傳輸紫外激光空芯光纖的研究

王維 劉明輝

摘 要：該文通過(guò)對(duì)傳能光纖的傳輸特性分析和模式分析，并通過(guò)兩種實(shí)驗(yàn)方法對(duì)發(fā)散角進(jìn)行測(cè)量，從而得到空芯傳能光纖的輸入和輸出的激光模式的關(guān)系，這為傳能光纖的應(yīng)用及耦合裝置的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)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(hào)：TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（b）-000-01

空芯光纖均通常會(huì)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(zhì)。用此種方法有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，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(dāng)做介質(zhì)；二是可精確的決定光線的有效作用距離，并且控制相對(duì)應(yīng)的工具系統(tǒng)的精度。

而采用這些方法的最佳優(yōu)點(diǎn)，第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)使用氧化物晶體或玻璃作為光纖材料，而空芯光纖熱化學(xué)性能都比較穩(wěn)定；第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)使用空氣作為傳輸介質(zhì)，憑借空氣具有高度的均勻性，可有效的降低光傳輸時(shí)因介質(zhì)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(yōu)異的光斑輸出質(zhì)量；第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是空氣作為傳輸介質(zhì)，可有效的避開(kāi)雜質(zhì)吸收，良好的降低了吸收損耗；第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)是空氣折射率約為1，無(wú)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是空氣傳輸介質(zhì)對(duì)光的吸收小，由吸收的光而轉(zhuǎn)化成的熱量少，而空芯光纖芯徑較大，空氣介質(zhì)散熱效率較高。由以上五個(gè)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(zhì)吸收較多的光引起較大的熱效應(yīng)而損壞光纖。

如果采用合適的基礎(chǔ)材料設(shè)計(jì)，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(jī)械性能，非常容易實(shí)現(xiàn)紫外高能激光變量來(lái)彎曲傳輸；管式光纖通常不是有毒原料，更適合人體激光醫(yī)學(xué)；管式光纖性能穩(wěn)定，耐高溫和紫外線照射，有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 空芯光纖的模式分析

對(duì)于空芯光纖來(lái)說(shuō)，比較特殊的有兩種模式，分別是通過(guò)電介質(zhì)或是金屬涂層在芯內(nèi)進(jìn)行激光傳輸，對(duì)于這兩種模式來(lái)說(shuō)在芯區(qū)僅存在最低損耗是最為理想的結(jié)果。盡管光纖的前端遇高階模式會(huì)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(jù)各個(gè)模式的純度來(lái)檢測(cè)出光纖自身的純度。并且一定程度上，光纖的傳輸能力的優(yōu)劣取決于模式純度的高低。此外，在進(jìn)行理論實(shí)驗(yàn)時(shí)亦能以其輸出能力的散布情況來(lái)估算其內(nèi)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(jù)。根據(jù)Miyagi 計(jì)算公式以及MS 理論所提出的光纖僅傳輸?shù)碗A損耗且其空芯直徑遠(yuǎn)超于所傳輸光的波長(zhǎng)這兩條基礎(chǔ)理論，可知在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)更為可行的是依據(jù)模式能量分布來(lái)觀測(cè)其內(nèi)部激光輸入輸出狀態(tài)下的模式純度。并且就其理論可知，光纖在直線時(shí)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(shí)則僅有較低模式純度。但在此時(shí)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(gè)模式。

2 空芯光纖發(fā)散角的測(cè)量分析

在對(duì)光纖進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，其輸出光斑在高能量狀態(tài)下能被有效測(cè)量出。因此對(duì)光纖輸出發(fā)散角以及能量分布的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中主要采取以下兩種方式：

方式一：是通過(guò)先遠(yuǎn)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(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)此光纖輸出光束發(fā)散角實(shí)驗(yàn)裝置可以通過(guò)短時(shí)間曝光后讀出顯微鏡的黑斑大小，并根據(jù)輸出端距離與斑點(diǎn)的直徑的關(guān)系曲線，最終求出發(fā)散角大小。即使是同一光纖，在不同的耦合條件下會(huì)產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)曲線，如以下圖1、圖2、圖3所示。

圖1

圖2

圖3

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，發(fā)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(jīng)過(guò)加黑處理后進(jìn)行放置，進(jìn)而得到光斑尺寸與位置的關(guān)系圖。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要針對(duì)灼燒部的最大直徑來(lái)畫(huà)取直線來(lái)進(jìn)行最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量。

3 結(jié)語(yǔ)

在分析了空芯光纖的模式并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)對(duì)發(fā)散角進(jìn)行測(cè)量后能夠得到以下的結(jié)論：光纖輸出模式與其端口發(fā)散角密切相關(guān)，因此在能量進(jìn)行耦合時(shí)應(yīng)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(guān)聯(lián)。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(lái)對(duì)光纖進(jìn)行耦合。綜上所述，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，定能更為廣泛地利用光纖傳能技術(shù)。

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