空芯光子晶体光纤及其制造方法技术

一种空芯光子晶体光纤(HC‑PCF)(10)，用于沿着所述HC‑PCF(10)的模式引导部分(11)引导光场(1)的至少一种模式，所述空芯光子晶体光纤(10)包括：沿着HC‑PCF(10)延伸的外套层(12)、内包层(13)和空芯(14)，其中所述内包层(13)被布置在所述外套层(12)的内表面上，并包括围绕所述空芯(14)的抗谐振结构(15)，以及所述空芯(14)具有沿着所述HC‑PCF(10)的所述模式引导部分设置的模式引导芯直径(d)，并且其中，所述HC‑PCF(10)的至少一个光纤端部(16)具有光场耦合部分(17)，在所述光场耦合部分(17)中，所述空芯(14)在轴向耦合部分长度上从在所述至少一个光纤端部(16)处的光纤端部芯直径(D)逐渐变细至所述模式引导芯直径(d)。此外，描述了使用HC‑PCF的方法和制造HC‑PCF的方法。

Hollow core PCF and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】空芯光子晶体光纤及其制造方法
本专利技术涉及空芯光子晶体光纤(HC-PCF)，特别是无带隙型(或：空芯抗谐振反射光纤(HC-AF))的空芯光子晶体光纤，特别是具有一个轴向空芯和内包层区(内包层区包括围绕芯的抗谐振结构的布置)的空芯光子晶体光纤，并且特别地被配置为用于引导光场中的至少一个模式。此外，本专利技术涉及使用HC-PCF和制造HC-PCF的方法。本专利技术的应用可用于例如在光学量测、光谱学、科学研究和光导领域。
技术介绍
在本说明书中，参考以下现有技术说明本专利技术的
技术介绍
：[1]P.Uebel等，“Opt.Lett.”41，1961-1964(2016)；[2]F.Benabid等，“Science”298，399-402(2002)；[3]WO2015/185761A1；[4]P.St.J.Russell等，“NaturePhotonics”8，278-286(2014)；和[5]EP1153324B2。被填充气体的空芯光子晶体光纤是在例如量测和光谱学领域具有潜在应用前景的新一代高亮度光源的技术平台。图8(现有技术)示意性地示出了基于填充气体的HC-PCF10'中的非线性光学的这种光源100'的构思。HC-PCF10'包括外套层12'、内包层13'和空芯14'(参见图8顶部的HC-PCF10'的纵向截面)。内包层13'包括抗谐振结构15'，像管状毛细管的单环布置，沿着HC-PCF10'轴向延伸并围绕空芯14'，如图9(现有技术)的截面扫描电子显微镜(SEM)图像所示，其在例如参考文献[1]中公开。其它光纤结构可能更复杂，例如戈薇(Kagome)型或嵌套(nested)结构(参考文献[2]、[3])。来自泵浦源20'的脉冲光场1'在输入耦合端被发射到HC-PCF10'的芯14'中，并且主要激发基横模，所述基横模被引导朝向输出耦合端。HC-PCF10'被放置在气体单元30'中，该气体单元在高达数十巴的典型压力下提供受控的气体环境(例如稀有气体或拉曼活性气体)，并且具有用于传输光的透明窗口31'。HC-PCF10'的波导色散与气体的非线性之间的相互作用导致泵浦脉冲光场1'的强烈变形，其中包括例如脉冲压缩和光谱展宽(参考文献[4])和/或其它光学非线性效应。尽管已经在实验中证明了图8的光源100'的操作，但发现了以下实质上的缺点。专利技术人的寿命测试表明，在已暴露几十Wh的泵浦剂量下，平均输出功率会大大劣化，从而严重限制了基于HC-PCF的光源100'在实际日常应用中的可用性。另一个缺点是，常规的HC-PCF在启动HC-PCF10'的非线性操作时，发射效率受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种改进的空芯光子晶体光纤及其制造方法，其能够避免常规技术的缺点。特别地，HC-PCF适用于线性或非线性操作，且寿命增加和/或光功率增加和/或发射效率提高。此外，HC-PCF将由不复杂的过程制造。这些目的通过分别包括独立权利要求的特征的HC-PCF及其制造方法相应地得到解决。本专利技术的优选实施例和应用来自从属权利要求。根据本专利技术的第一个总体方面，上述目的是通过一HC-PCF解决，所述HC-PCF具有外套层、内包层和空芯并且其沿着HC-PCF的轴向长度延伸。被内包层围绕的空芯提供了HC-PCF的模式引导部分，用于引导在输入耦合端部被耦合至HC-PCF的光场(泵浦场)的至少一种模式，例如，基横模。外套层由固体材料制成，并且所述内包层由外套层的内表面支撑。内包层包括沿HC-PCF的轴向长度延伸并界定空芯的抗谐振结构。，空芯具有沿着HC-PCF的模式引导部分的模式引导芯直径(d)。模式引导芯直径是所述空芯内部间隙的内切圆的横截面尺寸。因此，模式引导部分适于引导具有特定中心波长的光场，即，光场的中心波长与相应的聚焦特性以及特别是模式引导芯直径之间存在相互关系。