本發(fā)明涉及光纖的，尤其涉及一種中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖，以及一種中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖的設計方法。

背景技術：

1、3-5μm中紅外激光在許多領域，如醫(yī)療、安全、遙感、化學分析等具有廣泛應用前景。通過光纖柔性傳輸，可以方便地實現不同設備之間的連接，提高激光傳輸的靈活性和可靠性。同時能夠更好地適應各種環(huán)境條件的變化，如在惡劣環(huán)境下的長期穩(wěn)定運行，提高了激光傳輸的穩(wěn)定性和可靠性。此外，光纖在制備和維護方面也具有更高的靈活性和便利性，為中紅外激光技術的發(fā)展和應用提供了更多的可能性。

2、傳統的傳輸中紅外激光的光纖為硫系玻璃光纖和氟化物光纖，但是硫系玻璃光纖損傷閾值較低，很難承受高平均功率的激光傳輸，且端面菲涅爾反射嚴重，光纖整體傳輸效率不高；氟化物光纖存在易潮解析晶的問題，無法長時間用于高功率激光的傳輸。

3、空芯反諧振光纖是一種新型光纖，其基于反諧振反射導光機理，光波主要在空氣纖芯中傳輸，因而可突破傳統石英材料的傳輸范圍，實現中紅外激光低損耗柔性傳輸，是一種理想的激光傳輸介質。然而，由于仍有極少部分光波在石英纖芯壁中傳輸，受限于石英在中紅外波段極高的材料吸收損耗，石英材料的空芯反諧振光纖在大于4μm的波段損耗急劇增大，無法用于傳輸中紅外激光器的典型激光波長(4.7μm)以及絕大多數量子級聯激光。因此，亟需找到在3-5μm波段具有低損耗的空芯反諧振光纖。

技術實現思路

1、為克服現有技術的缺陷，本發(fā)明要解決的技術問題是提供了一種中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖，其具備在中紅外材料吸收損耗低、柔性較高、傳輸損耗低、準單模傳輸的特點，可用于傳輸中紅外波段激光器的典型激光波長4.7μm以及絕大多數量子級聯激光器。

2、本發(fā)明的技術方案是：這種中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖，其結構由內到外依次為纖芯、微結構包層和外包層；纖芯由低折射率的空氣構成；微結構包層由數個互不接觸的具有反諧振厚度的毛細管組成，毛細管內部為空氣；外包層為厚圓管結構；毛細管及外包層的材料為teo2-baf2-y2o3軟玻璃。

3、還提供了中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖的設計方法，其包括以下步驟：

4、(1)對反諧振層的厚度t進行設計，最優(yōu)厚度的計算公式如下：

5、

6、其中，m為自然數，n為tby玻璃的折射率，λ為傳輸波長；

7、使用有限元方法進行設計建模分析：選擇m進行計算得出t，得到tby玻璃材料反諧振層厚度的理論值；

8、由于實際最優(yōu)值與理論值有所偏差，再設置t為變量，在一定范圍內對其進行優(yōu)化仿真，計算出限制損耗最小時的最優(yōu)反諧振層的厚度；

9、(2)對其材料吸收損耗αm進行計算，計算公式如下：

10、αm＝ηαabs????????????????????????????(2)

11、η為模態(tài)重疊系數，αabs為材料本征吸收損耗；

12、(3)模態(tài)重疊系數η的計算公式為：

13、

14、根據公式(3)使用有限元方法進行仿真，得到模態(tài)重疊系數η，再根據tby玻璃材料本征吸收損耗αabs，由公式(2)得到材料吸收損耗αm。

15、本發(fā)明的有益技術效果如下：

16、1、本發(fā)明所提供的中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖的理論傳輸損耗極低，工作波長在3-5μm范圍內時，其理論傳輸損耗在0.012-0.094db/m之間。盡管其理論限制損耗與傳統石英空芯反諧振光纖相差不大，但材料吸收損耗相較于石英空芯反諧振光纖極低，從而降低了理論傳輸損耗，與石英空芯反諧振光纖理論傳輸損耗(0.017-3.701db/m)相比，本發(fā)明的空芯反諧振光纖的理論傳輸損耗降低了幾個數量級，極大地提升了光纖性能。

17、2、本發(fā)明所提供的中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖結構簡單，只有內部微結構包層與外包層構成，且tby玻璃抗損傷能力強、毒性低、化學和熱穩(wěn)定性高，有利于進行光纖拉制。

18、3、本發(fā)明所提供的中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖相比于石英空芯反諧振光纖，由于tby玻璃柔性較好，具有良好的彎曲特性，使得其能夠應用于需要光纖彎曲的場合，大大拓展了空芯反諧振光纖的應用領域，提高了實用性。

技術特征：

1.中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖，其特征在于：其結構由內到外依次為纖芯(1)、微結構包層(2)和外包層(3)；纖芯由低折射率的空氣構成；微結構包層由數個互不接觸的具有反諧振厚度的毛細管組成，毛細管內部為空氣；外包層為厚圓管結構；毛細管及外包層的材料為teo2-baf2-y2o3軟玻璃。

2.根據權利要求1所述的中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖，其特征在于：所述毛細管和外包層采用的teo2-baf2-y2o3軟玻璃為teo2、baf2、y2o3組分比例可調整的軟玻璃。

3.根據權利要求1所述的中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖，其特征在于：毛細管及外包層的材料為teo2、baf2、y2o3組分比例70：20：10的軟玻璃。

4.根據權利要求1所述的中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖，其特征在于：所述毛細管的管壁厚度與工作波長在同一數量級。

5.根據權利要求1所述的中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖，其特征在于：所述毛細管個數n≥3。

6.根據權利要求1所述的中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖，其特征在于：所述纖芯直徑≤100μm。

7.根據權利要求1-6任一項所述的中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖的設計方法，其特征在于：其包括以下步驟：

技術總結
本發(fā)明公開中紅外波段低材料吸收損耗的空芯反諧振光纖及設計方法，具備在中紅外材料吸收損耗低、柔性較高、傳輸損耗低、準單模傳輸的特點，可用于傳輸中紅外波段激光器的典型激光波長4.7μm以及絕大多數量子級聯激光器。其結構由內到外依次為纖芯、微結構包層和外包層；纖芯由低折射率的空氣構成；微結構包層由數個互不接觸的具有反諧振厚度的毛細管組成，毛細管內部為空氣；外包層為厚圓管結構；毛細管及外包層的材料為TeO<subgt;2</subgt;?BaF<subgt;2</subgt;?Y<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;軟玻璃。

技術研發(fā)人員：李平雪,朱云浩,劉姝,姚傳飛,王萱,任國川,李凱航
受保護的技術使用者：北京工業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/5