一种具有超结构的特种光纤及其制备方法和应用

本发明涉及特种光纤，尤其涉及一种具有超结构的特种光纤及其制备方法和应用。

背景技术：

1、工业水平的飞速发展对特种光纤的设计和制备产生了迫切需求，在高温、高压、强辐射、强电磁干扰、易燃易爆、强腐蚀性等极端环境下，很少有传感器能够提供准确可靠的温度、压力、健康运转等信息，而单晶光纤作为一种特种光纤，具有更高的熔点和更好的抗腐蚀性能，因而利用单晶光纤替代石英光纤在极端环境下进行传感也已成为一种发展趋势。单晶光纤是将晶体材料制备成直径在几十微米到一毫米之间的纤维状单晶体，是块状晶体与常规光纤的结合体，具有优异的物化特性，如：长径比高、比表面积大、稀土离子掺杂浓度高、非线性增益系数小、传光性好、耐高温、耐腐蚀等。单晶光纤应用于激光传输不仅能有效解决石英光纤激光器低损伤阈值、低热导率和严重的非线性效应等问题，还可以突破晶体和陶瓷碟片激光器结构复杂、难以高重频等瓶颈。总之，单晶光纤利用其自身的独特优势可用于高功率激光传输及高温传感等诸多领域。

2、目前单晶光纤常用的制备工艺为微下拉法及激光加热基座法，但这两种方法制备的光纤均为单晶裸纤，无包层结构；而热拉法并不适用于晶体材料，晶体材料在热拉制时会变为玻璃态，最终制备得到的为单晶衍生光纤。单晶裸纤不是严格意义上的单晶光纤，其容易受到环境中污染物的影响而产生严重的衰减。此外，空气中的折射率不均匀且波动性大，导致裸纤与空气两者间的折射率相差太大。

3、单晶裸纤添加包层结构可增强光纤的机械性能、热学性能，并构成光波导，最重要的是可对传输模式进行控制，所以单晶裸纤有必要进一步添加包层结构以形成单晶光导纤维。单晶光纤的包层材料主要分为晶体材料和玻璃材料，晶体材料包层一般采用特定的物理或化学涂覆工艺，主要包括溅射喷涂法、飞秒激光加工法、局部腐蚀处理法、液相外延法、热液生长法、熔盐生长法等。而玻璃材料包层主要采用套管拉锥法，与晶体材料相比，玻璃材料的优势在于折射率调节范围较大，可满足多种材料的需求，但玻璃材料的热导率较低且热膨胀系数与晶体材料相比有较大差距，在器件的后期应用中会造成一定困难。

4、目前单晶光纤的包层制备工艺均存在一定弊端，适用于晶体材料包层的物理、化学涂覆法等均对设备要求较高，制备工艺相对复杂，制备过程中很难对晶体包层的折射率进行调控，另外对包层材料的限制性也较大。而适用于玻璃材料包层的套管拉锥法虽然制备工艺相对简单，但其制备过程中对包层加热处理使其熔融包覆在纤芯外时存在包层的热管理问题。

5、现有技术公开了一种单晶光纤的包层制备方法，该发明中将单晶光纤作为预制棒原料，在其中心轴线上钻孔，得到包层；之后再将外径与包层中心孔径相当的单晶体作为纤芯，插入包层中心孔内，得到预制棒。最后通过将预制棒作为籽晶进行晶体生长，形成具备包层结构与纤芯结构的单晶光纤。该方法利用晶体生长的方式制备光纤，不易实现对包层的复杂结构设计，并且较大程度地限制了包层与纤芯材料的选择。

6、现有技术还公开了一种折射率沿径向递减的蓝宝石单晶光纤的包层及其制备方法，该发明主要是在不同沉积温度下利用原子层沉积技术在蓝宝石单晶光纤表面分别沉积两层密度(折射率)不同的氧化铝薄膜，并进行退火，得到折射率沿光纤径向逐渐递减的包层，该方法不仅无法制备较复杂或特殊的包层结构，而且对设备要求较高，无法精密调控材料折射率。

7、现有技术还公开了一种微结构包层单晶光纤及制备方法，采用管束堆积、加热拉伸等步骤来制备微结构包层单晶光纤，但其微结构包层材料停留在硅基玻璃，无法满足近红外的激光传输需求，并且缺少有效数据证实其对光束的高阶模式的抑制能力。

8、现有技术还公开了一种硒碲单晶复合光纤及其制备方法，首先采用拉制法制备了具有玻璃包层的无定型态硒碲化合物纤芯的复合光纤，之后将光纤纤芯进行单晶化处理，即将复合光纤中无定型态硒碲化合物纤芯通过激光加热处理转变为单晶态硒碲化合物。在单晶化过程中，纤芯中硒碲化合物区域熔化，但是熔体温度在包层玻璃转变温度之下，因此在包层玻璃制约下，硒碲单晶化过程中能维持原有的几何形态。但由于蓝宝石、钇铝石榴石、氧化镥等高熔点的晶体材料难以匹配包层材料，因此该发明方法只适用于熔点较低的晶体材料。

