CN112698439A - 一种中红外反谐振空芯光纤 - Google Patents

一种中红外反谐振空芯光纤 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种中红外反谐振空芯光纤，涉及光纤技术领域；中红外反谐振空芯光纤包括石英玻璃圆形外套管和多个分别内切于石英玻璃圆形外套管内壁的反谐振单元；多个反谐振单元呈旋转对称性间隔分布在石英玻璃圆形外套管的内壁上，并与石英玻璃圆形外套管熔接；多个反谐振单元围合形成纤芯；反谐振单元由不同直径的石英玻璃毛细管依次嵌套而成；石英玻璃毛细管两两内外相切并熔接；石英玻璃毛细管之间的切线位于反谐振单元的同一侧；石英玻璃毛细管的壁厚小于中红外反谐振空芯光纤的工作波长；工作波长为2～5μm；使得石英玻璃作为中红外光纤的制备材料成为现实，极大地降低了中红外光纤的造价，为中红外光纤的广泛应用提供了前提条件。

Description

一种中红外反谐振空芯光纤
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种中红外反谐振空芯光纤。
背景技术
中红外光在医疗、军事、遥感等领域都有重要应用。例如，2.94微米的Er:YAG激光器，由于2.94微米处于水吸收峰区，人体组织可以快速吸收并升温，且其作用深度潜，对人体创伤小，可以广泛用于除疤、打孔采血、切除手术等。由于中红外光纤配合中红外激光器可以大大提高使用的灵活性，因此中红外光纤将逐渐替代导光臂。
中国专利CN201110308714.5提供了一种中红外光纤，纤芯材料采用硫系玻璃、碲化物玻璃和氟化物玻璃等，因为这些中红外玻璃对中红外波段具有高透过率。中国专利CN201920352383.7提供了一种中空的中红外光纤，银、金或氧化锗设置在光纤内壁作为反射介质，光主要在中空管内传输，大大减小了光与介质的作用；虽然上述光纤都能用作中红外光纤，但是上述中红外光纤的制作材料都非常昂贵，严重的限制了中红外光纤的应用。
发明内容
本发明旨在解决现有中红外光纤造价昂贵的技术问题。
本发明的实施例提供了一种中红外反谐振空芯光纤，包括石英玻璃圆形外套管和多个分别内切于所述石英玻璃圆形外套管内壁的反谐振单元；
多个所述反谐振单元呈旋转对称性间隔分布在所述石英玻璃圆形外套管的内壁上，并与所述石英玻璃圆形外套管熔接；多个所述反谐振单元围合形成纤芯；所述反谐振单元由不同直径的石英玻璃毛细管依次嵌套而成；所述石英玻璃毛细管两两内外相切并熔接；所述石英玻璃毛细管之间的切线位于所述反谐振单元的同一侧；所述石英玻璃毛细管的平均壁厚小于所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长；所述工作波长为2～5μm。
石英玻璃价格低廉、性能优异，是制备光纤的常用材料，本发明的发明人人针对现有中红外光纤因采用硫系玻璃、碲化物玻璃和氟化物玻璃制备中红外光纤或者通过在光纤内壁设置银、金或氧化锗等反射介质的方式制备中红外光纤使得中红外光纤造价昂贵，严重限制中红外光纤应用的技术问题，以石英玻璃作为中红外光纤的制备材料，但是在实验过程中发现：简单地采用石英玻璃替换现有技术中的材料制作中红外光纤在测试光传输损耗值时，当光波长增加到2.5微米附近时光传输损耗快速上升，波长进一步增加则损耗急速上升，无法用于中红外光的传输。
针对上述简单地采用石英玻璃替换现有技术中的材料制作得到的中红外光纤无法用于中红外光的传输的技术难题，本发明的技术方案采用反谐振空芯光纤的骨架结构，以石英玻璃作为所述反谐振光纤结构中圆形外套管和毛细管的材料，并将所述毛细管的平均壁厚设置为小于所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长，上述技术特征协同配合，克服了上述技术难题，使得石英玻璃作为中红外光纤的制备材料成为现实，极大地降低了中红外光纤的造价，为中红外光纤的广泛应用提供了前提条件。
在一些优选地实施例中，所述纤芯的直径为150～650μm。
在一些优选地实施例中，所述反谐振单元的数量为15～65个。
在一些优选地实施例中，所述反谐振单元的平均外径为
Figure BDA0002867422470000031
其中，N为所述反谐振单元的数量，D为所述纤芯的直径。
在一些优选地实施例中，所述石英玻璃圆形外套管的外径不超过1100μm。
在一些优选地实施例中，所述石英玻璃毛细管的横截面为卵形；所述石英玻璃毛细管靠近所述圆形外套筒内壁一侧的曲率半径小于远离所述外套筒内壁一侧的曲率半径。
在一些优选地实施例中，所述石英玻璃毛细管的数量为2～4根。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明采用反谐振空芯光纤的骨架结构，以石英玻璃作为所述反谐振光纤结构中圆形外套管和毛细管的制备材料，并将所述毛细管的平均壁厚设置为小于所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长，上述技术特征协同配合，使得石英玻璃作为中红外光纤的制备材料成为现实，极大地降低了中红外光纤的造价，为中红外光纤的广泛应用提供了前提条件。
附图说明
图1是本发明实施例1中中红外反谐振空芯光纤的结构示意图。
图2是图1中红外反谐振空芯光纤中A部分的放大示意图。
图3是本发明实施例2中中红外反谐振空芯光纤的结构示意图。
图4是图3中红外反谐振空芯光纤中B部分的放大示意图。
图5是本发明实施例3中中红外反谐振空芯光纤的结构示意图。
图6是图5中红外反谐振空芯光纤中C部分的放大示意图。
图7是本发明实施例1中中红外反谐振空芯光纤的光损耗测量曲线。
其中，1、石英玻璃圆形外套管；2、反谐振单元；201、石英玻璃毛细管；3、纤芯。
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。
需要说明的是，本发明中的石英玻璃圆形外套管和石英玻璃毛细管均为纯石英玻璃制成。
实施例1
