CN110320591A - 一种基于表面微结构的单晶激光光纤及其制作方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于表面微结构的单晶激光光纤及其制作方法与应用。通过单晶光纤表面微纳结构的设计和加工，可以有效降低纤芯尺寸，大幅度降低光波导模数，实现对传输光束的有效约束，完全取代玻璃光纤的传统工艺路线。该结构可以通过飞秒激光、离子注入或化学腐蚀等材料改性方法加工而成，不同形状的微结构均可实现高效的光波导性能，通过改变微结构加工深度与加工线宽可以有效调整光波导模数。本发明可以避免包层涂覆带来的能量损失，制备效率更高，重复性更好，可控性更优。在光波导模数控制以及单模光波导，在远距离信息通讯以及高能激光领域有着重要的应用前景。

Description

一种基于表面微结构的单晶激光光纤及其制作方法与应用

技术领域

本发明涉及一种新型的表面微结构包层的全单晶激光光纤，属于新材料和激光技术领域。

背景技术

单晶光纤是一种新型的一维功能晶体材料，它拥有玻璃光纤的高长径比和大比表面积特点，具有散热好、效率高、热管理简单等优势；材质本身来源于性能优异的单晶材料，具有热导率高、红外透过性好、损伤阈值高、非线性效应低等优点。因此，单晶光纤在高功率光纤激光领域，特别是红外光纤激光领域具有重大应用前景，将在军事、信息通讯、材料加工、医疗等领域具有重大应用价值。

目前激光单晶光纤的概念、设计、结构及制作等，都全部直接借鉴和延续了传统玻璃光纤的技术工艺，在端面抛光、包层制备以及器件耦合等方面存在一定的失配性，在一定程度上增加了单晶光纤器件的能量损耗。单晶光纤器件的发展是小型化与集成化，这一目标离不开超细直径单晶光纤的制备，更离不开相关加工工艺的开发，其中光纤熔接与光纤包层技术便是其中的重点。目前商品化光纤光栅的基质主要为玻璃光纤，在晶体光纤中直接进行光栅的制备仍存在较大的困难，晶体光纤器件中的光栅结构必须通过晶体光纤与玻璃光纤的熔接来获得，然而熔接区域将会造成较大的损耗，降低器件效率。光纤包层的意义在于其可以通过降低光纤外部的折射率实现光纤内部光束的全反射，提高光波导效率。对玻璃光纤而言，在光纤外部制备与纤芯具有折射率差值的二氧化硅包层，进而实现全反射是目前获得高效光波导的主要方法，但这种方法并不适用于晶体光纤，这是因为传统的二氧化硅包层虽然可以实现表面包覆，包层与纤芯折射率以及热学性质相差较大，光纤内部会出现严重的热效应，极大程度上降低了光纤的传输效率与使用寿命。因此，优化晶体光纤加工工艺，发展模块化的光栅结构，实现高效的包层结构迫在眉睫。

国内外的研究团队针对晶体光纤包层也进行了一系列研究，主要的制备方法有溶胶凝胶法、磁控溅射法、液相外延法与离子注入法。溶胶凝胶法制备光纤包层是通过将包层材料的前驱体溶液涂覆到晶体光纤表面，通过高温烧结形成致密的晶态包层，该方法成本低，操作简便，但包层均匀性及包层制备效率较低。Chien-Chih Lai等人于2014年报道了利用溶胶凝胶法对直径40μm的Ti:Al₂O₃单晶光纤进行了晶态Al₂O₃的包层制备，实现了纤芯内部的全反射。2018年Jason D.Myers等人报道了使用磁控溅射法进行YAG单晶光纤的包层制备，将处理后的YAG光纤放置在沉积室中，同时使用多个高纯度YAG溅射靶来提高包层速率并实现包层的均匀覆盖。这一过程通常会持续数百个小时，包层厚度一般为20-30nm，这一方法制备的包层致密性较好包层内部无明显的气孔等缺陷，但制备速率较慢。2018年，美国陆军实验室报道了通过液相外延法在Yb:YAG单晶光纤表层制备一层致密的YAG晶体包层，将纳米级Y₂O₃和Al₂O₃粉末加入助熔剂中，将包层生长温度保持在900-1150℃。此种方法制备的包层厚度可以通过生长时间来进行调控，范围在1-150μm左右，包层区域受坩埚尺寸限制。因此，单晶光纤拥有着优异的综合性能，但单晶光纤的全反射以及单/双包层结构加工工艺仍不成熟，成为目前制约单晶光纤激光发展的瓶颈之一。特别是在单晶光纤的包层制备环节，目前仍未获得高效高质的成熟可靠技术，导致工艺路线复杂、重复性差、损耗高等严重问题。

