CN110221381A - 一种有节点式空芯反共振光子晶体光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有节点式空芯反共振光子晶体光纤及其制备方法，涉及反共振光子晶体光纤领域。该有节点式空芯反共振光子晶体光纤由内至外依次包括空气孔纤芯、空气孔包层、石英包层和涂覆层；其中，所述空气孔包层包括均呈正n边形排列的第一层空气孔以及位于所述第一层空气孔外围的第二层空气孔；所述第一层空气孔由n个等腰三角形空气孔组成；所述第二层空气孔由n个扇形空气孔组成；n≥3；所述第一层空气孔中的等腰三角形空气孔与所述第二层空气孔中的扇形空气孔相互交错排列且相邻的等腰三角形空气孔和扇形空气孔共用边长L。本发明提供的有节点式空芯反共振光子晶体光纤结构简单，光纤衰减小，制备工艺简单，更易于工业化生产。

Description

一种有节点式空芯反共振光子晶体光纤及其制备方法
技术领域
本发明属于反共振光子晶体光纤领域，具体涉及一种有节点式空芯反共振光子晶体光纤及其制备方法。
背景技术
空芯微结构光纤通过在纤芯中引入空气缺陷、在包层中引入由石英薄壁和空气孔周期性排列的结构，实现一定波长的光被束缚在空气纤芯中传输。这种光纤兼具光纤的波导性和自由空间光路的无介质性，与传统实芯光纤相比具有一些奇异的特性，如极其小的非线性、较低的模式色散及近乎光速的传输速度等。自1999年第一根空芯光子晶体光纤(HC-PCF)问世以来，空芯微结构光纤取得了飞速的发展，根据导光机制划分，有两种主要类型的空芯微结构光纤。第一类空芯微结构光纤是利用光子带隙(PBG)效应来导光的空芯光子晶体光纤，光子带隙的导光原理决定了这类光纤的传输带宽较窄(约70THz)，不利于宽光谱的应用；除此之外，表面模、小纤芯(10-20μm)、石英壁中的高能量耦合比例(约0.5％)及表面散射损耗等问题也限制了其无法应用于高功率激光传输、非线性频率转换和超低损耗传输等。第二类空芯微结构光纤是通过泄漏模导光的空芯反谐振光纤(HC-ARF)，当纤芯中掠入射的光的横向传播常数与包层石英壁不发生谐振时，可以视其为一个宽带导光窗口，其一般具有较大的结构尺寸和简单的包层结构。关于这类光纤的研究最早源于2002年英国巴斯大学Benabid等提出的Kagome包层结构的空芯光纤，该光纤包层虽然是周期排列的空气孔，但其不具有光子晶体光纤的完整带隙特性。2010年，汪滢莹提出的内摆线型纤芯结构，使近中红外波段光纤传输损耗降至40dB/km以下，超短脉冲激光损伤阈值高达毫焦量级，并可以在较宽光谱范围内(宽度约180THz)实现准单模传输。这两类光纤目前已经广泛应用于跨倍频程的非线性频率转换、高功率脉冲压缩、高功率超短脉冲激光传输、液体气体痕量检测、生物分子探测及量子存储等领域。
进入21世纪以后，随着数据传输容量的爆炸式增长、光纤激光器功率/脉宽的不断突破、以及极端环境下复杂传感阵列的紧迫应用需求，石英作为光纤材料具有的本征缺陷，如非线性、色散、光致损伤、紫外中红外不通光等，逐渐变得显著起来。这些本征的物理问题在传统光纤的框架内很难得到解决，成为制约光纤技术向前发展的根本障碍。空芯光子晶体光纤的先驱们正是怀着“打破实心光纤本征物理极限”的梦想开始了对新的基于微结构的导光机理的探索——希望通过构建包层结构在空气纤芯中实现超低损耗、低非线性、低色散、低延迟的宽带导光，彻底解放光纤技术应用中的材料限制。经过20多年的努力，空芯微结构光纤已经发展成为光纤光学中最为活跃的研究方向之一，由此产生的技术进步正在为光通信、激光、非线性光学、传感、量子光学等领域的发展带来重要的驱动力。
空芯光纤的发展经历了两次重大的转折。在21世纪初的十年中，基于光子带隙效应的第一代空芯光纤在实验和理论上均取得了快速进步。然而，由于其本身固有的复杂结构，人们逐渐意识到这类空芯光纤的传输损耗无法突破“表面散射损耗”限，而且它的传输带宽较窄，激光损伤阈值不够高。这些因素阻碍了空芯光纤走出实验室，进入大规模工业应用。与此同时，另一类空芯光纤，空芯反谐振光纤，由于其天然的宽带和高激光损伤阈值的特点，在此后的十余年间取得井喷式发展。与带隙光纤复杂的包层结构不同，空芯反谐振光纤具有“简约而不简单”的微结构包层。
反共振光纤是目前国际研究机构关注的新型微结构光纤，其对光的限制主要通过纤芯石英壁抑制纤芯模式与包层模式的耦合，从而将纤芯模式与包层模式分开的方式实现，因此纤芯结构是影响这种光纤损耗等特性参数的关键。
但是就目前来看，大多的反谐振光纤只是停留在理论模拟方面，即使有制备出的反谐振光纤，大多数光纤内部微结构之间都是相互孤立，这种结构就导致光纤的制备工艺及其复杂，光纤内部微结构彼此孤立影响了光纤的机械可靠性能，为了确保光纤长度方向上内部微结构的一致性，通常拉制出长度普遍很短的光纤，导致其很难走出实验室进行应用验证。因此，目前存在的问题是急需研究开发一种结构简单、内部微结构一致性好且光纤衰减小的有节点式空芯反共振光子晶体光纤及其制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种有节点式空芯反共振光子晶体光纤及其制备方法。该光子晶体光纤的空气孔包层包括由呈正n边形排列的n个等腰三角形空气孔组成的第一层空气孔和由呈正n边形排列的n个扇形空气孔组成的第二层空气孔，第一层空气孔中的等腰三角形空气孔与第二层空气孔中的扇形空气孔相互交错排列，且相邻的等腰三角形空气孔和扇形空气孔共用边长。本发明提供的特定结构的有节点式空芯反共振光子晶体光纤能够将光有效的约束在空气纤芯区域，光纤长度方向内部微结构一致性好，光纤衰减小，且制备方法简单，易于工业化生产。
