具有大纤芯和平坦基谐模的微结构光纤,其生产方法以及其在激光微细加工中的使用

摘要

一种光纤，包括：具有指数N和10微米或更大直径的纤芯（2），该纤芯（2）被具有指数N+Δn和厚度ΔR的环（4）所包围；以及包围该环并且包括例如气隙（8）的光学包层（6）。根据本发明，Δn>10

说明书

技术领域

本发明涉及具有大纤芯、适于得到平坦基谐模的微结构光纤以及生产这种 光纤的方法。

术语“大纤芯”代表其直径等于至少10微米的纤芯。术语“平坦基谐莫”代表 其强度具有平坦的横向剖面的基谐模；应当注意，在这种情况下，基谐模直径 表现出相对于纤芯直径较小的差异；并且如果纤芯直径较大（大于或者等于10 微米），则基谐模直径也较大。

本发明尤其适用于激光微细加工方法，例如，激光标记方法和激光切割方 法，或者与光-生物组织相互作用相关的用于治疗和诊断的方法。

背景技术

为了得到具有平坦基谐模的光纤，众所周知的是在纤芯周围放置环，其光 学指数略大于该纤芯的光学指数。

在这方面，可参考文献[1]，其像下文中要引用的其它文献[2]至[7]一样，将 在本发明的结尾处提及。

然而，文献[1]中所述的光纤具有纤芯直径小的缺点。

从文献[2]和[3]中获知在掺杂有稀土元素的大纤芯周围使用环。然而，这些 文献中所讨论的光纤是多模光纤，为了在该光纤的输出端得到单模，即，基谐 模，要使用增益进行鉴别。实际上，与其它模相比，平坦基谐模在掺杂纤芯上 具有更好的重叠。

这构成了现有技术中所知的平坦大模的唯一实验性实施方式。在光纤输出 端得到的模的实验图像存在于文献[4]的附图7中。所得到的剖面非常不完整。 这归因于光纤的实际实施方式不适于得到完整的指数阶跃。

从文献[5]获知适于通过气隙方式来限制模以及通过环来使模平坦的光纤。 所述微结构的气隙的直径d与这些气隙的间距Λ相比的比例d/Λ在0.4左右； 由此将产生针对这种结构的多模纤芯。然而，没有给出实验演示。

此外，文献[5]中所述的光纤的参数显得不实际。特别是，环与纤芯之间光 学指数的差异极小——等于3x10^-4——因而在生产中很难或者甚至不可能得 到。

从文献[6]获知具有很小的掺杂纤芯（直径几微米）并且无环的微结构光纤。

实际上，迄今为止，尚未获知用于在无源光纤的输出端得到具有至少10 微米直径的单个平坦模的令人满意的解决方案。

文献[1]和[6]中所提出的无源纤芯光纤仅适于得到小的模尺寸（有效面积小 于100平方微米）；

为了得益于增益鉴别，当需要放大时从文献[2]获知的光纤设计的多模方面 才需要用到这种光纤。然而，在某些情况下（例如，空间成型、功率运输和非 线性放大），有必要使用无源光纤；注意，在某些情况下，曲率鉴别也是有可能 的。

非常困难或者不可能实验地实现文献[5]中所提出的光纤参数，特别是环与 纤芯之间光学指数的差异。

作为一般规则，现有技术中所提出的设计是不现实的，因为其没有考虑到 生产限制。现有技术只包括平坦基谐模光纤的一种实验性实施方式（参见文献 [2]）。

然而，该实施方式相对不可信，因为在光纤输出端得到的光纤不能被认为 是平坦的（参见文献[4]）。此外，文献[2]的作者承认所述光纤的实际实施方式 不适于得到充分地控制的指数阶跃。

