CN109116465A - 一种布拉格光栅型空芯光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种布拉格光栅型空芯光纤，包括外包层和内包层，所述内包层包括若干个微毛细管单元，这些微毛细管单元沿着外包层的内壁一圈均匀排列，这些微毛细管单元与外包层的内壁的接触部分以熔融粘接的方式固定在外包层的内壁上，每一微毛细管单元包括从内至外分布的多层折射层，这些折射层的折射率呈高低交替变化。本发明还提供了一种布拉格光栅型空芯光纤的制备方法。本发明提供的光纤的微毛细管单元的折射率环形结构类似于布拉格反射镜，增加了对光场反射的界面，能有效束缚光场在纤芯内传导，本发明的光纤在光脉冲压缩、生物传感、痕量测试、气体超连续谱激光光源等领域具有重要应用前景。

Description

一种布拉格光栅型空芯光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤技术与激光技术领域，尤其涉及一种布拉格光栅型空芯光纤及其制备方法。
背景技术
光纤传输相比于空间传输，具有宽的传输带宽、大的机械强度和强的外部环境抗干扰能力。近年来，随着光纤激光器在工业市场适用的领域越来越广，大模场、高传输能量的光纤激光器吸引了极大的关注。空芯光纤作为一种光子晶体光纤，其纤芯的介质一般为空气，入射光在纤芯的空气中进行传输，具有极小的瑞利散射和超低的理论传输损耗。相比与实芯光纤，空芯光纤具有更高的损伤阈值，可以作为理想的高能量光纤激光器传输介质。另外，由于空芯光纤的纤芯为空气，因此高能量的入射激光在空芯光纤的传输中具有更小的非线性效应。布拉格光栅采用周期性高低折射率分布的结构，对特定波长范围的入射光实现高的反射，对其他波长的光具有大的透射率，从而实现将特定波长范围的入射光限制在空芯纤芯内传输。通过改变布拉格光栅的排列周期，能够实现在空芯光纤纤芯内只以基模传输，而入射光的高阶模式被有效泄露到包层，实现对入射光的大模场单模传输。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种布拉格光栅型空芯光纤，该空芯光纤可以将基模限制在纤芯内低损耗传输，实现对高能量高功率入射光的大模场面积基模传输；本发明还提供了制造工艺简单的布拉格光栅型空芯光纤的制备方法。
本发明提供一种布拉格光栅型空芯光纤，包括外包层和内包层，所述外包层为中空的，所述内包层包括若干个微毛细管单元，这些微毛细管单元沿着外包层的内壁一圈均匀排列，这些微毛细管单元与外包层的内壁的接触部分以熔融粘接的方式固定在外包层的内壁上，每一微毛细管单元包括从内至外分布的多层折射层，这些折射层的折射率呈高低交替变化。
进一步地，所述微毛细管单元由内至外依次包括高折射率玻璃环和低折射率玻璃环，所述微毛细管单元的中心区域为通孔，所述通孔中充有气体。
进一步地，所述高折射率玻璃环和低折射率玻璃环交替环向分布。
进一步地，所述高折射率玻璃环由掺锗玻璃制备，每一个高折射率玻璃环的折射率均大于与其相邻的低折射率玻璃环的折射率。
进一步地，所述低折射率玻璃环由掺氟玻璃或无掺杂玻璃制备，每一个低折射率玻璃环的折射率均小于与其相邻的高折射率玻璃环的折射率。
进一步地，所述外包层为玻璃包层，中空的外包层中充有空气、惰性气体或抽真空，空气、惰性气体或真空区域组成纤芯，所述纤芯的折射率低于内包层的折射率。
进一步地，所述微毛细管单元以外包层的中心点为对称中心等间距排列，所述微毛细管单元之间的连线组成正多边形，所述正多边形的中心点与外包层的中心点重合。
进一步地，所述正多边形为正五边形、正六边形、正七边形、正八边形、正九边形或正十边形。
本发明还提供一种上述布拉格光栅型空芯光纤的制备方法，包括以下步骤：
S1，利用化学气相沉积法制备微毛细管单元的预制棒；
S2，将微毛细管单元的预制棒进行打磨或腐蚀处理；
S3，在光纤拉丝塔上将微毛细管单元的预制棒进行拉丝；
S4，利用堆叠法将拉丝后的微毛细管单元的预制棒进行堆积，再在光纤拉丝塔上拉制成布拉格光栅型空芯光纤。
进一步地，步骤S3中，在光纤拉丝塔上将微毛细管单元的预制棒拉丝至直径为1mm-8mm。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供的光纤的微毛细管单元的折射率分布结构类似于布拉格光栅，通过改变高低折射率玻璃环的排列周期和直径等参数，可以只限制入射光在纤芯内以基模传输，而高阶模式被有效泄露，实现大模场基模传输的设计；本发明提供的光纤在光脉冲压缩、生物传感、痕量测试、气体超连续谱激光光源等领域具有重要应用前景。