此外，中国专利文件CN103412366A公开一种蓝宝石光子晶体光纤及其制备方法，蓝宝石光子晶体光纤包括纤芯和包层。纤芯由位于光纤中心部位的实心层三氧化二铝构成，包层为包围纤芯外围呈周期性分布的空洞阵列结构，空洞阵列结构为周期性分布的微型凹槽结构，空洞阵列结构之间有实心层三氧化二铝。该晶体光纤是通过飞秒激光微爆加工，在纤芯周围加工周期性孔道，形成光子禁带，从而实现纤芯内部的全反射。但是，其只能在晶体制备过程中实现周期性孔道的加工，无法对已制备得到的晶体进行灵活加工处理进而实现光束在纤芯内部全反射，大大限制了应用范围。

发明内容

针对现有技术的不足，尤其是传统的异质包层不仅制备工艺路线复杂、重复性差、损耗高的问题；而且光纤内部会出现严重的热效应，从而降低光纤的传输效率与使用寿命。本发明摒弃了在单晶光纤表面制备异质包层材料的复杂的、稳定性差的传统思路，提出在单晶光纤中采用超快激光微纳加工技术，直接设计和制作光波导微结构及耦合光栅等思路，从而同步实现芯径控制、模式控制、比表面积控制等，同质单晶材料微结构模式下的单晶光纤材料的制备。本发明可以在无外加包层的条件下实现高效率的光波导，同时降低光纤的热效应以及光导波模数。

本发明的技术方案如下：

一种基于表面微结构的单晶激光光纤，包括纤芯和纤芯表面的微结构包层；

所述的纤芯和微结构包层的材质相同，所述的微结构包层可实现纤芯内部光束的全反射。

根据本发明，优选的，所述的微结构包层为纤芯表面均匀分布的阵列，进一步优选，周期性分布的阵列；所述的阵列的光束折射率小于纤芯的光束折射率。

根据本发明，优选的，所述的阵列为增向阵列或减向阵列。

根据本发明，优选的，所述的增向阵列为均匀分布在纤芯表面的微纳阵列；以光纤为纤芯，与纤芯相同的材质原料为原料，通过增材的方式得到周期排布的增向阵列。

根据本发明，优选的，所述组成增向阵列的微结构为微米尺寸，沿光纤轴线以及圆周方向均匀分布，阵列间距<100μm。

根据本发明，优选的，所述的减向阵列为均匀分布在纤芯表面的凹槽；以光纤为基材，在光纤表面均匀开槽，获得周期性排布的凹槽，光纤轴心处没有凹槽延伸的部分为纤芯。

根据本发明，优选的，所述的凹槽的端面形状为矩形，凹槽深度1～500μm，凹槽宽度为1～200μm；进一步优选的，凹槽围绕纤维周面均匀分布，环绕纤芯一周的凹槽的个数为≥8个，由于凹槽的尺寸可以达到微米级别，因此其可在纤芯表面进行十分密集的排布，凹槽分布越密集，光束在纤芯中全反射效果越好。即：环绕纤芯一周的凹槽的个数不应太少，太少则凹槽太过稀疏，影响全反射的效果；沿纤芯轴向的相邻凹槽间距也不能太大，间距太大同样导致凹槽太过稀疏，同样影响全反射的效果。

根据本发明，优选的，所述的凹槽的端面形状为V形，凹槽深度为1～500μm，V形的角度为1～90度；进一步优选的，凹槽围绕纤维周面均匀分布，环绕纤芯一周的凹槽的个数为≥8个。

根据本发明，优选的，所述的凹槽的端面形状为抛物面形，凹槽深度为1～500μm，抛物面的中线宽度为1～200μm；进一步优选的，凹槽围绕纤维周面均匀分布，环绕纤芯一周的凹槽的个数为≥8个。

根据本发明，优选的，所述的凹槽的端面形状为梯形，所述梯形的上底为圆弧，凹槽深度为1～500μm，梯形的中线宽度为1～200μm；进一步优选的，凹槽围绕纤维周面均匀分布，环绕纤芯一周的凹槽的个数为≥8个。

根据本发明，优选的，所述的单晶激光光纤的直径为10-1000μm。

根据本发明，优选的，所述的单晶激光光纤的端面形状为圆形或多边形。

根据本发明，优选的，所述的单晶激光光纤的材料为氧化物、氟化物；进一步优选蓝宝石、YAG、LuAG、CGA、ZrO₂、Lu₂O₃、Y₂O₃、Sc₂O₃、HfO₂、LYF、LiLuF₄等。

根据本发明，优选的，所述的单晶激光光纤的长度为0.5～100cm；

根据本发明，微结构包层实现全反射的原理为降低边缘位置的折射率，通过设置增向阵列或减向阵列的方式实现。微结构包层的形状与数量可以依据纤芯材料折射率的不同进行改变。

根据本发明，优选的，采用减向阵列的方式得到微结构包层的加工方法为飞秒激光、化学腐蚀等材料剔除方法；通过微结构的设置，纤芯直径可以降低70％以上，纤芯内部光波导模数将大幅降低。