发明内容

本发明涉及不具有上述缺点的微结构光纤。

具体地，本发明涉及具有大纤芯和平坦基谐模的微结构光纤，其包括：

纤芯，该纤芯的直径为至少10微米；

包围纤芯的环，该环的光学指数比纤芯的光学指数高出值Δn，并且该环的 外半径比内半径大出值ΔR；以及

光学包层，该光学包层包围环并且包括包含有例如纵向气隙的夹杂物的基 质，其中，夹杂物的光学指数不同于基质的光学指数，包层的等效平均光学指 数nFSM小于纤芯的光学指数，

其特征在于，Δn大于10^-3并且ΔR通过等式ΔR=α/(Δn)^β与Δn关联，其中， α在从5x10^-4微米到5x10^-2微米的区间内，β在从0.5到1.5的区间内，并且α 和β取决于：微结构光纤要传导的光的波长λ、微结构光纤中的缺失性夹杂物 的数量（由于纤芯和环的存在）、夹杂物的直径d，夹杂物的间距Λ和纤芯的光 学指数。

根据本发明的微结构光纤的一个优选实施例，缺失性夹杂物的数量等于7。 然后，该光纤被视为具有7个缺陷。

根据本发明的微结构光纤的纤芯可以被掺杂或者不被掺杂。

例如，可以通过发光的实体（例如，稀土元素离子）或者不通过这样的实 体对其进行掺杂。

根据本发明的第一具体实施例，纤芯由未掺杂的二氧化硅制成，β等于1 并且α由以下公式给出：

α=2.489x10^-2(d/Λ)^0.25λ²/Λ

其中，当d,Λ和λ以微米表示时，α也同样以微米表示。

根据本发明的第二具体实施方式，纤芯由掺杂有例如镱、铝或者其他诸如 磷或锗的共掺质的二氧化硅制成，从而将纯二氧化硅的光学指数增大大约 1.5x10^-3，β等于0.905并且α由以下公式给出：

α=1.046x10^-2(λ/Λ)^0.19

其中，当Λ和λ以微米表示时，α也同样以微米表示。

根据本发明的第三具体实施方式，纤芯由掺杂有例如镱、铝或者其他诸如 磷或锗的共掺质的二氧化硅制成，从而将纯二氧化硅的光学指数增大大约 5x10^-3，β等于0.87并且α由以下公式给出：

α=1.327x10^-2(λ/Λ)^0.05

其中，当Λ和λ以微米表示时，α也同样以微米表示。

本发明也涉及用于生产根据本发明的微结构光纤的方法，其中，

选择λ；

选择缺失性夹杂物的数量；

选择比例d/Λ；

选择纤芯的掺杂量T，T大于或者等于0；

选择Λ；

选择Δn；

利用所述等式确定ΔR以在光纤的输入端被射入具有波长λ的光时在该光 纤的输出端得到平坦基谐模；以及

在由此选择了夹杂物的数量以及参数d、T、Λ、Δn并且以上述方式确定了 参数ΔR的情况下，生产微结构光纤。

本发明还涉及一种激光微细加工方法，其中，使用根据本发明的微结构光 纤来传导由激光器发射出的光。

附图说明

通过参考附图阅读下文中给出的对实施方式的示例（只作为表示而不作为 限制）的描述，将更清楚地理解本发明，其中：

图1A是根据本发明的微结构光纤的一个示例的示意性截面图，以及图1B 针对该示例的光纤示出了光学指数的径向剖面；

图2针对图1A中的光纤示出了适于得到平坦剖面的环的厚度ΔR在缺陷 为7并且间距Λ取不同值的情况下相对于指数反差Δn的变化；

图3A示出了当Λ等于30微米以及Δn等于2x10^-3时该光纤中所传导的模 的横向剖面，以及图3B示出了所述光纤中的光强度I沿与图3A中的水平轴x 形成角度π/6（30°）的图3A中的轴线X的变化；