附图说明
图1是本发明一种布拉格光栅型空芯光纤的结构示意图。
图2是本发明实施例1的微毛细管单元的结构示意图。
图3是本发明实施例2的微毛细管单元的结构示意图。
图4是本发明实施例3的微毛细管单元的结构示意图。
图5是本发明一种布拉格光栅型空芯光纤的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种布拉格光栅型空芯光纤，由内至外依次包括内包层2和外包层3，外包层3为中空的环状结构，中空的外包层3中充有空气、惰性气体或抽真空，空气、惰性气体或真空区域组成光纤的纤芯1，纤芯1的折射率低于内包层2的折射率，外包层3为玻璃包层，内包层2包括若干个微毛细管单元21，这些微毛细管单元21沿着外包层3的内壁一圈均匀排列，这些微毛细管单元21与外包层3的内壁的接触部分以熔融粘接的方式固定在外包层3的内壁上，每一微毛细管单元21包括从内至外分布的多层折射层，这些折射层的折射率呈高低交替变化，相比于常见的空芯光纤，每一微毛细管单元21通过折射率交替变化，增加了对光场反射的界面，能有效束缚光场在纤芯1内传导。
参考图2，其为本发明实施例1的微毛细管单元21的结构示意图，在本发明的实施例1中，微毛细管单元21的中心区域为通孔211，通孔211中充有空气，微毛细管单元21由内至外依次包括高折射率玻璃环212和低折射率玻璃环213，低折射率玻璃环213围绕在高折射率玻璃环212的周围，高折射率玻璃环212的折射率大于低折射率玻璃环213的折射率使得微毛细管单元21中折射率呈高低交替变化。
参考图3，其为本发明实施例2的微毛细管单元21的结构示意图，在本发明的实施例2中，微毛细管单元21的中心区域为通孔211，通孔211中充有空气，微毛细管单元21由内至外依次包括高折射率玻璃环212、低折射率玻璃环213和另一个高折射率玻璃环212，低折射率玻璃环213围绕在高折射率玻璃环212的周围，另一个高折射率玻璃环212围绕低折射率玻璃环213，高折射率玻璃环212的折射率大于低折射率玻璃环213的折射率，低折射率玻璃环213的折射率小于另一个高折射率玻璃环212的折射率，使得微毛细管单元21中折射率呈高低交替变化。
参考图4，其为本发明实施例3的微毛细管单元21的结构示意图，在本发明的实施例3中，微毛细管单元21的中心区域为通孔211，通孔211中充有空气，微毛细管单元21由内至外依次包括高折射率玻璃环212、低折射率玻璃环213、另一个高折射率玻璃环212和另一个低折射率玻璃环213，低折射率玻璃环213围绕在高折射率玻璃环212的周围，另一个高折射率玻璃环212围绕低折射率玻璃环213，另一个低折射率玻璃环213围绕另一个高折射率玻璃环212，高折射率玻璃环212的折射率大于低折射率玻璃环213的折射率，低折射率玻璃环213的折射率小于另一个高折射率玻璃环212的折射率，另一个高折射率玻璃环212的折射率大于另一个低折射率玻璃环213的折射率，使得微毛细管单元21中折射率呈高低交替变化。
在上述实施例1至实施例3中，高折射率玻璃环212由掺锗玻璃制备，低折射率玻璃环213由掺氟玻璃或无掺杂玻璃制备，内包层2中的各个微毛细管单元21的折射率交替变化规律可以相同、也可以不同，本发明对微毛细管单元21的分布、尺寸与折射率的变化量和周期排列参数不作限定，可根据实际应用进行相应的最优计算设计和制备，由于内包层2中微毛细管单元21折射率的交替变化，能够对纤芯1传输的光场实现周期性的空间相位调制，对输入光的高阶模损耗泄露大，对基模的损耗小，将输入光约束在纤芯1内以基模进行传输。
在上述实施例1至实施例3的基础上，高折射率玻璃环212和低折射率玻璃环213交替环向分布，每一个微毛细管单元21中高折射率玻璃环212和低折射率玻璃环213的总数量可以为2个、3个、4个或5个，重复出现的高折射率玻璃环212的折射率可以和首次出现的高折射率玻璃环212的折射率(由内到外)相同、也可以不同；重复出现的低折射率玻璃环213的折射率可以和首次出现的低折射率玻璃环213的折射率(由内到外)相同、也可以不同。微毛细管单元21的最外层可以为高折射率玻璃环212或低折射率玻璃环213，每一个高折射率玻璃环212的折射率均大于与其相邻的低折射率玻璃环213的折射率，每一个低折射率玻璃环213的折射率均小于与其相邻的高折射率玻璃环212的折射率。
