传输紫外激光空芯光纤的研究

王维 刘明辉

摘 要：该文通过对传能光纤的传输特性分析和模式分析，并通过两种实验方法对发散角进行测量，从而得到空芯传能光纤的输入和输出的激光模式的关系，这为传能光纤的应用及耦合装置的设计提供了依据。

关键词：空芯传能光纤 二氧化碳激光 耦合 激光模式

中图分类号：TN2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-000-01

空芯光纤均通常会使用氧化物玻璃、晶体或金属加介电膜用作光纤材料，以空气成分作为传输介质。用此种方法有非常显著的优势，一是即可采用晶体、氧化物玻璃作为光纤材料，又可采用空气当做介质；二是可精确的决定光线的有效作用距离，并且控制相对应的工具系统的精度。

而采用这些方法的最佳优点，第一个优点是通过使用氧化物晶体或玻璃作为光纤材料，而空芯光纤热化学性能都比较稳定；第二个优点是通过使用空气作为传输介质，凭借空气具有高度的均匀性，可有效的降低光传输时因介质不均匀而造成的散射几率，且空气散射损耗小、光束分散性小，可良好的保证优异的光斑输出质量；第三个优点是空气作为传输介质，可有效的避开杂质吸收，良好的降低了吸收损耗；第四个优点是空气折射率约为1，无终端反射，在空芯光纤端面不需防反射涂层，光具有较低的耦合损耗；第五个优点是空气传输介质对光的吸收小，由吸收的光而转化成的热量少，而空芯光纤芯径较大，空气介质散热效率较高。由以上五个因素，使得空芯光纤具有较大的能量损伤阀值，即可传输较大功率的激光而不致于因传输介质吸收较多的光引起较大的热效应而损坏光纤。

如果采用合适的基础材料设计，不仅可使管式光纤保持良好的韧性，还可使其具有良好的机械性能，非常容易实现紫外高能激光变量来弯曲传输；管式光纤通常不是有毒原料，更适合人体激光医学；管式光纤性能稳定，耐高温和紫外线照射，有着广阔的应用前景。

1 空芯光纤的模式分析

对于空芯光纤来说，比较特殊的有两种模式，分别是通过电介质或是金属涂层在芯内进行激光传输，对于这两种模式来说在芯区仅存在最低损耗是最为理想的结果。尽管光纤的前端遇高阶模式会有所锐减，但是若碰到特殊的条件，例如尖锐弯曲的条件便仍能依据各个模式的纯度来检测出光纤自身的纯度。并且一定程度上，光纤的传输能力的优劣取决于模式纯度的高低。此外，在进行理论实验时亦能以其输出能力的散布情况来估算其内部模式纯度，最低损耗模式占整体传输模式的比例是其纯度的直观依据。根据Miyagi 计算公式以及MS 理论所提出的光纤仅传输低阶损耗且其空芯直径远超于所传输光的波长这两条基础理论，可知在进行实验设计时更为可行的是依据模式能量分布来观测其内部激光输入输出状态下的模式纯度。并且就其理论可知，光纤在直线时的能量分布有着极高的模式纯度，其形状接近于高斯分布，但在弯曲时则仅有较低模式纯度。但在此时若使用激光器去影响弯曲空芯光纤能够改变其能量分布，最终分离各个模式。

2 空芯光纤发散角的测量分析

在对光纤进行实际应用的过程中，其输出光斑在高能量状态下能被有效测量出。因此对光纤输出发散角以及能量分布的测量实验中主要采取以下两种方式：

方式一：是通过先远后近依次在距离空芯光纤输出端的不同位置摆放厚纸板或热敏纸方式来进行实验。

通过此光纤输出光束发散角实验装置可以通过短时间曝光后读出显微镜的黑斑大小，并根据输出端距离与斑点的直径的关系曲线，最终求出发散角大小。即使是同一光纤，在不同的耦合条件下会产生不同的实验曲线，如以下图1、图2、图3所示。

图1

图2

图3

实验结果可以得知，发散角在不同的模中有着不同的大小，并且其在低阶模中比高阶模中要小很多。

方式二：则是在激光路径不同距离处，将陶瓷片经过加黑处理后进行放置，进而得到光斑尺寸与位置的关系图。实验过程中主要针对灼烧部的最大直径来画取直线来进行最终实验数据的测量。

3 结语

在分析了空芯光纤的模式并设计了实验对发散角进行测量后能够得到以下的结论：光纤输出模式与其端口发散角密切相关，因此在能量进行耦合时应尽量采用最小波束角。而其能量的分布则与激光的输出分布有一定的关联。因此若想要使能量耦合有所提高，可以采取尽可能大的激光能量来对光纤进行耦合。综上所述，实验的结果可以进一步表明，空芯光纤有其特殊的传输模式与能量分布，今后在逐渐丰富空芯光纤检测数据的过程中，定能更为广泛地利用光纤传能技术。

参考文献

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[3] 刘晓霞，韩建军.传输紫外激光用空芯光纤结构设计[J].材料导报，2009（4）：56-57.