为达到以上目的，本发明第一方面提供了一种有节点式空芯反共振光子晶体光纤，其由内至外依次包括空气孔纤芯、空气孔包层、石英包层和涂覆层；
其中，所述空气孔包层包括均呈正n边形排列的第一层空气孔以及位于所述第一层空气孔外围的第二层空气孔；所述第一层空气孔由n个等腰三角形空气孔组成；所述第二层空气孔由n个扇形空气孔组成；n≥3；
所述第一层空气孔中的等腰三角形空气孔与所述第二层空气孔中的扇形空气孔相互交错排列且相邻的等腰三角形空气孔和扇形空气孔共用边长L。
在上述技术方案的基础上，所述共用边长L的长度为50-60μm。
在上述技术方案的基础上，所述空气孔包层的半径Rair为125-175μm；
所述空气孔纤芯呈正n边形，所述空气孔纤芯的半径Rcore为50-100μm；所述空气孔纤芯的纤芯壁厚t为0.4-2.5μm。
在上述技术方案的基础上，所述涂覆层包括内层涂覆层和外层涂覆层；所述内层涂覆层由杨氏模量为100MPa-200MPa的涂层材料组成，所述外层涂覆层由杨氏模量为1000MPa-1500MPa的涂层材料组成。
本发明第二方面提供了一种根据本发明第一方面所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法，其包括如下步骤：
S1，将反共振光纤预制棒拉制形成中间体；所述反共振光纤预制棒由内至外依次包括空气孔纤芯、空气孔包层和第一套管；所述空气孔包层包括由位于所述第一套管内且与所述第一套管相切的呈正n边形排列的n个第一空气孔毛细管组成的第一层空气孔和由位于所述第一层空气孔外、所述第一套管内的区域组成的第二层空气孔；n≥3；
S2，将所述中间体套入第二套管中组合形成反共振光子晶体光纤预制棒；
S3，对所述反共振光子晶体光纤预制棒进行光纤拉制，然后在其表面涂敷涂层材料，制得所述有节点式空芯反共振光子晶体光纤。
在上述技术方案的基础上，所述第一套管的内径D为19-28mm，所述第一套管的占空比为0.6-0.75；所述第一空气孔毛细管的占空比为0.8-0.9。
在上述技术方案的基础上，在步骤S1中，所述拉制在1890-1920℃的温度下进行；在所述拉制的过程中，所述反共振光纤预制棒的进棒速度为5-15mm/min，牵引夹持轮速度为0.5-1.5m/min，所述反共振光纤预制棒中的第一层空气孔中的气压P0＜所述反共振光纤预制棒中的第二层空气孔中的气压P。
在上述技术方案的基础上，所述反共振光纤预制棒中的第一层空气孔中的气压P0为98.5KPa-99.5KPa，所述反共振光纤预制棒中的第二层空气孔中的气压P为101KPa-105KPa。
在上述技术方案的基础上，在步骤S1中，所述中间体的结构满足：相邻的第一空气孔毛细管之间相互接触，每个第一空气孔毛细管均与所述第一套管相切，且所述空气孔纤芯呈正n边形；所述中间体的直径为0.5-12mm。
在上述技术方案的基础上，在步骤S3中，在对所述反共振光子晶体光纤预制棒进行光纤拉制之前还包括如下步骤：在所述反共振光子晶体光纤预制棒的空气孔纤芯中插入第二空气孔毛细管，所述第二空气孔毛细管的占空比为0.85-0.9，所述第二空气孔毛细管的插入深度为20-30cm。
在上述技术方案的基础上，在步骤S3中，在所述光纤拉制的过程中，控制所述第二空气孔毛细管中的气压P1＞所述空气孔包层中的气压P2。
在上述技术方案的基础上，所述第二空气孔毛细管中的气压P1与所述空气孔包层中的气压P2的比值为1.1-1.6。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的空气孔包层包括由呈正n边形排列的n个等腰三角形空气孔组成的第一层空气孔和由呈正n边形排列的n个扇形空气孔组成的第二层空气孔，第一层空气孔中的等腰三角形空气孔与第二层空气孔中的扇形空气孔相互交错排列，且相邻的等腰三角形空气孔和扇形空气孔共用边长L，该特定结构的光子晶体光纤的包层结构简单，能够将光有效约束在空气纤芯区域，光纤长度方向内部微结构一致性好，光纤衰减小。
(2)本发明提供的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法首先在反共振光纤预制棒的拉制过程中对反共振光纤预制棒的第一层空气孔和第二层空气孔进行分区气压控制，得到特定结构的中间体，然后将该中间体套入第二套管中组合形成反共振光子晶体光纤预制棒，再对反共振光子晶体光纤预制棒的空气孔纤芯和空气孔包层进行分区气压控制，制得有节点式空芯反共振光子晶体光纤。本发明提供的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法简单，更易于工业化生产。
附图说明
