【正文】 過(guò)，即使是在高摻雜的情況下，這種影響還是很小的 [11]。它由大量的共價(jià)鍵分子所組成，形成一個(gè)無(wú)規(guī)則的矩陣，具有較寬的鍵長(zhǎng)和鍵角范圍，僅在外場(chǎng)小的區(qū)域范圍內(nèi)表現(xiàn)出一定的規(guī)則性，摻雜稀土離子在該網(wǎng)絡(luò)中通常以網(wǎng)絡(luò)修飾離子的形式存在。光纖激光器的光學(xué)特性由稀土離子控制，但基質(zhì)材料對(duì)其光學(xué)特性也有著重要的影響，如結(jié)電場(chǎng)非均勻性分面引的 Stark 分裂、電場(chǎng)非均勻引能級(jí)擾動(dòng)，第 2 章 摻鐿光子晶體光纖的基礎(chǔ)理論 聲子振動(dòng)能級(jí)增寬等。芯層中共摻 可以降低光纖的2GeO5P32OAl傳輸損耗，也可以提高稀土摻雜離子的摻雜濃度，同時(shí)近年來(lái)，許多優(yōu)秀的材料也被用來(lái)研究，如氟化物玻璃光(ZBLAN)、有機(jī)聚合物，在纖芯中摻入染料或者稀土離子?；|(zhì)對(duì)稀土元素光譜性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面； (l)引起 Stark 分裂。這是由于與基質(zhì)原子之間的共價(jià)鍵所致，因此對(duì)于給定的電子躍遷，光譜上將出現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)。由于基質(zhì)作用而使離子能級(jí)加寬的機(jī)制比較復(fù)雜，有多種因素可以對(duì)其產(chǎn)生影響，一般存在兩種加寬機(jī)制： ①聲子加寬。聲子的能量取決于溫度，在給定的溫度下，存在一個(gè)聲子能量的分布，將引起吸收和發(fā)射的波長(zhǎng)擴(kuò)展。 ②基質(zhì)電場(chǎng)對(duì)能級(jí)的微擾導(dǎo)致能級(jí)加寬。但這種加寬機(jī)制與溫度無(wú)關(guān)，光譜加寬的性質(zhì)和幅度對(duì)于固體激光器來(lái)講是十分重要的。作為激光介質(zhì)，具有電子屏蔽的稀土離子要比無(wú)屏蔽層的躍遷元素離子優(yōu)越：而加寬機(jī)制將對(duì)增益飽和的程度和輸出譜線結(jié)構(gòu)帶來(lái)影響。 摻 離子激光材料的優(yōu)點(diǎn)?3Yb 1875 年，瑞士化學(xué)家查爾斯(Jean Charles)和馬利格納克(Gde Marignac)在“餌”中發(fā)現(xiàn)了一種新的稀土元素，為了紀(jì)念憶礦石發(fā)現(xiàn)地― 斯德哥爾摩附近那個(gè)名叫伊特比(Yteerby) 的小村，把這個(gè)新元素命名為 Ytterbium，元素符號(hào)為 Yb，漢譯名稱為“鐿” ，——是該元素的專用漢字。鐿作為重稀土元素，由于可利用的資源有限，產(chǎn)品價(jià)格昂貴，限制了其用途研究。摻 硅酸鹽玻璃材料己?3Yb引起世界各國(guó)材料科學(xué)家和工程物理科學(xué)家的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前激光材料研究中的熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向，被認(rèn)為是新一代慣性約束核聚變領(lǐng)中的最佳激光工作物質(zhì)之一。(2) 能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它只包含兩個(gè)多重態(tài)，因此在泵浦波長(zhǎng)處及信?3Yb號(hào)波長(zhǎng)處都不存在激發(fā)態(tài)吸收 [12] [13]。 (3)泵浦波長(zhǎng)與激光輸出波長(zhǎng)非常接近，量子效率高(可達(dá) 90%)[15]。