【正文】 有影響；紫外吸收是由于電子躍遷引起的，它在700～1 100 mm波長區(qū)對(duì)光纖通信有影響。石英光纖的本征損耗包括光纖的本征吸收和瑞利散射造成的損耗。這些損耗又可以歸納為本征損耗、制造損耗和附加損耗等。搞清楚產(chǎn)生損耗的機(jī)理，定量地分析各種因素引起的損耗的大小，對(duì)于研制低損耗光纖，合理使用光纖有著極其重要的意義。附加損耗是可以盡量避免的。這些都是光纖使用條件引起的損耗。在實(shí)際應(yīng)用中，第 4 章 摻鐿光子晶體光纖的特性分析及實(shí)驗(yàn) 不可避免地要將光纖一根接一根地接起來，光纖連接會(huì)產(chǎn)生損耗。附加損耗則包括微彎損耗、彎曲損耗和接續(xù)損耗。鈦寶石飛秒激光器(美國COHERENT公司制造)，XWave寬帶腔鏡組，一套腔鏡覆蓋7001000 nm的調(diào)諧范圍， 對(duì)摻鐿光子晶體光纖損耗的研究 光子晶體光纖損耗概述光纖損耗大致可分為光纖具有的固有損耗以及光纖制成后由使用條件造成的附加損耗。測量波長范圍2001100 nm，積分時(shí)間 2毫秒到60秒，信噪比250：1，采樣速度17毫秒/每次掃描，數(shù)據(jù)傳輸速度 1431毫秒/每次掃描， nm。 (a)紅寶石筆式切割刀 (b)光譜儀 (c) 電視顯微鏡 (d) 半導(dǎo)體紅光激光器燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) (e)鈦寶石飛秒激光器 (f) 鹵燈光源圖 41 實(shí)驗(yàn)儀器圖主要儀器參數(shù)：AvaSpec2048型光纖光譜，儀采用對(duì)稱CzernyTurner光路設(shè)計(jì)，帶有2048個(gè)像素的CCD 探測器陣列。 本章小結(jié)本章首先概述了 PCF 的拉制工藝，接著詳細(xì)描述了光纖預(yù)制棒制造過程中遇到困難及解決方法，然后定性地分析了拉制過程中溫度、表面張力、張力對(duì) PCF 結(jié)構(gòu)的影響，最后介紹本研究小組拉制的幾種類型的微結(jié)構(gòu)光纖：包層具有無序孔穴分布的實(shí)芯或空芯光纖、包層具有周期性或準(zhǔn)周期性孔穴分布的實(shí)芯或空芯光纖以及集成式微結(jié)構(gòu)光纖燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)第 4 章 摻鐿光子晶體光纖的特性分析及實(shí)驗(yàn) 第 4 章 摻鐿光子晶體光纖的特性分析及實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)儀器簡介本次光纖特性分析中用到的儀器有：紅寶石筆式切割刀、光譜儀(AvaSpec2048)、鈦寶石飛秒激光器( 美國COHERENT 公司制造)、電視顯微鏡、激光器(JD3)、鹵燈光源(AvalightHal)，其實(shí)物圖如圖41所示。 總之，由于 PCF 結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其制備要比傳統(tǒng)通訊光纖困難得多。玻璃粘度高時(shí)，光纖中的張力增加并有可能超過其強(qiáng)度；玻璃粘度大大降低時(shí)，玻璃液過多，也會(huì)造成斷頭。比如下棒速度較慢，會(huì)使得玻璃液供應(yīng)不足，光纖逐漸變細(xì)，當(dāng)其直徑過細(xì)時(shí)就產(chǎn)生斷絲。在 PCF 拉制過程中，常常出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，使得整個(gè)工藝過程遭到破壞。 張力與下列因素有關(guān)：在孔徑、溫度等條件不變情況下，拉絲速度越高，光纖直徑就越小，張力變大。第 3 章 摻鐿光子晶體光纖制備過程 拉制過程中張力的影響處于成型粘度下的玻璃液是一種粘性很大的熱塑性物質(zhì)。因比在比較先進(jìn)的拉絲工藝中，都注意到要向絲根區(qū)供送一定溫度和飽和濕度的冷空氣以降低并穩(wěn)定表面張力此外，表面張力與空氣孔尺寸成非線性關(guān)系，但是要精確模擬空氣孔的收縮的變形需要采用流體動(dòng)力學(xué)分析石英在拉制表面張力的影響。 (3)表面張力既然是液相氣相界面上的一種物理現(xiàn)象，所以氣氛同樣對(duì)表面張力有影響。