图1示出了本发明实施例中有节点式空芯反共振光子晶体光纤的端面图；图中附图标记的含义如下：11-空气孔纤芯；12-空气孔包层；13-石英包层；14-涂覆层；121-第一层空气孔；122-第二层空气孔。
图2示出了本发明实施例中有节点式空芯反共振光子晶体光纤的部分结构端面图；图中，Rcore表示空气孔纤芯11的半径，其为空气孔纤芯11的中心到空气孔纤芯11的纤芯壁(或等腰三角形的底边)的垂直距离；Rair表示空气孔包层12的外径；Rclad表示石英包层13的外径；L为共用边长(即等腰三角形的腰长或扇形的边长)；t为空气孔纤芯11的纤芯壁(或等腰三角形的底边)的厚度。
图3示出了本发明实施例中反共振光纤预制棒的结构图；图中附图标记的含义如下：21-空气孔纤芯；22-空气孔包层；231-第一套管；220-第一空气孔毛细管；221-第一层空气孔；222-第二层空气孔。
图4示出了本发明实施例中中间体20的结构图；图中附图标记的含义如下：21-空气孔纤芯；22-空气孔包层；231-第一套管；220-第一空气孔毛细管；221-第一层空气孔；222-第二层空气孔。
图5示出了本发明实施例中光纤拉制前的反共振光子晶体光纤预制棒的结构图；图中附图标记的含义如下：223-第二空气孔毛细管；20-中间体；232-第二套管。
图6为本发明实施例3中有节点式空芯反共振光子晶体光纤的模式图。
图7为本发明实施例中有节点式空芯反共振光子晶体光纤实物的端面显微镜照片；图中附图标记的含义如下：11-空气孔纤芯；12-空气孔包层；13-石英包层；14-涂覆层；121-第一层空气孔；122-第二层空气孔。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，以下结合附图及具体实施例来详细说明本发明。应当理解，这些实施例仅起说明性作用，并不用于限定本发明。
如前所述，现有的带隙型空芯光子晶体光纤和空芯反谐振光纤内部微结构之间相互孤立且包层空气孔数量多而使得光纤的制备工艺复杂、制备难度高、不利于工业化生产的缺点。本发明的发明人在反谐振光子晶体光纤的制备领域经过大量的试验研究发现，纤芯结构是影响光纤损耗的关键，为了实现较低的光纤损耗，需要采用特定的空气孔排列结构以将光有效约束在空气孔纤芯区域内。
目前，主流的空芯反谐振光纤结构为多圈Kagome包层结构和单圈无节点结构，二者导光原理基本相同，即通过纤芯周围石英薄层的反谐振以及包层结构和纤芯之间的抑制耦合来实现低损耗宽通带传输。Kagome光纤可通过增加包层的圈数来使纤芯远离石英层，一定程度上降低了弯曲损耗和限制损耗，提高了光纤光学性能。相比而言，单圈无节点包层结构光纤的结构更为简单，可直接利用反谐振理论建立模型，其光学性质与Kagome结构类似，甚至在单模特性、传输带宽和弯曲特性等方面优于Kagome结构。
通常用下式近似估计满足模式共振的纤芯壁厚度，其中t为纤芯壁厚度，n为纤芯壁材料折射率，λ为光纤传输光波长，m为正整数。当等式成立时，对应波长的光在纤芯壁中满足谐振条件，从而极易扩散耦合到包层模式中，导致损耗增大甚至无法实现稳定传输。
从公式(1)得可知，在反共振光子晶体光纤的设计与制作时，反共振光子晶体光纤的纤芯厚度t在适当的范围内才能满足光纤能够传输1064nm波长激光传输的要求。
因此，本发明实施方式提供了一种有节点式空芯反共振光子晶体光纤。如图1和图7所示，该有节点式空芯反共振光子晶体光纤由内至外依次包括空气孔纤芯11、空气孔包层12、石英包层13和涂覆层14。
空气孔包层12包括均呈正n边形排列的第一层空气孔121以及位于第一层空气孔121外围的第二层空气孔122。第一层空气孔121由n个等腰三角形空气孔组成；第二层空气孔122由n个扇形空气孔组成；n为大于等于3的整数。
第一层空气孔121中的等腰三角形空气孔与第二层空气孔122中的扇形空气孔相互交错排列且相邻的等腰三角形空气孔和扇形空气孔共用边长L。
优选地，共用边长L的长度为50-60μm。
优选地，等腰三角形的底边厚度t(即空气孔纤芯11的壁厚)为0.4-2.5μm。
如图2所示，空气孔包层12的半径Rair为125-175μm。空气孔纤芯11呈正n边形，空气孔纤芯11的半径Rcore为50-100μm。
进一步地，涂覆层包括内层涂覆层和外层涂覆层。内层涂覆层由杨氏模量为100MPa-200MPa的涂层材料组成，外层涂覆层由杨氏模量为1000MPa-1500MPa的涂层材料组成。涂覆层14的半径(即涂覆层14的外径)Rcoating为150-200μm。
本发明提供的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的带隙中心值在1064nm处，光纤的衰减为3-45dB/m。
本发明实施方式还提供了一种根据本发明所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法，其包括如下步骤。
S1，将反共振光纤预制棒拉制形成中间体20。如图3所示，反共振光纤预制棒由内至外依次包括空气孔纤芯21、空气孔包层22和第一套管231；空气孔包层22包括由位于第一套管231内且与第一套管231相切的呈正n边形排列的n个第一空气孔毛细管220组成的第一层空气孔221和由位于第一层空气孔221外、第一套管231内的区域组成的第二层空气孔222；n为大于等于3的整数。
