具有大纤芯和平坦基谐模的微结构光纤，其生产方法以及其在激光微细加工中的使用的制作方法
【专利摘要】一种光纤，包括：具有指数N和10微米或更大直径的纤芯（2），该纤芯（2）被具有指数N+Δn和厚度ΔR的环（4）所包围；以及包围该环并且包括例如气隙（8）的光学包层（6）。根据本发明，Δn>10-3并且=α/(Δn)β[1]，其中，5x10-4微米<α<5x10-2微米并且0.5<β<1.5。α和β取决于：微结构光纤要传导的光的波长λ、该微结构光纤中的缺失性夹杂物的数量、气隙的直径d、气隙的间距Λ和N。为了设计该光纤，选择λ、缺失性气隙的数量、d/Λ、纤芯掺杂量、Λ和Δn；并且使用等式[1]确定ΔR，从而得到平坦基谐模。
【专利说明】具有大纤芯和平坦基谐模的微结构光纤，其生产方法以及其在激光微细加工中的使用
【技术领域】
本发明涉及具有大纤芯、适于得到平坦基谐模的微结构光纤以及生产这种光纤的方法。
术语“大纤芯”代表其直径等于至少10微米的纤芯。术语“平坦基谐莫”代表其强度具有平坦的横向剖面的基谐模；应当注意，在这种情况下，基谐模直径表现出相对于纤芯直径较小的差异；并且如果纤芯直径较大(大于或者等于10微米)，则基谐模直径也较大。
本发明尤其适用于激光微细加工方法，例如，激光标记方法和激光切割方法，或者与光-生物组织相互作用相关的用于治疗和诊断的方法。
【背景技术】
为了得到具有平坦基谐模的光纤，众所周知的是在纤芯周围放置环，其光学指数略大于该纤芯的光学指数。
在这方面，可参考文献[I]，其像下文中要引用的其它文献[2]至[7] —样，将在本发明的结尾处提及。
然而，文献[I]中所述的光纤具有纤芯直径小的缺点。
从文献[2]和[3]中获知在掺杂有稀土元素的大纤芯周围使用环。然而，这些文献中所讨论的光纤是多模光纤，为了在该光纤的输出端得到单模，即，基谐模，要使用增益进行鉴别。实际上，与其它模相比，平坦基谐模在掺杂纤芯上具有更好的重叠。
这构成了现有技术中所知的平坦大模的唯一实验性实施方式。在光纤输出端得到的模的实验图像存在于文献[4]的附图7中。所得到的剖面非常不完整。这归因于光纤的实际实施方式不适于得到完整的指数阶跃。
从文献[5]获知适于通过气隙方式来限制模以及通过环来使模平坦的光纤。所述微结构的气隙的直径d与这些气隙的间距Λ相比的比例d/Λ在0.4左右；由此将产生针对这种结构的多模纤芯。然而，没有给出实验演示。
此外，文献[5]中所述的光纤的参数显得不实际。特别是，环与纤芯之间光学指数的差异极小一等于3xl0_4—因而在生产中很难或者甚至不可能得到。
从文献[6]获知具有很小的掺杂纤芯(直径几微米)并且无环的微结构光纤。
实际上，迄今为止，尚未获知用于在无源光纤的输出端得到具有至少10微米直径的单个平坦模的令人满意的解决方案。
文献[I]和[6]中所提出的无源纤芯光纤仅适于得到小的模尺寸(有效面积小于100平方微米);
为了得益于增益鉴别，当需要放大时从文献[2]获知的光纤设计的多模方面才需要用到这种光纤。然而，在某些情况下(例如，空间成型、功率运输和非线性放大)，有必要使用无源光纤；注意，在某些情况下，曲率鉴别也是有可能的。
非常困难或者不可能实验地实现文献[5]中所提出的光纤参数，特别是环与纤芯之间光学指数的差异。
作为一般规则，现有技术中所提出的设计是不现实的，因为其没有考虑到生产限制。现有技术只包括平坦基谐模光纤的一种实验性实施方式(参见文献[2])。
然而，该实施方式相对不可信，因为在光纤输出端得到的光纤不能被认为是平坦的(参见文献[4])。此外，文献[2]的作者承认所述光纤的实际实施方式不适于得到充分地控制的指数阶跃。
