻璃管之间空隙处插入的细实心玻璃棒直径为x＝0.155a。

Description

一种红外光纤

技术领域

本发明是一种红外光纤，可传输10.6μm的CO₂激光，涉及红外与激光工程的技术领域。

背景技术

目前现已研究的可传输CO₂激光的红外光纤主要有硫族化合物光纤，晶体材料光纤和空心红外光纤。硫族化合物光纤是传输4μm以上波长唯一的红外玻璃光纤，但其损耗较高。晶体光学材料具有微观结构的对称性，在红外波段透明范围大，有一定的机械强度，化学稳定性好，但是晶体光纤在传输大功率红外激光时有损耗大，材料黑化等问题，且该类材料毒性大易潮解。空心塑料基底管波导易弯曲，价廉且耐用，但表面粗糙，热导率小，熔点低，只能传送较低的激光能量。空心金属基底管波导机械强度高，热导率大，熔点高，可以传输千瓦级激光功率，但它不柔软。将光子晶体光纤用于传输红外波段的CO₂激光具有研究与应用的价值。可望弥补一般红外光纤存在的各种不足。

光子晶体光纤是由带缺陷的二维光子晶体延展而来，规则排列的光子晶体光纤在横截面方向形成了二维禁带(光子带隙效应，PBG效应)，在一定频率范围内的光无法在横向传播，当结构中引入缺陷时，就会在禁带中产生局域态。光子晶体光纤就利用这个局域态沿着光纤的纵向导光，利用PBG效应实现导光的光纤也称为PBG-PCF。

PBG-PCF具有一系列不同于普通光纤的奇特性质引起人们越来越多的关注，如(1)单材料，高耦合效率。(2)低弯曲损耗，低非线性。(3)理论上的低损耗、低色散。(4)可变折射率，可控色散。

与一般红外传输光纤的实现机制不同，利用光子晶体光纤实现红外传输是一个新颖的课题。利用光子晶体光纤独特的性质结合CO₂激光在工业、医学上的广泛应用，可设计出具有低损耗，可传输高功率CO₂激光的PBG-PCF。

发明内容

技术问题：本发明的目的是设计一种红外光纤，利用光子带隙效应(PBG)导光的光子晶体光纤来实现，使其可传输10.6μm的CO₂激光，且减小损耗，提高激光击穿阈值功率，满足工业及医用传输CO₂激光能量的要求。

技术方案：为满足工业及医用传输CO₂激光能量的要求。使传输10.6μm红外光的红外光纤具有较低的损耗、满足实际应用条件的色散和较高的激光阈值功率，我们提出了应用光子带隙型光子晶体光纤来实现。

该红外光纤为利用光子带隙效应导光的光子晶体光纤，包括纤芯和包层，纤芯为空气，包层由空心玻璃管按三角晶格结构堆叠形成；空心玻璃管中的空心部分为空气孔，相邻两空气孔的中心线间距a等于空心玻璃管外直径，也等于光子晶体的晶格常数，空气孔直径d等于空心玻璃管内直径，两者之间的比值d/a表示占空比，该红外光纤的纤芯由内半径为a，外半径为R的空心玻璃管代替，在各空心玻璃管之间的空隙插入细的实心毛细玻璃棒。

所述的空心玻璃管和实心毛细玻璃棒为石英玻璃介质，其折射率n₂＝1.45。

所述空心玻璃管之间空隙处插入的细实心玻璃棒直径为0.155a。

空气纤芯折射率n₁＝1.00，空心玻璃管和实心玻璃棒为石英玻璃介质，其折射率n₂＝1.45。

包层的空心玻璃棒的内直径d为9.45μm，外直径a为13.50μm。

纤芯的空心玻璃管内半径为a，外半径为

玻璃管之间空隙处插入的细实心玻璃棒直径为

阴影部分实心玻璃棒根数近似为

有益效果：本发明提出的可传输CO₂激光的红外光纤，其空气击穿激光阈值高达18090W，损耗为0.0547dB/m，色散为-86.45ps/nm·km。这种红外光子晶体光纤满足医用传输CO₂激光的要求，且制作工艺相对简单，材料简单，成本低廉，无毒性，机械强度好。弥补了现有红外光纤的不足。