第一套管231的内径D为19-28mm，第一套管231的占空比(即内径/外径)为0.6-0.75。第一空气孔毛细管220的占空比(即内径/外径)为0.8-0.9。
具体地，根据第一套管231的内径D来确定第一空气孔毛细管220的尺寸。第一空气孔毛细管220的外径d的计算公式为：
其中，θ为相邻第一空气孔毛细管220圆心和第一套管231圆心连线的夹角，且
其中，n为第一空气孔毛细管220的个数，且n为大于等于3的整数。
优选地，当n＝8时，第一空气孔毛细管220的外径d为3-5mm。
在步骤S1中，反共振光纤预制棒的拉制在1890-1920℃的温度下进行。在反共振光纤预制棒拉制的过程中，反共振光纤预制棒的进棒速度为5-15mm/min；牵引夹持轮速度为0.5-1.5m/min；反共振光纤预制棒中的第一层空气孔221中的气压P0＜反共振光纤预制棒中的第二层空气孔222中的气压P。
优选地，反共振光纤预制棒中的第一层空气孔221中的气压P0为98.5KPa-99.5KPa；反共振光纤预制棒中的第二层空气孔222中的气压P为101KPa-105KPa。
本发明通过对步骤S1中反共振光纤预制棒的拉制条件的设置，以得到如图4所示的特定的中间体结构，即所述中间体20的结构满足：相邻的第一空气孔毛细管220之间相互接触，每个第一空气孔毛细管220均与所述第一套管231相切，且空气孔纤芯21呈正n边形。经拉制得到的中间体20的直径(即中间体20的外径)为0.5-12mm。
本发明在步骤S1中对反共振光纤预制棒的拉制可以采用本领域常规设备进行，在此不再赘述。
S2，将中间体20套入第二套管232中组合形成反共振光子晶体光纤预制棒(如图5所示)。
优选地，第二套管232的内径大于中间体20的直径。进一步优选地，第二套管232的内径为1-13mm，第二套管232的外径为10-15mm。由于第一套管231的厚度通常较小，因此，为了保证制得的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的石英包层13的厚度，确保反共振光子晶体光纤的机械性能可靠，需要在其外面包覆第二套管232，使得石英包层13的厚度在30μm以上。第一套管231和第二套管232在随后的拉制过程中形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤的石英包层13。
S3，在反共振光子晶体光纤预制棒的空气孔纤芯21中插入第二空气孔毛细管223(如图5所示)。
具体地，为了确保第二空气孔毛细管223能插入反共振光子晶体光纤预制棒中，同时能确保密封效果，根据步骤S2得到的中间体20的正n边形对边的长度(例如，采用光学显微镜测量)确定第二空气孔毛细管223的尺寸，使得第二空气孔毛细管223的内径比中间体20的正n边形对边的长度小10-20μm，第二空气孔毛细管223的占空比为0.85-0.9。
优选地，为了使得第二空气孔毛细管223与空气孔包层22完全隔离，方便随后的分区气压控制，第二空气孔毛细管223的插入深度为20-30cm。
S4，对步骤S3中得到的反共振光子晶体光纤预制棒进行光纤拉制，然后在其表面涂敷涂层材料，制得有节点式空芯反共振光子晶体光纤。
优选地，在步骤S4中，在反共振光子晶体光纤预制棒的光纤拉制过程中，控制第二空气孔毛细管223中的气压P1＞空气孔包层22中的气压P2。
进一步优选地，第二空气孔毛细管223中的气压P1与空气孔包层22中的气压P2的比值为1.1-1.6。
优选地，采用紫外固化方式使涂层材料固化形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤的涂覆层14。
优选地，在步骤S4中，在涂覆涂层材料时，首先在拉制后的反共振光子晶体光纤预制棒的表面涂覆杨氏模量为100MPa-200MPa的涂层材料形成内层涂覆层，然后再在内层涂覆层的表面涂覆杨氏模量为1000MPa-1500MPa的涂层材料形成外层涂覆层。内层涂覆层和外层涂层形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤的涂覆层14。
优选地，在步骤S4中，对反共振光子晶体光纤预制棒进行光纤拉制在1900-1960℃的温度下进行。
下面结合具体的实施例和附图对本发明做出进一步详细的说明。为了示例性的目的，仅示出了n＝8的实施例。
实施例
实施例1
本实施例中提供的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法包括如下步骤：
(1)反共振光纤预制棒的制备