图4示出了当Λ等于30微米时相对于Δn和ΔR以a%表示的均方根（RMS） 平整度变化的示图；以及

图5示出了根据本发明的光纤的光学指数的径向剖面。

具体实施方式

图1A是适于得到平坦基谐模、具有大直径的微结构光纤发明的示例的示 意性截面图。图1B示出了图1A中所表示的光纤沿水平截面的指数剖面，即， 随半径R（径向剖面）而变的光学指数n的变化。

微结构的好处特别在于即使针对较大的纤芯（相对于在光纤中传播的光的 波长λ）也能提供准单模特性。

图1A中所示的光纤包括：

中心部分，该中心部分由光学指数被标注为N的纤芯2和光学指数等于 N+Δn的环4组成，其中，Δn（指数阶跃）确定地为正；以及

包围环4的光学包层6，该光学包层6包括夹杂空气并且具有小于纤芯2 的光学指数N的等效平均光学指数n_FSM。

更具体地，在图1A所示的示例中，光学包层6包括平行于光纤的轴线的 纵向气隙8。包层6由与纤芯相同的材料组成，但是由于这些气隙的存在，其 指数n_FSM小于N。

在该示例中，纤芯2由纯二氧化硅制成；环4具有亚微米厚度并且其由掺 杂有少量锗的二氧化硅制成；环的内半径被标注为R1，其外半径被标注为R2， 从而其厚度为ΔR（ΔR=R2-R1）；并且包层6是空气-二氧化硅型的。注意，纤 芯2的直径等于2R1，其中根据本发明2R1≥10微米。

微结构参数为气隙8的直径d和气隙8的间距Λ。

从图1A可以看出，为了形成被环4包围的纤芯2，七个中央气隙或者毛细 孔由实心材料来代替，从而形成纤芯并且形成环。该光纤被视为具有7个缺陷。

这种几何结构适于在不过度地扩大气隙网络的间距Λ的情况下扩大基谐模 的尺寸。应当注意，对于这样的几何结构，要求比例d/Λ等于0.046以在不论λ/Λ 为何值的情况下得到单一传播模（参见文献[7]）。

比例d/Λ应当尽可能地小（通常d/Λ小于0.25）以使得传导模的数量尽可 能地小。

环4的外半径R2由光纤的生产来限定。由于用来形成包层6的毛细孔的 定位，在限定该环4、具有半径R2的外部柱面与所遇到的第一个气隙的中心之 间需要至少等于Λ/2的间距，相当于最大外半径等于

当环的基谐模达到其截止波长时（即，当该模的有效指数变得等于纤芯材 料的折射指数时），得到平坦模。针对于变量对（Δn；ΔR）对基谐模横向强度 剖面的平整度进行优化。图2给出了针对于d/Λ=0.25的优化的示例。应当注 意，Δn（指数阶跃或者指数反差）是环4的光学指数与纤芯2的光学指数之间 的差异，以及ΔR是该环的厚度。

更具体地，图2给出了以下情况中时适于得到平坦剖面的环的厚度（随指 数反差而变）：针对缺陷为7；针对气隙之间的若干间距Λ，即，Λ=8.5微米（曲 线I）、Λ=17微米（曲线II）和Λ=30微米（曲线III）；并且针对d/Λ=0.25。

图3A示出了在间距Λ为30微米、指数反差Δn为2x10^-3以及比例d/Λ为 0.25的情况下在图1A中所示的微结构光纤中传导的模的横向剖面。对于这一 指数反差，图2验证了环的厚度ΔR应该等于305纳米。

图3B示出了沿着图3A中的轴线X的光强度I（单位W/m²）的变化，该 轴线X与图3A中的水平轴x形成π/6弧度（30°）的角度。

应当注意，由于对称的原因，图3A中仅示出了光纤的四分之一。对于整 个结构，在这种情况下，得到的基谐模的有效面积为6420平方微米。

图1A所示的结构以及图2中给出的随指数反差而变的环厚度的变化适于 得到平坦基谐模。不同于现有技术中存在的设计方案，在本发明中计算光学参 数时考虑了生产限制。

因此出现了现有技术中所知的设计提升。这一提升使得解决生产具有平坦 基谐模的光纤的问题成为可能，该问题以前并未得到解决。

可从图2中读出的指数反差Δn适于使用外部气相沉积（OVP）技术通过 以下方式得到：在纯二氧化硅（指数N）周围沉积具有指数N+Δn的二氧化硅， 或者在具有指数N-Δn的掺杂二氧化硅纤芯周围沉积纯二氧化硅（指数N）。现 有的生产技术适于将环的尺寸控制在几个百分比之内并且适于得到5x10^-4内的 指数反差。