附图说明

图1是本发明一种传输CO₂激光的红外光纤的结构示意图(图中只画出包层n＝5的情况)。

图2是本发明红外光纤的带隙图。晶格常数为13.50μm情况下，利用第二禁带传输CO₂激光，禁带波长范围为10-11.2μm。βa＝7.8时，对应的缺陷态频率恰好落在10.6μm处。

图3是本发明红外光纤的损耗曲线图。包层分别为5、7、10层的损耗曲线，包层n＝5层时，10.6μm处的损耗达到0.1847dB/m，n＝7时，10.6μm处的损耗达到0.0547dB/m，n＝10时，10.6μm处的损耗达到0.006dB/m。

图4(a)是本发明红外光纤的色散曲线图，图4(b)是色散曲线局部放大图。在波长为10.6μm处，色散值为-86.45ps/nm·km。

具体实施方式

本发明的红外光纤利用光子晶体实现，由三角晶格结构的空心玻璃管的堆叠形成，纤芯的7根空心玻璃管用一根内半径为a，外半径为R的空心玻璃管代替，再在玻璃管之间的空隙插入细的实心毛细玻璃棒，再拉制成光纤实现。

该红外光纤为利用光子带隙效应PBG导光的光子晶体光纤，包括纤芯和包层，纤芯为空气，包层由空心玻璃管1按三角晶格结构堆叠形成；空心玻璃管1中的空心部分为空气孔，相邻两空气孔的中心线间距a等于空心玻璃管1外直径，也等于光子晶体的晶格常数，空气孔直径d等于空心玻璃管1内直径，两者之间的比值d/a表示占空比，该红外光纤的纤芯由内半径为a，外半径为R的空心玻璃管代替，在各空心玻璃管1之间的空隙插入细的实心毛细玻璃棒2。

所述的空心玻璃管1和实心毛细玻璃棒2为石英玻璃介质，其折射率n₂＝1.45。

因为H₂O分子在近红外区有较大的吸收峰，是可见光和近红外区最重要的吸收分子，红外光子晶体光纤在制备过程中不可避免地会引入的OH^-，可以采取脱水工艺来降低损耗。另外由于光子晶体光纤具有大量细小空气孔，而细小的空气孔又有毛细现象，容易吸附空气中的OH^-，因此可在光子晶体光纤的两端放置干燥剂进行保护。又由于芯部附近的包层毛细管具有一定的粗糙度，芯包界面空气孔的不完美和芯部内表面的粗糙度为损耗的重要来源。因而需抛光、腐蚀等工艺可以降低用来制备包层毛细管的粗糙度，使毛细管具有光滑的表面，从而减少了由空气孔直径引起的结构缺陷散射以及空气孔壁引起的散射。此外，在制备预制棒时，采用一次成型的挤压法，可以一定程度的避免在制备过程中杂质的引入，从而降低损耗。

Claims

1.一种红外光纤，其特征在于该红外光纤为利用光子带隙效应(PBG)导光的光子晶体光纤，包括纤芯和包层，纤芯为空气，包层由空心玻璃管(1)按三角晶格结构堆叠形成；空心玻璃管(1)中的空心部分为空气孔，相邻两空气孔的中心线间距a等于空心玻璃管(1)外直径，也等于光子晶体的晶格常数，空气孔直径d等于空心玻璃管(1)内直径，两者之间的比值d/a表示占空比，该红外光纤的纤芯由内半径为a，外半径为R的空心玻璃管代替，在各空心玻璃管(1)之间的空隙插入细的实心毛细玻璃棒(2)。

2.根据权利要求1所述的红外光纤，其特征在于所述的空心玻璃管(1)和实心毛细玻璃棒(2)为石英玻璃介质，其折射率n₂＝1.45。

3.根据权利要求1所述的红外光纤，其特征在于所述空心玻璃管之间空隙处插入的细实心玻璃棒直径为0.155a。