CN117930427A - 一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，涉及光纤技术领域，包括：外套管和均匀分布在外套管的内壁上并与外套管熔接的六个反谐振单元；反谐振单元由位于外层的毛细管包层和位于内层的毛细管嵌套层依次嵌套而成，两个毛细管的内外壁依次相切且相切处即为反谐振单元与外套管的相切处；此六个反谐振单元围合的区域形成空气纤芯；毛细管的壁厚小于光纤的工作波长。本发明的双嵌套反谐振空芯光纤可以有效的降低光纤对弯曲的敏感程度，实现抗弯曲、低损耗的传输特性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其是一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤。
背景技术
中红外2.79μm波段激光由于刚好处于水分子和羟基磷灰石的强吸收峰区域，由于其波长的特殊性，在生物医疗、科学研究等领域有着重要的应用价值和潜力。在生物医疗领域，可柔性传输激光的载体是2.79μm的医用激光器件研究的热点。传统的2.79μm的Er,Cr:YSGG医用固体激光器的传输采用多反射镜片组构成的导光臂，其多关节处数个镜片对光束大角度的反射造成传输损耗较大，较大尺寸的刚性结构也难以实现口腔、鼻腔等狭窄空间内光载体在小弯曲半径下任意方位的灵活操作，无法满足临床需要。所以，导光臂作为传输2.79μm波段激光的载体还存在一定的局限性。而采用光纤传输2.79μm波段激光不仅确保了柔性传输还避免了外界环境的干扰从而提高了传输效率，且光纤较好的弯曲特性也能为医务提供更安全的保障。由于中红外光纤配合中红外激光器可以大大提高激光器使用的灵活性，因此中红外光纤将逐渐替代导光臂。
可传输中红外2.79μm波段激光的实芯光纤有SiO2光纤、ZBLAN光纤、Al2O3光纤等，但实芯石英光纤传输损耗大、氟化物光纤弯曲性能差、蓝宝石光纤价格昂贵且制作长度短无法实现单模传输。实芯光纤的材料在中红外波段的激光损伤阈值较低，并且实芯光纤无法避免材料本身固有的非线性、色散、瑞利散射等缺陷，实芯光纤在中红外2.79μm波段激光传输中还存在一定的局限性。
纤芯为空气的空芯光纤可以实现超过99％的光在空气中传播，从而大大降低了光纤材料特性对光纤性能的影响。与传统实心光纤相比，空芯光纤具有低延时，低色散，低非线性，高损伤阈值，低热敏感性，抗辐照，同时可以在任意传输窗口导光等优点。
但是，现有的研究大多是针对材料损耗，没有关注光纤的弯曲损耗。光纤在临床和学科实验应用中经常会被弯曲，弯曲的曲率半径对光传输损耗有着直接的影响。中国专利CN202011593148.2提供了一种中红外反谐振空芯光纤，虽然有着较低的限制损耗，但其对弯曲半径较敏感；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，但未给出最小弯曲半径及弯曲损耗，且制作材料都非常昂贵，严重的限制了中红外光纤的发展与应用。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，可以有效的降低光纤对弯曲的敏感程度，实现抗弯曲、低损耗的传输特性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，包括：外套管和N个分别内切于所述外套管内壁的反谐振单元；
所述反谐振单元由M个不同直径的毛细管依次嵌套而成，M个毛细管的内外壁依次相切；M个毛细管内外壁的相切处即为反谐振单元与外套管的相切处；此N个反谐振单元围合的区域形成空气纤芯。
优选的，N个反谐振单元均匀分布在所述外套管的内壁上，并与所述外套管熔接。
优选的，包括六个反谐振单元，反谐振单元之间的角度为60°。
优选的，此M个毛细管的壁厚t相等，且壁厚t小于光纤的工作波长。
优选的，所述的壁厚t满足反谐振反射波导的原理：
其中，λ为工作波长；n1为毛细管的折射率；n0为空气纤芯内填充气体的折射率；m为正整数。
优选的，所述反谐振单元由两个不同直径的毛细管依次嵌套而成，分别为位于外层的毛细管包层和位于内层的毛细管嵌套层，所述毛细管包层的内壁和毛细管嵌套层的外壁相切并熔接，且毛细管包层内壁和毛细管嵌套层外壁的相切处即为反谐振单元与所述外套管的熔接处。
优选的，各个反谐振单元的尺寸均相同，毛细管包层的直径为43.2μm，毛细管嵌套层的直径为29μm，毛细管包层和毛细管嵌套层的壁厚t均为0.71μm。
优选的，反谐振单元中的毛细管靠近外套管内壁一侧的曲率半径小于远离外套管内壁一侧的曲率半径。
优选的，外套管直径不超过370μm，空气纤芯的直径为70μm。
优选的，所述外套管以及反谐振单元中的毛细管的材料均采用石英玻璃。
本发明的优点在于：
(1)本发明提供一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，可以有效的降低光纤对弯曲的敏感程度，实现抗弯曲、低损耗的传输特性。
