CN108474905B - 中空芯光纤和激光系统 - Google Patents

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Abstract

一种中空芯光子晶体光纤(PCF)，包括外包层区域和由外包层区域围绕的7个中空管。中空管中的每一个熔合到外包层以形成限定内包层区域和由内包层区域围绕的中空芯区域的环。中空管彼此不接触，但以距相邻中空管的距离布置。中空管各自具有平均外直径d2和平均内直径d1，其中d1/d2等于或大于约0.8，诸如等于或大于约0.85，诸如等于或大于约0.9。还公开了一种激光系统。

Description

中空芯光纤和激光系统
技术领域
本发明涉及中空芯光子晶体光纤和包括这种中空芯光纤的激光系统。
背景技术
中空芯光子晶体光纤(PCF)已被公知多年，并且在一些应用中，由于其非常低的传播损耗、低非线性效应和高损伤阈值，与实心芯PCF相比非常有吸引力。
中空光纤是这样的光纤，其基本上在中空区域内引导光，使得只有很小部分的光功率在围绕芯体的固体光纤材料中传播。中空区域可以填充空气或任何其它气体，或者可以将其抽空以具有非常低的气体压力。
多年来已经开发了几种类型的中空芯PCF，诸如例如在US6892018中描述的中空芯光子带隙光纤，例如在US8306379中描述的Kagome设计型光纤。
Kagome型光纤借助于抗谐振效应引导光，并且允许比在光子带隙光纤中实现的基本更宽的光谱传输。
近年来，这种中空芯抗谐振光纤(ARF)已被深入研究，特别是其目的是进一步在低损耗和宽光谱传输方面改进光纤。
为了减少衰减，Kolyadin等人在光学快报(Optics Express)2013年第21卷第9514至9519页提出了一种具有由8个相同毛细管围绕的中空芯的中空芯光纤。得出的结论是，为了减少损耗，较大的芯尺寸是优选的，并且通过增加包层中的毛细管数量可以实现减少的损耗。
现有技术的中空芯抗谐振光纤的另一个缺点是它们不是纯粹的单模波导，因为它们也支持一些高阶模(HOM)。由于这些HOM通常具有相对较低的损耗，所以很难在没有HOM污染的情况下发射纯LP01模态，并且可以通过弯曲或外部应力来激发其它HOM。
为了试图解决这个问题并实现尽可能高的HOM抑制，同时保持LP01模态的合理低损耗，在Gunedi等人在2015年8月27日康奈尔大学图书馆arXiv：1508.06747[物理光学(physics.optics)]“由较高阶模态的谐振滤波的宽频带鲁棒单模中空芯PCF(Broad-bandrobustly single-mode hollow-core PCF by resonant filtering of higher ordermodes)”中提出了改进的光纤设计。在这篇文章中描述的ARR光纤包括由六个均匀间隔且非接触的毛细管(在下文中也称为中空管)围绕的中空芯(内直径D)，其具有壁厚t和内直径d，被支撑在厚壁支撑毛细管内。非触摸的玻璃元件具有定制的模态，以确保与较高阶的芯模态的谐振相位匹配耦合，使得它们以非常高的速率泄漏到支撑固体玻璃护套中。已经发现，在光纤以低损耗引导的宽波长带上可以实现非常高的HOM抑制，只要比率d/D≈0.68且管壁T的壁足够薄即t/D＝0.01。
WO15185761描述了一种类似的抗谐振中空芯光纤，其包括限定内包层表面的第一管状包层元件，附接到包层表面并一起限定具有有效半径的芯体的多个第二管状元件，第二管状元件以间隔开的关系布置，并且第二管状元件的相邻一个管状元件与其之间具有间隔，以及多个第三管状元件，各自嵌套在第二管状元件的相应一个管状元件内。得出的结论是用于抑制HOM的最优的管数是6。
发明内容
本发明的目的是提供一种缓解上述至少一个缺点的中空芯PCF。
在一个实施例中，目的是提供具有高光谱传输和高HOM抑制的中空芯PCF。
在一个实施例中，目的是提供具有高单模传输效率并且对弯曲基本上不敏感的中空芯PCF。
在一个实施例中，目的是提供一种中空芯PCF，其以简单的方式可以被设计成具有期望的低损耗传输带，其具有至少约50nm的带宽并且优选地具有小于约50dB/Km的传输损耗。
在一个实施例中，目的是提供具有包括在约400nm至约1200nm范围内的波长的传输带的中空芯PCF。
这些和其它目的已经通过如权利要求书所定义的以及如下文所描述的本发明或其实施例解决。
已经发现，本发明或其实施例具有许多其它优点，这对于本领域技术人员而言从以下描述中将是清楚的。
短语“径向距离”是指从中空芯的中心轴线沿径向方向确定的距离。短语“径向方向”是从芯中心轴线并且径向向外的方向。
本文的术语“基本上”应该被认为是指包括普通的产品差异和公差。
术语“约”通常用于包括测量不确定度内的内容。当在范围内使用时，术语“约”在本文应该被认为是指在该范围内包括测量不确定度内的内容。
应该强调的是，当在本文中使用的术语“包括/包含”应被解释为开放术语，即应当被认为是指明具体描述的特征(诸如元件、单元、整数、步骤组分及其组合)的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它描述的特征。
在整个说明书或权利要求书中，除非上下文另有指明或要求，否则单数包含复数。
除非另有指明或从上下文中清楚，否则直径、厚度和其它结构值在中空芯PCF的截面视图中可见。
本发明的中空芯光子晶体光纤(PCF)包括外包层区域和由外包层区域围绕的7个中空管。中空管中的每一个熔合到外包层以形成限定内包层区域和由内包层区域围绕的中空芯区域的环。中空管彼此不接触。已经发现，中空管各自具有被称为d2的平均外直径和被称为d1的平均内直径对于抑制不期望的高阶模态是有利的。比率dl/d2等于或大于约0.8。
相应的中空管的平均外直径d2和/或平均内直径可以从中空管到中空管相同或不同。
在一个实施例中，d1和/或d2对于中空管中的至少三个是基本上相同的，诸如对于所有七个中空管。
