CN113325509B - 基于微结构光纤的光纤多通池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微结构光纤的光纤多通池。本发明包括微结构光纤，光纤绕组芯，金属外壳，激光耦合透镜和气管。所述的微结构光纤采用抗弯曲反谐振微结构光纤，其中的内包层管为双层管形式，且在该内包层管中贯穿有横杆，实现对光束的横向约束，从而抑制光纤的弯曲损耗。收益于抗弯曲反谐振微结构光纤低弯曲损耗的特性，光纤多通池的光程可增加到千米级别，远超传统多通池；微结构光纤实现了对光束的横向约束，光束在长距离传输后不会改变横截面；光束在光纤内传输相比较传统多通池的镜片反射具有更高的稳定性，从而可以应用在运动更为剧烈的环境。

Description

基于微结构光纤的光纤多通池
技术领域
本发明涉及激光光谱技术领域，提出了一种基于微结构光纤的光纤多通池。
背景技术
随着激光器的发展，激光光谱技术的研究已经成为国际上研究的热点，激光光谱技术由于其灵敏度高、响应速率快、检测限低等特点已经广泛应用于医疗、军事、环境保护等众多领域。多通池，作为一种在有限体积内增加激光和探测气体作用距离的器件，在激光光谱技术领域中起重要作用。
目前，激光光谱技术中用到的多通池是基于光学镜片反射的光学多通池，主要依靠精密的光学镜片，实现在特定空间内光束的多次反射，可以使光束与气体的相互作用光程增加，从而实现更精确的测量和更低的探测极限。然而，目前这种多通池存在以下缺点：首先，多通池的光程增加依赖于光学镜片的设计，对镜片的位置非常敏感，因此，对环境温度、振动表现出不稳定的特性；其次，在多通池内传输的光束在横截面方向没有受到约束，光束发散不可避免，传输光斑越来越大，限制了光程的增大；最后，这种多通池采用光学镜片反射的方法来增加光程，光束在镜片上的多次反射使得光束的损耗也非常大。
抗弯曲反谐振微结构光纤属于反谐振光纤，其导光原理是反谐振导光机理，即通过增强入射光在遇到包层薄壁时的反射，将光尽可能地束缚在纤芯中。由于反谐振导光机理基于空气和光纤介质(通常为石英玻璃)的界面反射，光纤介质和空气的折射率差很大(石英玻璃和空气折射率相差0.45左右)，保证了在光纤弯曲时仍能保持导光。相对于用于通讯的普通单模光纤，由于导光原理是基于高折射纤芯和光纤包层的全反射机理，而纤芯折射率和包层折射率相差极低(0.005左右)，在弯曲情况下很容易发生模式泄露导致很大损耗。
传统的反谐振微结构光纤，如图1a所示，存在多个导光模式：其一是光能量集中于中心的基模，其模场分布如图1b所示，该模式光纤传输损耗最低，有效折射率最低；其二是光能量集中于包层管的包层管模式，其模场分布如图1c所示，该模式光纤传输损耗比基模大，有效折射率也比基模大。当光纤发生弯曲时，光纤纤芯基模的有效折射率快速增加，包层管模式的有效折射率增加较慢，弯曲到一定程度，两个模式的有效折射率相等，此时光纤纤芯模式和包层管模式发生耦合，光纤纤芯的光会泄露到包层管中，进而产生较高的传输损耗。
发明内容
本发明的目的是解决现有激光光谱气体检测系统中多通池的光路调节困难且容易受到干扰的问题，提供了一种具有抗弯曲损耗效果的抗弯曲反谐振微结构光纤，并基于抗弯曲反谐振微结构光纤提出了一种微结构光纤多通池。
本发明包括微结构光纤，光纤绕组芯，金属外壳，激光耦合透镜和气管。
在金属外壳上开有进光孔和出光孔，所述的进光孔和出光孔上安装有所述激光耦合透镜，分别用于将激光导入和导出微结构光纤的光纤纤芯；
在金属外壳上开有进气孔和出气孔，所述的进气孔和出气孔上安装有所述气管，分别用于将气体导入和导出微结构光纤的光纤纤芯；
所述的微结构光纤均匀地缠绕在所述光纤绕组芯上，其两端分别连接进光孔处的耦合透镜和出光孔处的耦合透镜；
所述的微结构光纤采用抗弯曲反谐振微结构光纤，其中的内包层管为双层管形式，且在该内包层管中贯穿有横杆，实现对光束的横向约束，从而抑制光纤的弯曲损耗。
优选的，所述的微结构光纤的两端用超声波光纤切割刀切平，采用陶瓷保护套保护后分别与激光耦合透镜相连接。
优选的，可通过控制所述光纤绕组芯的半径大小来控制微结构光纤的弯曲半径。
优选的，所述的内包层管有六个，均匀布置在外包层中。
本发明提出了一种抗弯曲反谐振微结构光纤，并将此微结构光纤应用在激光光谱技术领域，首先，收益于抗弯曲反谐振微结构光纤低弯曲损耗的特性，光纤多通池的光程可增加到千米级别，远超传统多通池；其次，微结构光纤实现了对光束的横向约束，光束在长距离传输后不会改变横截面；最后，光束在光纤内传输相比较传统多通池的镜片反射具有更高的稳定性，从而可以应用在运动更为剧烈的环境。
附图说明
图1a是传统的反谐振微结构光纤的结构示意图；
图1b是光能量位于中心时的模场分布；
图1c是光能量集中于包层管时模场分布；
图2是抗弯曲反谐振微结构光纤结构图；
图3是传统的反谐振微结构光纤以及抗弯曲反谐振微结构光纤的弯曲损耗曲线；
图4是微结构光纤多通池的结构示意图；
图5是微结构光纤多通池的截面图。
具体实施方式
结合图例说明本发明的具体实施方式。
本发明包括微结构光纤，光纤绕组芯，金属外壳，激光耦合透镜，进、出气管。激光耦合透镜和进、出气管分别安装金属外壳的进、出光孔和进、出气孔处。微结构光纤的出口和入口端用超声波光纤切割刀切平，采用陶瓷保护套保护后分别与多通池机械外壳上进光口和口处设置的激光耦合透镜相连接。激光耦合透镜用于将外界激光光束耦入和耦出微结构光纤内部，进、出气管用于将气体导入与导出微结构光纤，激光与气体在微结构光纤纤芯处发生相互作用。
所述的微结构光纤均匀的缠绕在光纤绕组芯上，通过控制光纤绕组芯的半径大小来控制微结构光纤的的弯曲半径。金属外壳用于将激光耦合透镜，光纤绕组芯，微结构光纤，进、出气孔相连接并固定。
本发明所选用的微结构光纤为抗弯曲反谐振微结构光纤，在该微结构光纤内部有特殊结构，可以抑制光纤的弯曲损耗。下面对抗弯曲反谐振微结构光纤的优越性进行阐述。本发明所选用的微结构光纤为抗弯曲反谐振微结构光纤，其结构如图2所示，光纤基模的光能量集中于外包层8.4的中心8.1，光纤传输损耗最低，有效折射率最低；由于内包层管是双层管结构，包括第一层管8.2和第二层管8.3，同时横杆8.5贯穿第一层管8.2和第二层管8.3，因此不存在折射率很接近光纤基模的模式，当光纤弯曲时，光纤基本保持独立存在，不会发生和包层管模式的耦合，从而实现了抗弯曲的特性。
实施例，如图4和图5所示：微结构光纤多通池装置包括：进气管1.1、出气管2.1，激光耦合透镜3.1、4.1，金属外壳5，微结构光纤8，光纤绕组芯9和光纤绕组座10。进、出气管和激光耦合透镜分别安装金属外壳5的进、出气孔1、2和进、出光孔3、4处。
微结构光纤8的出口和入口端用超声波光纤切割刀切平，采用陶瓷保护套6、7保护后分别与多通池金属外壳5上进、出光口3、4处设置的激光耦合透镜3.1、4.1相连接。
激光耦合透镜3.1、4.1用于将外界激光光束耦入和耦出微结构光纤8的纤芯处，进、出气管1.1、2.1用于将气体导入与导出微结构光纤8的纤芯处，激光与气体在微结构光纤8的纤芯处发生相互作用。
微结构光纤8均匀的缠绕在半径为3cm光纤绕组芯9上，通过控制光纤绕组芯9的半径大小来控制微结构光纤8的弯曲半径。
金属外壳5用于将激光耦合透镜3.1、4.1，光纤绕组芯9、光纤绕组座10，进、出气孔1.1、2.1、以及光纤端口处的陶瓷保护台6、7相连接并固定。
本实施例选用的微结构光纤8结构如图2所示，该光纤内部由六个内包层管组成，在内包层管内部有圆管和贯穿支撑杆内部结构，可以有效抑制光纤纤芯模式与包层管模式耦合，减小激光的传输损耗。管壁、圆管和支撑杆的厚度都为t＝(m-0.5)λ/2(n1 2-n0 2)1/2，其中λ为入射光波长，n1为微结构光纤的折射率，n0为空气折射率，m为任意整数。选用波长为λ＝1.55μm，包层管壁、圆管和支撑杆厚度则都为1.12μm，如图3中曲线(b)所示，弯曲半径为3cm时，弯曲损耗为2.06×10-4(dB/m)，损耗明显低于反谐振微结构光纤，见曲线(a)。当微结构光纤长度为1000m，将微结构光纤均匀的缠绕在光纤绕组芯上，其可达的光程长度为1000m。

