CN110794510A - 一种可调谐等离子体光子晶体光纤装置 - Google Patents

一种可调谐等离子体光子晶体光纤装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调谐等离子体光子晶体光纤装置，包括光子晶体光纤、高压脉冲电源、保护电阻、高压电极、绝缘片、地电极、入射布鲁斯特窗和出射布鲁斯特窗。红外激光经入射布鲁斯特窗进入光子晶体光纤并从出射布鲁斯特窗射出，高压脉冲电源向高压电极施加脉冲电压，通过介质阻挡多孔放电的形式在充满惰性工作气体的空心孔内获得低温等离子体，实现填充等离子体的光子晶体光纤；通过改变高压电源脉冲参数、惰性工作气体的气压或者电极间距，能够调节等离子体的特征物理参数和气体温度，对光子晶体光纤的红外带隙特征进行宽范围调谐。本发明具备调谐连续、可重构、调谐频段宽、响应速度快的优点，在光学通信方面具有广阔的工业应用前景。

Description

一种可调谐等离子体光子晶体光纤装置
技术领域
本发明涉及等离子体技术和光子晶体技术领域，特别涉及了一种等离子体光子晶体光纤。
背景技术
光子晶体光纤又被称为微结构光纤，分为带隙型光子晶体光纤和折射率引导型光纤，在通信、传感、量子力学、医学等领域有广阔的应用前景。它的横截面上有较复杂的折射率分布，除了光纤芯区(也可以是气孔)外，通常在纤芯周围还含有周期性排列形式的空心孔(气孔)，这些空心孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度。光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播，具有损耗低、无限单模传输、高双折射和大模场面积等特性。
带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空心孔光子晶体包层的空芯石英光纤。因空心孔是周期性的排列分布在纤芯周围，使得包层横截面的折射率具有周期分布，从而出现光传播的布拉格衍射效应，构成光子带隙，即对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播。该光子带隙特征取决于空心孔阵列特征尺寸、排列方式和折射率。当光子晶体光纤一旦被制备出来，带隙特征也随之确定，因其结构固化、无法重构、无法调谐，不能作为光学开关或光学调制器。
为了解决上述问题，现有研究提出在光子晶体光纤中涂覆金、石墨烯或填充液体，通过控制外部条件(如电压、磁场和温度)调节填充物质的折射率，从而改变光子晶体光纤的光子带隙特征，实现光学传输可调谐。然而，这些方法都是将固体粉末或液体填充至空心孔内，存在工艺复杂、涂覆非均匀、无法重构、液体注入难等问题，使得可调谐的光子晶体光纤技术仍停留在实验室阶段，未能实现工业级应用。
在光子晶体光纤的空心孔内填充低温等离子体是一种新的可调谐方式。等离子体是除了气态、液态和固态之外的第四种物质状态，是由离子、电子与中性粒子集合组成且整体呈中性的物质状态。按照电子温度与离子温度的相对大小，可分为高温等离子体和低温等离子体。然而，实现可调谐等离子体光子晶体光纤将面临以下四个主要问题：(1)根据气体放电的帕邢定律，光子晶体光纤内空心孔的直径非常小(<50微米)，工作气体的击穿电压迅速升高；(2)红外光传输调谐要求所需等离子体的电子密度高(>1015cm-3)，常规气体放电方式难以实现；(3)在小尺寸高密度的低温等离子体条件下，光子晶体光纤的发热问题严重；(4)低温等离子体填充不易均匀，使得光子晶体光纤内光子带隙特征有较大差异性，影响红外光传输调谐效果。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种可调谐等离子体光子晶体光纤装置。