物質(zhì)中互相之間吸引力愈小，表面張力也愈小。(l)溫度對(duì)玻璃液表面張力的影響一般是隨著溫度升高，表面張力降低，兩者幾乎成線性關(guān)系。因而，在拉制過程中希望表面張力盡可能低些。在光子晶體光纖成型時(shí)，出口處的絲根會(huì)保持成新月形狀，新月形狀的形成是玻璃液的向上的表面張力和向下的粘性牽伸力平衡的結(jié)果。對(duì)于傳統(tǒng)光纖，材料的粘滯力最為重要。因此在拉絲生產(chǎn)過程中，加熱爐的溫度一定要均勻，還要精密控制爐子的溫度。拉絲是靠玻璃液在一定高溫范圍內(nèi)，有一定合適的成型粘度范圍才能正常進(jìn)行的。 拉制過程中溫度的影響拉制光子晶體光纖過程中，對(duì)溫度的控制顯得極為重要，因?yàn)椴ＡУ谋砻鎻埩Α⒄扯染艿綔囟鹊挠绊?。拉絲過程中需要保持光纖直徑的均勻性，根據(jù)質(zhì)量守恒，有 (31)??pfVdD?2式中，D 為預(yù)制棒直徑；d 為光纖直徑； 為預(yù)制棒下降速度； 為fV光纖收絲速度。在 PCF 的制備過程中，發(fā)現(xiàn)如果增加拉制時(shí)間(即降低送棒速度)，空氣孔會(huì)膨脹擴(kuò)大，因此拉制時(shí)第 3 章 摻鐿光子晶體光纖制備過程 間和溫度成為精確控制 PCF 結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。拉絲時(shí)間( 直觀反映為送棒速度)、拉絲速度和拉絲溫度這三個(gè)工藝參數(shù)及其之間的關(guān)系和匹配程度是所要研究的內(nèi)容首先將預(yù)制棒放置到傳統(tǒng)光纖拉制塔中加熱到 1900OC 左右，通過控制拉制速度拉制成不同尺寸的 PCF。根據(jù)試驗(yàn)的情況，我們劉工藝過程和參數(shù)進(jìn)行了多次調(diào)整，制備了不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，其光纖結(jié)構(gòu)如圖 37 所示。光纖拉制塔的工藝示意圖如 35 所示 [16]，其實(shí)物圖見圖 36。在線涂覆低折射率的紫外光固化涂料作為光纖的外包層；涂覆高折射率的紫外光固化涂料作為光纖的保護(hù)涂層。因拉制出的光纖內(nèi)包層結(jié)構(gòu)要刀過對(duì)稱，溫度太高會(huì)出現(xiàn)較大的變形，所以該光纖預(yù)制件的拉絲溫度要比保偏光纖低。將其夾持在拉絲塔送棒機(jī)構(gòu)上送入石墨電阻爐中，在 2022℃的高溫下將棒加熱至熔融狀態(tài)，拉制成直徑符合要求的光纖。目前，這兩種方法正處于實(shí)驗(yàn)階段，還需要不斷的實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，期待著獲得明顯的進(jìn)展。提出的一個(gè)方案是設(shè)計(jì)一套排列毛細(xì)管的工具，這套工具能很好地解決上述方法中縱向不均勻的缺點(diǎn)。為了得到完美結(jié)構(gòu)的 PCF，必須改進(jìn)預(yù)制棒制造方法的改進(jìn)。當(dāng)向大管中塞入毛細(xì)管時(shí)，越是靠近大管中間越難，這說明預(yù)制棒縱向己經(jīng)不均勻，有的區(qū)域空隙大而有的區(qū)域空隙小。在排管過程中發(fā)現(xiàn)預(yù)制棒中毛細(xì)管的排布會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，最終會(huì)使得拉制出的光纖縱向出現(xiàn) 纖芯毛細(xì)管空氣孔 1空氣孔 2圖 34 不規(guī)則纖芯結(jié)構(gòu)的分析說明圖扭曲。圖中間隙孔 2 的表面積比間隙孔 1 的表面積要大得多，因而在拉制過程中間隙孔 2 的與間隙孔 1 的收縮力不同，最終導(dǎo)致纖芯發(fā)生不規(guī)則形變。其纖芯會(huì)發(fā)生不規(guī)則的變化。如果采用圓形毛細(xì)管，那么在堆積過程中必定存在間隙孔。但是，實(shí)際情況下，由于熔融玻璃具有表面收縮力，因此拉制出的六邊形毛細(xì)管都是圓角的，因而在堆積時(shí)引入了額外的空氣隙。這種堆積方法，要保持毛細(xì)管排列緊湊難度很高。