具有大纖芯和平坦基諧模的微結構光纖，其生產方法以及其在激光微細加工中的使用的制作方法
【專利摘要】一種光纖，包括：具有指數N和10微米或更大直徑的纖芯（2），該纖芯（2）被具有指數N+Δn和厚度ΔR的環（4）所包圍；以及包圍該環并且包括例如氣隙（8）的光學包層（6）。根據本發明，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取決于：微結構光纖要傳導的光的波長λ、該微結構光纖中的缺失性夾雜物的數量、氣隙的直徑d、氣隙的間距Λ和N。為了設計該光纖，選擇λ、缺失性氣隙的數量、d/Λ、纖芯摻雜量、Λ和Δn；并且使用等式[1]確定ΔR，從而得到平坦基諧模。
【專利說明】具有大纖芯和平坦基諧模的微結構光纖，其生產方法以及其在激光微細加工中的使用
【技術領域】
本發明涉及具有大纖芯、適于得到平坦基諧模的微結構光纖以及生產這種光纖的方法。
術語“大纖芯”代表其直徑等于至少10微米的纖芯。術語“平坦基諧莫”代表其強度具有平坦的橫向剖面的基諧模；應當注意，在這種情況下，基諧模直徑表現出相對于纖芯直徑較小的差異；并且如果纖芯直徑較大(大于或者等于10微米)，則基諧模直徑也較大。
本發明尤其適用于激光微細加工方法，例如，激光標記方法和激光切割方法，或者與光-生物組織相互作用相關的用于治療和診斷的方法。
【背景技術】
為了得到具有平坦基諧模的光纖，眾所周知的是在纖芯周圍放置環，其光學指數略大于該纖芯的光學指數。
在這方面，可參考文獻[I]，其像下文中要引用的其它文獻[2]至[7] —樣，將在本發明的結尾處提及。
然而，文獻[I]中所述的光纖具有纖芯直徑小的缺點。
從文獻[2]和[3]中獲知在摻雜有稀土元素的大纖芯周圍使用環。然而，這些文獻中所討論的光纖是多模光纖，為了在該光纖的輸出端得到單模，即，基諧模，要使用增益進行鑒別。實際上，與其它模相比，平坦基諧模在摻雜纖芯上具有更好的重疊。
這構成了現有技術中所知的平坦大模的唯一實驗性實施方式。在光纖輸出端得到的模的實驗圖像存在于文獻[4]的附圖7中。所得到的剖面非常不完整。這歸因于光纖的實際實施方式不適于得到完整的指數階躍。
從文獻[5]獲知適于通過氣隙方式來限制模以及通過環來使模平坦的光纖。所述微結構的氣隙的直徑d與這些氣隙的間距Λ相比的比例d/Λ在0.4左右；由此將產生針對這種結構的多模纖芯。然而，沒有給出實驗演示。
此外，文獻[5]中所述的光纖的參數顯得不實際。特別是，環與纖芯之間光學指數的差異極小一等于3xl0_4—因而在生產中很難或者甚至不可能得到。
從文獻[6]獲知具有很小的摻雜纖芯(直徑幾微米)并且無環的微結構光纖。
實際上，迄今為止，尚未獲知用于在無源光纖的輸出端得到具有至少10微米直徑的單個平坦模的令人滿意的解決方案。
文獻[I]和[6]中所提出的無源纖芯光纖僅適于得到小的模尺寸(有效面積小于100平方微米);
為了得益于增益鑒別，當需要放大時從文獻[2]獲知的光纖設計的多模方面才需要用到這種光纖。然而，在某些情況下(例如，空間成型、功率運輸和非線性放大)，有必要使用無源光纖；注意，在某些情況下，曲率鑒別也是有可能的。
非常困難或者不可能實驗地實現文獻[5]中所提出的光纖參數，特別是環與纖芯之間光學指數的差異。
作為一般規則，現有技術中所提出的設計是不現實的，因為其沒有考慮到生產限制。現有技術只包括平坦基諧模光纖的一種實驗性實施方式(參見文獻[2])。
然而，該實施方式相對不可信，因為在光纖輸出端得到的光纖不能被認為是平坦的(參見文獻[4])。此外，文獻[2]的作者承認所述光纖的實際實施方式不適于得到充分地控制的指數階躍。