根据本发明以及针对现有技术的中空芯PCF的所有教导，令人惊讶地发现，具有存在七个非接触管的非接触内包层结构的中空芯PCF比具有六个非接触内包层管的上述中空芯PCF提供了高阶模态(HOM)的更大程度的抑制。特别地并且如示例中所示，已经发现具有七个非接触管的本发明的中空芯PCF对方位角数大于1(诸如第三阶HOM)的HOM的抑制增加，同时在低于2μm，优选低于1.5μm的至少一个传输带的基模中具有低损耗。
术语“传输带”在本文中用于指具有至少约10nm，诸如至少约25nm，并且优选地至少约50nm或甚至至少约100nm的传输波长的带宽的带。
术语“低损耗传输带”是指其基模中的光的传输带，传输损耗小于约100dB/km，优选小于约60dB/km，并且更优选小于约50dB/km。
进一步发现，通过增加比率d1/d2，可以在甚至更低的波长处实现低损耗传输带，诸如包括低于1200nm，诸如低于1μm，诸如低于800μm，诸如低于600μm的波长的低损耗传输带。有利地，比率d1/d2等于或大于约0.85，诸如等于或大于约0.9。
外包层包括固体包层材料并且优选完全是固体材料。
在一个实施例中，中空管布置为距相邻的中空管基本相等的距离。从而可以获得非常高的高斯光束质量。在一个替代实施例中，中空管以距相邻的中空管不同的距离布置。在后一实施例中，通过具有不同的管的外直径d2来提供相邻中空管之间的距离变化。在中空管的内直径d1和/或外直径d2不同的情况下，除非计算的是中空管厚度或另外指定，否则内直径d1和外直径d2分别计算为平均d1和d2值。因此，比率dl/d2由平均dl和d2值确定。已经发现，对HOM的最优抑制要求相邻中空管之间的最小距离相对较小，并且优选地小于中空管的外直径d2的大约一半。另一方面，该距离不应该太窄，因为这可导致在拉伸光纤期间由于表面张力和材料吸引力而完全消除沿整个光纤长度的部分或沿整个光纤长度的距离的风险。为了避免这种风险，期望相邻中空管之间的最小距离至少为d2的0.01倍。
有利地，相邻中空管之间的最小距离为至少约0.1μm，诸如至少约1μm，诸如至少约2μm，诸如至少约5μm。
在一个实施例中，相邻中空管之间的最小距离为约5μm或更小，诸如约4μm或更小。
已经发现最优的是相邻中空管之间的中心到中心的距离Λ在约1.01*d2和约1.5*d2之间，诸如在1.05*d2和1.2*d2之间。
中空管有利地具有基本上平行的中心轴线。实际上，由于工艺偏差，中空管的中心轴线可能略微偏离直线。例如，中空管可以以非常长的节距(诸如高达1km的节距，诸如1cm至100m的节距)围绕芯体成螺旋状。
由于中空芯PCF的结构，芯原则上可以设计有任何直径的芯区域。芯区域有利地基本上是圆形的。在一个实施例中，芯区域不是圆形的，而是椭圆形或角形的，诸如基本上五边形。芯直径D被定义为由7个中空管内切的最大圆的直径。
有利地，中空芯区域具有约10μm至约100μm，诸如约10μm至约60μm的芯直径D。
已经发现，最优芯直径D可以与中空芯PCF的传输带的中心波长一起缩放。
对于约1.0μm的中心波长，芯直径D有利地为约20μm至约50μm，诸如约25μm至约40μm。优选的芯直径D与中空芯PCF的传输带的中心波长直接成比例地缩放。
已经发现，即使在芯相对较大的情况下，中空芯PCF也可以具有非常高的光束质量。在一个实施例中，光束质量M2为约1.75或更小，诸如约1.6或更小，诸如约1.5或甚至更小。
在一个实施例中，平均外管直径相对于芯直径d2/D为约0.5至约0.75，诸如约0.65至约0.72，由此确保中空管之间的期望的最小距离和HOM(特别是第三和第四HOM)的非常有效的抑制。
此外，用中空芯PCF平均外管直径相对于芯直径d2/D获得的光束的模态质量为约0.5至约0.75，显示出非常高。
已经发现，中空管的壁厚显著影响了中空芯PCF的一个低损耗传输带或多个低损耗传输带。事实上，已经发现相关的壁厚t是中空管壁的芯中心面向区域。
因此，已经发现中空管的芯中心面向区域的壁厚t(或平均值t)主要影响相对于低损耗传输带的波长的位置。通常，中空芯PCF可具有一个或多个低损耗传输带，诸如1、2、3、4或甚至更多的低损耗的传输带。
有利地，中空芯PCF具有至少3个低损耗传输带，诸如至少4个低损耗传输带。为了获得低于1.2μm的一个或多个低损耗带，期望壁厚t高达约2.1μm，诸如高达约1μm，诸如在约150nm至约350nm的范围内或在约650nm至约850nm的范围内或在约900nm至约2.1μm的范围内。
例如，已经发现，对于本发明的一个实施例的中空芯PCF，如下光纤在1030-1064nm处具有低损耗传输：对于壁厚t＝150-350nm，优选200-300nm(具有最高波长的低损耗传输带-带I)，对于壁厚t＝650-850nm，优选700-800nm(第二高波长低损耗传输带-带II)，并且对于包括1030-1064nm的第三传输带的第一范围的5倍的壁厚，即5*150nm至5*350nm，对于包括1030-1064nm的第四传输带的第一范围的七倍等。
有利地，中空芯PCF被设计为使得中空芯以基模引导光并且包括在200nm和4000nm之间的波长的至少一个波长，诸如在400nm和2000nm之间，诸如在800nm和1600nm之间，诸如在1000nm和1100nm之间，其中损耗小于约1000dB/km。
有利地，中空芯PCF具有用于基模的低损耗传输带，其中传输损耗小于约100dB/km，优选地小于约60dB/km，并且更优选地小于50dB/km，其包括在1000nm和1100nm之间的区间中的波长，并且优选地至少包括1030nm-1064nm的波长。
在一个实施例中，中空芯PCF在对于基模的其低传输带中具有对于H OM的大于约2000dB/km的传输损耗，由此确保有效的单模传输。
进一步发现，中空芯PCF对弯曲基本上不敏感，例如已经发现，本发明的一个实施例的中空芯PCF具有在卷成约6cm的直径时在1030nm-1060nm处小于约5％/km的低损耗。
有利地，中空管中的每一个中空管的壁厚t基本上相同。优选地，中空管基本上相同并且以距相邻的中空管相同的距离布置。由此，中空芯PCF变得更容易设计用于期望的波长传输。