不過，所有的這些設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)，還必須有賴于毛細(xì)管排列的緊密性，緊密結(jié)構(gòu)能使拉制過程中的表面張力分布均勻，從而保證拉制出完善的PCF 結(jié)構(gòu)。(2)毛細(xì)管的堆積堆拉法的靈活性就表現(xiàn)在毛細(xì)管的堆積過程，此過程制作的預(yù)制棒相當(dāng)于 PCF 的放大版。在拉制毛細(xì)管的過程中嚴(yán)格控制以下兩個(gè)方面：一個(gè)是保持光纖橫截面不發(fā)生形變，另一個(gè)是確保光纖縱向均勻，不能拉成錐形。毛細(xì)管的形狀可以是六邊形，也可以選擇圓形。預(yù)制棒成品如圖(33)~ 1 5 m m~ 2 0 m m~ 1 m m~ 5 m m圖 32 預(yù)制棒制作過程圖 33 做好的預(yù)制棒(1)毛細(xì)管的拉制第 3 章 摻鐿光子晶體光纖制備過程 首先，根據(jù)要設(shè)計(jì)的 PCF 結(jié)構(gòu)參數(shù)，決定要拉制的毛細(xì)管外徑大小和壁厚。在這一點(diǎn)上，是引入還是消除空隙對(duì)于形成光子帶隙顯得非常重要。但是這種方法會(huì)引入多余的空隙，這些空隙存在于三個(gè)相鄰管之間，因而稱其為間隙孔。1996 年 Birks 等人首次提燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)出了堆拉法制備 PCF 預(yù)制棒，他們利用超聲波鉆在一個(gè)長 25cm、直徑 3 cm 的石英棒中心鉆孔，然后將其外表面磨成六邊形，接著拉制成直徑為1mm 的中空六邊形管，再將六邊形管緊密堆積成周期性結(jié)構(gòu)，捆綁粘結(jié)后形成 PCF 的預(yù)制棒。而對(duì)于 PCF 預(yù)制棒的制備，其橫截面是由二維周期性排列空氣孔構(gòu)成，因而無法采用以上所提到的預(yù)制棒制備技術(shù)。這些成熟的技術(shù)在制造光纖預(yù)制棒時(shí)引入的雜質(zhì)非常少，而且能精確控制摻雜濃度，因此保證了傳統(tǒng)光纖的商用化。用電子天平按所需配比精確稱取原料，然后混合均勻，得到混合均勻無水的氧化物混合料，再采用氣煉工藝制備出光子晶體光纖的纖芯。 (6)涂覆收絲 因?yàn)槭⒉ＡЧ饫w本身是比較脆，而引入眾多孔的光子晶體光纖就更為脆弱易折，經(jīng)不起彎曲和摩擦，所以當(dāng)光纖成形后要立即涂上丙烯酸樹脂或硅樹脂，通過加熱爐或紫外光照射的方法使涂覆材料固化，形成牢固的涂覆層，對(duì)光纖起到了保護(hù)。 (5)幾何尺寸的測試將拉制出的 PCF 截?cái)嘁恍《危衅蕉嗣?，利用電?顯微鏡觀測 PCF 橫截面結(jié)構(gòu)，對(duì)此進(jìn)行分析，計(jì)算收縮比是否滿足設(shè)計(jì)要求，及時(shí)調(diào)整拉制的溫度、下棒速度以及拉絲速度。由于空氣孔的引入，光子晶體光纖的預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的石英光纖的預(yù)制棒復(fù)雜得多，因此需要摸索新的拉絲工藝。 (4)光了晶體光纖拉制將預(yù)制棒放入光纖拉絲塔中進(jìn)行拉制。 (3)毛細(xì)管的堆積將拉制出的毛細(xì)管切斷，按照緊密方式堆積成光子晶體光纖的放大結(jié)構(gòu)，然后對(duì)排好的毛細(xì)管進(jìn)行捆綁粘結(jié)，一般捆綁材料為擔(dān)絲。制備光子晶體光纖所用的材料一般采用無摻雜的石英玻璃，也可根據(jù)不同的要求，選擇其它的材料，如光學(xué)玻璃或聚合物材料等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常包括根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況確定 PCF 的類型，設(shè)計(jì) PCF 的幾何尺寸，其中包括：芯部的形狀、幾何尺寸，包層中空氣孔的幾何尺寸、數(shù)量和排列方式等。采用堆拉法制備 PCF 的步驟，與傳統(tǒng)光纖的制備技術(shù)有相似之處(即同樣包括制備預(yù)制棒和拉制光纖)，但也存在較大的不同，主要在于預(yù)制棒的制作過程，這種方法的工藝流程如圖 31 所示，圖中將 PCF 預(yù)制棒燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)的制備細(xì)分為毛細(xì)管的拉制和毛細(xì)管的堆積。 