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光子晶体光纤原理及应用

发布时间:2020-12-24 09:42:17 浏览量:136 作者:Wilson

摘要

随着人类进入原子物理、光量子物理来科学描述微观世界的时代,用于描述这些微观世界快速运动的时间单位与精度,也逐步发展到毫

秒(10-3s)、微秒(10-6s)、纳秒(10-9s)、皮秒(10-12s)、甚至飞秒(10-15s)。用于研究反映物理、化学中电子快速过程

的电子技术,已可产生毫秒、微妙、纳秒和皮秒级的电脉冲,但无法产生飞秒脉冲。


摘要:随着人类进入原子物理、光量子物理来科学描述微观世界的时代,用于描述这些微观世界快速运动的时间单位与精度,也逐步发

展到毫秒(10-3s)、微秒(10-6s)、纳秒(10-9s)、皮秒(10-12s)、甚至飞秒(10-15s)。用于研究反映物理、化学中电子快

速过程的电子技术,已可产生毫秒、微妙、纳秒和皮秒级的电脉冲,但无法产生飞秒脉冲。


一、光子晶体光纤的发展

20世纪60年代出现的激光技术为产生皮秒和飞秒级的光脉冲提供了新的技术手段。飞秒激光技术经历了1981年的染料激光(第一代)

和1991年以掺钛蓝宝石激光(第二代)为代表的发展阶段,实现了超快的时间特性和超强的功率特性(峰值功率可提高至1015W),

成为激光受控核聚变的快速点火、新一代加速器、精密微纳加工等前沿科学技术的重要支撑技术,从而开创了飞秒激光技术应用的新时

代。在这样的前沿科学技术发展需求的背景下,1995年在德国研制出了第一根光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF),到21

世纪初已形成以光子晶体光纤激光为代表的新一代飞秒激光技术。其主要特征是,将微纳结构引入增益介质,从而使产生飞秒激光的主

要物理机制成为可控、可调、可设计,且其集成的功能具有高效率、高功率(平均)、高光束质量、结构简单、运行稳定等特点。


二、光子晶体光纤的原理

(1)光子晶体的概念、结构类型与机理。光子晶体的概念,与光纤是由包层与纤芯两种介质组成类比,光子晶体光纤通常是由单一介

质构成的,其包层周期性地规则对称分布着具有波长量级的空气整列,包层为涂覆层。因此,也可称其为“多孔光纤”(Holey 

Fiber)或“微结构光纤”(Microstructure Fiber)。光纤的中心,即被空气阵列包层包围的纤芯部位,可以视为周期结构阵列中存

在的“缺陷”。

 

图1.光子晶体光纤微结构


(2)根据纤芯缺陷部位的介质情况,可以将光子晶体光纤区分为两类:纤芯可以是实心的,即包层介质材料相同,折射率引导型

(Index Guiding PCF)。这种PCF可视为由许多石英芯的细微管按设计要求的六角形等做规则排列,纤芯缺陷处插入实心石英棒,后

在高温下通过数次复丝拉伸获得;纤芯也可以是空心的(即为空气孔)。


(3)折射率引导型光子晶体光纤,折射率引导型PCF的传光机理,与传统阶跃光纤的纤芯与包层界面处反射的传光机理类似。纤芯为

石英材料,其折射率为n1;包层则为由石英材料和空气孔构成的二维光子晶体,其多孔的阵列结构有效地降低了包层的平均折射率,

因而包层材料的有效折射率低于纤芯的,其折射率差构成了与传统阶跃光纤类同的全内反射传光机理。因此,又称之为全内反射。


三、光子晶体光纤的应用

(1)高速大容量长途传输,光子晶体光纤具有优异色散特性,可以制造出色散平坦、大有效面积,同时具备无尽单模特性的光子晶体

光纤;


(2)高功率光纤激光器,光子晶体光纤掺稀土元素,具备良好的抗热损伤能力,同时激光光束质量好,空气形成的内包层数值孔径

大,大大提高了激光二极管与光纤的耦合效率,实现KW级激光输出,在大功率切割焊接以及激光打标等领域具有广泛的应用;


(3)光存储领域的技术储备,利用光子晶体光纤的超高非线性效应,可以实现光速减慢与光速控制,这为未来的光存储与光交换奠定

了技术基础,也为全光通信提供了技术实现的新路径。


 

图2.光子晶体光纤传输的特点


结语:光子晶体光纤具有普通光纤所不具备的各种新颖特性,其在光器件领域应用远远不止这些,光子晶体光纤灵活而善变的新奇特性

给科研工作者提供了广阔的想象与创新空间,预示着微结构光纤将会在光通信、光器件、光传感、先进激光等领域具有广泛的应用前

景。


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