在一个实施例中，管中的至少一个管具有与中空管中的至少另一个管不同的壁厚t。优选地，中空管中的3个管具有一个壁厚并且其余4个中空管具有另一个壁厚。已经发现，通过这种布置，中空芯PCF可以变成双折射，很大程度上取决于壁厚t的差异和具有更大和更小壁厚t的中空管的相对位置。
在一个实施例中，中空管中的至少一个中空管具有比其它中空管中的至少一个中空管的壁厚大至少约5％的壁厚，优选地，中空管中的至少一个中空管具有比中空管中的至少一个其它中空管的壁厚大至少约10％的壁厚。
在一个实施例中，中空管中的每一个基本上是圆形的。在实践中，非常难以获得绝对圆形的中空管，首先由于其中相应的中空管熔合到外包层的内侧的轻微变形，并且其次因为中空管可能在光纤拉制期间被吸引到相邻的中空管。
在一个实施例中，中空管中的每一个具有长内直径Dl和与长内直径Dl垂直的短内直径Ds，其中Dl沿中空芯中心轴线的径向方向上确定。
有利地，比值Ds/Dl为约0.5至约0.99，诸如约0.8至约0.99。
在一个实施例中，Ds/Dl的比值大于约0.9，诸如大于约0.95，这实际上更容易制造。
在一个实施例中，Ds/Dl的比值小于约0.95，诸如小于0.9，这导致相对较大的芯直径D，并且因此可以有助于减小基模的传输损耗。
在一个实施例中，中空管中的至少一个包括布置在中空管的中空结构中的至少一个嵌套子管，其中子管熔合到中空管，优选地与到外包层(即距芯区域最远)的熔合体对准。
具有一个或多个嵌套管的中空管例如可以如WO15185761的PCF所述，其包括第二管状元件，其中相应第二管状元件内嵌有第三管状元件，不同之处在于中空芯PCF具有带有嵌套的第三管状管的7个第二管状元件。
子管有利地具有基本上小于中空管的平均内直径d的平均外直径dsub。平均外直径d2sub优选地高达中空管的约0.9*d2，诸如高达约0.9*d2，优选地，内部子管在其与芯中心轴线的最大径向距离处熔合到中空管。
在一个实施例中，中空管中的至少一个包括在一个或多个中空管的芯中心面向区域处布置的一个或多个结节，优选地，结节布置在中空芯区域的边界处，结节优选地布置为在工作波长处抗谐振，使得基模的光基本上从结节中排除。由此可以获得基模的甚至更强的约束，以进一步减少在中空芯PCF的芯区域中发送的基模中的光的损耗。
结节可以有利地呈结节状或珠状结构的形式，或壁的局部较厚区域沿着光纤的至少一部分长度延伸。在现有技术的光纤中，这种结节有时被称为结点或斑点，例如如US7,321712中所述。中空管的结节和其余部分有利地具有相同的材料。
芯区域和/或中空管原则上可以包括任何流体。优选地，芯区域和/或中空管彼此独立地包括在标准环境温度和压力(SATP)下确定为25℃的温度和恰好100000Pa的绝对压力的气体。合适的气体包括空气、氩气、氮气或包括任何所述气体的混合物。可选地，中空芯区域和/或中空管彼此独立地被真空化(抽空以具有非常低的气体压力)或填充有加压气体。
在一个实施例中，中空芯区域和/或中空管在标准温度下被抽空至约1毫巴或更低的压力，诸如至约0.1毫巴或更低的压力，诸如至约0.01毫巴或更低的压力。
在一个实施例中，中空芯区域和/或中空管在标准温度下被加压到高达2巴的压力，诸如高达约1.5巴。
原则上，外包层区域可具有任何尺寸，只要其为中空芯PCF提供用于中空管的足够机械支撑。在一个实施例中，外包层区域具有至少约125μm，150μm，诸如至少约200μm的外直径。
通常，期望中空芯PCF是单一材料，其优选为玻璃，更优选为二氧化硅，其可选地掺杂有折射率改变掺杂剂。在一个实施例中，一个或多个诸如全部中空管是掺杂二氧化硅，并且外包层区域是未掺杂二氧化硅。掺杂剂可以例如包括诸如F、Ge、P、B或其组合的折射率改变材料。
此外已经发现，通过提供外包层区域以包括围绕所述内包层区域的光子带隙结构，可以减小约束损耗。
光子带隙结构可以借助于任何方式提供，例如，通过为外包层区域提供包括具有不同折射率的同心环的折射率光栅和/或通过包括具有不同折射率的微结构。
在一个实施例中，外包层区域包括具有折射率Noc的外背景材料和具有与背景材料的折射率不同的折射率的多个内含物。内含物有利地具有比背景材料的折射率更低的折射率。内含物优选基本上平行于芯区域延伸。内含物可以在中空芯PCF的长度段中延伸或者基本上在中空芯PCF的整个长度中延伸。
在一个实施例中，外背景材料中的多个内含物以截面图案布置，该截面图案包括围绕内包层区域的至少两个内含物环，诸如至少3个环，诸如至少4个内含物环。
短语“内含物环”是指距芯具有基本上相等的径向距离并且以围绕芯的环配置对准的外包层内含物的内含物。通常，内含物环不是完全圆形的，而是用许多软角度成形，诸如以六角形形状。优选地，内含物环的所有内含物具有基本上相同的尺寸，并且优选地具有相同的固体材料、空隙和/或气体。
背景材料可以有利地为二氧化硅，诸如未掺杂的二氧化硅或掺杂的二氧化硅。掺杂剂可以例如包括诸如F、Ge、P、B或其组合的折射率改变材料。
在一个实施例中，外背景材料中的多个内含物以基本上六边形的图案布置。
在一个实施例中，多个内含物是空隙或气体，诸如空气。
内含物的直径有利地被选择为使选定的波长或波长范围的损耗最小化。因此可以选择直径以针对期望的传输分布进行优化。
在一个实施例中，内含物具有基本上相同的直径。
有利地，多个内含物具有这样的平均直径(dinc)，其高达约2.5μm，诸如高达约2μm，诸如在约1.1μm和1.8μm之间，诸如在约1.15μm和约1.7μm之间，诸如在约1.2μm和约1.5μm之间，诸如约1.3μm。
此外，相应内含物之间的距离示出与优化(最小化)约束损耗有关。在用于优化约束损耗的一个实施例中，多个内含物以这样的节距(Λinc)布置，其高达约6μm，诸如高达约5μm，诸如高达约4μm，诸如在约2μm和4μm之间。
在一个实施例中，内含物以这样的节距(Λinc)布置，其高达约3.5μm，诸如高达约3μm，诸如高达约2.5μm，诸如在约1.1μm和2μm之间。
本发明还包括用于将激光传送到用户设备的激光系统，该激光系统包括激光光源和用于将来自激光光源的光传送到用户设备的光纤传送光缆，其中光纤传送光缆包括如上所述的中空芯PCF。
