| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202310481093.3 | 申请日 | 2023-04-28 |
| 公开(公告)号 | CN116482798A | 公开(公告)日 | 2023-07-25 |
| 申请人 | 北京工业大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 王璞; 金宇龙; 张鑫; 姚静远; 万双琴; | 第一发明人 | 王璞 |
| 权利人 | 北京工业大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 北京工业大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：北京市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：北京市朝阳区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：北京市朝阳区平乐园100号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：100124 |
| 主IPC国际分类 | G02B6/02 | 所有IPC国际分类 | G02B6/02 ; G02B6/032 ; G02B6/036 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 1 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京汇信合知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 李玲玉; |
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 中红外 波段低损耗导光的 复合材料 空芯反谐振光纤，包括：自内至外依次设置的纤芯区域、微结构包层区域和外包层区域；微结构包层区域由多个彼此间隔且呈均匀周向分布的复合材料环构成，外包层区域由包覆微结构包层区域的外包层构成；每个复合材料环包括内侧环和外侧环，内侧环的材料与外包层的材料相同，外侧环的材料选用在所需波段具有高透过率的材料。本发明的复合材料空芯反谐振光纤在保证其具有传统空芯反谐振光纤诸多优点的同时，通过微结构包层的创新设计来降低中红外波段激光的传输损耗，降低空芯反谐振光纤对光的吸收，从而使本发明具有低传输损耗甚至是低于0.022dB/m@4μm的超低损耗传输。 | ||
| 权利要求 | 1.一种中红外波段低损耗导光的复合材料空芯反谐振光纤，其特征在于，包括：自内至外依次设置的纤芯区域、微结构包层区域和外包层区域； |
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| 说明书全文 | 一种中红外波段低损耗导光的复合材料空芯反谐振光纤技术领域[0001] 本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种中红外波段低损耗导光的复合材料空芯反谐振光纤。 背景技术[0002] 中红外波段激光在军事光电对抗、大气环境检测、特殊远距离监控以及光谱研究等诸多领域有重要的应用价值。伴随着激光技术的飞速发展，光纤技术也越来越广泛的应用在上述领域中，不仅给上述领域带来了技术的革新，同时也推动了相关领域的迅猛发展。石英光纤因其传输损耗小、化学稳定性好、机械强度高等优势在可见光、近红外等波段取得了显著成效，广泛应用于通讯、探测、传感、激光传输等领域，但是受限于材料的本征吸收，石英光纤在中红外波段无法发挥作用。由于对应波段光纤的缺乏，在很多应用领域只能通过自由空间进行传输、探测，这意味着整体装置体积庞大、结构复杂，带来了额外的损耗与不稳定性，严重影响了中红外波段的各项应用。 [0003] 为了解决中红外波段传输光纤的需求，软玻璃光纤、镀膜光纤应运而生，但是由于其损耗高、机械强度低、化学稳定性差、激光损伤阈值低、抗弯曲能力差以及制备难度大等缺点，使其无法在上述领域中得以应用。 [0004] 空芯光子晶体光纤作为光纤光子学领域最重要的发明之一，自其诞生以来就以低色散、低延迟、低非线性、高光致损伤阈值、抗干扰和可填充液体或气体等传统实芯光纤所不具备的优势在诸多领域展现出巨大的应用潜力和广阔的发展前景。空芯光子晶体光纤分为空芯光子带隙光纤与空芯反谐振光纤两类，与空芯光子带隙光纤相比，空芯反谐振光纤以其更为简单的包层结构、更宽的光谱以及更低的传输损耗受到国内外学者的广泛关注。近年来，随着科研人员对空芯反谐振光纤导光机理的深入探索，单环无节点、无节点嵌套管、无节点连体管等具备优异光学性能的空芯反谐振光纤结构层出不穷，导光波段可以从紫外延伸至中红外波段，通讯波段损耗可超越石英光纤达到0.174dB/km。