中红外空芯光纤技术现状与发展趋势(特邀)

中红外光纤作为中红外领域的重要器件，在中红外激光产生与传输、生物医学检测、环境检测等领域有着重要应用。然而中红外光纤长期存在制备困难、制备材料化学稳定性差等问题，限制了其发展。与实芯光纤相比，空芯光纤通过构建包层微结构将光波限制在空气中传输，可以大幅降低光纤光学性能对制备材料的依赖，从而为光波传输提供一个低损耗、低色散、低延迟、低非线性、高损伤阈值的理想传输通道，这为中红外光纤的发展拓宽了道路。文中从光纤结构、拉制方式、材料吸收、传输性能等方面分析了石英基和软玻璃基中红外空芯光纤的发展历程、研究现状和应用前景。并通过理论仿真分析了石英基单圈结构和嵌套管结构反谐振空芯光纤吸收损耗、限制损耗与纤芯、壁厚、波长之间的关系，为低损耗中红外反谐振空芯光纤的制备和应用提供了理论指引。     

大传输窗口低限制损耗空芯反谐振光纤的数值研究

提出了一种大传输窗口低限制损耗单环嵌套结构 的空芯反谐振光纤。采用全矢量有限元法结合完 美匹配层边界条件数值模拟了光纤传输特性,并分析了空芯反谐振光纤的结构参数对光纤传 输特性的影 响。仿真结果表明,优化后的光纤具有大传输窗口低限制损耗的优势,且具有平坦色散特性 。当纤芯直 径为50 μm、反谐振管个数N为6、反谐振 管厚度t为0.30μm、外层反谐振管直径d为32. 50 μm、内层 反谐振管直径d₁为21.13 μm时,在1 260—1 675 nm波长范围内,限制 损耗均低于0.21 dB/km ,色散值为(1.1±0.3) ps/(nm·km),在波长为1 550 nm时,限制损耗为0.078 dB/km。     

无节点反谐振空芯光纤1064nm高功率皮秒脉冲传输

本文报道了利用自制低损耗、无节点反谐振空芯光纤传输高功率1064 nm皮秒脉冲激光的研究。光纤包层由7根平均壁厚为700 nm的细玻璃管组成,纤芯直径为42μm,外径为175μm。选择脉冲宽度为15 ps且重复频率可调谐的高功率激光器作为实验光源。使用不同长度的光纤进行了传输测试,测试结果表明：当输入单脉冲能量为403μJ、平均功率为40.3 W、峰值功率为26.8 MW的激光时,最高可实现370μJ的高能量激光输出,传输效率高达91.8%。分析了超短脉冲经过不同长度光纤后时域和频域的变化情况,结果表明：当光纤长度为1 m时,脉冲保持无畸变传输,光谱发生轻微变形;当光纤长度增长至3.3 m时,由于非线性效应的影响,脉冲宽度展宽至26 ps,光谱展宽至70 nm。本研究表明无节点反谐振空芯光纤有望在超短脉冲激光的传输应用领域发挥重要作用。     

八边形空芯微结构光纤的制备和特性分析

基于反共振反射光波导中的抑制耦合理论,本文设计和制备出一种单空气包层大纤芯的八边形空芯微结构光纤,光纤直径为170 μm,纤芯直径为44 μm,纤芯壁厚为1.2 μm。实验测试结果表明该光纤对于波长为750 nm的光具有良好的导光特性。该空芯光纤结构简单,容易制备,并可设计成大纤芯适用于光泵碱金属蒸气激光、液体填充传感、高功率近红外光能量传输及气体激光器等领域,为探索简易新型空芯微结构光纤打下前期实验基础。     

4.5 W中红外3.1 μm光纤气体激光器

在突破了高功率泵浦激光高效稳定耦合关键技术的基础上,利用～30 W的窄线宽1.5μm光纤激光放大器泵浦一段～8m长、充有300Pa乙炔的空芯光纤,实现了4.5 W的3.1μm波段中红外激光输出,这是目前中红外光纤气体激光器的最高输出功率,对应的光光转换效率(相对于泵浦源功率)约为14%。实验结果表明,光纤气体激光器具备输出高功率中红外激光的潜力。     