光子晶體光纖的制備工藝流程傳統(tǒng)光纖的制造包括兩個(gè)主要步驟：制作光纖預(yù)制棒和采用光纖拉制塔高溫拉絲。國外已成立了三家研究 PCF 的公司：制備 PCF 的先鋒是英國 Bath 大學(xué)的 Philip Russell 先生，他已經(jīng)是 Blaze Photonics 公司的首席技術(shù)官，幫助后者推動(dòng) PCF 商用化進(jìn)程，如今 Blaze Photonics 已經(jīng)推出數(shù)十款 PCF 光纖；目前一家名為 OmniGuide 通訊公司正在致力于研究利用 PCF 傳輸 激光器2CO發(fā)射的 波長；第三個(gè)光子晶體研究公司是丹麥的 Lyngby 公司，該公司認(rèn)為 solidcore PCF 業(yè)務(wù)需求正在快速增長，特別是那些能將多模二極管發(fā)出的光轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量單模光束的雙包層光纖，增速最為迅速。它可以用于多種材料，包括硫化玻璃和復(fù)合玻璃。另一種可行的工藝是擠壓法，擠壓熔化的玻璃使之通過一個(gè)模具，此模具中孔的排列方式經(jīng)過了適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)。這種捆綁拉制過程可以很容易地把實(shí)芯、空芯、或是摻雜區(qū)域組合起來。燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)第 3 章 摻鐿光子晶體光纖制備過程 第 3 章 摻鐿光子晶體光纖制備過程 引言1992 年 等人提出光子晶體光纖的概念后，首先面臨的挑戰(zhàn)是如何設(shè)計(jì)制造方法。在內(nèi)包層中泵浦光損耗?3?HO的主要原因是外包層帶來的背景損耗。激光在芯層中傳輸產(chǎn)生損耗?3Yb的主要原因有： 離了濃渡。 光纖傳輸損耗光在光子晶體光纖中傳輸時(shí)有兩種情況：一是泵光在內(nèi)包層和芯層中傳輸，二是激光在芯層中傳輸。內(nèi)包層的材料為純石英，外包層是折射率低于石英的聚合物，要求對(duì)泵浦光有較小的背底損耗。芯層中共摻 。由于 摻雜濃?3Yb度可以很高，材料中的熱負(fù)荷較低，即使在高泵浦功率密度下，材料中的溫度變化也很小，因此大大降低了增益介質(zhì)中的熱應(yīng)力和熱畸變。在傳統(tǒng)的固體?3Yb激光器中，增益介質(zhì)為長棒狀，熱流方向垂直于激光束方向，易導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)和溫度升高，造成激光性能的劣化和激光效率的降低。?3Nd(5)熒光壽命長，一般為摻 同種材料的三倍多，有利于儲(chǔ)能。(4)材料中的熱負(fù)荷低(小于 11%)。光轉(zhuǎn)換效率很高，而大的能級(jí)間隔，也排除了非輻射馳豫及濃度淬 [14]滅現(xiàn)象的發(fā)生。 摻 的激光材料比摻其它稀土離子的優(yōu)點(diǎn)在于：?3Yb (1) 離子吸收帶在 8001100 nm 波長范圍內(nèi)，能與 znlnAs 半導(dǎo)體泵浦源有效地耦合，同時(shí)其吸收帶較寬，在短波長段(小于 970 nm)的吸收截面變化較為緩慢，這對(duì)于輸出波長易受環(huán)境溫度影響，且發(fā)射帶窄的半導(dǎo)體激光器泵浦是十分有利的，即無需嚴(yán)格控制溫度來獲得相匹配波長的半導(dǎo)體激光輸出。隨著光纖通訊和激光等高新技術(shù)的出現(xiàn)，鐿才逐漸找到大顯身手的應(yīng)用舞臺(tái)。鐿在斕系元素燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)中雖然排在銩之后，但其地殼豐度達(dá)卻到 ppm，不但高于欽鐵鉻等其它中重稀土，甚至高于鋪( ppm)。盡管目前尚且不清楚加寬機(jī)制對(duì)激光器影響的程度如何，但可以比較肯定地認(rèn)為加寬機(jī)制與玻璃的組分有關(guān)。加寬的幅度之所以重要是因?yàn)橐话阍诮o定的泵浦功率下，增益與線寬