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浅谈空芯光纤

2022-11-10 14:28

自从1966年英国华裔科学家高琨博士提出光纤以来，光纤几乎贯穿了整个人类社会的发展，并且极大的改变了人们的生活方式。到如今，随着科技的不断进步，人们对于光纤性能的要求越来越高，传统的玻璃光纤由于其本身的限制，如材料的吸收、色散、非线性、低损伤阈值等属性，使得其在光纤通信、高功率激光输出、超快光学、非线性光学等领域都表现出局限性，制约了相关行业的发展和进步。

为了突破传统光纤的局限，研究人员进行了更加深入的研究和探索。在研究过程中，纤芯为空气的空芯光纤（Hollow Core Fiber，HCF）应运而生。空芯光纤的结构相对于传统光纤较为特殊，其通过其特定的包层结构，可以将光限制在空气纤芯中进行传输，这就改变了光在光纤中的传输介质，从根本上避免了由于在材料本征限制而带来的问题。空芯光纤的出现，为解决当前传统光纤的局限提供了一个理想的解决方案。

空芯光纤的结构多种多样，为了得到性能更加优异的光纤，研究人员针对空芯光纤的结构进行了深入的研究和设计。从最开始的布拉格包层空芯光纤的提出，研究人员对于空芯光纤的研究就不曾停止但进展十分缓慢。直到1996年，光子晶体光纤概念的提出，极大的加速了空芯光纤的发展。到了1999年，当第一根空气导光的光子带隙型空芯光纤被制造出来后，人们开展了大量的研究，在研究过程中有对结构进行了改善，提出了Kagome型空芯光纤。这种光纤的结构与光子带隙型的光纤类似，但是其并不支持光子带隙传输，并且相对于光子带隙光纤，Kagome光纤能够同时在多个传输频带进行传输，并且在总体覆盖的光谱范围更广。针对Kagome光纤，研究人员对其进行了深入的研究并提出了反谐振反射光波导（ARROW）导光机理。而反谐振空芯光纤则是在研究人员在研究Kagome过程中发现的。相比于其他的空芯光纤，反谐振空芯光纤结构更加简单，并且研究人员通过研究发现，其纤芯边界为负曲率（纤芯边界曲率与纤芯圆形的曲率方向相反）时能表现出更好的性能，并且它外面的一圈管状结构对光纤的性能影响也不大。因此，反谐振空芯光纤逐渐成为研究人员研究的重点。

浅谈空芯光纤

带隙型光子晶体光纤

浅谈空芯光纤

Kagome空芯光纤

浅谈空芯光纤

负曲率空芯光纤

对于不同种类的光纤，它们都具有自己独特的优势和缺陷。拿传统实芯光纤来说，它是最早发展起来也是现阶段工艺最为成熟、应用最为广泛的光纤种类，如今社会的各个领域几乎都有实芯光纤的影子。但是，实芯光纤材料本身固有的非线性、色散、光照损伤等缺陷也同样限制了光纤的发展，随着科技迭代的速度越来越快，人们对于光纤性能的要求也会越来越高，现有的实芯光纤的性能已经不能够满足需求，必须谋求进步和发展，但是材料的本征缺陷又限制了实芯光纤的发展，这就使得研究人员不得不将视角转向更具有优势的空芯光纤上来。相比于传统的实芯光纤，空芯光纤由于其能保证光是在空气中传输，这一特点就极大的降低了材料特性对光纤性能的影响。

有关空芯光纤的优点具体表现在一下几个方面：

1）低延时。根据光在折射率为n的介质中的传输速度公式v＝c／n可以知道当介质的折射率越大时，光的传输速度越小。相比于玻璃材料空气具有折射率为1，这就表明光在空芯光线中的传输速度是光速，远远超过在玻璃介质中传输。

2）低色散。跟实芯光纤相比，由于空芯光纤的传输介质是空气，这就极大的降低了材料色散带来的传输损耗。一般来说，空芯光纤的材料色散要低于实芯光纤三个数量级。

3）低非线性。与低材料色散类似，由于空气相对于二氧化硅等玻璃材料来说的低非线性折射率系数使得其具有更低的非线性效应。

4）高激光损伤阈值。在光纤进行高功率激光传输时，光纤材料会吸收激光能量，导致材料缺陷处形成热积累或纤芯与包层的温度分布不均匀，从而产生光纤损伤。而空芯光纤由于可以实现超过99％的光功率在空气中传输，光场与材料重叠极小，因此在相同的传输功率下有更低的材料吸收，也就拥有更高的激光损伤阈值。

出了以上列举的优点之外，空芯光纤还有低热敏感性、抗辐照、超宽的传输带宽等优势。这些优势都极大的便利了空芯光纤的发展和应用。

根据空芯光纤的这些优势，其应用主要有以下几类，第一类是由于空芯光纤的无畸变光传输而被用于光通信和高功率激光传输。

空芯光纤的超宽传输带宽以及低色散使得它可以打破当前通信容量的限制，并且空芯光纤的低延时能够显著的提高光通信的传输速度。这使得空芯光纤在光通信中具有巨大的应用潜力和发展前景，也在近几年来产生了越来越多的应用。

空芯光纤的高激光损伤阈值、高光束质量以及低非线性等特点使得其在微加工领域、微创手术、多光子显微成像等所需的高功率激光传输方面有着巨大的应用潜力。

空芯光纤的另一类应用是作为光与物质相互作用的平台。在聚焦的激光束中，光与物质相互作用主要发生在焦点附近，而在空芯光纤中，光可以保持较高的能量始终在纤芯中传输，光与物质相互作用的有效长度显著增加，这可以有效降低光与物质相互作用的阈值和提高效率。

除此之外，由于光纤的空芯结构使得其具有更多的可操作性。在实际应用中，可以再纤芯填充功能性材料。这就将材料科学与光学两大学科相互交叉，极大的拓展了空芯光纤的应用领域。填充的材料可以是固体、液体、气体，可以根据不同的需求进行填充材料的选择，这极大地丰富了空芯光纤的使用范围和方法。

随着光纤在苛刻环境中的应用越来越多，光纤传感技术将广泛扩展到空间应用领域，因此必须改善光纤和光纤器件的抗辐射性能，其中一个克服空间辐射问题的主要解决途径就是使用空芯光纤。

随着研究的不断深入，我们有理由相信，空芯光纤会在未来的科技以及生活领域会占有越来越重要的地位。就如同传统光纤贯穿了前几十年我们的科技发展，有关空芯光纤的研究和发展也在不断进步，空芯光纤其巨大的发展潜力和前景也将使其在现在以及未来的科技革命中占有举足轻重的地位。

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