僅為摻 同種材料的三分之一。摻?3d激光材料的這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)激光技術(shù)的發(fā)展有深遠(yuǎn)的意義。特別是三能級(jí)激光系統(tǒng)，由于要求高的泵浦功率，熱效應(yīng)更加突出。 稀土摻雜光子晶體光纖的物理特性 光子晶體纖基質(zhì)材料摻 光子晶體光纖的纖芯是由摻 離子的石英玻璃構(gòu)成，芯層中?3Yb?3Yb還摻入 ， ，來(lái)提高芯層的折射率?？梢越档?GeO5P 32OAl第 2 章 摻鐿光子晶體光纖的基礎(chǔ)理論 光纖的傳輸損耗， 離子濃度最好在 ?1020 ，超過(guò)這個(gè)值，?3Yb3/cm將會(huì)帶來(lái)較大的傳輸損耗。一般采用的是硅橡膠(Siliconribbon)和聚四氟乙稀(AFTeflon〕 ，該將根據(jù)泵浦功率大小做適當(dāng)?shù)倪x擇。在芯層中周時(shí)存在泵光和激光，此時(shí)，對(duì)泵浦光的吸收主要取決于 離子摻雜濃度。 吸收的影響。 強(qiáng)度及可靠性高質(zhì)量的光纖強(qiáng)度及可靠性由玻璃表面的缺陷決定，硅材料光纖的內(nèi)部強(qiáng)度天約有約 800 kpsi，潮濕度及表面損傷容易引起強(qiáng)度下降幾十個(gè)kPsi，商業(yè)推出光纖的強(qiáng)度測(cè)試一般在 50 kPsi，還有其它因素影響光纖的可靠性及機(jī)械強(qiáng)度，如高能量輻射，氫擴(kuò)散等因索 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了摻鐿光子晶體光纖的基礎(chǔ)理論，從離子特性到材料特點(diǎn)再到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使以后摻鐿光子晶體光纖的制作做有了理論指導(dǎo)。經(jīng)過(guò)四年的嘗試失敗后，人們發(fā)現(xiàn)將石英毛細(xì)管捆綁起來(lái)，一起熔化，最終成功地拉制出了 PCF。這種工藝的成功主要在于有穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得表面張力趨于平衡，因而在拉制過(guò)程中能保持空氣孔的排列有序。擠壓技術(shù)可以直接把大塊玻璃拉成光纖，并且?guī)缀跄芾筛鞣N結(jié)構(gòu)(晶體的或是非晶體的)。 目前，PCF 的制備工藝已逐漸成熟，正步入商用化進(jìn)程。 在國(guó)內(nèi)，從 2022 年開始燕山大學(xué)紅外光纖與傳感研究所在侯藍(lán)田教授的領(lǐng)導(dǎo)下開始進(jìn)行光子晶體光纖的研究工作，2022 年在國(guó)內(nèi)率先進(jìn)行了集成式微結(jié)構(gòu)光纖的制備，同年拉制出了第一根集成式微結(jié)構(gòu)光纖。對(duì)于傳統(tǒng)石英光纖，這兩種技術(shù)經(jīng)過(guò)二三十年的發(fā)展，已趨于成熟。 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 和 玻 璃 的 制 備 毛 細(xì) 管 的 拉 制 毛 細(xì) 管 的 堆 積 光 子 晶 體 光 纖 的 拉 制 測(cè) 試 是 否 合 理 涂 膠 收 絲 圖 31 光子晶體光纖的制備流程圖(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇根據(jù)不同的使用要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后選擇適宜的材料。 (2)毛細(xì)管的拉制根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，選擇具有良好幾何尺寸和光學(xué)表面的石英管，進(jìn)行充分嚴(yán)格的清洗后，拉制出不同直徑、不同壁厚的毛細(xì)管。