根据本发明，优选的，采用增向阵列的方式得到微结构包层的加工方法为浸涂法、磁控溅射法等增材制造方法。

本发明所述凹槽端面形状的中线是指位于凹槽深度轴线中间位置处的宽度。

根据本发明，所述的表面微结构的单晶光纤在传感、通讯、高能激光领域中的应用。

本发明中未详尽说明的，均按现有技术。

本发明的有益效果：

1、本发明的微结构包层加工的整个过程中只有基质材料本身的参与，在没有包层结构耦合的条件下实现了单模的光波导，降低了包层耦合带来的损耗；相较于传统的异质包层，光纤微结构制备效率更高、重复性更好；晶体光纤微结构可以实现光纤纤芯尺寸的调整，将非常有利于单晶光纤激光模式和激光质量的控制。

2、本发明通过表面微结构的设计实现光纤内部的全反射，无需进行传统异质包层的制备，避免了涂覆包层工艺复杂、重复性差、失配度大、及包层与光纤耦合效率低引起的热效应等缺陷。

3、本发明的基于表面微结构的单晶激光光纤可以降低纤芯直径，从而可以大幅降低光波导的模数。光纤表面微结构制备效率高、重复性好、可设计性好，不受晶体光纤尺寸以及反应容器限制。

4、本发明对单晶光纤外形均匀性以及整体晶体质量要求较低，仅需要中间纤芯处有较好的光学均匀性即可。在光波导模数控制以及单模光波导，在远距离信息通讯以及高能激光领域有着重要的应用前景。

附图说明

图1为实施例1中基于表面微结构的单晶激光光纤端面图。

图2为实施例2中基于表面微结构的单晶激光光纤端面图。

图3为实施例13中基于表面微结构的单晶激光光纤端面图。

图4为试验例1中浅加工、不同加工线宽时的微结构形貌以及光波导模数模拟图。

图5为试验例1中加工、不同加工线宽时的微结构形貌及光波导模拟图。

图6为试验例1中深加工、不同加工线宽时微结构形貌及光波导模拟图。

具体实施方式

为了使发明目的，技术方案及优点更加明确，以下将结合实施例对本发明进行进一步说明，此处的实施例仅为了解释本发明，并不限于本发明。

实施例1

如图1所示，利用飞秒激光在直径d＝10μm、长度10cm的蓝宝石单晶光纤上进行微结构加工，即：在单晶光纤的表面均匀开取凹槽，凹槽端面形状为抛物面形，凹槽深度a＝1μm，抛物面的中线宽度为b＝0.2μm；凹槽间距相等，环绕纤芯一周的凹槽加工个数为8个。

实施例2，

如图2所示，利用飞秒激光在直径d＝10μm、长度10cm的蓝宝石单晶光纤上进行微结构加工，即：在单晶光纤的表面均匀开取凹槽，凹槽端面形状为矩形，凹槽深度a＝1μm，凹槽宽度b＝0.2μm；凹槽间距相等，环绕纤芯一周的凹槽加工个数为8个。

实施例3

如实施例2所述，不同之处在于凹槽加工宽度b＝0.4μm。

实施例4

如实施例2所述，不同之处在于凹槽加工宽度b＝0.6μm。

实施例5

如实施例2所述，不同之处在于凹槽加工深度a＝2μm。

实施例6

如实施例5所述，不同之处在于凹槽加工宽度b＝0.4μm。

实施例7

如实施例5所述，不同之处在于凹槽加工宽度b＝0.6μm。

实施例8

如实施例2所述，不同之处在于凹槽加工深度a＝4μm

实施例9

如实施例8所述，不同之处在于凹槽加工宽度b＝0.4μm。

实施例10

如实施例8所述，不同之处在于凹槽加工宽度b＝0.6μm。

实施例11

如实施例2所述，不同之处在于所述的凹槽的端面形状为V形，凹槽深度为a＝4μm，V形的角度为30度；凹槽间距相等，环绕纤芯一周的凹槽个数为8个，光纤材质采用YAG单晶光纤。

实施例12

如实施例2所述，不同之处在于所述的凹槽的端面形状为梯形，所述梯形的上底为圆弧，，凹槽深度为a＝4μm，梯形的中线宽度为b＝0.6μm；凹槽间距相等，环绕纤芯一周的凹槽个数为8，光纤材质采用LYF。

实施例13

如图3所示，将直径10μm的蓝宝石光纤浸涂到熔融的铝水中，随后进行阳极氧化在光纤表面形成纳米多孔氧化铝阵列。该阵列沿光纤轴向以及圆周方向均匀分布，阵列高度a＝4μm，阵列宽度b＝0.2μm；阵列间距相等，环绕纤芯一周的阵列个数为12个。

