中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤及设计方法
本发明涉及光纤的，尤其涉及一种中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤，以及一种中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤的设计方法。
背景技术：
1、3-5μm中红外激光在许多领域，如医疗、安全、遥感、化学分析等具有广泛应用前景。通过光纤柔性传输，可以方便地实现不同设备之间的连接，提高激光传输的灵活性和可靠性。同时能够更好地适应各种环境条件的变化，如在恶劣环境下的长期稳定运行，提高了激光传输的稳定性和可靠性。此外，光纤在制备和维护方面也具有更高的灵活性和便利性，为中红外激光技术的发展和应用提供了更多的可能性。
2、传统的传输中红外激光的光纤为硫系玻璃光纤和氟化物光纤，但是硫系玻璃光纤损伤阈值较低，很难承受高平均功率的激光传输，且端面菲涅尔反射严重，光纤整体传输效率不高；氟化物光纤存在易潮解析晶的问题，无法长时间用于高功率激光的传输。
3、空芯反谐振光纤是一种新型光纤，其基于反谐振反射导光机理，光波主要在空气纤芯中传输，因而可突破传统石英材料的传输范围，实现中红外激光低损耗柔性传输，是一种理想的激光传输介质。然而，由于仍有极少部分光波在石英纤芯壁中传输，受限于石英在中红外波段极高的材料吸收损耗，石英材料的空芯反谐振光纤在大于4μm的波段损耗急剧增大，无法用于传输中红外激光器的典型激光波长(4.7μm)以及绝大多数量子级联激光。因此，亟需找到在3-5μm波段具有低损耗的空芯反谐振光纤。
技术实现思路
1、为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤，其具备在中红外材料吸收损耗低、柔性较高、传输损耗低、准单模传输的特点，可用于传输中红外波段激光器的典型激光波长4.7μm以及绝大多数量子级联激光器。
2、本发明的技术方案是：这种中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤，其结构由内到外依次为纤芯、微结构包层和外包层；纤芯由低折射率的空气构成；微结构包层由数个互不接触的具有反谐振厚度的毛细管组成，毛细管内部为空气；外包层为厚圆管结构；毛细管及外包层的材料为teo2-baf2-y2o3软玻璃。
3、还提供了中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤的设计方法，其包括以下步骤：
4、(1)对反谐振层的厚度t进行设计，最优厚度的计算公式如下：
5、
6、其中，m为自然数，n为tby玻璃的折射率，λ为传输波长；
7、使用有限元方法进行设计建模分析：选择m进行计算得出t，得到tby玻璃材料反谐振层厚度的理论值；
8、由于实际最优值与理论值有所偏差，再设置t为变量，在一定范围内对其进行优化仿真，计算出限制损耗最小时的最优反谐振层的厚度；
9、(2)对其材料吸收损耗αm进行计算，计算公式如下：
10、αm＝ηαabs (2)
11、η为模态重叠系数，αabs为材料本征吸收损耗；
12、(3)模态重叠系数η的计算公式为：
13、
14、根据公式(3)使用有限元方法进行仿真，得到模态重叠系数η，再根据tby玻璃材料本征吸收损耗αabs，由公式(2)得到材料吸收损耗αm。
15、本发明的有益技术效果如下：
16、1、本发明所提供的中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤的理论传输损耗极低，工作波长在3-5μm范围内时，其理论传输损耗在0.012-0.094db/m之间。尽管其理论限制损耗与传统石英空芯反谐振光纤相差不大，但材料吸收损耗相较于石英空芯反谐振光纤极低，从而降低了理论传输损耗，与石英空芯反谐振光纤理论传输损耗(0.017-3.701db/m)相比，本发明的空芯反谐振光纤的理论传输损耗降低了几个数量级，极大地提升了光纤性能。
17、2、本发明所提供的中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤结构简单，只有内部微结构包层与外包层构成，且tby玻璃抗损伤能力强、毒性低、化学和热稳定性高，有利于进行光纤拉制。
18、3、本发明所提供的中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤相比于石英空芯反谐振光纤，由于tby玻璃柔性较好，具有良好的弯曲特性，使得其能够应用于需要光纤弯曲的场合，大大拓展了空芯反谐振光纤的应用领域，提高了实用性。
技术特征：
1.中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤，其特征在于：其结构由内到外依次为纤芯(1)、微结构包层(2)和外包层(3)；纤芯由低折射率的空气构成；微结构包层由数个互不接触的具有反谐振厚度的毛细管组成，毛细管内部为空气；外包层为厚圆管结构；毛细管及外包层的材料为teo2-baf2-y2o3软玻璃。
2.根据权利要求1所述的中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述毛细管和外包层采用的teo2-baf2-y2o3软玻璃为teo2、baf2、y2o3组分比例可调整的软玻璃。
3.根据权利要求1所述的中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤，其特征在于：毛细管及外包层的材料为teo2、baf2、y2o3组分比例70：20：10的软玻璃。
4.根据权利要求1所述的中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述毛细管的管壁厚度与工作波长在同一数量级。
5.根据权利要求1所述的中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述毛细管个数n≥3。
6.根据权利要求1所述的中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述纤芯直径≤100μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤的设计方法，其特征在于：其包括以下步骤：
技术总结
本发明公开中红外波段低材料吸收损耗的空芯反谐振光纤及设计方法，具备在中红外材料吸收损耗低、柔性较高、传输损耗低、准单模传输的特点，可用于传输中红外波段激光器的典型激光波长4.7μm以及绝大多数量子级联激光器。其结构由内到外依次为纤芯、微结构包层和外包层；纤芯由低折射率的空气构成；微结构包层由数个互不接触的具有反谐振厚度的毛细管组成，毛细管内部为空气；外包层为厚圆管结构；毛细管及外包层的材料为TeO<subgt;2</subgt;‑BaF<subgt;2</subgt;‑Y<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;软玻璃。
技术研发人员：李平雪,朱云浩,刘姝,姚传飞,王萱,任国川,李凯航
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5