再將其放到厚壁玻璃管中，形成預(yù)制棒。通常光子晶體光纖的拉制溫度要明顯低于拉制單絲的溫度，以保持單絲形狀及捆綁第 3 章 摻鐿光子晶體光纖制備過(guò)程 的排列形狀和結(jié)構(gòu)。而在將預(yù)制棒拉制成光纖過(guò)程中保持單絲形狀及捆綁的排列形狀和結(jié)構(gòu)是其中最為關(guān)鍵的一步，也是技術(shù)難度較大的一步，既需要有較為精密的拉絲設(shè)備，又需要較多的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。此步驟為在線測(cè)量，因此對(duì)于制備工藝的調(diào)整至關(guān)重要。 摻鐿光子晶體光纖的制備 基質(zhì)玻璃的制備原料 、 為分析純，純度大于 %， 為光譜純，純度2SiO3Al 32OYb為 %。 預(yù)制棒的制作傳統(tǒng)光纖的預(yù)制棒的制備技術(shù)主要采用氣相沉積法，包括改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法(MCVD)，氣相軸向沉積(VAD)，外氣相沉積法(OVD)，等離子體氣相沉積(PCVD)。雖然這些技術(shù)能精確控制沉積過(guò)程，但是它們有一個(gè)共性即只能制造圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)的預(yù)制棒，因而只適合徑向控制。PCF 預(yù)制棒的制備最初設(shè)想是在石英棒上鉆幾十個(gè)到上百個(gè)周期排列的孔，但是這種方法成本高，而且速度非常慢。 最近，這種堆積方法又得到了改善，即直接將圓形石英空管和石英棒堆積成預(yù)制棒。要想達(dá)到精確控制光纖結(jié)構(gòu)，必須控制空氣孔的尺寸和位置。圖 32 表示了預(yù)制棒的制作過(guò)程，將加套好的預(yù)制棒分段，根據(jù)要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工尺寸，然后在磨拋機(jī)上進(jìn)行加工，分三個(gè)工序：粗磨、細(xì)磨、拋光，加工成所需要的結(jié)構(gòu)。選擇具有良好光學(xué)表面和結(jié)構(gòu)參數(shù)的石英玻璃管進(jìn)行嚴(yán)格清洗后，拉制成毛細(xì)管。由于最終獲得的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)要達(dá)到微米數(shù)量級(jí)，因而拉制的毛細(xì)管有一點(diǎn)微小的形變，都會(huì)對(duì)光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的影響。否則在堆積時(shí)，就無(wú)法使得毛細(xì)管排列保持周期性和緊密性。利用堆積法可以制造出不同結(jié)構(gòu)的預(yù)制棒，比如制造單個(gè)高折射率纖芯、多個(gè)高折射率纖芯、橢圓纖芯、空氣纖芯以及集成式光纖預(yù)制棒，或是通過(guò)改變包層中空氣孔的幾何尺寸和排列方式制備出各種性能不同光纖的預(yù)制棒，如大數(shù)值孔徑、高雙折射、高非線性光纖預(yù)制棒。 采用的堆積方法是把毛細(xì)管排到一跟長(zhǎng) 20 cm 、直徑為 2 cm 的空管中。如果采用的是完全規(guī)則的六邊形管，那么在堆積時(shí)就很容易形成緊密排列。這些空氣隙出現(xiàn)在三個(gè)管／棒相交的極小區(qū)域的中心，因此它們被稱為間隙孔。