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种可调谐等离子体光子晶体光纤装置，包括光子晶体光纤、高压脉冲电源、保护电阻、高压电极、绝缘片、地电极、入射布鲁斯特窗和出射布鲁斯特窗；所述光子晶体光纤的内部设有周期性排列的空心孔阵列，每个空心孔贯穿光子晶体光纤的两端且孔内充满惰性工作气体；所述入射布鲁斯特窗和出射布鲁斯特窗允许红外光透过，入射布鲁斯特窗和出射布鲁斯特窗分别置于光子晶体光纤的两端，并对这两个布鲁斯特窗与光子晶体光纤两端之间的空间进行密封；所述高压电极、绝缘片和地电极分别与光子晶体光纤的表面紧密接触，且绝缘片设置在高压电极与地电极之间，高压脉冲电源的输出端经保护电阻与高压电极电气连接，高压脉冲电源的接地端与地电极电气连接；红外激光经入射布鲁斯特窗进入光子晶体光纤并从出射布鲁斯特窗射出，高压脉冲电源向高压电极施加脉冲电压，通过介质阻挡多孔放电的形式在充满惰性工作气体的空心孔内获得低温等离子体，实现填充等离子体的光子晶体光纤；通过改变高压电源脉冲参数、惰性工作气体的气压或者高压电极与地电极的间距，能够调节等离子体的特征物理参数和气体温度，对光子晶体光纤的红外带隙特征进行宽范围调谐。
进一步地，所述空心孔阵列呈圆形、环形、矩形或五边形分布，空心孔的数量为3-120个，空心孔的内径为3-45μm；光子晶体光纤的纤芯为单芯或双芯，纤芯的直径为10-60μm，纤芯的材料为石英、纯硅或气孔；光子晶体光纤的截面直径小于1mm，光子晶体光纤的长度为80-200mm。
进一步地，两个布鲁斯特窗分别与光子晶体光纤垂直截面的倾斜角度为布鲁斯特角，窗口呈圆形，窗口材质为氟化钡、氟化镁、硒化锌或硅，窗口尺寸与光子晶体光纤的截面尺寸相匹配。
进一步地，所述惰性工作气体为氦气、氩气、氖气或氙气；光子晶体光纤内惰性工作气体的气压为1kPa-101kPa。
进一步地，所述高压电极和地电极为环状或螺旋状，电极对数为1-10，电极的材质为铜、铝或不锈钢，电极的直径为1-4mm；高压电极与地电极之间距离为10-80mm。
进一步地，所述绝缘片为圆环状或伞裙状，绝缘片的材质为石英、陶瓷、有机玻璃或环氧树脂，绝缘片的直径为5-20mm、厚度为0.5-3mm；绝缘片的数量为1-10片，且呈等间距排列。
进一步地，所述高压脉冲电源的极性为单极性或正负双极性，输出电压幅值为5-30kV，脉冲重复频率为1-30kHz，脉冲宽度为1-20μs，脉冲上升沿为0.1-2μs。
进一步地，所述保护电阻为无感耐高压电阻，阻值范围为200-900Ω，功率为0.3-2kW。
进一步地，该可调谐等离子体光子晶体光纤所调制的入射红外光的波长范围为4-16μm。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)相对于采用固态粉末或液体，本发明采用介质阻挡多孔放电，实现低温等离子体填充光子晶体光纤的微小空心孔，填充工艺简单；
(2)本发明中低温等离子体的产生与消失能够被外部高压脉冲电源控制，即“电控”，具有可重构、响应速度快的特点；
(3)本发明采用惰性气体、双电极结构和绝缘片，使得光子晶体光纤内的气体击穿电压降低；
(4)本发明采用高压脉冲电源驱动低温等离子体，能够产生具有高电子密度的等离子体，而且易于控制光子晶体光纤内的气体温度；
(5)本发明采用高压脉冲电源驱动介质阻挡多孔放电，使得低温等离子体填充均匀；
(6)本发明通过灵活调控高压脉冲电源参数或工作气体的气压或电极间距，能够在宽波长范围内连续调谐光子晶体光纤的红外带隙特征；
(7)本发明采用介质阻挡多孔放电结构和布鲁斯特窗，避免了电极结构设计给红外激光在光子晶体光纤内传输带来的激光散射或偏折等。
附图说明
图1为本发明实施例的整体示意图；
图2为本发明实施例的光子晶体光纤、电极与绝缘片的三维结构图；
图3为本发明实施例的光子晶体光纤的截面图；
图4为本发明实施例的红外带隙特征曲线图。