请参考图1和2，本实施例提供了一种中红外反谐振空芯光纤，包括石英玻璃圆形外套管1和30个分别内切于石英玻璃圆形外套管1内壁的反谐振单元2；30个反谐振单元2呈旋转对称性间隔分布在石英玻璃圆形外套管1的内壁上，并与石英玻璃圆形外套管1熔接；30个反谐振单元2等间距均匀分布；30个反谐振单元2围合形成纤芯3，即所述中红外反谐振空芯光纤的空心部分；反谐振单元2由两根不同外径的石英玻璃毛细管201依次嵌套而成，两根石英玻璃毛细管201内外相切并熔接；石英玻璃毛细管201的横截面的形状为圆形；石英玻璃毛细管201之间的切线位于反谐振单元2的同一侧；所述切线与所述中红外反谐振空芯光纤的横截面垂直；石英玻璃毛细管201的壁厚的平均值小于所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长；所述工作波长为2～5μm。
示例性地，在本实施例中，所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长为2.94μm；石英玻璃毛细管201的壁厚的平均值为2.2μm。
具体地，纤芯3的直径为150～650μm。
示例性地，在本实施例中，纤芯3的直径为D1为400μm，反谐振单元2的平均外径d1为40μm，反谐振单元2的平均外径d1与纤芯3直径D1之间的数学关系为：
Figure BDA0002867422470000051
作为本实施例的变形，纤芯3的直径还可以为150μm或者650μm。
具体地，石英玻璃圆形外套管1的外径为800μm。
作为本实施例的变形，反谐振单元2的数量还可以为15或者65个。
作为本实施例的变形，反谐振单元2还可以包括三根或者四根石英玻璃毛细管201；三根或者四根不同外径的石英玻璃毛细管201依次嵌套而成，且石英玻璃毛细管201内外相切并熔接。
对本实施例中的所述中红外反谐振空芯光纤进行光损耗值的测量，结果见图7。
由图7可知：当所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长为2.94μm，所述石英玻璃毛细管的平均壁厚为2.2μm时，所述中红外反谐振空芯光纤的光损耗值约为0.035dB/m，说明本实施例中的所述中红外反谐振空芯光纤可以较好的应用于中红外光的传输。
实施例2
请参考图3和4，本实施例提供了一种中红外反谐振空芯光纤，包括石英玻璃圆形外套管1和40个分别内切于石英玻璃圆形外套管1内壁的反谐振单元2；40个反谐振单元2呈旋转对称性间隔分布在石英玻璃圆形外套管1的内壁上，并与石英玻璃圆形外套管1熔接；40个反谐振单元2等间距均匀分布；40个反谐振单元2围合形成纤芯3，即所述中红外反谐振空芯光纤的空心部分；反谐振单元2由三根不同外径的石英玻璃毛细管201依次嵌套而成，三根石英玻璃毛细管201内外相切并熔接；石英玻璃毛细管201的横截面的形状为圆形；石英玻璃毛细管201之间的切线位于反谐振单元2的同一侧；切线与所述中红外反谐振空芯光纤的横截面垂直；石英玻璃毛细管201的壁厚的平均值小于所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长；所述工作波长为2～5μm。
示例性地，在本实施例中，所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长为3.5μm；石英玻璃毛细管201的壁厚的平均值为2.7μm。
具体地，纤芯3的直径为150～650μm。
示例性地，在本实施例中，纤芯3的直径为D2为400μm，反谐振单元2的平均外径d2为28μm，反谐振单元2的平均外径d2与纤芯3直径D2之间的数学关系为：
Figure BDA0002867422470000061
作为本实施例的变形，纤芯3的直径还可以为150μm或者650μm。
具体地，石英玻璃圆形外套管1的外径为700μm。
作为本实施例的变形，反谐振单元2的数量还可以为15或者65个。
作为本实施例的变形，反谐振单元2还可以包括两根或者四根石英玻璃毛细管201；两根或者四根不同外径的石英玻璃毛细管201依次嵌套而成，且石英玻璃毛细管201内外相切并熔接。
实施例3
请参考图5和6，本实施例提供了一种中红外反谐振空芯光纤，包括石英玻璃圆形外套管1和20个分别内切于石英玻璃圆形外套管1内壁的反谐振单元2；20个反谐振单元2呈旋转对称性间隔分布在石英玻璃圆形外套管1的内壁上，并与石英玻璃圆形外套管1熔接；20个反谐振单元2等间距均匀分布；20个反谐振单元2围合形成纤芯3，即所述中红外反谐振空芯光纤的空心部分；反谐振单元2由两根不同外径的石英玻璃毛细管201依次嵌套而成，两根石英玻璃毛细管201内外相切并熔接；石英玻璃毛细管201的横截面的形状为卵形；反谐振单元2中位于最外层的石英玻璃毛细管201横截面远离石英玻璃圆形外套管1的一侧的形状基本接近圆形；石英玻璃毛细管201之间的切线位于反谐振单元2的同一侧；所述切线与所述中红外反谐振空芯光纤的横截面垂直；石英玻璃毛细管201的壁厚的平均值小于所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长；所述工作波长为2～5μm。
示例性地，在本实施例中，所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长为4μm；石英玻璃毛细管201的壁厚的平均值为1μm。
具体地，纤芯3的直径为150～650μm。
示例性地，在本实施例中，为了减少所述中红外反谐振空芯光纤的光损耗值，纤芯3的直径为D3为200μm，反谐振单元2的平均外径为d3为31μm，反谐振单元2的平均外径d3与纤芯3直径D2之间的数学关系为：
Figure BDA0002867422470000071
Figure BDA0002867422470000072
需要说明的是，本实施例中的石英玻璃毛细管201的横截面的形状为卵形，石英玻璃毛细管201的外径d3以图6中所示的尺寸标记方式为准，进行测量。
作为本实施例的变形，纤芯3的直径还可以为150μm或者650μm。
具体地，石英玻璃圆形外套管1的外径为500μm。
作为本实施例的变形，反谐振单元2的数量还可以为15或者65个。
可以理解，在所述中红外反谐振空心光纤的实际拉制过程中，预设的圆形毛细管或多或少会发生变形，往往会变形成类似图6中的卵形，但基本不影响光纤性能；此外反谐振单元2的结构和尺寸不能保证完全一致，其排布方式不能保证严格按照旋转对称性，在小误差范围内则不影响所述中红外反谐振空芯光纤的使用性能。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
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 (7)

