CN114740566A

CN114740566A - 用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤及光纤传像束

Info

Publication number: CN114740566A
Application number: CN202210252472.0A
Authority: CN
Inventors: 李文龙; 孔德鹏; 梅森; 管磊; 穆启元; 袁苑; 王世杰
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2042-03-11
Also published as: CN114740566B

Abstract

本发明公开了一种用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤及光纤传像束。解决了目前太赫兹成像系统中激光器发出的太赫兹波光束的光强分布呈高斯分布，导致主动成像系统的照明不均匀，严重影响力成像的质量等问题。该光纤包括由太赫兹波段频率范围内的低损耗聚合物制成的基体；基体上开设外层空气孔组及内层空气孔阵列；外层空气孔组由多个第一空气孔构成；将所有第一空气孔的中心连接后围成规则的封闭图形；内层空气孔阵列由多个第二空气孔构成，且所有第二空气孔均位于所述规则的封闭图形内部；多个第二空气孔的孔径由中心向外呈梯度形逐渐减小，且第一空气孔的孔径大于中心处的第二空气孔孔径。

Description

用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤及光纤传像束

技术领域

本发明属于太赫兹波束整形及其太赫兹图像传输领域，具体涉及一种用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤及光纤传像束。

背景技术

近年来，各种太赫兹成像系统得到了显著改进。在医学诊断、考古、工业无损检测等领域得到了广泛的应用。系统中的照明模块是获得高质量图像的关键，通常激光器发出太赫兹波光束的光强分布呈高斯分布，即高斯光束，导致主动成像系统的照明不均匀，严重影响力成像的质量。由于平顶光束在一定区域内强度均匀，对成像更有利。因此，将高斯光束转换为平顶光束对太赫兹成像来说是非常重要和必要的。

目前，在时域中对太赫兹脉冲进行整形大致可分为两类：

第一类是主动式，也称为直接方式，就是通过改变照射在THz发生器上的抽运光的强度，或者研制较复杂的THz脉冲发生器。

第二类是被动式，也称为准光学方式，就是通过准光学的手段，采用各种结构通过波的折射或者衍射，对THz脉冲进行直接整形。相比之下，前者在技术控制上难度较大，后者操作起来相对简单。为了获得强度均匀的平顶光束，较常用的方法是引入相位器件，如通过相位迭代算法衍射相位板、纯相位液晶空间光调制器来消除输出平面的非均匀相位分布。这对于大多数实际应用来说太复杂，因为场映射设置的对齐很难操作，并且相干光束在空间域的传输效果很差，且不好实现光束弯曲传输。

发明内容

为了解决目前太赫兹成像系统中激光器发出的太赫兹波光束的光强分布呈高斯分布，导致主动成像系统的照明不均匀，严重影响力成像的质量，以及现有的太赫兹光束整形技术较为繁琐，并且整形后的相干光束在空间域的传输效果很差，不好实现光束的弯曲传输的问题。本发明提供一种用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤及光纤传像束。

本发明的具体技术方案如下：

一种用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤，该光纤包括由太赫兹波段频率范围内的低损耗聚合物制成的基体；

基体上开设外层空气孔组及内层空气孔阵列；

外层空气孔组由多个第一空气孔构成；将所有第一空气孔的中心连接后围成规则的封闭图形；

内层空气孔阵列由多个第二空气孔构成，且所有第二空气孔均位于所述规则的封闭图形内部；

多个第二空气孔的孔径由中心向外呈梯度形逐渐减小，且第一空气孔的孔径大于中心处的第二空气孔孔径。

进一步地，上述多个第二空气孔的孔径由中心向外呈螺旋形逐渐减小。

进一步地，上述规则的封闭图形为圆形或椭圆形或正多边形或矩形。

进一步地，上述第一空气孔和第二空气孔为圆形或椭圆形或正多边形或矩形。

进一步地，上述太赫兹波段频率范围内的低损耗聚合物包括高密度聚乙烯(HDPE)，或低密度聚乙烯(LDPE)，或聚乙烯(PE)，或环烯烃共聚物(COC)，或环烯烃聚合物(COP)，或聚四氟乙烯(PTFE)，或4-甲基戊烯聚合物(TPX)，或聚氨酯(PU)，或聚丙烯(PP)，或聚苯乙烯(PS)，或聚碳酸酯(PC)，或聚酯薄膜(PET)，或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或聚氯乙烯化合物(PVC)，或多氯化物，或乙烯类聚合物，或尼龙(PA)，或丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，或聚乳酸(PLA)，或高纯树脂材料，以及这些元素的组合。