图4是具有7个缺陷、30微米的间距Λ以及0.25的比例d/Λ的光纤的平 整度变化（以%表示的均方根变化）的示图，该平整度变化随参数Δn和ΔR而 变。

在图4中，看出Δn在2x10^-3附近变化以及ΔR在300纳米附近变化。在调 制率$M_{\mathrm{spa}}=\frac{\sqrt{<I^2(x,y){>}_{80\%\mathrm{surface}}}-<I(x,y){>}_{80\%9\mathrm{surface}}^2}{<(x,y){>}_{80\%\mathrm{surface}}}$的基础上计算这些变化，其中<>相当于 在模表面的80%上计算的平均值。

因此，即使对于比通常生产精度更大范围的ΔR（半径微分）值，由M_spa所定义的变化值也小于7%。

不同于现有技术中的光纤，本发明中的光纤的结构参数以及关于这些参数 的不确定性与当前的生产技术是兼容的。

特别地，尽管文献[5]中所公开的光纤的尺寸似乎接近于根据本发明的光纤 的尺寸，但是不同于根据本发明的光纤，从文献[5]中获知的光纤在实验上是不 可行的。

还应当注意，在本发明中，为了得到考虑生产限制的尺寸，需要进行数值 优化。因此，所使用的参数不是利用现有技术中所知的规律或数值直接得到的。

也应当注意，尽管对平坦基谐模光纤表示了极大的兴趣，但是现有技术仅 包括这种光纤的一个实验性实施例（参见文献[2]）。而且，这一已知的实验性 实施例相对不可信，因为在光纤的输出端得到的光线的强度是非常轻微地平坦 的（参见文献[4]）。这清楚地验证了该尺寸并不明显。

形成根据本发明的光纤的尺寸的推理过程如下所示：

选择在光纤中传导的光的波长λ（例如，λ=1微米或者λ=1.55微米）；

选择气隙结构中由固态纤芯所代替的毛细孔的数量（例如，7个缺陷）；

选择比例d/Λ（例如，d/Λ=0.12）；

选择具有发光离子的纤芯的掺杂量T（T>0），确定纤芯的指数N（参见图 5），以及

选择气隙之间的间距Λ，确定气隙d的直径、光学包层的外半径R2（图5） 以及等效平均指数n_FSM。

因此，在环的厚度ΔR与指数反差Δn之间存在等式。该等式如下：

$\mathrm{\Delta R}=\frac{\alpha }{{\left(\mathrm{\Delta n}\right)}^{\beta }}---\left(1\right).$