1.一种中红外反谐振空芯光纤，其特征在于，包括石英玻璃圆形外套管和多个分别内切于所述石英玻璃圆形外套管内壁的反谐振单元；
多个所述反谐振单元呈旋转对称性间隔分布在所述石英玻璃圆形外套管的内壁上，并与所述石英玻璃圆形外套管熔接；多个所述反谐振单元围合形成纤芯；所述反谐振单元由不同直径的石英玻璃毛细管依次嵌套而成；所述石英玻璃毛细管两两内外相切并熔接；所述石英玻璃毛细管之间的切线位于所述反谐振单元的同一侧；所述石英玻璃毛细管的平均壁厚小于所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长；所述工作波长为2～5μm。
2.如权利要求1所述的中红外反谐振空芯光纤，其特征在于，所述纤芯的直径为150～650μm。
3.如权利要求1所述的中红外反谐振空芯光纤，其特征在于，所述反谐振单元的数量为15～65个。
4.如权利要求1所述的中红外反谐振空芯光纤，其特征在于，所述反谐振单元的平均外径为
Figure FDA0002867422460000011
其中，N为所述反谐振单元的数量，D为所述纤芯的直径。
5.如权利要求1所述的中红外反谐振空芯光纤，其特征在于，所述石英玻璃圆形外套管的外径不超过1100μm。
6.如权利要求1所述的中红外反谐振空芯光纤，其特征在于，所述石英玻璃毛细管的横截面为卵形；所述石英玻璃毛细管靠近所述圆形外套筒内壁一侧的曲率半径小于远离所述外套筒内壁一侧的曲率半径。
7.如权利要求1所述的中红外反谐振空芯光纤，其特征在于，所述石英玻璃毛细管的数量为2～4根。
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Address after: 430000 Anyang laser high power ultrafast fiber laser production base project (all for self use), No. 101 fiber building / unit, No. 1-3 floor workshop, No. 6, photoelectric Park Second Road, zuoling street, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan, Hubei Province

Applicant after: Wuhan Anyang Laser Technology Co.,Ltd.

Address before: Room 253, 2nd floor, building 1, phase I optoelectronic supporting industrial park, 117 zuoling Road, zuoling Town, China (Hubei) free trade zone, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan, Hubei 430000

Applicant before: WUHAN YANGTZE SOTON LASER Co.,Ltd.

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GR01 Patent grant
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