另外，本发明还提供了一种光纤传像束，包括多个上述的聚合物微结构光纤，多个聚合物微结构光纤之间以及多个聚合物微结构光纤外围设置有支撑保护层。

进一步地，上述光纤传像束的横截面为正多边形或平行四边形或圆形。

与现有技术相比，本发明的优点在于:

本发明通过在聚合物材料制成的光纤基体上设置外层空气孔组及内层空气孔阵列，内层空气孔阵列中所有第二空气孔孔径由内向外呈梯度形逐渐减小，且均小于外层空气孔组的第一空气孔孔径，使得整个微结构光纤界面的空气孔部分折射率呈现低-高-低的分布，从而实现了太赫兹波束的整形及太赫兹波束光场的均匀调控，方法简单，结构可调可控，同时同步实现了太赫兹波束的整形、光场均匀调控及能量的低损耗传输，并且还实现太赫兹波的可柔性化、封闭化弯曲传输，以及太赫兹成像系统的高质量成像。

附图说明

图1为本实施例的微结构光纤单体的结构示意图。

图2为本实施例的微结构光纤单体折射率分布区域示意图。

图3为本实施例的微结构光纤单体中光传输的模场图。

图4本实施例的光纤中光纤传输能量呈均匀平坦分布的曲线图。

图5为中间为实心的光纤传输模场图。

图6为具有均匀空气孔微结构的光纤传输模场图。

图7为第二空气孔呈螺旋形减小的光纤单体微结构示意图。

图8为本实施例中光纤传像束的结构图。

图9为光纤按照圆形阵列排布的光纤传像束的结构图。

图10为光纤按照正方形阵列排布的光纤传像束的结构图。

附图标记如下：

1-基体、2-外层空气孔组、3-内层空气孔阵列、21-第一空气孔、31-第二空气孔、4-微结构光纤、5-支撑保护层。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“前、后、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

针对目前太赫兹成像系统存在的不足，本发明提出了一种用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤及光纤传像束。因为光纤具有柔韧性和可弯曲性，在光学折射率元件的范畴中，光纤具有比透镜更大的优势，可以在不移动光源的情况下轻松地将光线引导到指定的位置，而透镜则与光源固定在一起，受到焦距的限制，并且与传统的实芯光纤和多模光纤相比，本发明设计的光纤中的光纤结构具有更高的光束均匀性和更大的模场面积。

如图1所示，本实施例提供一种用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤，该聚合物微结构光纤包括：太赫兹波段频率范围内的低损耗聚合物制成的基体1,基体1上开设外层空气孔组2及内层空气孔阵列3；

外层空气孔组由2多个第一空气孔21构成；将所有第一空气孔21的中心连接后围成规则的封闭图形；本实施例中规则的封闭图形为正六边形。

内层空气孔阵列3由多个第二空气孔31构成，且所有第二空气孔31均位于所述规则的封闭图形内部；

第一空气孔21的孔直径比第二空气孔31的孔直径大；多个第二空气孔31中孔径最大的为中心处的第二空气孔31，且多个第二空气孔31的孔径由中心至外呈逐渐减小的变化趋势。假设内层空气孔阵列33中心区域折射率为n₁(如图2中虚线圆A内的区域)，外层空气孔组2构成的区域折射率为n₃(如图2中虚线圆B和虚线圆C间的环形区域)，二者之间的区域折射率为n₂(如图2中虚线圆A和虚线圆B间的环形区域)，则有n₁<n₂>n₃，整个微结构光纤界面的空气孔部分折射率呈现低-高-低的分布。这种结构可以实现太赫兹光束光场的均匀调控，可以将高斯光束整形为平顶光束，具体如图3所示。图4为光纤中光纤传输能量呈均匀平坦分布的曲线图，进一步佐证了本发明设计的光纤可实现能量均匀传输。图5为中间为实心的光纤传输模场图，图6为所有空气孔设置为均匀孔径时光纤传输模场图。将图5、6与图3进行比较可见，图5、6中闪烁光的能量传输呈高斯分布，这种模式影响最终的成像质量。本实施例设计的梯度折射率的聚合物微结构光纤，传输时能量分布比较均匀，说明太赫兹光束传输的光场比较均匀，该结构可以实现光束光场的均匀性调控。

除此本实施例之外，规则的封闭图形还可以为圆形或椭圆形或其他正多边形或矩形。内层空气孔阵列可以是正六边形如图1所示,也可以是正方形或椭圆形形或圆形或其他正多边形等任意形状。