参数α（以微米表示）和β的值取决于上面所选择的参数（波长λ、缺陷值、 比例d/Λ、产生自可能的掺杂的纤芯的光学指数的值N以及气隙之间的间距Λ）。

对于不同的配置，按以下方式给出参数α和β的值。

I）纤芯由未掺杂二氧化硅制成。

α由以下公式给出：

α=2.489x10^-2(d/Λ)^0.25λ²/Λ

其中，当d、Λ和λ以微米表示时，α也以微米表示；以及β等于1。

II）纤芯由掺杂二氧化硅制成（例如，掺杂有镱、铝或者其他诸如磷或锗 的共掺质）；以及掺杂产生了相对于纯二氧化硅大约为δn=1.5x10-3的指数差异。

α由以下公式给出：

α=1.046x10^-2(λ/Λ)^0.19

其中，当Λ和λ以微米表示时，α也以微米表示；以及β等于0.905。

III）纤芯被掺杂（例如，掺杂有镱、铝或者其他诸如磷或锗的共掺质）；以 及掺杂产生了相对于纯二氧化硅大约为δn=5x10^-3的指数差异。

α由以下公式给出：

α=1.327x10^-2(λ/Λ)^0.05

其中，当Λ和λ以微米表示时，α也以微米表示；以及β等于0.87。

作为一般规律，纤芯的掺杂越大，随λ而变的α的变化越小（相对于环， 光学包层的结构对参数Δn和ΔR的最优值的影响较小）。

重点注意的是，产生自等式（1）和上述值的环的厚度ΔR与光学反差Δn 之间的变化不同于文献[5]中特有的分析公式给出的变化。对由此产生的设计而 言，由该公式给出的结果过于近似而不能产生平坦基谐模。

要指出的是，作为一般规律，Δn>10^-3,5x10^-4微米<α<5x10^-2微米，以及 0.5<β<1.5。

本发明在光纤激光系统领域中具有多种利益和应用：

适于将其强度具有高斯剖面的光线转化为其强度具有平坦剖面（空间成形） 的光线；

适于优化用于激光器微细加工应用（尤其是标记和焊接）的光线的远场强 度；

相对于无源光纤（即，不发光的光纤），其基谐模具有等效有效面积，但是 其基谐模呈高斯分布，由于平坦模导致的峰值强度的减小适于增加能量（或功 率）、适于被传播（因此使用高能束流传输应用）或者适于基于非线性放大在装 置的输出端被得到（尤其是使用四波混频的装置和使用拉曼效应的装置）；以及

如果光纤纤芯掺杂有发光离子，则本发明适于产生平坦模激光器和放大器， 适于增大可以从这样的系统中提取的能量（或功率）。

在上面给出的示例中，考虑了具有7个缺陷（7个缺失性气隙）的微结构 光纤。然而，本发明并不限于该值，该光纤可以具有另一数值的缺陷，例如19， 甚至1。

而且，在上面给出的示例中，考虑了微结构光纤的光学包层中的空气夹杂 物（纵向气隙）。然而，其它的夹杂物也是可能的，例如，掺杂二氧化硅夹杂物 或者诸如氩气的其它气体的夹杂物。

本发明描述中所引用的文献如下所示：

A.K.Ghatak,I.C.Goyal and R.Jindal,“获得平模场的波导折射率分布图 设计”,Proc.SPIE3666,40-44(1998)；

J.W.Dawson,R.Beach,I.Jovanovic,B.Wattellier,Z.Liao,S.A.Payne and  C.P.J.Barty,“用于高输出能量脉冲光纤激光器的大平坦模光纤”,paper CWD5, CLEO2003；

J.W.Dawson,R.J.Beach,S.A.Payne,M.D.Feit,C.P.J.Barty and Z.M. Liao,“平坦模圆柱和带状光纤及放大器”,US2004/0247272(9December2004)；

J.W.Dawson,R.Beach,I.Jovanovic,B.Wattelier,Z.Liao,S.A.Payne and  C.P.J.Barty,“用于减小光纤激光器中的非线性影响的大平坦模光纤”,Proc.SPIE 5335,132-139(2004)；

C.Wang,F.Zhang,Y.Lu,C.Liu,R.Geng and T.Ning,“用于光纤激光器 的具有平坦基谐模的光子晶体光纤”,Opt.Commun.282,2232-2235(2009)；

X.Lu,Q.Zhou,J.Qiu,C.Zhu and D.Fan,“波束成形微结构光纤设计准 则及特性”,Opt.Commun.259,636-639(2006)；

K.Saitoh,Y.Tsuchida,M.Koshiba and N.Asger Mortensen,“不截止单模 多洞光纤:纤芯设计的影响”,Opt.Express26,10833(2005)。