选取内径D为20mm的第一套管231，其占空比为0.6。根据本发明中的公式(2)和(3)，计算得到第一空气孔毛细管220的外径d为3.3mm，设定第一空气孔毛细管220的占空比为0.82。将选定的8个第一空气孔毛细管220按照正八边形排列方式置于第一套管231内，且每根第一空气孔毛细管220均与第一套管231的内壁相切。8个第一空气孔毛细管220形成第一层空气孔221，由位于第一层空气孔221外、第一套管231内的区域形成第二层空气孔222。第一层空气孔221和第二层空气孔222组成空气孔包层22。由第一层空气孔221中第一空气孔毛细管220外壁连接围成的区域构成空气孔纤芯21。空气孔纤芯21、空气孔包层22和第一套管231组成如图3所示的反共振光纤预制棒。
(2)中间体20的制备
将步骤(1)得到的反共振光纤预制棒拉制形成直径为4.5mm的中间体20。拉制过程中高温炉温度控制为1900℃，预制棒的进棒速度控制为15mm/min，牵引夹持轮速度控制为0.5m/min，为了得到如图4的中间体结构，拉制过程中还需要对第一层空气孔221和第二层空气孔222分别进行气压控制，控制第一层空气孔221的气压P0为98.5KPa，第二层空气孔222的气压P为101.3KPa。
(3)反共振光子晶体光纤预制棒的制备
将步骤(2)得到的中间体20套入内径为5mm、外径为10mm的第二套管232(如图5所示)中组合形成反共振光子晶体光纤预制棒。第一套管231和第二套管232在随后的拉制过程中形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤的石英包层13。
(4)反共振光子晶体光纤预制棒拉制前处理
用光纤显微镜测量步骤(2)得到的中间体20的正n边形对边的长度，在反共振光子晶体光纤预制棒的空气孔纤芯21中插入第二空气孔毛细管223(如图5所示)，使得第二空气孔毛细管223与空气孔包层22完全隔离，第二空气孔毛细管223的直径比正n边形对边的长度小20μm，第二空气孔毛细管223的占空比为0.85，第二空气孔毛细管223的插入深度为20cm。
(5)反共振光子晶体光纤预制棒的拉制
对步骤(4)得到的反共振光子晶体光纤预制棒进行拉制，拉制时，控制炉温为1950℃，第二空气孔毛细管223中的气压P1与空气孔包层22中的气压P2的比值为1.1。拉制结束后，采用双层涂覆材料对拉制后的光纤进行涂覆，内层为杨氏模量为100MPa的涂层材料、外层为杨氏模量为1000MPa的涂层材料，涂覆完成后，经紫外固化，形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤，其结构如图1和图7所示。具体制备工艺参数和所得光纤性能参数参见表1。
实施例2
本实施例中提供的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法包括如下步骤：
(1)反共振光纤预制棒的制备
选取内径D为25mm的第一套管231，其占空比为0.68。根据本发明中的公式(2)和(3)，计算得到第一空气孔毛细管220的外径d为4mm，设定第一空气孔毛细管220的占空比为0.8。将选定的8个第一空气孔毛细管220按照正八边形排列方式置于第一套管231内，且每根第一空气孔毛细管220均与第一套管231的内壁相切。8个第一空气孔毛细管220形成第一层空气孔221，由位于第一层空气孔221外、第一套管231内的区域形成第二层空气孔222。第一层空气孔221和第二层空气孔222组成空气孔包层22。由第一层空气孔221中第一空气孔毛细管220外壁连接围成的区域构成空气孔纤芯21。空气孔纤芯21、空气孔包层22和第一套管231组成如图3所示的反共振光纤预制棒。
(2)中间体20的制备
将步骤(1)得到的反共振光纤预制棒拉制形成直径为5mm的中间体20。拉制过程中高温炉温度控制为1920℃，预制棒的进棒速度控制为12mm/min，牵引夹持轮速度控制为0.5m/min，为了得到如图4的中间体结构，拉制过程中还需要对第一层空气孔221和第二层空气孔222分别进行气压控制，控制第一层空气孔221的气压P0为99.3KPa，第二层空气孔222的气压P为102.1KPa。
(3)反共振光子晶体光纤预制棒的制备
将步骤(2)得到的中间体20套入内径为5.5mm、外径为15mm的第二套管232(如图5所示)中组合形成反共振光子晶体光纤预制棒。第一套管231和第二套管232在随后的拉制过程中形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤的石英包层13。
(4)反共振光子晶体光纤预制棒拉制前处理
用光纤显微镜测量步骤(2)得到的中间体20的正n边形对边的长度，在反共振光子晶体光纤预制棒的空气孔纤芯21中插入第二空气孔毛细管223(如图5所示)，使得第二空气孔毛细管223与空气孔包层22完全隔离，第二空气孔毛细管223的直径比正n边形对边的长度小18μm，第二空气孔毛细管223的占空比为0.85，第二空气孔毛细管223的插入深度为25cm。
(5)反共振光子晶体光纤预制棒的拉制
对步骤(4)得到的反共振光子晶体光纤预制棒进行拉制，拉制时，控制炉温为1950℃，第二空气孔毛细管223中的气压P1与空气孔包层22中的气压P2的比值为1.3。拉制结束后，采用双层涂覆材料对拉制后的光纤进行涂覆，内层为杨氏模量为130MPa的涂层材料、外层为杨氏模量为1200MPa的涂层材料，涂覆完成后，经紫外固化，形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤，其结构如图1和图7所示。具体制备工艺参数和所得光纤性能参数参见表1。