【发明内容】
本发明涉及不具有上述缺点的微结构光纤。
具体地，本发明涉及具有大纤芯和平坦基谐模的微结构光纤，其包括:
纤芯，该纤芯的直径为至少10微米；
包围纤芯的环，该环的光学指数比纤芯的光学指数高出值Λη，并且该环的外半径比内半径大出值AR;以及
光学包层，该光学包层包围环并且包括包含有例如纵向气隙的夹杂物的基质，其中，夹杂物的光学指数不同于基质的光学指数，包层的等效平均光学指数nFSM小于纤芯的光学指数，
其特征在于，Λη大于10_3并且AR通过等式AR=a/(An)e与Λη关联，其中，α在从5χ10_4微米到5χ10_2微米的区间内，β在从0.5到1.5的区间内，并且α和β取决于:微结构光纤要传导的光的波长λ、微结构光纤中的缺失性夹杂物的数量(由于纤芯和环的存在)、夹杂物的直径d，夹杂物的间距Λ和纤芯的光学指数。
根据本发明的微结构光纤的一个优选实施例，缺失性夹杂物的数量等于7。然后，该光纤被视为具有7个缺陷。
根据本发明的微结 构光纤的纤芯可以被掺杂或者不被掺杂。
例如，可以通过发光的实体(例如，稀土元素离子)或者不通过这样的实体对其进行掺杂。
根据本发明的第一具体实施例，纤芯由未掺杂的二氧化硅制成，β等于I并且α由以下公式给出:
α=2.489χ10_2((1/Λ)α25λ2/Λ
其中，当d，Λ和λ以微米表示时，α也同样以微米表示。
根据本发明的第二【具体实施方式】，纤芯由掺杂有例如镱、铝或者其他诸如磷或锗的共掺质的二氧化硅制成，从而将纯二氧化硅的光学指数增大大约1.5χ10_3，β等于0.905并且α由以下公式给出:
α=1.046Χ10_2(λ/Λ)α19
其中，当Λ和λ以微米表示时，α也同样以微米表示。
根据本发明的第三【具体实施方式】，纤芯由掺杂有例如镱、铝或者其他诸如磷或锗的共掺质的二氧化硅制成，从而将纯二氧化硅的光学指数增大大约5χ10_3，β等于0.87并且α由以下公式给出:
α=1.327χ10-2(λ/Λ)0.05
其中，当Λ和λ以微米表示时，α也同样以微米表示。本发明也涉及用于生产根据本发明的微结构光纤的方法，其中，
选择λ;
选择缺失性夹杂物的数量；
选择比例d/Λ ；
选择纤芯的掺杂量T，T大于或者等于O ;
选择Λ ；
选择Δ η ；
利用所述等式确定△ R以在光纤的输入端被射入具有波长λ的光时在该光纤的输出端得到平坦基谐模；以及
在由此选择了夹杂物的数量以及参数d、T、Λ、Λη并且以上述方式确定了参数AR的情况下，生产微结构光纤。
本发明还涉及一种激光微细加工方法，其中，使用根据本发明的微结构光纤来传导由激光器发射出的光。
【专利附图】
【附图说明】
通过参考附图阅读下文中给出的对实施方式的示例(只作为表示而不作为限制)的描述，将更清楚地理解本发明，其中:
图1A是根据本发明的微结构光纤的一个示例的示意性截面图，以及图1B针对该示例的光纤示出了光学指数的径向剖面；
图2针对图1A中的光纤示出了适于得到平坦剖面的环的厚度AR在缺陷为7并且间距Λ取不同值的情况下相对于指数反差An的变化；
图3Α示出了当Λ等于30微米以及Λη等于2χ10_3时该光纤中所传导的模的横向剖面，以及图3Β示出了所述光纤中的光强度I沿与图3Α中的水平轴X形成角度31/6(30° )的图3Α中的轴线X的变化；
图4示出了当Λ等于30微米时相对于Λη和Λ R以a%表示的均方根(RMS)平整度变化的示图；以及
图5示出了根据本发明的光纤的光学指数的径向剖面。
【具体实施方式】
图1A是适于得到平坦基谐模、具有大直径的微结构光纤发明的示例的示意性截面图。图1B示出了图1A中所表示的光纤沿水平截面的指数剖面，即，随半径R (径向剖面)而变的光学指数η的变化。