包括中空芯PCF的光纤传送光缆可以优选地具有这样的长度，其高达50m，诸如约0.3m至约20m，诸如约1m至约15m。
有利地，激光光源被配置用于生成激光脉冲并且光学地连接到光纤传送光缆，优选地，激光光源是飞秒激光源。
在一个实施例中，激光光源可以被布置为将光直接馈送到中空芯PCF，例如，通过熔合到中空芯PCF。在一个实施例中，激光光源被布置用于经由一个或多个光学元件和/或经由自由空间将光馈送到中空芯PCF。
在一个实施例中，激光光源具有约30fs到约30ps，诸如约100fs到约10ps的泵持续时间。
在一个实施例中，激光光源具有在激光光源出口处确定的的峰值功率，其至少为约5kW，诸如至少约10kW，诸如至少约30kW，诸如至少约50kW。
激光光源有利地是锁模激光光源。在一个实施例中，激光光源是主动锁模激光器。在一个实施例中，激光光源是被动锁模激光器。锁模激光器优选地包括一个或多个放大器。
在一个实施例中，中空芯PCF被配置用于引导光，优选单模光，其包括约200nm至约4.5μm范围内的至少一个波长，优选1000nm至约1100nm范围内的至少一个波长。
在一个实施例中，中空芯PCF被配置用于引导连续的光波长，优选跨越至少约0.1μm，诸如至少约0.3μm，诸如至少约0.5μm。
在一个实施例中，中空芯PCF具有适于连接到用户设备的第一光纤端和经由光纤耦合结构光学连接到激光光源的输出光纤的第二光纤端。光纤耦合结构优选地提供对第一光纤端的保护，并且优选地提供对第一光纤端的端面的保护，以确保端面和/或中空芯不被灰尘、湿气或类似物污染。此外，为了确保安全的低损耗连接，耦合结构可以包括透镜，诸如聚焦透镜、渐变折射率元件或其它元件，诸如本领域已知的通常用于中空芯光纤的耦合结构。
在一个实施例中，光纤耦合结构包括聚焦透镜，例如诸如在US8,854,728中描述的。
在一个实施例中，光纤耦合结构包括诸如在US2003/0068150中描述的渐变折射率元件(GRIN)。
在一个实施例中，光纤耦合结构包括诸如在US7,373,062中描述的保护元件。
在一个优选实施例中，第一光纤端被安装在套圈结构中，优选地具有如在PA201570876DK中所述的标题为“光子晶体光纤组件(PHOTONIC CRYSTAL FIBER ASSEMBLY)”的套圈结构，并且该申请在此通过引用并入本公开，条件是在本文明确公开的主题与所并入的主题之间存在任何不一致的情况下，本文明确公开的主题的内容占优。
如本文所述的中空芯PCF可以有利地通过从预制件拉制而产生，其中在控制中空管内的压力的同时执行拉制，例如如在US6,954,574、US8215129、US7,793,521和/或PA201670262DK中所述的，标题为“用于预制件的环形元件、预制件和从预制件拉制的光纤(A RINGELEMENT FOR A PREFORM,A PREFORM AND AN OPTICAL FIBER DRAWN FROM THEPREFORM)”。
预制件有利地通过为外包层区域提供一个中空管和为内包层提供7个中空管来产生，其中用于外包层区域的中空管具有这样的内直径，其比7个中空管的外直径大两倍，诸如至少3倍，诸如至少大4倍，或者如果7个中空管的外直径不同，则是用于内包层的7个中空管的最大外直径。优选地，外包层区域具有足够大的内直径以将7个中空管布置在内侧并与用于外包层区域的中空管接触，使得7个中空管彼此不接触。为了在用于外包层区域的中空管内侧布置7个中空管，可以在中空管的每个端部处布置一小段支撑元件(例如玻璃管或玻璃棒)。在将7个中空管熔合到用于外包层区域的中空管之后，可以切断包括支撑元件的熔合中空管的端部。
然后优选地通过同时对相应中空管内的压力进行单独或共同的压力控制来将预制件拉入光纤牵引塔中。
在一个实施例中，通过在孔和压力供应源之间布置压力管来提供预制件的一个或多个中空管(也称为“细长孔”或仅“孔”)中的每一个中空管的压力控制。压力供应源确保在从预制件拉制光纤期间经由压力管将中空管内的压力控制到期望的水平。
压力管有利地是中空压力管。短语“在管中”是指在压力管的中空部分。
因此，在一个实施例中，该方法包括将压力管的第一端插入预制件的第一端处的预制件的孔中，并且在拉制期间使预制件的孔经由压力管经受受控压力。有利地，包括压力管的第一端的至少压力管长度段被插入预制件的细长孔中。压力管长度段应该优选地具有这样的长度，其至少约0.5mm，诸如约1mm至约20cm，诸如约2mm至约5cm，诸如0.5cm至1cm。
在实践中，期望压力管长度段具有足以在压力管长度段和细长孔之间提供密封的长度，但它不应该太长，因为包括压力管长度段的预制件的长度段在一个实施例中可以不被拉制成光纤，或者如果在一个替代实施例中它被拉制成光纤，则所得到的光纤将具有与从没有管长度段的预制件材料拉制的光纤不同的特性。
已经发现，通过简单地将压力管的第一端插入孔中并且可选地提供压力管长度段扩张以使得其外表面适配细长孔的周边表面，和/或施加密封材料，诸如胶水、环氧树脂、油脂和/或橡胶或任何其它柔韧的密封材料，可以获得安全的气体连接。
压力管有利地具有选择的外直径和周边，以使得其适配到预制件的孔中。孔的截面形状可以是圆形或椭圆形或任何其它合适的形状。限定孔的表面也被称为细长孔的周边表面。压力管优选地具有与预制件的孔的截面形状相对应的外截面形状，然而其平均直径略小于预制件的孔的平均直径，使得压力管的第一端可以插入孔中。
在一个实施例中，压力管或至少压力管的压力管长度段具有这样的平均外直径，其是孔的平均内直径的约80％高至100％，诸如孔的平均直径的约90％至约99％。
有利地，压力管具有位于孔外侧的供应段，即压力管的从孔引导到与压力供应源的气体连接的部分。
在一个实施例中，压力管的供应段具有供应开口，该供应开口与用于控制孔内压力的压力源进行气体连接。
在一个实施例中，压力管的供应段具有位于压力调节室内的供应开口。通过例如由压力源调节压力调节室内的压力，压力管内的压力也被调节，并且从而调节细长孔内的压力。