石英光纤与空芯光纤损伤特性(对比)研究

高功率密度脉冲激光的光纤耦合性能一直制约着激光飞片起爆技术的工程化应用。针对106 W/cm2级功率密度脉冲激光在光纤中的耦合特性,设计了一套光纤对准夹具,用于开放光路下脉冲激光的光纤耦合。使用波长为1 064 nm,脉宽6 ns的调Q脉冲Nd:YAG激光,研究了其在大功率石英光纤和AgI/Ag空芯光纤中的能量传输效率和损伤阈值。结果显示:在焦点前后10 mm范围内,石英光纤的传输效率平均值为76.2%,AgI/Ag空芯光纤的传输效率平均值为61.8%;在焦点前2 mm处,测得石英光纤损伤阈值为22.3 mJ,AgI/Ag空芯光纤损伤阈值为29.4 mJ。通过对比结果可知,AgI/Ag空芯光纤拥有较高的损伤阈值,然而AgI/Ag空芯光纤的传输效率比石英光纤低约15%,其工程化应用潜力还有待进一步开发。     

光纤气体激光光源研究进展及展望(Ⅰ):基于受激拉曼散射

空芯光纤为光与气体的相互作用提供了理想的环境,极大增强了气体的受激拉曼散射,大大降低了拉曼阈值。基于充气空芯光纤的光纤气体拉曼激光光源获得了快速发展,已经实现了从紫外到中红外波段的激光输出。简要介绍了光纤气体拉曼激光光源的基本原理和空芯光纤的发展概况,详细综述了光纤气体拉曼激光光源的研究进展,并对其发展的趋势进行了展望。     

传输紫外激光空芯光纤系统的研究

文章对传输紫外激光空芯光纤系统进行了研究,利用高斯光束传输规律和波导耦合理 论研究了紫外激光与空芯光纤的耦合,分析了在选定毛细管内镀制选定膜系可以制备传输紫外激光的空芯光纤,并针对空芯光纤内径较大而导致的输出光斑较大的问题,提出使空芯光纤输出端与透镜耦合方案。     

空芯反谐振和光子带隙复合光纤的优化设计北大核心CSCD

空芯反谐振和光子带隙复合光纤是刚刚兴起的一种新型空芯微结构光纤。由于这种光纤可同时实现低损耗和单模传输的特点,所以可应用于光纤陀螺、光纤激光通信等领域。为了实现良好的单模性和低损耗,本文对此种光纤的基模和高阶模的限制和散射损耗进行了计算,通过优选光纤内包层气孔归一化内径d/D和内包层气孔壁厚度t,得到了当d/D=068,t=500nm时,在工作波长1500~1590nm范围,空芯反谐振和光子带隙复合光纤可实现良好的单模性和低损耗。     

空芯反谐振光纤及其高功率超短脉冲传输

拉制了两种低损耗、单模、近红外宽带传输的空芯反谐振光纤,并用于高功率超短皮秒脉冲传输。利用无节点结构的空芯反谐振光纤实现了平均功率为74 W、单脉冲能量为185μJ、峰值功率为10.8 MW的超短脉冲传输,且输出激光在频域和时域上均没有发生明显变化。     

一种红外波段低损耗空芯反谐振光纤的设计与研究

提出一种红外波段低损耗的空芯反谐振光纤,石英包层管为半圆半椭圆拼接结构,采用全矢量有限元法进行设计与研究。半椭圆管的半短长轴与半圆管的半径相等,将半圆管与半椭圆管进行拼接,改变半圆的半径以及半椭圆管的半长轴来改变靠近纤芯处的负曲率以及远离纤芯的正曲率,进而研究包层管的正负曲率对空芯反谐振光纤的损耗特性的影响,设计应用于1. 5~3. 0μm波段的低损耗空芯反谐振光纤。结果显示负曲率较小正曲率较大时限制损耗效果更好。当靠近纤芯处为圆形半管远离纤芯处为椭圆半管,圆形半径ry=25μm,椭圆的半长轴rx=65μm,半短长轴ry=25μm时,光纤最低限制损耗在波长2. 1μm处为8. 22×10^-2dB/km。     

用于红外图像传输的柔性空芯光纤束

采用聚碳酸酯毛细管作为红外空芯光纤的基管材料,制作了内直径为320微米的细径红外空芯光纤.内面镀有光滑银膜的聚碳酸酯毛细管,在近红外和中远红外波段获得了平坦的损耗-波长响应特性.用224根镀银聚碳酸酯空芯光纤,制作了长度40mm,截面积约50m2的红外图像光纤束.利用该红外光纤束成功进行了加热电阻丝的红外热图像传输实验.红外聚碳酸酯空芯光纤束具有柔韧性强、无毒等特点,在医疗及工业领域有广阔的应用前景.     