(2)本发明的技术方案采用双嵌套结构的毛细管构成反谐振空芯光纤，以石英玻璃作为反谐振空芯光纤结构中外套管和毛细管的材料，并将毛细管的壁厚设置为小于光纤的工作波长，上述技术特征协同配合，克服了弯曲损耗技术难题，使得具有抗弯曲、低损耗特性的反谐振空芯光纤得以实现，有效的解决了导光臂不灵活、传输损耗大以及单层毛细管结构的反谐振空芯光纤弯曲损耗等问题。
(3)本发明通过堆拉焊接技术将毛细管包层与外套管相连，无需其他多余的固定件，多余的固定件的出现会增加空气纤芯与毛细管包层之间的模式耦合，不利于降低弯曲损耗以及限制损耗。
(4)本发明采用双嵌套结构的毛细管可以有效的降低光纤对弯曲的敏感，达到具有抗弯曲损耗特性传输的目的。
(5)本发明可以实现中红外2.79μm波段的脉冲激光高效率传输，为中红外2.79μm波段饵激光器光传输系统开辟了一种全新的方式。
(6)本发明的各个毛细管包层之间互不接触，且具有负曲率特点的毛细管包层，可以将基模很好的限制在纤芯内。
(7)本发明在上述技术特征协同配合下，克服了技术难题，使得石英玻璃作为中红外抗弯曲、低损耗反谐振空芯光纤的制备材料成为现实，并极大地降低了中红外实芯光纤的缺陷，为中红外光纤的广泛应用提供了前提条件。
(8)本发明的双嵌套反谐振空芯光纤在2.79μm波长处具有较低的限制损耗特性，限制损耗为3.28×10-4dB/m，同时还具有极好的抗弯曲损耗能力，在弯曲半径为30mm时，其弯曲损耗仅为4.72×10-2dB/m。该双嵌套反谐振空芯光纤为2.79μm波段铒激光治疗仪临床应用和科研实验的导光系统提供了一种更可靠的选择。
附图说明
图1为本申请实施例提供的抗弯曲低损耗反谐振空芯光纤结构示意图。
图2为本申请实施例的基模模场分布仿真结果图。
图3为本申请实施例在弯曲半径为300mm时的基模模场分布仿真结果图。
图4为本申请实施例在弯曲半径为100mm的情况下，不同毛细管嵌套层的直径d0对应的传输损耗以及模场分布仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
由图1所示，本发明提供了一种双嵌套反谐振空芯光纤，包括石英玻璃圆形外套管4和六个分别内切于外套管4内壁的反谐振单元。
六个反谐振单元均匀分布在外套管4的内壁上，并与外套管4熔接，反谐振单元之间的角度为60°。六个反谐振单元围合的区域形成空气纤芯3，空气纤芯3的直径为D。本发明通过堆拉焊接技术将反谐振单元与外套管4相连，无需其他多余的固定件，多余的固定件的出现会增加空气纤芯与反谐振单元之间的模式耦合，不利于降低弯曲损耗以及限制损耗。
反谐振单元由不同直径的嵌套管依次嵌套而成，本实施例中，反谐振单元由两个不同直径的石英玻璃毛细管嵌套而成，该两个不同直径的石英玻璃毛细管分别为位于外层的毛细管包层1和位于内层的毛细管嵌套层2，毛细管包层1的内壁和毛细管嵌套层2的外壁相切并熔接。所述毛细管包层1内壁和毛细管嵌套层2外壁的相切处即为反谐振单元与所述外套管4的熔接处。
所述毛细管包层1和毛细管嵌套层2的壁厚t相等，且壁厚t均小于所述中红外反谐振空芯光纤的工作波长；所述的壁厚t满足反谐振反射波导的原理：
其中，λ为工作波长；毛细管包层1和毛细管嵌套层2的折射率相等，n1为毛细管包层1和毛细管嵌套层2的折射率；n0为空气纤芯3填充气体的折射率；m为正整数。本实施例中，工作波段为中红外波段，工作波长λ为2.97μm；石英玻璃毛细管的折射率n1为1.424；空气纤芯3填充气体的折射率n0为1；m取1；因此，计算得到的壁厚t为0.71μm。
使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对本实施例进行仿真测试，仿真过程采用了对光纤横截面进行模式分析，使用最大网格单元为λ/5的三角形网格对毛细管包层1和毛细管嵌套层2以及空气纤芯3进行划分，面积较大的石英玻璃圆形外套管4使用最大网格单元为λ/4的映射网格进行划分。仿真结果的基模场分布如图2所示。
经过计算得到在2.79μm波长下本实施例的双嵌套反谐振空芯光纤可以实现抗弯曲、低损耗的传输特性。其中，空气纤芯3的直径D为70μm，外套管4的外直径不超过370μm，毛细管包层1的内直径为43.2μm，毛细管嵌套层2的内直径为29μm，毛细管包层1的直径与纤芯的直径比值为0.62。外套管4以及毛细管包层1和毛细管嵌套层2均采用高折射率材料，高折射率材料可以选择石英玻璃即SiO2。石英玻璃毛细管靠近外套管4内壁一侧的曲率半径小于远离外套管4内壁一侧的曲率半径。