在一个实施例中，压力管的供应段具有供应开口，该供应开口直接连接到压力源以调节压力管内的压力并由此调节长细孔内的压力。
原则上压力管可以是任何材料。在一个实施例中，压力管是可热成型材料，例如，可以在光纤拉制塔上模制或拉制的材料。有利地，压力管是可选地包括聚合物涂层的二氧化硅。在一个实施例中，至少压力管的供应段具有外部聚合物涂层，并且可选地，压力管长度段不含聚合物涂层。聚合物涂层增加了压力管的柔韧性并降低了压力管破裂的风险。
通过为二氧化硅压力管提供具有未涂覆的压力管长度段的压力管长度段和为压力管供应段提供聚合物涂层，可以获得期望的压力管的大的中空部分截面直径，而同时压力管供应段可以是理想柔韧的和抗破裂的。
如上所述，预制件的几个孔可以用如上所述的压力管进行压力控制。压力管可以连接到相同的压力源或不同的压力源。
除非存在不结合这些特征的特定原因，否则如上所述的本发明的所有特征和包括范围和优选范围的本发明的实施例可以在本发明的范围内以各种方式进行组合。
附图说明
参考附图，通过以下对本发明实施例的说明性和非限制性的详细描述，将进一步阐明本发明的上述和/或附加目的、特征和优点。
图1示出本发明的中空芯PCF的一个实施例的截面，其中中空管中的一个被放大以示出内直径d1、外直径d2和壁厚t。
图2示出本发明的中空芯PCF的一个实施例的截面，其中一些中空管具有比其它中空管更大的壁厚t。
图3示出本发明的中空管为椭圆形的中空芯PCF的一个实施例的截面。
图4示出本发明的中空芯PCF的一个实施例的截面，其中中空管包括布置在中空管的中空结构中并且熔合到中空管的嵌套子管。
图5示出本发明的中空芯PCF的一个实施例的截面，其中中空管包括布置在芯中心面向区域处的结节。
图6示出本发明的中空芯PCF的一个实施例的截面，其中单模光已被馈送到中空芯PCF。
图7是示出本发明一个实施例的中空芯PCF的几个低损耗传输带的曲线图。
图8是示出本发明一个实施例的中空芯PCF的宽的低损耗传输带的曲线图。
图9是示出具有六个中空管的现有技术的中空芯PCF的HOM抑制的曲线图。
图10是示出具有七个中空管的本发明一个实施例的中空芯PCF的HOM抑制的曲线图。
图11是本发明一个实施例的激光系统以及用户设备的示意图。
图12示出用于本发明的中空芯PCF的一个实施例的预制件的第一端，其具有形成7个细长孔的7个中空管，并且其中相应压力管的第一端插入相应的孔中以用于拉制期间孔的压力控制。
图13a示出本发明一个实施例的中空芯PCF，其包括具有光子带隙结构的外包层区域。
图13b是示出图13a实施例的中空芯PCF的两种变化的传输损耗的曲线图。
图14是示出示例1中制造的光纤的光束质量M2的测量的曲线图。
为了清楚起见，这些图是示意性和简化的。在全文，相同的附图标记用于相同或相应的部分。
具体实施方式
图1中所示的本发明的中空芯PCF包括外包层区域1和由所述外包层区域围绕的七个中空管2。中空管2中的每一个在熔合点3处熔合到外包层1以形成限定内包层区域和由内包层区域围绕并具有芯直径D的中空芯区域4的环。
中空管彼此不接触并且通常被称为非接触中空管。如中空管的放大图所示，中空管2中的每一个在相应的中空管2的中心面向区域中具有平均外直径d2和平均内直径d1以及壁厚t。外包层1具有内直径ID和外直径OD。在该实施例中，中空管2是相同的并且在截面上基本上是圆形的。
在图2所示的实施例中，中空芯PCF包括外包层区域11和由所述外包层区域围绕的七个非接触中空管12a、12b，其中中空管12a、12b在熔合点13处熔合到外包层11以形成限定内包层区域和由内包层区域围绕的中空芯区域14的环。非接触中空管12a中的三个非接触中空管具有比非接触中空管12b中的其余四个非接触中空管更大的壁厚t。如图所示，相应的七个非接触中空管12a、12b中的每一个在厚度上是均匀的，由此提供了中空芯PCF的更简单的制造。
在图3中所示的实施例中，中空芯PCF包括外包层区域21和由所述外包层区域围绕的七个相同的非接触中空管22，并且中空管22熔合到外包层21以形成限定内包层区域和由内包层区域围绕的中空芯区域24的环。中空管22是椭圆形的并且中空管22中的每一个具有长内直径Dl和与长内直径Dl垂直的短内直径Ds，其中Dl在径向方向上确定。
在图4中所示的实施例中，中空芯PCF包括外包层区域31和由所述外包层区域围绕的七个相同的非接触中空管32，并且中空管32在熔合点33处熔合到外包层31以形成限定内包层区域和由内包层区域围绕的中空芯区域34的环。中空管32包括嵌套的子管35，该嵌套的子管35布置在中空管的中空结构中并且在熔合点33处以距芯中心轴线相应的最大径向距离熔合到中空管。
在图5中所示的实施例中，中空芯PCF包括外包层区域41和由所述外包层区域围绕的七个非接触中空管42a、42b，其中中空管42a、42b熔合到外包层41以形成限定内包层区域和由内包层区域围绕的中空芯区域44的环。非接触中空管12a中的四个非接触中空管在其相应壁厚上是均匀的，而非接触中空管42b中的其余三个非接触中空管包括在相应中空管的芯中心面向区域处布置的结节45。由于相应非接触中空管42a、42b的外直径d2基本上相同，所以结节45布置在中空芯区域的边界处。
在图6中所示的实施例中，中空芯PCF主要具有如图1的中空芯PCF的结构。未示出的单模激光源被布置为以PCF的低损耗传输带中的波长将产生激光照射到PCF。在5米或甚至10米之后，如参考6所指示的PCF中发送的光束具有高斯光束质量并且是完全单模态的。在10米的传输之后，基模的损耗非常低，例如传输效率超过85％，诸如超过90％。
图7的曲线图示出了具有图1中所示结构的光纤的几个低损耗传输带和约30μm和t＝750nm的芯尺寸D。频带从最长的波长带到较短的波长带以递增数字被编号。如所看到的，中空芯PCF具有四个低损耗传输带，其中低损耗传输带中的3个包括低于1.2μm的波长。
图8的曲线图示出具有D＝30μm和t＝750nm的传输带II的图1的中空芯PCF的传输损耗的更近视图。可以看出，低损耗传输带非常宽，在1.064μm附近带宽为200nm-250nm。