在拉制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這些間隙孔的表面收縮力對(duì)其周圍的三個(gè)管／棒形狀影響很大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可以通過(guò)圖 34 來(lái)說(shuō)明，實(shí)芯棒和毛細(xì)管的大小設(shè)計(jì)不合理，從而堆積過(guò)程中實(shí)芯棒與周圍的毛細(xì)管排列形成的間隙孔分布不均勻。燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)這種堆積方法另一個(gè)缺陷是容易造成預(yù)制棒縱向不均勻。此外，向大玻璃管中塞毛細(xì)管的做法，很難保證預(yù)制棒中間部分排列緊湊。初步分析是由于用于拼裝的毛細(xì)管的尺寸并不是嚴(yán)格一致的，即縱向均勻性并不是很好。由于堆積法有利于實(shí)現(xiàn)許多不同結(jié)構(gòu)的預(yù)制棒，具有高度的靈活性的特點(diǎn)，因而首先考慮的是如何改進(jìn)堆積法。另一個(gè)方案是，用擠壓法制備預(yù)制棒，擠壓法的優(yōu)勢(shì)在于容易獲得結(jié)構(gòu)非常好的預(yù)制棒，其缺點(diǎn)是靈活性差。 拉絲對(duì)加工后的光纖預(yù)制棒的表面進(jìn)行酸處理，并清洗、烘干。光纖的直徑由絲徑測(cè)控儀測(cè)量，通過(guò)對(duì)熔棒溫度、送棒速度和牽引速度的調(diào)整來(lái)保證絲徑的波動(dòng)不超過(guò)規(guī)定的偏差。具體溫度范圍為第 3 章 摻鐿光子晶體光纖制備過(guò)程 1950℃左右。使光纖保持一定的強(qiáng)度和柔韌性。圖 35 拉絲工藝示意圖燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) (a)拉絲塔上部 (b)拉絲塔下部圖 36 光纖拉制塔實(shí)物圖 測(cè)試對(duì)拉制的光纖進(jìn)行性能參數(shù)測(cè)試，主要測(cè)量：幾何結(jié)構(gòu)和尺寸、數(shù)值孔徑、截止波長(zhǎng)和吸收系數(shù)等。 拉制技術(shù)的研究預(yù)制棒的拉制是制備 PCF 過(guò)程中最關(guān)鍵，也是最難控制的一步。在這個(gè)溫度水平下拉絲主要考慮到表面張力，若低于此溫度，空氣孔就會(huì)發(fā)生塌陷。石英光纖拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 36 所示，在拉絲過(guò)程中可基本保持圖 37 不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖截面圖原預(yù)制棒的折射率保持不變。通過(guò)控制 和 來(lái)控制光纖的直徑， 一般為 30～1000 pVf fm/min。一般來(lái)說(shuō)溫度升高，玻璃液表面張力和粘度都會(huì)減小。低于此粘度范圍，玻璃液粘度太稀，會(huì)形成不連續(xù)的液滴而斷絲；高于此粘度范圍，玻璃液太稠，拉絲張力過(guò)大造成斷燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)絲。 拉制過(guò)程中表面張力的影響預(yù)制棒在拉制后之所以能保持完好的周期性孔分布，是與表面張力的作用密切相關(guān)的。但對(duì)于 PCF，由于表面面積很大而且材料空間很小，使得表面張力極為重要。如果表面張力太大，而相對(duì)地講粘度太小，則由于向上的表面張力占優(yōu)勢(shì)而將絲根向回縮成液滴狀，中斷了纖維成形過(guò)程。影響玻璃液表面張力的因素主要是溫度、玻璃成分和氣氛。 (2)玻璃中各種組成氧化物對(duì)表面張力有不同的影響。石英玻璃的表面不出現(xiàn) Si4+離子，只有那些形成完整程度不等的 四面體的氧離子，于是氧離子較大的極化率就4SiO決定了石英玻璃有較大的表面張力。例如，有的研究者研究了玻璃在不同介質(zhì)氣氛下的表面張力，發(fā)現(xiàn)空氣中有水汽存在時(shí)能顯著降低表面張力。