【發明內容】
本發明涉及不具有上述缺點的微結構光纖。
具體地，本發明涉及具有大纖芯和平坦基諧模的微結構光纖，其包括:
纖芯，該纖芯的直徑為至少10微米；
包圍纖芯的環，該環的光學指數比纖芯的光學指數高出值Λη，并且該環的外半徑比內半徑大出值AR;以及
光學包層，該光學包層包圍環并且包括包含有例如縱向氣隙的夾雜物的基質，其中，夾雜物的光學指數不同于基質的光學指數，包層的等效平均光學指數nFSM小于纖芯的光學指數，
其特征在于，Λη大于10_3并且AR通過等式AR=a/(An)e與Λη關聯，其中，α在從5χ10_4微米到5χ10_2微米的區間內，β在從0.5到1.5的區間內，并且α和β取決于:微結構光纖要傳導的光的波長λ、微結構光纖中的缺失性夾雜物的數量(由于纖芯和環的存在)、夾雜物的直徑d，夾雜物的間距Λ和纖芯的光學指數。
根據本發明的微結構光纖的一個優選實施例，缺失性夾雜物的數量等于7。然后，該光纖被視為具有7個缺陷。
根據本發明的微結 構光纖的纖芯可以被摻雜或者不被摻雜。
例如，可以通過發光的實體(例如，稀土元素離子)或者不通過這樣的實體對其進行摻雜。
根據本發明的第一具體實施例，纖芯由未摻雜的二氧化硅制成，β等于I并且α由以下公式給出:
α=2.489χ10_2((1/Λ)α25λ2/Λ
其中，當d，Λ和λ以微米表示時，α也同樣以微米表示。
根據本發明的第二【具體實施方式】，纖芯由摻雜有例如鐿、鋁或者其他諸如磷或鍺的共摻質的二氧化硅制成，從而將純二氧化硅的光學指數增大大約1.5χ10_3，β等于0.905并且α由以下公式給出:
α=1.046Χ10_2(λ/Λ)α19
其中，當Λ和λ以微米表示時，α也同樣以微米表示。
根據本發明的第三【具體實施方式】，纖芯由摻雜有例如鐿、鋁或者其他諸如磷或鍺的共摻質的二氧化硅制成，從而將純二氧化硅的光學指數增大大約5χ10_3，β等于0.87并且α由以下公式給出:
α=1.327χ10-2(λ/Λ)0.05
其中，當Λ和λ以微米表示時，α也同樣以微米表示。本發明也涉及用于生產根據本發明的微結構光纖的方法，其中，
選擇λ;
選擇缺失性夾雜物的數量；
選擇比例d/Λ ；
選擇纖芯的摻雜量T，T大于或者等于O ;
選擇Λ ；
選擇Δ η ；
利用所述等式確定△ R以在光纖的輸入端被射入具有波長λ的光時在該光纖的輸出端得到平坦基諧模；以及
在由此選擇了夾雜物的數量以及參數d、T、Λ、Λη并且以上述方式確定了參數AR的情況下，生產微結構光纖。
本發明還涉及一種激光微細加工方法，其中，使用根據本發明的微結構光纖來傳導由激光器發射出的光。
【專利附圖】
【附圖說明】
通過參考附圖閱讀下文中給出的對實施方式的示例(只作為表示而不作為限制)的描述，將更清楚地理解本發明，其中:
圖1A是根據本發明的微結構光纖的一個示例的示意性截面圖，以及圖1B針對該示例的光纖示出了光學指數的徑向剖面；
圖2針對圖1A中的光纖示出了適于得到平坦剖面的環的厚度AR在缺陷為7并且間距Λ取不同值的情況下相對于指數反差An的變化；
圖3Α示出了當Λ等于30微米以及Λη等于2χ10_3時該光纖中所傳導的模的橫向剖面，以及圖3Β示出了所述光纖中的光強度I沿與圖3Α中的水平軸X形成角度31/6(30° )的圖3Α中的軸線X的變化；
圖4示出了當Λ等于30微米時相對于Λη和Λ R以a%表示的均方根(RMS)平整度變化的示圖；以及
圖5示出了根據本發明的光纖的光學指數的徑向剖面。
【具體實施方式】
圖1A是適于得到平坦基諧模、具有大直徑的微結構光纖發明的示例的示意性截面圖。圖1B示出了圖1A中所表示的光纖沿水平截面的指數剖面，即，隨半徑R (徑向剖面)而變的光學指數η的變化。