9、现有技术还公开了一种单晶光纤及其制备方法，首先制备内外径匹配的多根管状玻璃的预制棒，然后对所述预制棒进行热拉丝，得到两层结构的玻璃包层，最后将实心单晶纤维插入所述玻璃包层的内包层中，进行加热拉锥，得到具有玻璃包层的单晶光纤。该方法制备的带有空气孔包层结构的单晶光纤，在加热拉锥过程中空气孔易塌陷，不易保形，制备相对困难。

10、基于目前的单晶光纤的制备存在的问题，有必要对此进行改进。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术提供了一种具有超结构的特种光纤及其制备方法和应用，通过对特种光纤的包层进行超结构设计实现对特种光纤传输模式、传输损耗等性能的有效调控，实现特种光纤少模、低损耗传输。通过对包层进行材料组分优化实现对包层折射率的调控，从而避免了在包层中引入空气孔所带来的制备复杂、包层结构易塌陷、不易保形等问题。

2、本技术的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种具有超结构的特种光纤，包括纤芯以及包覆于纤芯外周的包层；

4、所述纤芯为实心单晶纤维；

5、所述包层结构为折射率导光型光子晶体超结构。

6、优选的是，所述的特种光纤，所述包层内位于沿所述纤芯外周开设有若干通心孔，所述包层的折射率小于所述实心单晶纤维的折射率。

7、优选的是，所述的具有超结构的特种光纤，所述实心单晶纤维的材料包括金属氧化物单晶、含氧酸盐单晶和氟化物单晶中的至少一种或稀土元素掺杂的上述任一种单晶材料、过渡金属元素掺杂的上述任一种单晶材料。

8、优选的是，所述的特种光纤，所述包层材料为晶体材料或玻璃材料，其中，晶体材料包括氧化物单晶、含氧酸盐单晶和氟化物单晶中的任一种或者稀土元素掺杂的上述任一种单晶材料、过渡金属元素掺杂的上述任一种单晶材料；

9、所述玻璃材料包括硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、铅酸盐玻璃、镧系玻璃中的至少一种。

10、优选的是，所述的具有超结构的特种光纤，所述特种光纤的直径为50μm～2mm；所述纤芯的直径为10μm～1mm。

11、优选的是，所述的具有超结构的特种光纤，所述包层材料为晶体材料，其制备方法包括原子层沉积技术、磁控溅射技术、浸涂法、水热生长法、熔盐生长法、液相外延法中的任一种。

12、优选的是，所述的具有超结构的特种光纤，所述通心孔的截面形状包括圆形、长方形、正方形、星形中的任一种；

13、所述特种光纤的截面形状包括圆形、长方形、正方形、星形中的任一种。

14、第二方面，本发明还提供了一种上述的具有超结构的特种光纤的制备方法，包括以下步骤：

15、选择实心单晶纤维作为纤芯；

16、将中空玻璃材料热拉得到包层；

17、将实心单晶纤维插入包层，热固，得到特种光纤；

18、或，将中空玻璃材料进行热拉，得到毛细玻璃管，所述毛细玻璃管与通心孔、纤芯相适配；

19、将毛细玻璃管一端热封；

20、将热封后的毛细玻璃管置于中空玻璃管内，在对毛细玻璃管抽负压的条件下，对中空玻璃管进行热拉，以得到形成有通心孔和纤芯孔的包层；

21、将实心单晶纤维插入至纤芯孔内，热固，得到特种光纤。

22、优选的是，所述的具有超结构的特种光纤的制备方法，所述毛细玻璃管为截面为正圆形态的毛细玻璃管和不规则截面形态的毛细玻璃管。

23、第三方面，本发明还提供了一种所述的具有超结构的特种光纤或所述的制备方法制备得到的具有超结构的特种光纤在光纤激光器中的应用。

24、本发明的具有超结构的特种光纤相对于现有技术具有以下有益效果：

25、1、本发明的具有超结构的特种光纤，通过对特种光纤包层进行超结构设计来调控包层等效折射率，扩大了光纤包层材料的选择范围，实现对特种光纤传输模式、传输损耗等性能的有效调控，实现特种光纤少模、低损耗传输。此外，本发明对包层的等效折射率进行有效调控，可以为不同材料纤芯匹配合适的包层结构及材料，应用广泛；

26、2、本发明中所提出的具有超结构的特种光纤拉制工艺简单，拉制过程中不易被污染，避免了在包层中引入额外的空气孔所带来的制备复杂、包层结构易塌陷、不易保形等问题；

27、3、本发明制备所得具有超结构的特种光纤为基于单晶光纤的高功率激光输出及高温传感研究提供了一定基础，单晶光纤应用于激光器中有望打破现有光纤激光器的输出极限，使光纤激光器的输出功率实现跨越式增长。另外，其应用于传感器中可工作在高温、高压、强辐射、强电磁干扰、易燃易爆、强腐蚀性等极端环境下。