微结构的好处特别在于即使针对较大的纤芯(相对于在光纤中传播的光的波长λ )也能提供准单模特性。
图1A中所示的光纤包括:
中心部分，该中心部分由光学指数被标注为N的纤芯2和光学指数等于N+Λ η的环4组成，其中，Λη (指数阶跃)确定地为正；以及
包围环4的光学包层6，该光学包层6包括夹杂空气并且具有小于纤芯2的光学指数N的等效平均光学指数nFSM。更具体地，在图1A所示的示例中，光学包层6包括平行于光纤的轴线的纵向气隙8。包层6由与纤芯相同的材料组成，但是由于这些气隙的存在，其指数nFSM小于N。
在该示例中，纤芯2由纯二氧化硅制成；环4具有亚微米厚度并且其由掺杂有少量锗的二氧化硅制成；环的内半径被标注为R1，其外半径被标注为R2，从而其厚度为AR(AR=R2-R1);并且包层6是空气-二氧化硅型的。注意，纤芯2的直径等于2R1，其中根据本发明2R1≥10微米。
微结构参数为气隙8的直径d和气隙8的间距Λ。
从图1A可以看出，为了形成被环4包围的纤芯2，七个中央气隙或者毛细孔由实心材料来代替，从而形成纤芯并且形成环。该光纤被视为具有7个缺陷。
这种几何结构适于在不过度地扩大气隙网络的间距Λ的情况下扩大基谐模的尺寸。应当注意，对于这样的几何结构，要求比例d/Λ等于0.046以在不论λ/Λ为何值的情况下得到单一传播模(参见文献[7])。
比例d/Λ应当尽可能地小(通常d/Λ小于0.25)以使得传导模的数量尽可能地小。
环4的外半径R2由光纤的生产来限定。由于用来形成包层6的毛细孔的定位，在限定该环4、具有半径R2的外部柱面与所遇到的第一个气隙的中心之间需要至少等于Λ/2的间
距，相当于最大外半径等于 (2 S- l) ^
O
当环的基谐模达到其截止波长时(即，当该模的有效指数变得等于纤芯材料的折射指数时)，得到平坦模。针对于变量对(An5AR)对基谐模横向强度剖面的平整度进行优化。图2给出了针对于d/A=0.25的优化的示例。应当注意，Δη (指数阶跃或者指数反差)是环4的光学指数与纤芯2的光学指数之间的差异，以及Λ R是该环的厚度。
更具体地，图2给出了以下情况中时适于得到平坦剖面的环的厚度(随指数反差而变):针对缺陷为7 ;针对气隙之间的若干间距A，g卩，Λ=8.5微米(曲线Ι)、Λ=17微米(曲线II)和Λ =30微米(曲线III);并且针对d/A=0.25。
图3A示出了在间距Λ为30微米、指数反差Λη为2χ10_3以及比例d/Λ为0.25的情况下在图1A中所示的微结构光纤中传导的模的横向剖面。对于这一指数反差，图2验证了环的厚度Λ R应该等于305纳米。
图3Β示出了沿着图3Α中的轴线X的光强度I (单位W/m2)的变化，该轴线X与图3A中的水平轴X形成π/6弧度(30° )的角度。
应当注意，由于对称的原因，图3A中仅示出了光纤的四分之一。对于整个结构，在这种情况下，得到的基谐模的有效面积为6420平方微米。
图1A所示的结构以及图2中给出的随指数反差而变的环厚度的变化适于得到平坦基谐模。不同于现有技术中存在的设计方案，在本发明中计算光学参数时考虑了生产限制。
因此出现了现有技术中所知的设计提升。这一提升使得解决生产具有平坦基谐模的光纤的问题成为可能，该问题以前并未得到解决。
可从图2中读出的指数反差Λη适于使用外部气相沉积(OVP)技术通过以下方式得到:在纯二氧化硅(指数N)周围沉积具有指数N+Λ η的二氧化硅，或者在具有指数N-Λ η的掺杂二氧化硅纤芯周围沉积纯二氧化 硅(指数N)。现有的生产技术适于将环的尺寸控制在几个百分比之内并且适于得到5χ10_4内的指数反差。图4是具有7个缺陷、30微米的间距Λ以及0.25的比例d/Λ的光纤的平整度变化(以％表示的均方根变化)的示图，该平整度变化随参数Λη和AR而变。