微結構的好處特別在于即使針對較大的纖芯(相對于在光纖中傳播的光的波長λ )也能提供準單模特性。
圖1A中所示的光纖包括:
中心部分，該中心部分由光學指數被標注為N的纖芯2和光學指數等于N+Λ η的環4組成，其中，Λη (指數階躍)確定地為正；以及
包圍環4的光學包層6，該光學包層6包括夾雜空氣并且具有小于纖芯2的光學指數N的等效平均光學指數nFSM。更具體地，在圖1A所示的示例中，光學包層6包括平行于光纖的軸線的縱向氣隙8。包層6由與纖芯相同的材料組成，但是由于這些氣隙的存在，其指數nFSM小于N。
在該示例中，纖芯2由純二氧化硅制成；環4具有亞微米厚度并且其由摻雜有少量鍺的二氧化硅制成；環的內半徑被標注為R1，其外半徑被標注為R2，從而其厚度為AR(AR=R2-R1);并且包層6是空氣-二氧化硅型的。注意，纖芯2的直徑等于2R1，其中根據本發明2R1≥10微米。
微結構參數為氣隙8的直徑d和氣隙8的間距Λ。
從圖1A可以看出，為了形成被環4包圍的纖芯2，七個中央氣隙或者毛細孔由實心材料來代替，從而形成纖芯并且形成環。該光纖被視為具有7個缺陷。
這種幾何結構適于在不過度地擴大氣隙網絡的間距Λ的情況下擴大基諧模的尺寸。應當注意，對于這樣的幾何結構，要求比例d/Λ等于0.046以在不論λ/Λ為何值的情況下得到單一傳播模(參見文獻[7])。
比例d/Λ應當盡可能地小(通常d/Λ小于0.25)以使得傳導模的數量盡可能地小。
環4的外半徑R2由光纖的生產來限定。由于用來形成包層6的毛細孔的定位，在限定該環4、具有半徑R2的外部柱面與所遇到的第一個氣隙的中心之間需要至少等于Λ/2的間
距，相當于最大外半徑等于 (2 S- l) ^
O
當環的基諧模達到其截止波長時(即，當該模的有效指數變得等于纖芯材料的折射指數時)，得到平坦模。針對于變量對(An5AR)對基諧模橫向強度剖面的平整度進行優化。圖2給出了針對于d/A=0.25的優化的示例。應當注意，Δη (指數階躍或者指數反差)是環4的光學指數與纖芯2的光學指數之間的差異，以及Λ R是該環的厚度。
更具體地，圖2給出了以下情況中時適于得到平坦剖面的環的厚度(隨指數反差而變):針對缺陷為7 ;針對氣隙之間的若干間距A，g卩，Λ=8.5微米(曲線Ι)、Λ=17微米(曲線II)和Λ =30微米(曲線III);并且針對d/A=0.25。
圖3A示出了在間距Λ為30微米、指數反差Λη為2χ10_3以及比例d/Λ為0.25的情況下在圖1A中所示的微結構光纖中傳導的模的橫向剖面。對于這一指數反差，圖2驗證了環的厚度Λ R應該等于305納米。
圖3Β示出了沿著圖3Α中的軸線X的光強度I (單位W/m2)的變化，該軸線X與圖3A中的水平軸X形成π/6弧度(30° )的角度。
應當注意，由于對稱的原因，圖3A中僅示出了光纖的四分之一。對于整個結構，在這種情況下，得到的基諧模的有效面積為6420平方微米。
圖1A所示的結構以及圖2中給出的隨指數反差而變的環厚度的變化適于得到平坦基諧模。不同于現有技術中存在的設計方案，在本發明中計算光學參數時考慮了生產限制。
因此出現了現有技術中所知的設計提升。這一提升使得解決生產具有平坦基諧模的光纖的問題成為可能，該問題以前并未得到解決。
可從圖2中讀出的指數反差Λη適于使用外部氣相沉積(OVP)技術通過以下方式得到:在純二氧化硅(指數N)周圍沉積具有指數N+Λ η的二氧化硅，或者在具有指數N-Λ η的摻雜二氧化硅纖芯周圍沉積純二氧化 硅(指數N)。現有的生產技術適于將環的尺寸控制在幾個百分比之內并且適于得到5χ10_4內的指數反差。圖4是具有7個缺陷、30微米的間距Λ以及0.25的比例d/Λ的光纖的平整度變化(以％表示的均方根變化)的示圖，該平整度變化隨參數Λη和AR而變。