在上述实施例1至实施例3的基础上，通孔211中充有的气体可以为空气，也可以为氮气、氩气、氦气、氢气。
本发明的实施例提供的布拉格光栅型空芯光纤的这些微毛细管单元21以外包层3的中心点为对称中心等间距排列，它们之间的连线组成正多边形，正多边形的中心点与外包层3的中心点重合，正多边形为正三角形，也可为正五边形、正六边形、正七边形、正八边形、正九边形或正十边形，且这些微毛细管单元21的排列为单层排列，图1为本发明的微毛细管单元21按照正五边形进行排列的示意图。
参考图5，本发明的实施例还提供了上述布拉格光栅型空芯光纤的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，利用化学气相沉积法制备微毛细管单元21的预制棒；
步骤S2，将微毛细管单元21的预制棒进行打磨或腐蚀处理；
步骤S3，在光纤拉丝塔上将微毛细管单元21的预制棒拉丝至直径为1mm-8mm；
步骤S4，利用堆叠法将拉丝后的微毛细管单元21的预制棒进行堆积，再在光纤拉丝塔上拉制成布拉格光栅型空芯光纤。
本发明提供的光纤的微毛细管单元21的折射率分布结构类似于布拉格光栅，通过改变高低折射率玻璃环的排列周期、直径和掺杂浓度等参数，可以只限制入射光在纤芯1内以基模传输，而高阶模式被有效泄露，实现大模场基模传输的设计；本发明提供的光纤在光脉冲压缩、生物传感、痕量测试、气体超连续谱激光光源等领域具有重要应用前景。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种布拉格光栅型空芯光纤，其特征在于，包括外包层和内包层，所述外包层为中空的，所述内包层包括若干个微毛细管单元，这些微毛细管单元沿着外包层的内壁一圈均匀排列，这些微毛细管单元与外包层的内壁的接触部分以熔融粘接的方式固定在外包层的内壁上，每一微毛细管单元包括从内至外分布的多层折射层，这些折射层的折射率呈高低交替变化。
2.如权利要求1所述的布拉格光栅型空芯光纤，其特征在于，所述微毛细管单元由内至外依次包括高折射率玻璃环和低折射率玻璃环，所述微毛细管单元的中心区域为通孔，所述通孔中充有气体。
3.如权利要求2所述的布拉格光栅型空芯光纤，其特征在于，所述高折射率玻璃环和低折射率玻璃环交替环向分布。
4.如权利要求3所述的布拉格光栅型空芯光纤，其特征在于，所述高折射率玻璃环由掺锗玻璃制备，每一个高折射率玻璃环的折射率均大于与其相邻的低折射率玻璃环的折射率。
5.如权利要求3所述的布拉格光栅型空芯光纤，其特征在于，所述低折射率玻璃环由掺氟玻璃或无掺杂玻璃制备，每一个低折射率玻璃环的折射率均小于与其相邻的高折射率玻璃环的折射率。
6.如权利要求1所述的布拉格光栅型空芯光纤，其特征在于，所述外包层为玻璃包层，中空的外包层中充有空气、惰性气体或抽真空，空气、惰性气体或真空区域组成纤芯，所述纤芯的折射率低于内包层的折射率。
7.如权利要求1所述的布拉格光栅型空芯光纤，其特征在于，所述微毛细管单元以外包层的中心点为对称中心等间距排列，所述微毛细管单元之间的连线组成正多边形，所述正多边形的中心点与外包层的中心点重合。
8.如权利要求7所述的布拉格光栅型空芯光纤，其特征在于，所述正多边形为正五边形、正六边形、正七边形、正八边形、正九边形或正十边形。
9.一种权利要求1至8任一项所述的布拉格光栅型空芯光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，利用化学气相沉积法制备微毛细管单元的预制棒；
S2，将微毛细管单元的预制棒进行打磨或腐蚀处理；
S3，在光纤拉丝塔上将微毛细管单元的预制棒进行拉丝；
S4，利用堆叠法将拉丝后的微毛细管单元的预制棒进行堆积，再在光纤拉丝塔上拉制成布拉格光栅型空芯光纤。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，在光纤拉丝塔上将微毛细管单元的预制棒拉丝至直径为1mm-8mm。
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