傳輸紫外激光空芯光纖的研究

王維 劉明輝

摘 要：該文通過對傳能光纖的傳輸特性分析和模式分析，并通過兩種實驗方法對發散角進行測量，從而得到空芯傳能光纖的輸入和輸出的激光模式的關系，這為傳能光纖的應用及耦合裝置的設計提供了依據。

關鍵詞：空芯傳能光纖 二氧化碳激光 耦合 激光模式

中圖分類號：TN2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-000-01

空芯光纖均通常會使用氧化物玻璃、晶體或金屬加介電膜用作光纖材料，以空氣成分作為傳輸介質。用此種方法有非常顯著的優勢，一是即可采用晶體、氧化物玻璃作為光纖材料，又可采用空氣當做介質；二是可精確的決定光線的有效作用距離，并且控制相對應的工具系統的精度。

而采用這些方法的最佳優點，第一個優點是通過使用氧化物晶體或玻璃作為光纖材料，而空芯光纖熱化學性能都比較穩定；第二個優點是通過使用空氣作為傳輸介質，憑借空氣具有高度的均勻性，可有效的降低光傳輸時因介質不均勻而造成的散射幾率，且空氣散射損耗小、光束分散性小，可良好的保證優異的光斑輸出質量；第三個優點是空氣作為傳輸介質，可有效的避開雜質吸收，良好的降低了吸收損耗；第四個優點是空氣折射率約為1，無終端反射，在空芯光纖端面不需防反射涂層，光具有較低的耦合損耗；第五個優點是空氣傳輸介質對光的吸收小，由吸收的光而轉化成的熱量少，而空芯光纖芯徑較大，空氣介質散熱效率較高。由以上五個因素，使得空芯光纖具有較大的能量損傷閥值，即可傳輸較大功率的激光而不致于因傳輸介質吸收較多的光引起較大的熱效應而損壞光纖。

如果采用合適的基礎材料設計，不僅可使管式光纖保持良好的韌性，還可使其具有良好的機械性能，非常容易實現紫外高能激光變量來彎曲傳輸；管式光纖通常不是有毒原料，更適合人體激光醫學；管式光纖性能穩定，耐高溫和紫外線照射，有著廣闊的應用前景。

1 空芯光纖的模式分析

對于空芯光纖來說，比較特殊的有兩種模式，分別是通過電介質或是金屬涂層在芯內進行激光傳輸，對于這兩種模式來說在芯區僅存在最低損耗是最為理想的結果。盡管光纖的前端遇高階模式會有所銳減，但是若碰到特殊的條件，例如尖銳彎曲的條件便仍能依據各個模式的純度來檢測出光纖自身的純度。并且一定程度上，光纖的傳輸能力的優劣取決于模式純度的高低。此外，在進行理論實驗時亦能以其輸出能力的散布情況來估算其內部模式純度，最低損耗模式占整體傳輸模式的比例是其純度的直觀依據。根據Miyagi 計算公式以及MS 理論所提出的光纖僅傳輸低階損耗且其空芯直徑遠超于所傳輸光的波長這兩條基礎理論，可知在進行實驗設計時更為可行的是依據模式能量分布來觀測其內部激光輸入輸出狀態下的模式純度。并且就其理論可知，光纖在直線時的能量分布有著極高的模式純度，其形狀接近于高斯分布，但在彎曲時則僅有較低模式純度。但在此時若使用激光器去影響彎曲空芯光纖能夠改變其能量分布，最終分離各個模式。

2 空芯光纖發散角的測量分析

在對光纖進行實際應用的過程中，其輸出光斑在高能量狀態下能被有效測量出。因此對光纖輸出發散角以及能量分布的測量實驗中主要采取以下兩種方式：

方式一：是通過先遠后近依次在距離空芯光纖輸出端的不同位置擺放厚紙板或熱敏紙方式來進行實驗。

通過此光纖輸出光束發散角實驗裝置可以通過短時間曝光后讀出顯微鏡的黑斑大小，并根據輸出端距離與斑點的直徑的關系曲線，最終求出發散角大小。即使是同一光纖，在不同的耦合條件下會產生不同的實驗曲線，如以下圖1、圖2、圖3所示。

圖1

圖2

圖3

實驗結果可以得知，發散角在不同的模中有著不同的大小，并且其在低階模中比高階模中要小很多。

方式二：則是在激光路徑不同距離處，將陶瓷片經過加黑處理后進行放置，進而得到光斑尺寸與位置的關系圖。實驗過程中主要針對灼燒部的最大直徑來畫取直線來進行最終實驗數據的測量。

3 結語

在分析了空芯光纖的模式并設計了實驗對發散角進行測量后能夠得到以下的結論：光纖輸出模式與其端口發散角密切相關，因此在能量進行耦合時應盡量采用最小波束角。而其能量的分布則與激光的輸出分布有一定的關聯。因此若想要使能量耦合有所提高，可以采取盡可能大的激光能量來對光纖進行耦合。綜上所述，實驗的結果可以進一步表明，空芯光纖有其特殊的傳輸模式與能量分布，今后在逐漸豐富空芯光纖檢測數據的過程中，定能更為廣泛地利用光纖傳能技術。

參考文獻

[1] 韓建軍.傳輸紫外激光空芯光纖系統的研究[J].激光與紅外，2006（9）：256-257.

[2] Hou Lantian，Zhou Guiyao， Hou Zhiyun，et al.Transmitting High Power Double-layer Dielectric Hollow Optical Fibers[C]//SPIE，2003.

[3] 劉曉霞，韓建軍.傳輸紫外激光用空芯光纖結構設計[J].材料導報，2009（4）：56-57.