在图4中，看出Λη在2χ10_3附近变化以及Λ R在300纳米附近变化。在调制率
【权利要求】
1.一种具有大纤芯和平坦基谐模的微结构光纤，包括: 纤芯(2)，所述纤芯(2)的直径为至少10微米； 包围所述纤芯的环(4)，所述环(4)的光学指数比所述纤芯的光学指数高出值Λη，并且所述环(4)的外半径比内半径大出值AR;以及 光学包层(6)，所述光学包层(6)包围所述环并且包括包含有例如纵向气隙(8)的夹杂物的基质，其中，所述夹杂物的光学指数不同于所述基质的光学指数，所述包层的等效平均光学指数nFSM小于所述纤芯的光学指数， 其特征在于，Λη大于10_3并且AR通过等式AR=a/(An)e与Λη关联，其中，α在从5χ10_4微米到5χ10_2微米的区间内，β在从0.5到1.5的区间内，并且α和β取决于所述微结构光纤要传导的光的波长λ、所述微结构光纤中的缺失性夹杂物的数量、所述夹杂物(8)的直径d、所述夹杂物(8)的间距Λ和所述纤芯(2)的光学指数。
2.根据权利要求1所述的微结构光纤，其中，所述缺失性夹杂物的数量为7。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的微结构光纤,其中,所述纤芯(2)没有被掺杂。
4.根据权利要求3所述的微结构光纤,其中,所述纤芯(2)由未掺杂的二氧化娃制成，β等于I并且α由以下公式给出:
α=2.489χ10_2((1/Λ)α25λ2/Λ 其中，当d，Λ和λ以微米表示时，α也同样以微米表示。
5.根据权利要求1和2中任一项所述的微结构光纤,其中,所述纤芯(2)被掺杂。
6.根据权利要求5所述的微结构光纤,其中,所述纤芯(2)由掺杂有例如镱、招或者其他诸如磷或锗的共掺质的二氧化硅制成，从而将纯二氧化硅的光学指数增大大约1.5χ10_3，β等于0.905并且α由以下公式给出:
α=1.046Χ10_2(λ/Λ)α19 其中，当Λ和λ以微米表示时，α也同样以微米表示。
7.根据权利要求5所述的微结构光纤，其中，所述纤芯(2)由掺杂有例如镱、铝或者其他诸如磷或锗的共掺质的二氧化硅制成，从而将纯二氧化硅的光学指数增大大约5χ10_3，β等于0.87并且α由以下公式给出:
α=1.327χ10-2(λ/Λ)0.05 其中，当Λ和λ以微米表示时，α也同样以微米表示。
8.用于生产根据权利要求1所述的微结构光纤的方法，其中， 选择入； 选择缺失性夹杂物的数量； 选择比例d/Λ ； 选择所述纤芯(2)的掺杂量T，T大于或者等于O ; 选择Λ ； 选择Δ η ； 利用所述等式确定AR以在所述光纤的输入端被射入具有波长λ的光时在所述光纤的输出端得到平坦基谐模；以及 在由此选择了所述夹杂物的数量以及所述参数d、T、Λ、Δη并且以上述方式确定了所述参数AR的情况下， 生产所述微结构光纤。
9.一种激光微细加工方法，其中，使用根据权利要求1至7中任一项所述的微结构光纤来传导由激光器发射出的光。
【文档编号】G02B6/02GK103930810SQ201280045944
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年9月18日 优先权日:2011年9月20日
【发明者】埃马纽埃尔·于戈诺, 劳雷·拉戈, 阿诺·穆索特, 伊夫·奎科恩普瓦斯, G·鲍曼斯, 劳伦特·比戈, 康士坦士·瓦伦廷 申请人:原子能和替代能源委员会, 里尔第一科技大学, 国家科研中心