根据本专利技术，所述HC-PCF的至少一个光纤端部具有光场耦合部分，在所述光场耦合部分中，所述空芯在轴向耦合部分长度上从在所述至少一个光纤端部的光纤端部芯直径(D)向所述模式引导芯直径(d)逐渐变细。光纤端部芯直径是空芯内部间隙在光纤端部开口处的横截面尺寸，并且大于模式引导芯直径。专利技术人已经发现，常规的HC-PCF的输出功率的损失是光纤输入面(光纤端部的开口)劣化的结果，尤其是在使用大功率泵浦场时。常规的HC-PCF的横向结构典型地是沿着光纤长度不变的。在以较短时间的暴露于泵浦能量(例如几Wh)的非线性实验过程中，输入侧的结构保持不变，即在SEM中观察不到明显的差异。然而，专利技术人的寿命测试表明，在已经暴露了几十Wh的泵浦剂量下，光纤输入面强烈劣化。劣化限制了泵浦场的输入耦合效率，从而使得HC-PCF的输出功率也因此受到限制。输入面劣化是由于玻璃-气体边界处的场增强和基于等离子体的腐蚀所致，其由泵浦场与常规的HC-PCF的内包层的强烈突然重叠而导致。相反，本专利技术的HC-PCF的至少一个光纤端部处的光场耦合部分提供了与常规的HC-PCF(被制造成在光纤端部处具有恒定的内径)不同的另一种结构。通过本专利技术设置的光场耦合部分，泵浦场和在光线端部的内套层(例如由玻璃制成)之间的零场重叠或可忽略的场重叠至模式引导部分中的模式重叠之间形成平滑的过渡，从而降低了场增强并抑制了基于等离子体的腐蚀。零场重叠或可忽略的场重叠意味着泵浦场的到达内套层的部分的强度为零或低于引起内套层腐蚀的临界强度。有利的是，未观察到本专利技术的HC-PCF的劣化，即使是泵浦剂量高于1000Wh，且HC-PCF的寿命也相应地增加。除了延长使用寿命外，还发现，与常规的HC-PCF相比，发射效率提高了几个百分比。根据本专利技术的第二总体方面，上述目的是通过使用根据本专利技术的第一总体方面的HC-PCF的方法来解决。选择输入光场参数，特别是强度、中心波长、聚焦几何形状及其束直径，并且HC-PCF的尺寸被设置成使得HC-PCF可以在至少一个光纤端部不劣化的情况下进行操作。根据第一优选应用(非线性操作)，本专利技术的HC-PCF用于使光场受到光学非线性过程，特别是光谱展宽和/或脉冲压缩。优选地，提供一种用于产生宽带输出脉冲的光源(特别是覆盖从真空或深紫外线(UV)到近红外(IR)的光谱范围)，其包括泵浦源和HC-PCF。包括本专利技术的HC-PCF的光源被认为是本专利技术的另一独立主题。根据本专利技术的第二优选的应用(线性操作)，HC-PCF被用于将光场引导到应用地点，例如用于材料加工。根据本专利技术的第三总体方面，上述目的是通过制造根据本专利技术的第一总体方面的HC-PCF的方法来解决。该制造方法包括以下步骤：提供包括外套层、内包层和空芯的HC-PCF，以及形成内套层，通过对HC-PCF进行热处理所述内套层逐渐变细以在至少一个光纤端部提供光场耦合部分。有利地，本专利技术的HC-PCF是通过将光纤局部加热至光纤材料(优选玻璃)的软化点而制成的。由于表面张力，内套层的结构(例如其毛细管)趋向于塌陷，同时优选的HC-PCF的外径几乎保持不变。根据本专利技术的优选实施例，抗谐振结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空芯光子晶体光纤(HC-PCF)(10)，被配置成沿着所述空芯光子晶体光纤(10)的模式引导部分(11)引导光场(1)的至少一种模式，所述空芯光子晶体光纤(10)包括：/n-沿着空芯光子晶体光纤(10)延伸的外套层(12)、内包层(13)和空芯(14)，其中/n-所述内包层(13)被布置在所述外套层(12)的内表面上，并包括围绕所述空芯(14)的抗谐振结构(15)，以及/n-所述空芯(14)具有沿着所述空芯光子晶体光纤(10)的所述模式引导部分设置的模式引导芯直径(d)，/n其特征在于：/n-所述空芯光子晶体光纤(10)的至少一个光纤端部(16)具有光场耦合部分(17)，在所述光场耦合部分(17)中，所述空芯(14)在轴向耦合部分长度上从在所述至少一个光纤端部(16)处的光纤端部芯直径(D)逐渐变细至所述模式引导芯直径(d)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170517 EP 17171468.61.一种空芯光子晶体光纤(HC-PCF)(10)，被配置成沿着所述空芯光子晶体光纤(10)的模式引导部分(11)引导光场(1)的至少一种模式，所述空芯光子晶体光纤(10)包括：
-沿着空芯光子晶体光纤(10)延伸的外套层(12)、内包层(13)和空芯(14)，其中
-所述内包层(13)被布置在所述外套层(12)的内表面上，并包括围绕所述空芯(14)的抗谐振结构(15)，以及
-所述空芯(14)具有沿着所述空芯光子晶体光纤(10)的所述模式引导部分设置的模式引导芯直径(d)，
其特征在于：
-所述空芯光子晶体光纤(10)的至少一个光纤端部(16)具有光场耦合部分(17)，在所述光场耦合部分(17)中，所述空芯(14)在轴向耦合部分长度上从在所述至少一个光纤端部(16)处的光纤端部芯直径(D)逐渐变细至所述模式引导芯直径(d)。