在圖4中，看出Λη在2χ10_3附近變化以及Λ R在300納米附近變化。在調制率
【權利要求】
1.一種具有大纖芯和平坦基諧模的微結構光纖，包括: 纖芯(2)，所述纖芯(2)的直徑為至少10微米； 包圍所述纖芯的環(4)，所述環(4)的光學指數比所述纖芯的光學指數高出值Λη，并且所述環(4)的外半徑比內半徑大出值AR;以及 光學包層(6)，所述光學包層(6)包圍所述環并且包括包含有例如縱向氣隙(8)的夾雜物的基質，其中，所述夾雜物的光學指數不同于所述基質的光學指數，所述包層的等效平均光學指數nFSM小于所述纖芯的光學指數， 其特征在于，Λη大于10_3并且AR通過等式AR=a/(An)e與Λη關聯，其中，α在從5χ10_4微米到5χ10_2微米的區間內，β在從0.5到1.5的區間內，并且α和β取決于所述微結構光纖要傳導的光的波長λ、所述微結構光纖中的缺失性夾雜物的數量、所述夾雜物(8)的直徑d、所述夾雜物(8)的間距Λ和所述纖芯(2)的光學指數。
2.根據權利要求1所述的微結構光纖，其中，所述缺失性夾雜物的數量為7。
3.根據權利要求1和2中任一項所述的微結構光纖,其中,所述纖芯(2)沒有被摻雜。
4.根據權利要求3所述的微結構光纖,其中,所述纖芯(2)由未摻雜的二氧化娃制成，β等于I并且α由以下公式給出:
α=2.489χ10_2((1/Λ)α25λ2/Λ 其中，當d，Λ和λ以微米表示時，α也同樣以微米表示。
5.根據權利要求1和2中任一項所述的微結構光纖,其中,所述纖芯(2)被摻雜。
6.根據權利要求5所述的微結構光纖,其中,所述纖芯(2)由摻雜有例如鐿、招或者其他諸如磷或鍺的共摻質的二氧化硅制成，從而將純二氧化硅的光學指數增大大約1.5χ10_3，β等于0.905并且α由以下公式給出:
α=1.046Χ10_2(λ/Λ)α19 其中，當Λ和λ以微米表示時，α也同樣以微米表示。
7.根據權利要求5所述的微結構光纖，其中，所述纖芯(2)由摻雜有例如鐿、鋁或者其他諸如磷或鍺的共摻質的二氧化硅制成，從而將純二氧化硅的光學指數增大大約5χ10_3，β等于0.87并且α由以下公式給出:
α=1.327χ10-2(λ/Λ)0.05 其中，當Λ和λ以微米表示時，α也同樣以微米表示。
8.用于生產根據權利要求1所述的微結構光纖的方法，其中， 選擇入； 選擇缺失性夾雜物的數量； 選擇比例d/Λ ； 選擇所述纖芯(2)的摻雜量T，T大于或者等于O ; 選擇Λ ； 選擇Δ η ； 利用所述等式確定AR以在所述光纖的輸入端被射入具有波長λ的光時在所述光纖的輸出端得到平坦基諧模；以及 在由此選擇了所述夾雜物的數量以及所述參數d、T、Λ、Δη并且以上述方式確定了所述參數AR的情況下， 生產所述微結構光纖。
9.一種激光微細加工方法，其中，使用根據權利要求1至7中任一項所述的微結構光纖來傳導由激光器發射出的光。
【文檔編號】G02B6/02GK103930810SQ201280045944
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年9月18日 優先權日:2011年9月20日
【發明者】埃馬紐埃爾·于戈諾, 勞雷·拉戈, 阿諾·穆索特, 伊夫·奎科恩普瓦斯, G·鮑曼斯, 勞倫特·比戈, 康士坦士·瓦倫廷 申請人:原子能和替代能源委員會, 里爾第一科技大學, 國家科研中心