Claims (3)

1.基于微结构光纤的光纤多通池，包括微结构光纤，光纤绕组芯，金属外壳，激光耦合透镜和气管，其特征在于：
在金属外壳上开有进光孔和出光孔，所述的进光孔和出光孔上安装有所述激光耦合透镜，分别用于将激光导入和导出微结构光纤的光纤纤芯；
在金属外壳上开有进气孔和出气孔，所述的进气孔和出气孔上安装有所述气管，分别用于将气体导入和导出微结构光纤的光纤纤芯；
所述的微结构光纤均匀地缠绕在所述光纤绕组芯上，其两端分别连接进光孔处的耦合透镜和出光孔处的耦合透镜；
所述的微结构光纤采用抗弯曲反谐振微结构光纤，其中的内包层管为双层管形式，且在该内包层管中贯穿有横杆，实现对光束的横向约束，从而抑制光纤的弯曲损耗。
2.根据权利要求1所述的基于微结构光纤的光纤多通池，其特征在于：所述的微结构光纤的两端用超声波光纤切割刀切平，采用陶瓷保护套保护后分别与激光耦合透镜相连接。
3.根据权利要求1所述的基于微结构光纤的光纤多通池，其特征在于：通过控制所述光纤绕组芯的半径大小来控制微结构光纤的弯曲半径。
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