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特邀综述
第
48
卷
第
4
期
/
2021
年
2
月
/
中国激光
升
将极大地促进光纤气体拉曼激光光源的发展
空芯光纤与实芯光纤不同
其纤芯中空
因而在
实际应用中
纤芯可充入 气 体
液体或者 微 粒
用以
开展不同的研究
一般情况下
纤芯内部为空气
其
折射率小于包层石 英介质
激光在空 芯 内的传输 不
再满足全反射原理
此时空芯 光 纤内的激 光 传输主
要有两种机理
分别 为 光子带隙 效 应和反共 振 反射
原理
据此可将空 芯光纤大 体 上分为两 类
一类是
基于光子带隙效应 的带隙型 空 芯光纤
另一种是 基
于反共振反射原理的反共振空芯光纤
带隙型空芯光纤
如图
所 示
带 隙 型 空 芯 光 纤
的 特 点 是 纤
芯周围的包层分布 着周期性 的 空气孔
这种周期 性
结构形成了二维的 光子带隙
因为波长 位 于带隙内
的光无法通过周期性的空气孔而是被反射回纤芯区
域
所以带隙型空芯 光 纤能够起 到 约束激光 在 纤芯
区域内传输的作用
年
等
报道了第
一根带隙型空芯光纤
其 端 面 结 构 如 图
所 示
当时长度仅有几十厘米
但 空 芯 光纤已 经在激光传
输
激光与物质相互作用及非线性抑制等方面表现出
巨大 的 潜 在 价 值
因 此 引 起 了 人 们 极 大 的 关 注
年
美 国 康 宁 公 司 报 道 了 传 输 损 耗 小 于
的带隙 型空芯光纤
其中
通信波
长的损耗低至
光纤的横截面如图
所示
随后英国
大学的研究进一步降低了光纤
损耗
获 得 了
在
处
和
在
处
的结果
纤芯模和 表
面模之间的耦合
以及纤芯边界表面粗糙度引起的
散射
是影响带隙型空 芯光纤损耗 的重要因素
此
后带隙型空芯光纤 的研究针 对 于上述问 题
主要朝
着保持低损同时 增 加传输带 宽 的方向发 展
以
提高应用价值
图
展示了带宽为
的宽
带带隙型空芯光纤
其中
为扫描电镜
图
带隙型空芯光纤
图
第一根
低损耗
宽带
光子带隙型空芯光纤的特点是近红外波段的传
输损耗和弯曲损耗 较小
目前商用 的 带隙型空 芯 光
纤的损耗一般均在
以下
另外
带隙型
空芯光纤的纤芯直径较 小
相对反共 振 空芯光纤 而
言
纤芯内激光能 量密度较 高
因而能够 降 低气体
受激拉曼散射总泵 浦功率阈 值
更容易实 现 拉曼激
光输出
因此
带隙 型 空芯光纤 一 般能够实 现 高效
的拉曼转化
甚 至 能 实 现 连 续 光 的 拉 曼 激 光 输 出
但是
由于受光子带隙特点的影响
带隙型空芯光纤
存在传输带宽较窄及难以用于传输非近红外波段光
的问题
这限制了带 隙 型空芯光 纤 在其他波 段 的应
用
目前基于带隙型 空 芯光纤的 光 纤气体拉 曼 激光
光源仅在
和
波段有相关的报道
反共振空芯光纤
反共振空芯光 纤
与 带 隙 型 空 芯 光 纤 有 很 大 的 区
别
反共振空芯光纤的传输机理是基于反共振反射
光波导
的理论
该理论认为构成纤芯
边界的微结构 薄 壁 类 似 于 一 个 法 布 里
珀 罗 谐 振 腔
腔
满足腔内共振条件的光将十分容易从纤
芯泄露到微结构薄 壁中
而对于无 法 在腔内形 成 共
振的光
腔对其有反共振反射的作用
抑制光从
纤芯泄露到包层 中
因此
反共振空 芯 光纤具有 多
个传输带的特性
传输带之 间 的高损耗 区 为共振波
长区域
传输带内为非共振波长区域
而共振波长则
由纤芯边界的壁厚决 定
反共振空芯 光 纤
图
如图
所示
年 首 次 报 道 的
型 空 芯 光 纤
是
第一款反共振空芯 光纤
由于具有 不 完整的光 子 带
隙
型空芯光纤 存 在 较 宽 的 传 输 带 和 较 高
的传输损耗
图
为内摆线型
型 空
芯光纤
负曲率纤芯 边 界设计使 得 光纤的传 输 损耗
得到下降
后续研究发现
影响 光纤传输性 能的
因 素主要是包围纤芯的首圈微结构薄壁
于是空芯