标号说明：1、红外激光器；2、入射布鲁斯特窗；3、惰性工作气体；4、石英；5、空心孔阵列；6、高压电极、7、绝缘片；8、地电极；9、出射布鲁斯特窗；10、分束镜；11、偏振态测量；12、光电倍增管；13、保护电阻；14、高压脉冲电源；15、纤芯。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明提出的一种可调谐等离子体光子晶体光纤装置，包括入射布鲁斯特窗2、惰性工作气体3、光子晶体光纤(含石英4、空心孔阵列5和纤芯15)、高压电极6、绝缘片7、地电极8、出射布鲁斯特窗9、保护电阻13、和高压脉冲电源14。为了配合该装置的实施，还设置了红外激光器1、分束镜10、偏振态测量仪11和光电倍增管12。如图2所示，光子晶体光纤为石英-空心孔带隙型，光纤内周期性排列了空心孔阵列5，空心孔贯穿于光纤两端，孔内充满了惰性工作气体3。光子晶体光纤两端外接布鲁斯特窗2、9，并端口密封，能将惰性工作气体3密封在光子晶体光纤内，该布鲁斯特窗允许红外激光入射和出射，能够滤除S偏振，使入射激光变成特定的p偏振。光子晶体光纤表面与高压电极6、地电极8和绝缘片7进行紧密接触。高压电极6通过保护电阻13电气连接至高压脉冲电源14的高压输出端，地电极8连接至高压脉冲电源14的接地端。采用惰性工作气体且合理设计两个电极结构与间距，能够降低击穿电压。从电气连接角度看，在高压电极与地电极之间存在两个并联支路，即含多孔阵列的光子晶体光纤和惰性工作气体的串联支路、光子晶体光纤周围空气与绝缘片的串联支路。在两个电极之间设置绝缘片，能够避免空气绝缘发生击穿造成两个电极间短路。高压脉冲电源具备快速的上升沿和多参数灵活可调的优势，能够提供比交流电源更高的击穿电压，产生具有高电子密度、温度可控、更均匀的多孔低温等离子体。因此，在电极上施加脉冲电压，通过介质阻挡多孔放电的形式，能够在充满惰性工作气体的空心孔内获得低温等离子体，实现填充等离子体的光子晶体光纤。通过改变高压脉冲电源参数或工作气体的气压或电极间距，能够调节等离子体的特征物理参数(如电子密度与等离子体尺寸)和气体温度，对光子晶体光纤的红外带隙特征进行宽范围调谐。
在本实施例中，所述空心孔阵列5呈圆形、环形、矩形或五边形分布，空心孔的数量为3-120个，空心孔的内径为3-45μm。光子晶体光纤的纤芯15为单芯或双芯，纤芯的直径为10-60μm，纤芯的材料为石英、纯硅或气孔；光子晶体光纤的截面直径小于1mm，光子晶体光纤的长度为80-200mm。如图3所示为空心孔阵列5呈圆形的光纤截面示意图。
在本实施例中，两个布鲁斯特窗2、9分别与光子晶体光纤垂直截面的倾斜角度为布鲁斯特角，窗口呈圆形，窗口材质为氟化钡、氟化镁、硒化锌或硅，窗口尺寸与光子晶体光纤的截面尺寸相匹配。
在本实施例中，惰性工作气体3为氦气、氩气、氖气或氙气；光子晶体光纤内惰性工作气体的气压为1kPa-101kPa。
在本实施例中，高压电极6和地电极8为环状或螺旋状，电极对数为1-10，电极的材质为铜、铝或不锈钢，电极的直径为1-4mm；高压电极6与地电极8之间距离为10-80mm。
在本实施例中，绝缘片7为圆环状或伞裙状，绝缘片7的材质为石英、陶瓷、有机玻璃或环氧树脂，绝缘片7的直径为5-20mm、厚度为0.5-3mm；绝缘片7的数量为1-10片，且呈等间距排列。
在本实施例中，高压脉冲电源14的极性为单极性或正负双极性，输出电压幅值为5-30kV，脉冲重复频率为1-30kHz，脉冲宽度为1-20μs，脉冲上升沿为0.1-2μs。
在本实施例中，保护电阻为无感耐高压电阻，阻值范围为200-900Ω，功率为0.3-2kW。
在本实施例中，该可调谐等离子体光子晶体光纤所调制的入射红外光的波长范围为4-16μm。
在本实施例中，红外激光器1采用Daylightüber Tuner，输出红外激光波长4-10μm。分束镜10采用Thorlabs的分束立方体，偏振态测量仪11采用hinds公司的高精度偏振态测量系统。光电倍增管12采用滨松的H10721-01纳秒快速响应型光电倍增管，用于检测激光辐射强度。
本实施例的工作过程如下：
在上述整个装置布置完毕的前提下，开启高压脉冲电源14，并将电源参数调整至上述参数范围内。在高压电极6上施加高压脉冲，发生介质阻挡多孔放电，能够在充满氦气的空心孔内获得较均匀的低温等离子体，实现填充低温等离子体的光子晶体光纤。开启与关闭高压脉冲电源14，能够控制低温等离子体的产生与消失。调节高压脉冲电源14的参数能够使得低温等离子体的电子密度在1016-1018cm-3内变化、气体温度在350-600K内变化。因此，调节高压脉冲电源14的参数能够改变低温等离子体的特征物理参数。