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。

基于硒化镓纳米片填充的空芯光纤超高二次谐波增强

与传统的光学晶体相比,全光纤功能器件由于和光纤系统的天然兼容性,被认为是下一代集成光学的重要研究方向,吸引了人们的广泛关注。然而,由于二氧化硅固有的中心反演对称性质,光纤中的二阶非线性光学过程仍有待探索,这在可调谐超快激光、全光信号处理、成像和光通信等商业全光纤非线性光学应用中具有重要意义。因此,我们提出了一种新的溶液填充方法,可有效地将具有高非线性的硒化镓纳米片直接沉积在长度达半米的空芯光纤(HCF)的内孔壁上。此外,采用制备的硒化镓纳米片-空芯光纤(GaSe-HCF)作为光频率转换器,其二次谐波(SHG)比嵌入MoS2的HCF和普通HCF分别提高了2个数量级和3个数量级。我们的研究成果将拓展其它非线性材料在全光纤高端非线性光学和光电子学中的应用,并提供新的制备思路。

反谐振空芯光纤冷原子导引

利用852 nm导引光产生的偶极势阱将经激光冷却的87Rb冷原子团装载并导引进入反谐振空芯光纤中。提出了空芯光纤内原子系综的光学深度理论模型,利用该模型对光学深度透射谱进行拟合获得谐振光学深度。在此基础上利用飞行时间法估算空芯光纤内原子团的径向温度和原子数目等参数。系统性地实验研究了偶极势阱深度、原子团初始温度、原子团初始空间位置等条件对导引结果的影响,确定了空芯光纤导引冷原子团实验的参数优化方向,为基于空芯光纤的冷原子干涉仪技术奠定了基础。

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。

CH_(4)裂解制备C_(2)H_(2)过程气体空芯光纤增强拉曼光谱检测研究

基于空芯反谐振光纤设计搭建了光纤增强拉曼光谱检测平台,实现了95%的激光耦合效率;提出CCD和小孔协同降噪方法,使信噪比提高约6倍;相比于未使用光纤时,信噪比提高约270倍。基于单一标准浓度气体分析,确定了用于气体定性的特征拉曼谱峰及标定模型并建立了过程气体定量分析模型,实现了CH_(4)裂解制备C_(2)H_(2)过程气体现场样本的同时检测分析,主要成分包含H_(2)、CO、CO_(2)、CH_(4)、C_(2)H_(2)、C2H6和C_(2)H_(4)。各气体同时最小检出限分别达到6.3、26.6、1.2、2.2、4.2、3.9、9.1μL/L∙bar,各气体含量分别为560588.51μL/L、230678.21μL/L、33107.65μL/L、56086.77μL/L、77945.56μL/L、1307.19μL/L、1823.55μL/L,各气体浓度与色谱仪标定值相符,检测误差低于4.95%。该方法为CH_(4)裂解制备C_(2)H_(2)控制提供了重要的途径。

吸收式气敏传感空芯光纤的设计和制备

研发了红外波段吸收式气敏传感空芯光纤.空芯光纤的内面镀有银膜和介质膜,在目标波长提高反射率从而降低损耗.银膜和介质膜分别采用化学银镜反应法和液相镀膜法成膜.优化介质膜的材料和膜厚,光纤在可见光到中红外波段实现了低损耗特性.空芯光纤不仅可以用作气体传感的光吸收气室,而且也可用作红外光的传输媒介.初步实验结果显示这种空芯光纤可以替代普通的气体吸收气室,实现传感系统小型化.

高性能Ag/AgI红外空芯光纤的研究

采用液相化学镀膜法研制了内面镀有银膜和碘化银膜(Ag/AgI)的高性能空芯红外光纤.分析了绿色导航光和红外激光同时低损耗传输的光纤结构参量.长度1m、内直径0.7mm的Ag/AgI空芯光纤不仅在红外有低损耗传输特性,而且首次在波长530nm处获得了7dB/m的低传输损耗特性.满足可见光作为导航光的同轴传输要求.通过分析和改进实验工艺参量,有效降低Ag和AgI薄膜的表面粗糙度.给出了高性能Ag/AgI空芯光纤的介质镀膜的具体工艺参量.

基于空芯光纤增强拉曼光谱气体探测方法研究

拉曼光谱技术具有多组分同时探测、分析周期短和非接触等特点,被应用于多个领域,但是由于较低的探测灵敏度,限制了拉曼光谱技术的发展。针对提高拉曼光谱技术对气体探测灵敏度问题,本文设计并搭建了一套基于空芯光纤气体拉曼光谱增强系统,开展了空芯光纤拉曼光谱系统和后向散射拉曼光谱实验系统对比实验研究。实验结果表明,空芯光纤对信号、背景和噪声都具有放大效果,以空气中氮气和氧气为探测物质,与后向拉曼光谱信号相比,在相同探测时间情况下,信号强度增强60倍以上,信噪比增强约6倍;在相同探测强度情况下,探测时间仅为后向散射的1/60,噪声为后向散射拉曼系统的1/2。

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.