对具有六个中空管的中空芯PCF(现有技术的中空芯PCF)和具有七个中空管的中空芯PCF(本发明的实施例)进行模拟。模拟在1032nm处在D＝30μm，t＝750nm下完成。
图9和图10示出具有六个中空管的现有技术的中空芯PCF(图9)和具有七个中空管的本发明实施例的中空芯PCF(图10)的相对于d/D(D＝Dcore)的HOM消光比。
从图10中可以看出，0.6和0.75之间的最优比d/D确保Lp11类模态和更高阶的几个其它HOM谐振地耦合到包层模态。
在图9中可以看出，使用六个中空管允许实现Lp11类模态的部分抑制。然而，具有较高方位角数的模态仍然没有受到干扰，限制了整个HOM消光。
因此清楚地示出，具有七个中空管的本发明的中空芯PCF比具有六个中空管的现有技术的中空芯PCF具有用于HOM抑制的显著改进的性能。
在Michieletto等人2016年3月光学快报7103-7119的文章“用于高功率脉冲传送的中空芯(Hollow-core fibers for high power pulse delivery)”中公开了本发明的一个实施例的中空芯PCF和具有六个中空管的中空芯PCF之间的进一步比较。该文章的内容通过引用并入本公开，条件是在本文明确公开的主题和所并入的主题之间存在任何不一致的情况下，本文明确公开的主题的内容占优。
图11中所示的激光系统包括激光光源51和光纤传送光缆52，用于将来自激光光源51的光传送到用户设备54。光纤传送光缆52包括如上所述的中空芯PCF作为其波导，其中一个或多个低损耗传输带与用户设备相关。如所指出的那样，光纤传送光缆52可能相当长，同时仍然以基模向用户设备54以高效率和低损耗传送单模光。光纤传送光缆52具有第一端53a和第二端53b。在所示实施例中，第一端53a和第二端53b中的每一个安装在用于分别连接到用户设备54和激光光源5的套圈结构中。
在替代的未示出的实施例中，光纤传送光缆52的第二端接合到激光光源51的光纤输出。
图12中所示的预制件是用于如本文所述的中空芯光纤的一个实施例的预制件。
预制件包括预制件外包层区域165和7个中空预制件管161a、161b，该7个中空预制件管161a、161b布置在由预制件外包层区域165围绕并与预制件外包层区域165熔合的非接触环中(即，管彼此不接触)。
压力管164布置成将三个预制件管161a(主中空管)中的每一个连接至未示出的压力供应源，以在拉制期间控制主中空管161a中的压力。插入每个主中空管161a的孔中的压力管长度段164a有利地是未涂覆的二氧化硅，而压力管164的其余部分(被称为压力管供应段)是聚合物涂覆的二氧化硅。次级中空管161b中的压力可以有利地在诸如PA 201670262DK的图15和图16中所示的压力室中控制，其标题为“用于预制件的环形元件、预制件和从预制件拉制的光纤(A RING ELEMENT FOR A PREFORM,A PREFORM AND AN OPTICALFIBER DRAWN FROM THE PREFORM)”。
在图13a中所示的实施例中，中空芯PCF包括外包层区域171和形成内包层区域并由所述外包层区域171围绕的七个非接触中空管172。中空管172在熔合点173处熔合到外包层171的内侧以形成内包层区域和由内包层区域围绕的中空芯区域174。外包层区域包括具有与包层背景材料175b不同的折射率的微结构(内含物)175a形式的光子带隙结构。
光子带隙(PBG)结构可以通过任何方式提供，例如，通过为外包层区域提供包括具有不同折射率的同心环的折射率光栅和/或通过包含该结构。
外背景材料175b中的内含物175a以包括约5个环的截面图案布置。
如上所述，优选的是，内含物是空隙或气体并且具有相对较小的直径，并且为了优化(最小化)期望波长或波长范围的约束损耗而布置较短。
图13b示出实施例图13a的中空芯PCF的两种变型的传输损耗。其中在其相应的包层中具有PBG结构的中空芯PCF的两种变型已经被优化用于减少围绕期望的中心波长(分别为1064nm(左)和1550nm(右))的约束损耗。正如可以看出的那样，损耗非常低。进一步发现，这种减少约束损耗的方法也可以用于偏振维持抗谐振光纤。
进一步发现，通过增加光子带隙结构的总厚度，约束损耗呈现出任意减小的状况。
示例1
使用堆叠和原始技术制造具有如图1所示结构的中空芯PCF。所示制造的光纤具有约30μm的芯直径，
Figure BDA0001703908030000171
其中
Figure BDA0001703908030000172
在1064nm处测量的模场直径是22μm。管呈现较小的尺寸差，但光纤示出明显的低损耗和弯曲损耗，以及良好的模态质量。使用基于相机的M2测量系统(Spiricon M2-2OOS)以1064nm的波长和5m FUT的激光测量所制造的光纤的模态品质因数。我们进行了测量：将光纤卷绕在标准的8cm线轴上，并且不再卷线。结果总结在表I中并在图14中示出。光纤输出光束呈现可忽略的散光和不对称性以及1.2的M2。
表格1
不对称性 散光 M<sup>2</sup>X M<sup>2</sup>Y
1.02 0.01 1.22 1.2

Claims (70)

1.一种中空芯光子晶体光纤（PCF），其包括外包层区域和由所述外包层区域围绕的7个中空管，其中所述中空管中的每一个熔合到所述外包层区域以形成限定内包层区域以及由所述内包层区域围绕的中空芯区域的环，其中所述中空管彼此不接触，
其中所述中空管的平均外直径相对于所述中空芯区域的芯直径d2/D为0.5至0.75；和/或
其中所有的中空管没有嵌套子管。
2.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管各自具有平均外直径d2和平均内直径d1，其中d1/d2等于或大于0.8。
3.根据权利要求2所述的中空芯光子晶体光纤，其中d1/d2等于或大于0.85。
4.根据权利要求2所述的中空芯光子晶体光纤，其中d1/d2等于或大于0.9。