实施例3
本实施例中提供的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法包括如下步骤：
(1)反共振光纤预制棒的制备
选取内径D为27mm的第一套管231，其占空比为0.72。根据本发明中的公式(2)和(3)，计算得到第一空气孔毛细管220的外径d为4.2mm，设定第一空气孔毛细管220的占空比为0.85。将选定的8个第一空气孔毛细管220按照正八边形排列方式置于第一套管231内，且每根第一空气孔毛细管220均与第一套管231的内壁相切。8个第一空气孔毛细管220形成第一层空气孔221，由位于第一层空气孔221外、第一套管231内的区域形成第二层空气孔222。第一层空气孔221和第二层空气孔222组成空气孔包层22。由第一层空气孔221中第一空气孔毛细管220外壁连接围成的区域构成空气孔纤芯21。空气孔纤芯21、空气孔包层22和第一套管231组成如图3所示的反共振光纤预制棒。
(2)中间体20的制备
将步骤(1)得到的反共振光纤预制棒拉制形成直径为5mm的中间体20。拉制过程中高温炉温度控制为1890℃，预制棒的进棒速度控制为10mm/min，牵引夹持轮速度控制为1m/min，为了得到如图4的中间体结构，拉制过程中还需要对第一层空气孔221和第二层空气孔222分别进行气压控制，控制第一层空气孔221的气压P0为99KPa，第二层空气孔222的气压P为103KPa。
(3)反共振光子晶体光纤预制棒的制备
将步骤(2)得到的中间体20套入内径为5.5mm、外径为14mm的第二套管232(如图5所示)中组合形成反共振光子晶体光纤预制棒。第一套管231和第二套管232在随后的拉制过程中形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤的石英包层13。
(4)反共振光子晶体光纤预制棒拉制前处理
用光纤显微镜测量步骤(2)得到的中间体20的正n边形对边的长度，在反共振光子晶体光纤预制棒的空气孔纤芯21中插入第二空气孔毛细管223(如图5所示)，使得第二空气孔毛细管223与空气孔包层22完全隔离，第二空气孔毛细管223的直径比正n边形对边的长度小20μm，第二空气孔毛细管223的占空比为0.9，第二空气孔毛细管223的插入深度为20cm。
(5)反共振光子晶体光纤预制棒的拉制
对步骤(4)得到的反共振光子晶体光纤预制棒进行拉制，拉制时，控制炉温为1920℃，第二空气孔毛细管223中的气压P1与空气孔包层22中的气压P2的比值为1.4。拉制结束后，采用双层涂覆材料对拉制后的光纤进行涂覆，内层为杨氏模量为150MPa的涂层材料、外层为杨氏模量为1300MPa的涂层材料，涂覆完成后，经紫外固化，形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤，其结构如图1和图7所示。具体制备工艺参数和所得光纤性能参数参见表1。
将1064nm的光源输入到长度为1m的有节点式空芯反共振光子晶体光纤中，在输出端采用CCD相机进行观察，将CCD接到电脑软件分析输出光斑的模式，结果见图6。从图6可以看出，本发明制备的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的传输模式好，具备保持单模传输的特点，这也从侧面反映出该光子晶体光纤的内部微结构一致性好。
实施例4
本实施例中提供的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法包括如下步骤：
(1)反共振光纤预制棒的制备
选取内径D为28mm的第一套管231，其占空比为0.74。根据本发明中的公式(2)和(3)，计算得到第一空气孔毛细管220的外径d为4.2mm，设定第一空气孔毛细管220的占空比为0.88。将选定的8个第一空气孔毛细管220按照正八边形排列方式置于第一套管231内，且每根第一空气孔毛细管220均与第一套管231的内壁相切。8个第一空气孔毛细管220形成第一层空气孔221，由位于第一层空气孔221外、第一套管231内的区域形成第二层空气孔222。第一层空气孔221和第二层空气孔222组成空气孔包层22。由第一层空气孔221中第一空气孔毛细管220外壁连接围成的区域构成空气孔纤芯21。空气孔纤芯21、空气孔包层22和第一套管231组成如图3所示的反共振光纤预制棒。
(2)中间体20的制备
将步骤(1)得到的反共振光纤预制棒拉制形成直径为4.7mm的中间体20。拉制过程中高温炉温度控制为1895℃，预制棒的进棒速度控制为10mm/min，牵引夹持轮速度控制为1m/min，为了得到如图4的中间体结构，拉制过程中还需要对第一层空气孔221和第二层空气孔222分别进行气压控制，控制第一层空气孔221的气压P0为98.9KPa，第二层空气孔222的气压P为104.8KPa。
(3)反共振光子晶体光纤预制棒的制备