采用中红外空芯光纤探头的特征谱遥测系统

设计制作了多种空芯光纤探头,搭建了基于傅里叶变换红外光谱仪的遥测系统.实验结果表明,采用锥形耦合光纤为接收光纤的探头具有17.6%的高效系统传输效率.对聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯等有机物和无水乙醇、甲苯等有机溶剂薄膜的光谱进行测量,得到了遥测光谱.根据甲苯在1605 cm-1波数的特征峰对甲苯/乙醇混合溶液中的甲苯浓度进行定量遥测分析.配置浓度在5%～50%的多份混合溶液用于建立定量模型,并独立检验.结果显示检验的预测均方根误差(RMSEP)为3.356,参考值和预测值的相关系数为0.9200.初步实现了对薄膜、混合溶液等进行红外特征谱的遥测.

介质镀膜空芯光纤在THz频段的传输特性

理论分析了介质镀膜空芯光纤在THz频段的传输特性，得出了该光纤的特征方程及模式分布。利用射线光学原理计算了介质膜材料为聚酰亚胺、介质膜厚度为0．05mm的光纤的衰减常数随介质膜内直径的变化情况。得出其主模在THz频段的衰减常数小于1dB／m，该值远小于相同内径的金属圆波导在这一频段的衰减常数。模拟计算了介质膜厚度为0．05mm、内径为1mm，金属膜内径为1.05mm的介质镀膜空芯光纤在0～1THz的S参数，模拟结果显示该光纤在TFHz频段有很宽的通带，且在通带内衰减常数小于0．5dB／m。可用于THz频段电磁波远距离传输。

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Ag I/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%,Ag I/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 m J,Ag I/Ag空芯光纤损伤阈值为29.4 m J。通过对比结果可知,Ag I/Ag空芯光纤拥有较高的损伤阈值,然而Ag I/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。

空芯光纤中沉积多晶态GeO_2薄膜的实验研究

通过缩短高温炉与冷却器的距离 ,使化学反应区与沉积区的温度梯度增加到约 9℃ /mm ,进而使GeCl4 与O2 可在内径为 1.0mm的空芯石英管内壁沉积上颗粒度约 0 .1μm、厚度为 3.0 μm的多晶态GeO2 介质膜 ,使表面更加光滑 ,提高了光纤的传输性能 ,光纤的传输损耗小于 0 .8dB/m .

空芯光纤

从空芯光纤的传输原理、理论背景及研究的领域,总结了对该材料研究的状况,报告了我们的研究成果。

介质膜结构空芯光纤酶基传感器的制作与优化

设计了一种基于介质膜结构的空芯光纤化学发光传感器。建立了多层膜空芯光纤非子午线几何光学传输模型,对其损耗谱和发光特性进行了仿真分析,并考虑了介质膜界面粗糙度、介质膜厚度等相关参数对化学发光及传输特性的影响。改进了溶胶-凝胶酶基敏感膜的制作工艺,提出了分离镀膜法,并对敏感膜厚度进行了实测分析。搭建了基于介质膜空芯光纤化学发光传感器的检测系统,对过氧化氢浓度进行了实际测量。结果表明,基于本传感器的系统,得到了22.8 n W/(mmol·L-1)的灵敏度以及3μmol/L的检测极限。实现了近200 h的使用寿命。且操作简单,反应快速,可小型化,可应用于环境监测,生物分析等领域。

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。

传输紫外激光用空芯光纤结构设计

对传输紫外激光用空芯光纤结构进行了研究。铝膜是从紫外到红外都有很高反射率的理想材料,用它来研制的空芯光纤的直线损耗和弯曲损耗均较小。在铝膜上涂覆设计厚度的低折射率膜可进一步提高系统的反射率,增加传输效率,并保护铝膜免受大气侵蚀。

纳米GeO_2在空芯光纤中的化学气相沉积

采用调节高温区与冷却区距离的方法，使多晶GeO2介质膜的颗粒度降低到0.1m左右，提高了光纤的传输能力，将光纤的传输损耗降低到0.8dB/m以下。

适合于溶胶-凝胶法工艺的CO_2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。

传输CO_2激光空芯光纤的研制

利用红外分光光度计 ,测定了研究系统的玻璃在 40 0 0～ 2 5 0cm-1范围的红外反射率R ,通过计算发现该系统的玻璃在 110 0～ 80 0cm-1间存在着反常色散现象 ,且在CO2 激光波长处的折射率小于 1,并制备出了用于传输CO2