5.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管具有在相邻中空管之间的中心到中心的距离Λ，所述中心到中心的距离Λ在1.01*d2和1.5*d2之间。
6.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管具有在相邻中空管之间的中心到中心的距离Λ，所述中心到中心的距离Λ在1.05*d2和1.2*d2之间。
7.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管具有基本上平行的中心轴线。
8.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空芯区域具有10μm至100μm的芯直径D。
9.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空芯区域具有10μm至60μm的芯直径D。
10.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空芯区域具有20μm至50μm的芯直径D。
11.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空芯区域具有25μm至40μm的芯直径D。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述平均外直径相对于所述芯直径d2/D为0.65至0.72。
13.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的每一个中空管的壁厚t高达2.1μm。
14.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的每一个中空管的壁厚t高达1μm。
15.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的每一个中空管的壁厚t在150nm至350nm的范围内。
16.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的每一个中空管的壁厚t在650nm至850nm的范围内。
17.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的每一个中空管的壁厚t在900nm至2.1μm的范围内。
18.根据权利要求13-17中任一项所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的每一个中空管的所述壁厚t基本上相同。
19.根据权利要求13-17中任一项所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管基本上相同并且以与相邻中空管相同的距离布置。
20.根据权利要求13-17中任一项所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的3个具有一个壁厚并且其余的4个中空管具有另一个壁厚。
21.根据权利要求20所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的至少一个具有比所述中空管中的至少一个其它中空管的壁厚大至少5％的壁厚。
22.根据权利要求20所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的至少一个具有比所述中空管中的至少一个其它中空管的壁厚大至少10％的壁厚。
23.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的每一个基本上是圆形的。
24.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的每一个具有长内直径Dl以及与所述长内直径Dl垂直的短内直径Ds，其中Dl在径向方向上确定。
25.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的至少一个包括嵌套子管，所述嵌套子管布置在所述中空管的中空结构中并熔合到所述中空管，所述子管具有基本小于所述中空管的平均内直径d1的平均外直径dsub。
26.根据权利要求25所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述平均外直径dsub高达所述中空管的0.9*d2。
27.根据权利要求25所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述子管在与芯中心轴线最大的径向距离熔合到所述中空管。
28.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空管中的至少一个包括在一个或多个所述中空管的芯中心面向区域处布置的一个或多个结节。
29.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中相邻中空管之间的最小距离为至少0.1μm。
30.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中相邻中空管之间的最小距离为至少2μm。
31.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中相邻中空管之间的最小距离为至少5μm。
32.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空芯区域和所述中空管彼此独立地包括选自空气、氩气、氮气或包含任何所述气体的混合物的气体。
33.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述中空芯区域和所述中空管彼此独立地真空化或填充加压气体。