反谐振空芯光纤相较于实芯光纤具有更高的损伤阈值、更低的传输损耗等优点。但当反谐振空芯光纤中的反谐振单元采用单层的石英玻璃毛细管，其在传输中红外2.79μm波长的激光时，在实验过程中发现，单层结构的反谐振空芯光纤传输2.79μm波长激光在弯曲半径小于200mm时就出现较大损耗，无法满足实际的应用需求，并且当弯曲半径在100mm时，由于引起损伤阈值下降出现了不可逆的反谐振空芯光纤损坏。因此，单层结构的反谐振空芯光纤无法满足2.79μm波长激光需求的结构简单、传输效率高、柔性的激光传输方式。
然而，本实施例的双嵌套反谐振空芯光纤，在无弯曲时，即弯曲半径R＝0mm时，弯曲损耗为3.28×10-4dB/m；在弯曲半径R＝30mm时，弯曲损耗为4.72×10-2dB/m。在弯曲半径R＝50mm时，弯曲损耗为5.86×10-3dB/m；在弯曲半径R＝100mm时，弯曲损耗为9.93×10- 4dB/m。较单层结构的反谐振空芯光纤，本发明的弯曲损耗降低了3个数量级，并且可以有更小的弯曲半径，更大的弯曲程度；仅当弯曲半径小于30mm时，本实施例的双嵌套反谐振空芯光纤才开始对弯曲半径敏感。图3为在弯曲半径R＝30mm时的纤芯基模的x偏振分布图，从图3可以看出基模被很好的限制在纤芯内。
本实施例中，还计算了弯曲半径R＝100mm下不同毛细嵌套管2的直径d0对应的弯曲损耗，如图4所示，图4的纵坐标表示弯曲损耗，图4的纵坐标表示毛细嵌套管2的直径d0，从图4中可以看出2个方向的基模都被很好的限制在纤芯内，即模场仅在空气纤芯3内分布，反谐振单元的毛细管包层1和毛细管嵌套层2内并不存在泄露的模场。其中，当毛细嵌套管2的直径d0为29μm时，双嵌套反谐振空芯光纤的参数最优。
根据本实施例的结果显示，本发明的双嵌套反谐振空芯光纤的弯曲损耗性能已远超过传统的实芯光纤所能弯曲的最小半径。可以作为中红外2.79μm固体激光器光传输的一种全新方式。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，其特征在于，包括：外套管(4)和N个分别内切于所述外套管(4)内壁的反谐振单元；
所述反谐振单元由M个不同直径的毛细管依次嵌套而成，M个毛细管的内外壁依次相切；M个毛细管内外壁的相切处即为反谐振单元与外套管(4)的相切处；此N个反谐振单元围合的区域形成空气纤芯(3)。
2.根据权利要求1所述的一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，其特征在于，N个反谐振单元均匀分布在所述外套管(4)的内壁上，并与所述外套管(4)熔接。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，其特征在于，包括六个反谐振单元，反谐振单元之间的角度为60°。
4.根据权利要求1所述的一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，其特征在于，此M个毛细管的壁厚t相等，且壁厚t小于光纤的工作波长。
5.根据权利要求4所述的一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的壁厚t满足反谐振反射波导的原理：
其中，λ为工作波长；n1为毛细管的折射率；n0为空气纤芯(3)内填充气体的折射率；m为正整数。
6.根据权利要求1或5所述的一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，其特征在于，所述反谐振单元由两个不同直径的毛细管依次嵌套而成，分别为位于外层的毛细管包层(1)和位于内层的毛细管嵌套层(2)，所述毛细管包层(1)的内壁和毛细管嵌套层(2)的外壁相切并熔接，且毛细管包层(1)内壁和毛细管嵌套层(2)外壁的相切处即为反谐振单元与所述外套管(4)的熔接处。
7.根据权利要求6所述的一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，其特征在于，各个反谐振单元的尺寸均相同，毛细管包层(1)的直径为43.2μm，毛细管嵌套层(2)的直径为29μm，毛细管包层(1)和毛细管嵌套层(2)的壁厚t均为0.71μm。
8.根据权利要求1所述的一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，其特征在于，反谐振单元中的毛细管靠近外套管(4)内壁一侧的曲率半径小于远离外套管(4)内壁一侧的曲率半径。
9.根据权利要求1所述的一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，其特征在于，外套管(4)直径不超过370μm，空气纤芯(3)的直径为70μm。
10.根据权利要求1所述的一种用于中红外激光传输的双嵌套反谐振空芯光纤，其特征在于，所述外套管(4)以及反谐振单元中的毛细管的材料均采用石英玻璃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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