对比例1

对直径10μm的蓝宝石单晶光纤不进行微结构加工，直接进行光波导模式的模拟。

试验例1

测试实施例1-13对比例1的光波导模数，结果如表1所示。其中实施例1-4为浅加工(凹槽深度为1μm)模拟结果如图4所示、实施例5-7为中加工(凹槽深度为2μm)，模拟结果如图5所示，实施例8-12为深加工(凹槽深度为4μm)，模拟结果如图6所示。

表1

从表1中可以看到，本发明的微结构均可以有效降低光波导模数。对同样尺寸的样品而言，通过设置减向阵列的方式得到的微结构可以降低纤芯直径，不同的凹槽形状均可以实现良好的光波导效应，光波导模数约束效果更加明显，设置增向阵列的方式制备工艺更加快捷、高效。但微结构尺寸的不同会在一定程度上影响纤芯内部的光波导模数，可以用于进行光波导模数的调节与优化。

试验例2

对实施例1-10以及对比例1进行光损耗的测试，利用相同功率的氦氖激光通过待测样品，记录穿过样品后的功率与入射功率的比值，测试结果如表2所示。

表2

由表2可知，微结构的制备可以实现光纤内部的全反射，极大程度的避免了传输过程中的光学损耗。

Claims (10)

1.一种基于表面微结构的单晶激光光纤，其特征在于，所述单晶激光光纤包括纤芯和纤芯表面的微结构包层；

所述的纤芯和微结构包层的材质相同，所述的微结构包层可实现纤芯内部光束的全反射。

2.根据权利要求1所述的基于表面微结构的单晶激光光纤，其特征在于，所述的微结构包层为纤芯表面均匀分布的阵列；优选，周期性分布的阵列；所述的阵列的光束折射率小于纤芯的光束折射率。

3.根据权利要求2所述的基于表面微结构的单晶激光光纤，其特征在于，所述的阵列为增向阵列或减向阵列。

4.根据权利要求3所述的基于表面微结构的单晶激光光纤，其特征在于，所述的增向阵列沿光纤径向以圆周方向均匀分布，阵列间距<100μm；以光纤为纤芯，与纤芯相同的材质原料为原料，通过增材的方式得到周期排布的增向阵列；

所述的减向阵列为均匀分布在纤芯表面的凹槽；以光纤为基材，在光纤表面均匀开槽，获得周期性排布的凹槽，光纤轴心处没有凹槽延伸的部分为纤芯。

5.根据权利要求4所述的基于表面微结构的单晶激光光纤，其特征在于，所述的凹槽的端面形状为矩形，凹槽深度1～500μm，凹槽宽度为1～200μm；优选的，凹槽围绕纤维周面均匀分布，环绕纤芯一周的凹槽的个数为≥8个。

或者，所述的凹槽的端面形状为V形，凹槽深度为1～500μm，V形的角度为1～90度；凹槽围绕纤维周面均匀分布，环绕纤芯一周的凹槽的个数为≥8个。

或者，所述的凹槽的端面形状为抛物面形，凹槽深度为1～500μm，抛物面的中线宽度为1～200μm；凹槽围绕纤维周面均匀分布，环绕纤芯一周的凹槽的个数为≥8个。

或者，所述的凹槽的端面形状为梯形，所述梯形的上底为圆弧，凹槽深度为1～500μm，梯形的中线宽度为1～200μm；凹槽围绕纤维周面均匀分布，环绕纤芯一周的凹槽的个数为≥8个。

6.根据权利要求1所述的基于表面微结构的单晶激光光纤，其特征在于，所述的单晶激光光纤的直径为10-1000μm；优选的，所述的单晶激光光纤的端面形状为圆形或多边形。

7.根据权利要求1所述的基于表面微结构的单晶激光光纤，其特征在于，所述的单晶激光光纤的材料为氧化物或氟化物；优选蓝宝石、YAG、LuAG、CGA、ZrO₂、Lu₂O₃、Y₂O₃、Sc₂O₃、HfO₂、LYF或LiLuF₄。

8.根据权利要求1所述的基于表面微结构的单晶激光光纤，其特征在于，所述的单晶激光光纤的长度为0.5～100cm。

9.权利要求1-8任一项所述的基于表面微结构的单晶激光光纤的制备方法，采用减向阵列的方式得到微结构包层，加工方法为飞秒激光或化学腐蚀来实现材料剔除的方法；

或者，采用增向阵列的方式得到微结构包层，加工方法为浸涂法或磁控溅射法来实现增材的方法。

10.权利要求1-8任一项所述的基于表面微结构的单晶激光光纤在传感、通讯、高能激光领域的应用。