2.根据权利要求1所述的空芯光子晶体光纤，其中
-所述抗谐振结构(15)的横截面尺寸在所述光场耦合部分(17)中朝向所述模式引导部分逐渐增大。


3.根据前述权利要求中任一项所述的空芯光子晶体光纤，其中
-所述光纤端部芯直径(D)和所述轴向耦合部分长度被选择为使所述内包层(13)与将被聚焦到所述空芯(14)以被所述空芯光子晶体光纤(10)引导的所述光场的重叠在所述光纤端部处被排除或忽略不计。


4.根据前述权利要求中任一项所述的空芯光子晶体光纤，其中
-在轴向过渡长度之上，所述光纤芯直径尺寸在所述光场耦合部分(17)上从所述光纤端部芯直径(D)减小到(0.5*(D+d))，所述轴向过渡长度至少是模式引导芯直径(d)的0.5倍和/或最多是过渡尺寸(π(D2d2-d4)0.5/(4λ))的0.5倍，其中λ是所述光场的中心波长。


5.根据权利要求4所述的空芯光子晶体光纤，其中
-所述轴向过渡长度至少为10μm和/或最多为1000μm。


6.根据前述权利要求中任一项所述的空芯光子晶体光纤，其中
-所述光场耦合部分(17)的所述轴向耦合部分长度至少为所述模式引导芯直径(d)和/或最大为过渡尺寸(π(D2d2-d4)0.5/(4λ))，其中λ是光场的中心波长。


7.根据权利要求6所述的空芯光子晶体光纤，其中
-所述光场耦合部分(17)的所述轴向耦合部分长度至少为20μm和/或最多为5000μm。


8.根据前述权利要求中任一项所述的空芯光子晶体光纤，其中
-所述抗谐振结构(15)具有朝向所述至少一个光纤端部(16)的圆形端部。


9.根据前述权利要求中任一项所述的空...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·鲍尔施密特，P·于贝尔，P·拉塞尔，
申请(专利权)人：马克斯普朗克科学促进协会，
类型：发明
国别省市：德国;DE