10.6μm空芯传能光纤的研制

为研制10.6μm空芯传能光纤,讨论了银层质量、碘化银层质量对空芯波导传输损耗的影响.介绍了研制波长为10.6 μm的空芯传能光纤的工艺方案及其典型参数.通过液相化学沉积法,在石英基底管内壁成功地生成了优质金属银层和碘化银电介质包层.制作了出具有高透过率的空芯红外波导.     

微结构空芯光纤特性及光纤测试和工程应用

空芯光纤有着不可替代的物理特性，成为科研机构珍贵的基础研究课题，但由于其整体性能和配套应用并不成熟，产业界一直保持观望态度。近些年来，随着空芯光纤损耗指标的不断优化，多个产业应用案例的成功推进，空芯光纤逐渐得到工业界的进一步重视。文章梳理了3类空芯光纤，即空芯布拉格包层光纤、空芯光子带隙光纤和空芯反谐振光纤，重点介绍了其光学工作原理和测试手段，也结合通信、激光传能和传感领域的应用情况分析了空芯光纤的优势。文章最后对标通信单模光纤对空芯光纤的未来技术趋势做出了展望。     

2 μm波段7-cell空芯光子带隙光纤的特性研究

扩大传输容量已然成为现代光通信技术发展的首要任务.2 μm波段属于人眼波段,并具有大气通信窗口,是未来光通信系统亟待开发的领域.软玻璃材料相比于石英玻璃,具有更宽的透光范围,并且可扩展到中红外波段,恰好配合2 μm波段光通信系统.空芯光子带隙光纤(hollow core photonic bandgap fiber,H...     

光纤在激光医学治疗上的应用

激光医学治疗用激光器包括紫外、红外、可见光激光器,激光用光纤输出端形式包括点状、柱状、球状等;光纤在医学器械的应用包括光纤照明和激光传输,现今石英光纤、多组份玻璃光纤、聚合物光纤以及红外晶体光纤、氟化物玻璃光纤、红外空芯波导等在医学治疗有许多应用,其中石英光纤已在医学美容、手术治疗和光动力疗法等方面获得广泛应用,多组份玻璃光纤可应用于光炙仪、光热治疗仪、牙科光固化机、牙齿美白仪、光纤内窥镜等医疗仪器中,聚合物光纤POF可应用于光纤黄疸治疗仪、激光血管内外照射治疗中,光纤在今后的激光医学治疗中发挥更加重要的作用.     

适合于溶胶-凝胶法工艺的CO2激光传输用空芯光纤的结构设计

设计出了一种适合于溶胶－凝胶法制备工艺的CO2激光传输用空芯光纤，并结合空芯光纤的光传输原理和溶胶－凝胶法工艺的特点对其结构设计进行了讨论。     

用于大功率红外传输的特种光纤

评述了红外传输光纤中的氧化物光纤、氟化物光纤、硫族化物光纤、晶体光纤、空芯光纤、液芯光纤等国内外研制和应用的现状和特点.     

太赫兹波段反谐振光纤偏振分束器设计

偏振分束器是在光传感和集成光学等领域中非常重要的光学元器件,太赫兹波段被认为是未来大容量无线通信的载体.而双芯空芯反谐振光纤结构设计更加多变,对包层结构没有严格要求,能实现较高的性能以满足人们更多样化的需求,以双芯空芯反谐振光纤为基础设计适用于太赫兹波段的偏振分束器越来越值得深入研究.提出一种以环烯烃聚合物为基底材料的...     

长距离空芯反谐振微结构光纤的制备研究

石英基空芯反谐振微结构光纤具有结构简单,高激光损伤阈值,带宽宽等显著优点。目前制备工艺是限制该光纤发展和应用的主要原因之一。常见报道中该种光纤的制备长度仅有几百米,为了提高制备效率,降低制备成本,增加单次制备长度,必须提高预制棒的尺寸,而较大尺寸的预制棒在制备和拉制时,对压力分区系统的制作和可靠性提出挑战。本文针对空芯反谐振微结构光纤的长距离制备工艺进行探索性研究,创新性提出全石英分区控压方式并进行低温拉制实验,采用一次拉制工艺成功实现单次制备长度为1.05 km的光纤,在波长3.5～5μm,实现损耗约10 dB/m。