虽然空芯反谐振光纤可将光谱宽度拓宽至中红外波段，但是受限于较高的模场重叠度以及玻璃材料在长波长处的本征缺陷，导致吸收损耗占据主导地位，无法满足更长波段的应用需求，现有技术中依然缺乏一种中红外波段低损耗导光的复合材料空芯反谐振光纤的设计。 发明内容[0005] 针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种中红外波段低损耗导光的复合材料空芯反谐振光纤。 [0006] 本发明公开了一种中红外波段低损耗导光的复合材料空芯反谐振光纤，包括：自内至外依次设置的纤芯区域、微结构包层区域和外包层区域； [0007] 所述微结构包层区域由多个彼此间隔且呈均匀周向分布的复合材料环构成，所述外包层区域由包覆所述微结构包层区域的外包层构成； [0008] 每个所述复合材料环包括内侧环和外侧环，所述内侧环的材料与所述外包层的材料相同，所述外侧环的材料选用在所需波段具有高透过率的材料。 [0009] 作为本发明的进一步改进，所述复合材料空芯反谐振光纤基于反谐振反射光波导原理进行导光，通过复合材料环在不同波段实现低损耗导光。 [0010] 作为本发明的进一步改进，通过调节外侧环所沉积的材料厚度，以调控复合材料环的折射率，进而实现对谐振峰位置的调控。 [0012] 作为本发明的进一步改进，所述复合材料环的数量不小于3个。 [0013] 作为本发明的进一步改进，所述外侧环为在所述内侧环上进行沉积材料得到，所述外侧环的材料采用中红外波段透光性能良好的材料，包括但不限于硫化物、氟化物、金刚石、硒化铟等光学材料中的一种。 [0014] 作为本发明的进一步改进，所述纤芯区域的折射率低于所述外侧环、内侧环和外包层的折射率，所述纤芯区域的纤芯介质为气体、真空或液体；其中，纤芯区域内可充入气体或液体进行非线性光学研究，纤芯区域充入惰性气体，以消除H2O、HCl等气体在传输波段因吸收而造成的损耗峰。 [0015] 作为本发明的进一步改进，复合材料环的壁厚、尺寸、彼此间距等可通过改变拉制参数调整，外包层的厚度可通过改变拉制参数调整。 [0016] 作为本发明的进一步改进，通过调整所述复合材料环与纤芯区域的尺寸比例，实现单模或多模传输。 [0017] 作为本发明的进一步改进，通过所述复合材料环的结构以及选择性沉积，实现对激光偏振的调节。 [0018] 作为本发明的进一步改进，所述外包层内设有多个彼此间隔且呈均匀周向分布的散热孔，该散热孔可以在不破坏光纤导光性能的前提下具有散热快、保偏传输等优势，同时可以在散热孔内注入导热系数较高的气体或液体以提升散热能力。 [0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果为： [0020] 本发明的复合材料空芯反谐振光纤在保证其具有传统空芯反谐振光纤诸多优点的同时，通过微结构包层的创新设计来降低中红外波段激光的传输损耗，降低空芯反谐振光纤对光的吸收，从而使本发明具有低传输损耗甚至是低于0.022dB/m@4μm的超低损耗传输。附图说明 [0021] 图1为本发明实施例1公开的复合材料空芯反谐振光纤的端面/径向截面结构图； [0022] 图2为本发明实施例1的复合材料空芯反谐振光纤的损耗曲线图； [0023] 图3为本发明实施例1的不同沉积层厚度的复合材料空芯反谐振光纤的损耗曲线图； [0024] 图4为本发明实施例1的不同沉积层材料的复合材料空芯反谐振光纤的损耗曲线图； [0025] 图5为本发明实施例2公开的复合材料空芯反谐振光纤的端面/径向截面结构图； [0026] 图6为本发明实施例3公开的复合材料空芯反谐振光纤的端面/径向截面结构图； [0027] 图7为本发明实施例4公开的复合材料空芯反谐振光纤的端面/径向截面结构图； [0028] 图8为本发明实施例5公开的复合材料空芯反谐振光纤的端面/径向截面结构图； [0029] 图9为本发明实施例6公开的复合材料空芯反谐振光纤的端面/径向截面结构图。 [0030] 图中： [0031] 10、纤芯区域；20、微结构包层区域；21、复合材料环；22、内侧环；23、外侧环；30、外包层区域；31、外包层；32、散热孔。 具体实施方式[0032] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。 [0033] 下面结合附图对本发明做进一步的详细描述： [0034] 实施例1： [0035] 如图1所示，本发明提供一种中红外波段低损耗导光的复合材料空芯反谐振光纤，包括：自内至外依次设置的纤芯区域10、微结构包层区域20和外包层区域30，微结构包层区域20由7个彼此间隔且呈均匀周向分布的复合材料环21构成，外包层区域30由包覆微结构包层区域的外包层31构成，纤芯区域10为多个复合材料环的内切圆，外包层区域30为多个复合材料环的外接圆；每个复合材料环21包括内侧环22和外侧环23，内侧环22的材料与外包层31的材料相同，外侧环23的材料选用在中红外波段具有高透过率的材料。 [0036] 具体的： [0037] 如图1所示，纤芯直径为120μm，对于7个复合材料环21中的任意一个，其中外侧环23的沉积材料为三硫化二砷(As2S3)玻璃，其直径为60.1μm，且沉积材料厚度为0.643μm；内侧环22的材料为与外包层31相同的石英材料，其直径为60μm，厚度为0.1μm。需要说明的是，对于空芯反谐振光纤，壁厚、间距等参数需要满足反谐振条件。只要在反谐振反射所需的参数范围内，空芯反谐振光纤作为一类光纤，才能够通过反谐振原理和光纤的设计，相干相消地抑制光的泄露从而降低光纤的损耗。 [0038] 本发明是实施例1兼具多种材料、彼此间隔的多个同心复合材料环21、以及比任意薄壁材料折射率更低的纤芯介质，综合产生了如下技术效果：显著降低了光场与石英材料的重叠度并降低光纤在中红外波段的吸收损耗。 [0039] 如图2所示，在波长4μm处，传输损耗低至0.022dB/m，相较于同结构的纯石英光纤性能有了极大的提升。 [0040] 本发明的关键在于额外的沉积层及其设计，沉积层材料选择三硫化二砷(As2S3)玻璃或硼硅酸盐玻璃等都能在一定程度上降低光场与石英重叠度，进而降低光纤对激光能量的吸收；在光纤结构参数不变的情况下，所选择沉积层材料的区别在于低损耗的性能差异。 [0041] 如图3所示，对于沉积层厚度不同的复合材料空芯光纤，其厚度的不同除降低光场与石英的重叠面积之外，对微结构包层整体的折射率也存在调控作用，进而使空芯光纤的谐振峰发生偏移。不同沉积层厚度的复合材料空芯光纤对应的石英壁厚度也不相同，其目的为固定一阶谐振峰为3μm，以实现在4μm波段处的低损耗传输。 [0042] 此外图1中的复合材料同心圆环为7个，也可以考虑替代性的6个同心圆环或者其他数量。原则上，数量建议大于等于3个。 [0043] 如图4所示，对于沉积层材料不同的复合材料空芯光纤，其材料主要根据导光波段与应用环境进行选择，不同材料在特定波段的透光性能不同外，折射率的差异也导致对整体谐振峰调控的差异。图4为不同的光学材料在一阶谐振峰为3μm的损耗谱，并与相似结构的石英光纤进行比较。其中，不同材料的复合材料空芯光纤的微结构包层中石英壁厚度固定在0.4μm，其结构参数的差异仅为体现在沉积层的厚度上。 [0044] 至于微结构包层最小独立单元的形状是圆环还是嵌套管也并不是关键，这是因为无论是圆环还是嵌套管，额外的沉积层材料都能降低光场与石英重叠度。在其余结构参数不变的情况下，微结构包层最小结构单元形状的区别仅仅在于低损耗的性能差异。 [0045] 实施例2： [0046] 如图5所示，为进一步满足高功率中红外激光的传输需求，在实施例1的基础上，在其外包层31中添加均匀分布的散热孔32，外包层中散热孔的直径为2μm，数量为12个。 [0047] 实施例3： [0048] 如图6所示，实施例3与实施例1的区别在于复合材料环选择嵌套管结构，嵌套管的径向截面是两个相切、并且嵌套的圆，更靠近外层结构的石英圆环直径为30μm，而靠近纤芯的石英圆环直径为60μm，沉积层材料附着在两个圆环外侧；其中，石英壁的厚度为0.1μm，沉积层材料的厚度为0.643μm。 [0049] 实施例4： [0050] 如图7所示，为进一步满足高功率中红外激光的传输需求，在实施例3的基础上，在其外包层31中添加均匀分布的散热孔32，外包层中散热孔的直径为2μm，数量为12个。 [0051] 实施例5： [0052] 如图8所示，实施例3与实施例1的区别在于复合材料环选择连体管结构，连体管结构的径向截面是由中间设有薄板的半圆环构成。靠近纤芯的部分石英圆环半径为14μm，而靠近外包层的部分石英圆环半径为16μm，沉积层材料附着在石英壁的外侧；其中，石英壁的厚度为0.1μm，沉积层材料的厚度为0.643μm。 [0053] 实施例6： [0054] 如图9所示，为进一步满足高功率中红外激光的传输需求，在实施例5的基础上，在其外包层31中添加均匀分布的散热孔32，外包层中散热孔的直径为2μm，数量为12个。 [0055] 本发明的优点为： [0056] 1、本发明的复合材料空芯反谐振光纤在保证其具有传统空芯反谐振光纤诸多优点的同时，通过微结构包层的创新设计来降低中红外波段激光的传输损耗，降低空芯反谐振光纤对光的吸收，从而使本发明具有低传输损耗甚至是低于0.022dB/m@4μm的超低损耗传输。 [0057] 2、本发明的复合材料环彼此不接触，光纤整体结构相对简单； [0058] 3、本发明在高功率激光传输的应用场景下，可以通过增加外部包层厚度并在其中添加用于散热的微结构区域而大大提升其散热性能，防止光纤的沉积层与反谐振包层受热损坏； [0059] 4、本发明的复合材料空芯反谐振光纤具有中红外波段传输损耗低、有效的单模传输、保偏、非线性阈值高、损伤阈值高等特点，为激光传输、探测、光谱分析、痕量气体检测等领域提供了有效的解决方案。 [0060] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。 |
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