优选地，本实施例中多个第二空气孔31的孔径由中心至外呈螺旋形逐渐减小，如图7所示。

第一空气孔21和第二空气孔31也可以是圆形或椭圆形正方形或三角形或其他正多边形等任意形状，本实施例中第一空气孔21和第二空气孔31为圆形。

本实施例中，该太赫兹波段频率范围内的低损耗聚合物为高密度聚乙烯(HDPE)，或低密度聚乙烯(LDPE)，或聚乙烯(PE)，或环烯烃共聚物(COC)，或环烯烃聚合物(COP)，或聚四氟乙烯(PTFE)，或4-甲基戊烯聚合物(TPX)，或聚氨酯(PU)，或聚丙烯(PP)，或聚苯乙烯(PS)，或聚碳酸酯(PC)，或聚酯薄膜(PET)，或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或聚氯乙烯化合物(PVC)，或多氯化物，或乙烯类聚合物，或尼龙(PA)，或丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，或聚乳酸(PLA)，或高纯树脂材料，以及这些元素的组合。

如图8所示，本实施例提供了一种由上述聚合物微结构光纤单体制备而成的聚合物光纤传像束，该传像束包括多根聚合物微结构光纤4，多根聚合物微结构光纤4之间以及多根聚合物微结构光纤4外围设置有支撑保护层。该支撑保护层为含有光隔离作用的聚合物，不仅起到构成光纤传像束阵列骨架的作用，还起到隔离光纤之间的杂散光，防止串扰的作用，进一步提升像元素间的对比度，提升成像质量。该聚合物光纤传像束可以如图8所示的正六边形、图9所示的圆形、图10所示的正方形，也可以为平行四边形、多边形等不限于以上几种形状的其他形状。

该光纤传像束的制作方法有以下两种：

第一种方法是：采用多个根聚合物微结构光纤按照粘结-拼接的方式直接制作而成，但是该方法对制作工艺要求较高，用于塑料光纤比较柔软，在直径较细的情况下，粘结-拼接的实施过程比较繁琐，且直径小于0.2mm的光纤很难采用此方法完成。

第二种方法是：将直径较粗的聚合物微结构光纤穿插进聚合物制成的支撑保护层预制棒中，再通过预制棒拉伸的方法将光纤阵列的像元素提高，最后将拉伸后的多个光纤阵列单体通过切割-拼接-熔并-拉伸的方法提高整个光纤阵列的总的像元数，这种方法解决了拼接方法对制作工艺要求较高，且拼接工艺繁琐的弊端。

Claims

1.一种用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤，其特征在于：包括由太赫兹波段频率范围内的低损耗聚合物制成的基体；

基体上开设外层空气孔组及内层空气孔阵列；

多个第二空气孔的孔径由中心向外逐渐减小，且第一空气孔的孔径大于中心处的第二空气孔孔径。

2.根据权利要求1所述的用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤，其特征在于：所述多个第二空气孔的孔径由中心向外呈螺旋形逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤，其特征在于：所述规则的封闭图形为圆形或椭圆形或正多边形或矩形。

4.根据权利要求1所述的用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤，其特征在于：第一空气孔和第二空气孔为圆形或椭圆形或正多边形或矩形。

5.根据权利要求1所述的用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤，其特征在于：所述太赫兹波段频率范围内的低损耗聚合物包括高密度聚乙烯(HDPE)，或低密度聚乙烯(LDPE)，或聚乙烯(PE)，或环烯烃共聚物(COC)，或环烯烃聚合物(COP)，或聚四氟乙烯(PTFE)，或4-甲基戊烯聚合物(TPX)，或聚氨酯(PU)，或聚丙烯(PP)，或聚苯乙烯(PS)，或聚碳酸酯(PC)，或聚酯薄膜(PET)，或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或聚氯乙烯化合物(PVC)，或多氯化物，或乙烯类聚合物，或尼龙(PA)，或丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，或聚乳酸(PLA)，或高纯树脂材料，以及这些元素的组合。

6.一种光纤传像束，其特征在于：包括多个如权利要求1-4所述的聚合物微结构光纤，多个聚合物微结构光纤之间以及多个聚合物微结构光纤外围设置有支撑保护层。

7.根据权利要求6所述的光纤传像束，其特征在于：所述光纤传像束光纤阵列的横截面为正多边形或平行四边形或圆形或不限于以上几种形状。