将步骤(2)得到的中间体20套入内径为4.9mm、外径为15mm的第二套管232(如图5所示)中组合形成反共振光子晶体光纤预制棒。第一套管231和第二套管232在随后的拉制过程中形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤的石英包层13。
(4)反共振光子晶体光纤预制棒拉制前处理
用光纤显微镜测量步骤(2)得到的中间体20的正n边形对边的长度，在反共振光子晶体光纤预制棒的空气孔纤芯21中插入第二空气孔毛细管223(如图5所示)，使得第二空气孔毛细管223与空气孔包层22完全隔离，第二空气孔毛细管223的直径比正n边形对边的长度小20μm，第二空气孔毛细管223的占空比为0.89，第二空气孔毛细管223的插入深度为30cm。
(5)反共振光子晶体光纤预制棒的拉制
对步骤(4)得到的反共振光子晶体光纤预制棒进行拉制，拉制时，控制炉温为1955℃，第二空气孔毛细管223中的气压P1与空气孔包层22中的气压P2的比值为1.5。拉制结束后，采用双层涂覆材料对拉制后的光纤进行涂覆，内层为杨氏模量为170MPa的涂层材料、外层为杨氏模量为1400MPa的涂层材料，涂覆完成后，经紫外固化，形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤，其结构如图1和图7所示。具体制备工艺参数和所得光纤性能参数参见表1。
实施例5
本实施例中提供的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法包括如下步骤：
(1)反共振光纤预制棒的制备
选取内径D为21mm的第一套管231，其占空比为0.7。根据本发明中的公式(2)和(3)，计算得到第一空气孔毛细管220的外径d为4.8mm，设定第一空气孔毛细管220的占空比为0.9。将选定的8个第一空气孔毛细管220按照正八边形排列方式置于第一套管231内，且每根第一空气孔毛细管220均与第一套管231的内壁相切。8个第一空气孔毛细管220形成第一层空气孔221，由位于第一层空气孔221外、第一套管231内的区域形成第二层空气孔222。第一层空气孔221和第二层空气孔222组成空气孔包层22。由第一层空气孔221中第一空气孔毛细管220外壁连接围成的区域构成空气孔纤芯21。空气孔纤芯21、空气孔包层22和第一套管231组成如图3所示的反共振光纤预制棒。
(2)中间体20的制备
将步骤(1)得到的反共振光纤预制棒拉制形成直径为4.7mm的中间体20。拉制过程中高温炉温度控制为1905℃，预制棒的进棒速度控制为15mm/min，牵引夹持轮速度控制为1.3m/min，为了得到如图4的中间体结构，拉制过程中还需要对第一层空气孔221和第二层空气孔222分别进行气压控制，控制第一层空气孔221的气压P0为99.5KPa，第二层空气孔222的气压P为102.1KPa。
(3)反共振光子晶体光纤预制棒的制备
将步骤(2)得到的中间体20套入内径为5mm、外径为13mm的第二套管232(如图5所示)中组合形成反共振光子晶体光纤预制棒。第一套管231和第二套管232在随后的拉制过程中形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤的石英包层13。
(4)反共振光子晶体光纤预制棒拉制前处理
用光纤显微镜测量步骤(2)得到的中间体20的正n边形对边的长度，在反共振光子晶体光纤预制棒的空气孔纤芯21中插入第二空气孔毛细管223(如图5所示)，使得第二空气孔毛细管223与空气孔包层22完全隔离，第二空气孔毛细管223的直径比正n边形对边的长度小20μm，第二空气孔毛细管223的占空比为0.88，第二空气孔毛细管223的插入深度为20cm。
(5)反共振光子晶体光纤预制棒的拉制
对步骤(4)得到的反共振光子晶体光纤预制棒进行拉制，拉制时，控制炉温为1900℃，第二空气孔毛细管223中的气压P1与空气孔包层22中的气压P2的比值为1.6。拉制结束后，采用双层涂覆材料对拉制后的光纤进行涂覆，内层为杨氏模量为190MPa的涂层材料、外层为杨氏模量为1500MPa的涂层材料，涂覆完成后，经紫外固化，形成有节点式空芯反共振光子晶体光纤，其结构如图1和图7所示。具体制备工艺参数和所得光纤性能参数参见表1。
表1 实施例1-5的制备工艺参数和所得光纤性能指标
从上述实施例可知，本发明提供的有节点式空芯反共振光子晶体光纤在带隙中心值为1064nm处时具备光纤衰减小的优点。其中，最佳的实施例为实施例3，光纤最优衰减为3dB/m，可以代替目前的石英基传能光纤。同时，本发明提供的光纤具有保持单模传输和损伤阈值高的优点。此外，由于光线是在光纤的空气孔纤芯中传输的，因此采用本发明提供的光纤可以显著减小材料带来的热效应、非线性等不利影响。本发明提供的光纤为非线性频率转换、光纤传感检测、高功率脉冲压缩等前沿应用创造了一个高效率高灵敏度的理想平台，具有良好的应用前景。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (12)

1.一种有节点式空芯反共振光子晶体光纤，其由内至外依次包括空气孔纤芯(11)、空气孔包层(12)、石英包层(13)和涂覆层(14)；