34.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述外包层区域具有至少125μm的外直径。
35.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述外包层区域具有至少150μm的外直径。
36.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述外包层区域具有至少200μm的外直径。
37.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述外包层区域和/或所述中空管包括固体玻璃材料。
38.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述外包层区域和/或所述中空管包括二氧化硅。
39.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述外包层区域和/或所述中空管包括掺杂有折射率改变掺杂剂的二氧化硅。
40.根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述外包层区域包括围绕所述内包层区域的光子带隙结构。
41.根据权利要求40所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述外包层区域包括具有折射率Noc的外背景材料和具有与所述背景材料的所述折射率不同的折射率的多个内含物。
42.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述外背景材料中的所述多个内含物以基本六边形图案布置。
43.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物是固体材料。
44.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物是下掺杂固体材料。
45.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物是空隙或气体。
46.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物是空隙或空气。
47.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物具有高达2.5μm的平均直径（dinc）。
48.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物具有高达2μm的平均直径（dinc）。
49.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物具有在1.1μm和1.8μm之间的平均直径（dinc）。
50.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物具有在1.15μm和1.7μm之间的平均直径（dinc）。
51.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物具有在1.2μm和1.5μm之间的平均直径（dinc）。
52.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物以高达6μm的节距（Λinc）布置。
53.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物以高达5μm的节距（Λinc）布置。
54.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物以高达4μm的节距（Λinc）布置。
55.根据权利要求41所述的中空芯光子晶体光纤，其中所述多个内含物以在2μm和4μm之间的节距（Λinc）布置。
56.一种用于将激光传送到用户设备的激光系统，所述激光系统包括激光光源和用于将来自所述激光光源的光传送到所述用户设备的光纤传送光缆，其中所述光纤传送光缆包括根据权利要求1所述的中空芯光子晶体光纤。
57.根据权利要求56所述的激光系统，其中所述激光光源被配置用于生成激光脉冲并且光学连接到所述光纤传送光缆。
58.根据权利要求57所述的激光系统，其中所述激光光源具有30fs至30ps的泵持续时间。
59.根据权利要求57所述的激光系统，其中所述激光光源具有100fs至10ps的泵持续时间。
60.根据权利要求57所述的激光系统，其中所述激光光源具有在所述激光光源的出口处确定的峰值功率，所述峰值功率为至少5kW。
61.根据权利要求60所述的激光系统，其中所述峰值功率为至少10kW。
62.根据权利要求60所述的激光系统，其中所述峰值功率为至少30kW。
63.根据权利要求60所述的激光系统，其中所述峰值功率为至少50kW。
64.根据权利要求57所述的激光系统，其中所述激光光源是锁模激光器。
65.根据权利要求56所述的激光系统，其中所述中空芯光子晶体光纤被配置用于单模引导在200nm至4.5μm范围内的至少一个波长。
66.根据权利要求56所述的激光系统，其中所述中空芯光子晶体光纤被配置用于单模引导在1000nm至1100nm范围内的至少一个波长。
67.根据权利要求65或66所述的激光系统，其中所述中空芯光子晶体光纤被配置用于引导连续的光波长。
68.根据权利要求56所述的激光系统，其中所述中空芯光子晶体光纤具有适于连接到所述用户设备的第一光纤端和经由光纤耦合结构光学连接到所述激光光源的输出光纤的第二光纤端。
69.根据权利要求68所述的激光系统，其中所述光纤耦合结构包括以下项中的至少一项：
聚焦透镜，
渐变折射率元件（GRIN），
保护元件，或者
套圈结构。
70.根据权利要求68所述的激光系统，其中所述第一光纤端安装在套圈结构中。
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