對(duì)于預(yù)制棒中的間隙孔，由于同年它們的尺寸比空氣孔小的多，因而在拉制過(guò)程的早期就塌陷了。將這種粘性物質(zhì)拉成細(xì)絲要克服粘性阻力、表面張力以及產(chǎn)生加速度而要克服的慣性力，這都需要做功，因而在光纖上形成張力。因此，高速拉絲時(shí)，張力較大；玻璃粘度減小時(shí)，張力也變小，因此一般多在拉絲溫度范圍內(nèi)偏高一側(cè)進(jìn)行拉絲。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)造成斷絲的主要原因有以下幾個(gè)方面： (1)拉絲時(shí)下棒速度和制成的光纖之間不適應(yīng)。(2)在不適宜的粘度下拉制纖維。(3)加熱爐溫度不均勻，有的部位溫度較低，在這種情況下，斷絲的原因，一方面是流出的玻璃液量不足，另一方面是由于玻璃波粘度太大，張力增加； 所以，采用溫度分布均勻的加熱爐，保持作業(yè)制度穩(wěn)定(溫度和拉制速度)就能保證克服成型過(guò)程中的斷絲率最小。想要精確控制所得光子晶體光纖的尺寸和結(jié)構(gòu)，還需要定量地分析拉制過(guò)程中各個(gè)參量的變化特性。另外還有調(diào)節(jié)架、固定膠帶等。光譜儀包括光纖接頭、準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡和衍射光柵。AvalightHal型鹵鎢燈光源，光譜范圍可見光和近紅外波段波長(zhǎng)范圍 4002022 nm， 。具體細(xì)分如下：固有損耗包括散射損耗、吸收損耗和因光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗。其中，附加損耗是在光纖的鋪設(shè)過(guò)程中人為造成的。光纖微小彎曲、擠壓、拉伸受力也會(huì)引起損耗。究其主要原因是在這些條件下，光纖纖芯中的傳輸模式發(fā)生了變化。固有損耗中，散射損耗和吸收損耗是由光纖材料本身的特性決定的，在不同的工作波長(zhǎng)下引起的固有損耗也不同。 引起光纖損耗的因素光纖的損耗因素主要有吸收損耗、散射損耗和其他損耗。本征損耗是指光纖材料固有的一種損耗，是無(wú)法避免的，它決定了光纖的損耗極限。本征吸收是石英材料本身固有的吸收，包括紅外吸收和紫外吸收。瑞利散射是由于光纖折射率在微觀上的隨機(jī)起伏所引起的，這種材料折射率的不均勻性使光波產(chǎn)生散射。光纖制造損耗是在制造光纖的工藝過(guò)程中產(chǎn)生的，主要由光纖中不純成分的吸收(雜質(zhì)吸收) 和光纖的結(jié)構(gòu)缺陷引起。其中OH 離子的影響比較大，它的吸收峰分別位于950 nm，1 240 mm和1 390 nm，對(duì)光纖通信系統(tǒng)影響較大。此外，光纖結(jié)構(gòu)的不完善也會(huì)帶來(lái)散射損耗。除上述3類損耗外，在光纖的使用中還會(huì)存在連接損耗、耦合損耗，如燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)果光纖中入射光功率超出某值時(shí)還會(huì)有非線性效應(yīng)帶來(lái)的散射損耗。然后在微調(diào)節(jié)架之后切斷光纖(如圖 48 所示 )，測(cè)得短光纖的輸出光功率 P1(?)，則可得到光纖的衰減為： (41) ????dB?21lg0?A則衰減系數(shù) 其中 L 為光纖長(zhǎng)度。圖44為光纖損耗圖，從圖中可以看到這組光纖在980 nm 處有明顯吸收。 熒光測(cè)量原理熒光測(cè)量的原理圖和實(shí)物圖分別如圖4圖 46所示實(shí)驗(yàn)中用880nm的苯浦激光器照射制作好的光纖，用光譜儀測(cè)量輸出光并繪出光譜圖。 飛 秒 激光 器 光 譜 儀 計(jì) 算 機(jī) 光 纖 圖 45 熒光測(cè)量原理圖燕山大