其中，所述空气孔包层(12)包括均呈正n边形排列的第一层空气孔(121)以及位于所述第一层空气孔(121)外围的第二层空气孔(122)；所述第一层空气孔(121)由n个等腰三角形空气孔组成；所述第二层空气孔(122)由n个扇形空气孔组成；n≥3；
所述第一层空气孔(121)中的等腰三角形空气孔与所述第二层空气孔(122)中的扇形空气孔相互交错排列且相邻的等腰三角形空气孔和扇形空气孔共用边长L。
2.根据权利要求1所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤，其特征在于，所述共用边长L的长度为50-60μm。
3.根据权利要求1所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤，其特征在于，所述空气孔包层(12)的半径Rair为125-175μm；
所述空气孔纤芯(11)呈正n边形，所述空气孔纤芯(11)的半径Rcore为50-100μm；所述空气孔纤芯(11)的纤芯壁厚t为0.4-2.5μm。
4.根据权利要求1所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤，其特征在于，所述涂覆层包括内层涂覆层和外层涂覆层；所述内层涂覆层由杨氏模量为100MPa-200MPa的涂层材料组成，所述外层涂覆层由杨氏模量为1000MPa-1500MPa的涂层材料组成。
5.一种根据权利要求1所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法，其包括如下步骤：
S1，将反共振光纤预制棒拉制形成中间体(20)；所述反共振光纤预制棒由内至外依次包括空气孔纤芯(21)、空气孔包层(22)和第一套管(231)；所述空气孔包层(22)包括由位于所述第一套管(231)内且与所述第一套管(231)相切的呈正n边形排列的n个第一空气孔毛细管(220)组成的第一层空气孔(221)和由位于所述第一层空气孔(221)外、所述第一套管(231)内的区域组成的第二层空气孔(222)；n≥3；
S2，将所述中间体(20)套入第二套管(232)中组合形成反共振光子晶体光纤预制棒；
S3，对所述反共振光子晶体光纤预制棒进行光纤拉制，然后在其表面涂敷涂层材料，制得所述有节点式空芯反共振光子晶体光纤。
6.根据权利要求5所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述第一套管(231)的内径D为19-28mm，所述第一套管(231)的占空比为0.6-0.75；所述第一空气孔毛细管(220)的占空比为0.8-0.9。
7.根据权利要求5所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述拉制在1890-1920℃的温度下进行；在所述拉制的过程中，所述反共振光纤预制棒的进棒速度为5-15mm/min，牵引夹持轮速度为0.5-1.5m/min，所述反共振光纤预制棒中的第一层空气孔(221)中的气压P0＜所述反共振光纤预制棒中的第二层空气孔(222)中的气压P。
8.根据权利要求7所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述反共振光纤预制棒中的第一层空气孔(221)中的气压P0为98.5KPa-99.5KPa，所述反共振光纤预制棒中的第二层空气孔(222)中的气压P为101KPa-105KPa。
9.根据权利要求5所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述中间体(20)的结构满足：相邻的第一空气孔毛细管(220)之间相互接触，每个第一空气孔毛细管(220)均与所述第一套管(231)相切，且所述空气孔纤芯(21)呈正n边形；所述中间体(20)的直径为0.5-12mm。
10.根据权利要求5所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，在对所述反共振光子晶体光纤预制棒进行光纤拉制之前还包括如下步骤：在所述反共振光子晶体光纤预制棒的空气孔纤芯(21)中插入第二空气孔毛细管(223)，所述第二空气孔毛细管(223)的占空比为0.85-0.9，所述第二空气孔毛细管(223)的插入深度为20-30cm。
11.根据权利要求10所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，在所述光纤拉制的过程中，控制所述第二空气孔毛细管(223)中的气压P1＞所述空气孔包层(22)中的气压P2。
12.根据权利要求11所述的有节点式空芯反共振光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述第二空气孔毛细管(223)中的气压P1与所述空气孔包层(22)中的气压P2的比值为1.1-1.6。
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