如图4所示，当电子密度从1017cm-3上升至1018cm-3时，光子晶体光纤对应波长为7.2-8.8μm范围内的红外带隙特征发生明显改变，带隙中心频率偏移0.1μm。测试步骤如下：开启红外激光器1，达到稳定后，设定波长和扫描步长，输出红外激光，经过入射布鲁斯特窗2、光子晶体光纤和出射布鲁斯特窗9，抵达分束镜10。激光光束分成两束，一束进入光电倍增管12，另一束进入偏振态测量仪11。开启与关闭低温等离子体，根据光电倍增管和偏振态测量仪的输出信号，观测不同波长的红外激光的辐射强度和偏振态变化。通过改变高压脉冲电源14的参数调节低温等离子体的特征物理参数，实现红外激光在不同波长下的偏振态和辐射强度调节，达到宽范围可调谐的目的。因此，本发明具备填充等离子体较均匀、工艺简单、调谐方便、可重构的优点，能够作为红外光纤开关或红外调制器。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可调谐等离子体光子晶体光纤装置，其特征在于：包括光子晶体光纤、高压脉冲电源、保护电阻、高压电极、绝缘片、地电极、入射布鲁斯特窗和出射布鲁斯特窗；所述光子晶体光纤的内部设有周期性排列的空心孔阵列，每个空心孔贯穿光子晶体光纤的两端且孔内充满惰性工作气体；所述入射布鲁斯特窗和出射布鲁斯特窗允许红外光透过，入射布鲁斯特窗和出射布鲁斯特窗分别置于光子晶体光纤的两端，并对这两个布鲁斯特窗与光子晶体光纤两端之间的空间进行密封；所述高压电极、绝缘片和地电极分别与光子晶体光纤的表面紧密接触，且绝缘片设置在高压电极与地电极之间，高压脉冲电源的输出端经保护电阻与高压电极电气连接，高压脉冲电源的接地端与地电极电气连接；红外激光经入射布鲁斯特窗进入光子晶体光纤并从出射布鲁斯特窗射出，高压脉冲电源向高压电极施加脉冲电压，通过介质阻挡多孔放电的形式在充满惰性工作气体的空心孔内获得低温等离子体，实现填充等离子体的光子晶体光纤；通过改变高压电源脉冲参数、惰性工作气体的气压或者高压电极与地电极的间距，能够调节等离子体的特征物理参数和气体温度，对光子晶体光纤的红外带隙特征进行宽范围调谐。
2.根据权利要求1所述可调谐等离子体光子晶体光纤装置，其特征在于：所述空心孔阵列呈圆形、环形、矩形或五边形分布，空心孔的数量为3-120个，空心孔的内径为3-45μm；光子晶体光纤的纤芯为单芯或双芯，纤芯的直径为10-60μm，纤芯的材料为石英、纯硅或气孔；光子晶体光纤的截面直径小于1mm，光子晶体光纤的长度为80-200mm。
3.根据权利要求1所述可调谐等离子体光子晶体光纤装置，其特征在于：两个布鲁斯特窗分别与光子晶体光纤垂直截面的倾斜角度为布鲁斯特角，窗口呈圆形，窗口材质为氟化钡、氟化镁、硒化锌或硅，窗口尺寸与光子晶体光纤的截面尺寸相匹配。
4.根据权利要求1所述可调谐等离子体光子晶体光纤装置，其特征在于：所述惰性工作气体为氦气、氩气、氖气或氙气；光子晶体光纤内惰性工作气体的气压为1kPa-101kPa。
5.根据权利要求1所述可调谐等离子体光子晶体光纤装置，其特征在于：所述高压电极和地电极为环状或螺旋状，电极对数为1-10，电极的材质为铜、铝或不锈钢，电极的直径为1-4mm；高压电极与地电极之间距离为10-80mm。
6.根据权利要求1所述可调谐等离子体光子晶体光纤装置，其特征在于：所述绝缘片为圆环状或伞裙状，绝缘片的材质为石英、陶瓷、有机玻璃或环氧树脂，绝缘片的直径为5-20mm、厚度为0.5-3mm；绝缘片的数量为1-10片，且呈等间距排列。
7.根据权利要求1所述可调谐等离子体光子晶体光纤装置，其特征在于：所述高压脉冲电源的极性为单极性或正负双极性，输出电压幅值为5-30kV，脉冲重复频率为1-30kHz，脉冲宽度为1-20μs，脉冲上升沿为0.1-2μs。
8.根据权利要求1所述可调谐等离子体光子晶体光纤装置，其特征在于：所述保护电阻为无感耐高压电阻，阻值范围为200-900Ω，功率为0.3-2kW。
9.根据权利要求1所述可调谐等离子体光子晶体光纤装置，其特征在于：该可调谐等离子体光子晶体光纤装置所调制的入射红外光的波长范围为4-16μm。
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