非圓形光纖研究進展

郭永解+趙松慶+竇海嘯+曹玉超+范大恩+方珍意+陳海燕

摘 要： 非圓形光纖截面可以是D型、 正方形、 長方形、 八邊形等多種形狀， 這些幾何結構使得作為泵浦源或光信號放大的光纖具有高的光光轉換效率。 非圓形光纖優良的擾模特性可以獲得平頂分布的光束， 且非圓形光纖焦比退化效應降低， 使得光纖的傳輸效率增大， 采用非圓形光纖制成的傳像束平均透過率提高， 傳像效果更真實。 非圓形光纖可應用到天文觀測、 半實物仿真和激光加工等領域， 用于高精度視向速度測量、 紅外目標模擬器、 高功率光纖激光器以及高精度激光焊接和切割等。

關鍵詞： 非圓形光纖； 擾模； 焦比退化； 紅外目標模擬器； 光纖激光器； 徑向速度

中圖分類號： TB34 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-5048（2017）06-0059-07[SQ0]

0 引 言

當前， 光纖在軍事、 通信、 傳感、 醫學和天文等領域的應用越來越廣泛， 也越來越重要。 在圓形光纖發展的基礎上， 非圓形光纖得到進一步發展， 其截面可以是D型、 正方形、 長方形、 八邊形等各種形狀， 由于截面形狀的改變， 光纖的光學性能有了很大提高。 與圓形光纖相比， 非圓形光纖的擾模效果明顯， 焦比退化特性降低[1-3]。 非圓形光纖遠場光強變化小， 近場光斑質心偏移少， 可有效減少入射偏差引起的譜線漂移， 提高天文探測中視向速度的測量精度。 非圓形光纖光強變化小、 傳輸效率高， 使得傳像束具有高的平均透過率和高的傳像質量。 圓形光纖包層中存在大量的螺旋光， 在光傳輸過程中永遠不會到達纖芯， 這對于作為泵浦源的光纖來說是極大的損失， 非圓形光纖的不對稱結構可使螺旋光進入到纖芯， 使得非圓形光纖激光器的光光轉換效率大大提高[4-6]。 因此非圓形光纖在天文探測、 半實物仿真、 光纖激光器、 激光加工、 夜視監控等領域應用廣泛。

1 非圓形光纖特性

1.1 非圓形光纖擾模特性

光纖的擾模特性表現為遠場光斑的光強變化和近場光斑的質心偏移， 如圖1所示。 當光束入射到圓形光纖端面的中心位置時， 出射場遠場為光強均勻的光斑， 一維曲線表現為光滑平整的曲線， 近場質心位于光纖端面中心； 當入射光斑與光纖端面中心存在偏移di時， 光纖出射端遠場光強呈圓環分布， 近場質心產生偏移d[7]0。

與圓形光纖相比， 非圓形光纖具有良好的擾模特性。 Bruno C等人[8]初步研究了正方形和八邊形光纖的擾模特性， 發現這兩類光纖近場擾模效果明顯， 將來可滿足高精度視向速度測量系統的要求。

Gerardo A等人[1， 9]采用德國CramOptec公司生產的非圓形光纖進行了遠近場擾模特性分析， 其中： 300 μm×150 μm矩形光纖遠場光強分布平坦， 200 μm和67 μm八邊形光纖遠場光強分布在中心位置出現了亮斑， 67 μm八邊形光纖在受到輕微擠壓后擾模特性顯著增強。 韓建等人[2]系統地研究了長方形、 正方形和八邊形三種非圓形光纖的遠近場擾模特性， 其中八邊形光纖擾模特性最優， 這與Tobias F等人的研究結果相吻合[7]。 在不同入射偏移量下， 光纖出射場遠場光強分布如圖2所示， 每組圖由上到下依次為：光束入射位置， 出射遠場CCD采集圖像， 光纖遠場光強分布。 圓形光纖出射場光強變化隨入射偏移量增大而增大， 遠場出現清晰的圓環， 擾模特性最差； 長方形和正方形光纖在入射偏移量較小時， 光強變化較小， 但當入射偏移量為光纖半徑80%時， 遠場出現不明顯圓環； 而對于八邊形光纖， 隨入射偏移量的增大， 光強并未出現明顯波動， 在相同入射偏移量下， 八邊形光纖光強波動最小。 因此這四類光纖中八邊形光纖的擾模效果最為明顯。

同時韓建也計算了 非圓形光纖研究進展同時韓建也計算了非圓形光纖的近場擾模系數， 表1為入射偏移量為半徑80%時三類非圓形光纖近場質心方差和擾模系數， 可以看出八邊形光纖質心移動方差最小， 擾模系數最大。

非圓形光纖遠近場擾模特性的增強可有效減少入射偏差引起的譜線漂移， 提高天文探測系統視向速度測量精度； 遠場可獲得能量均勻分布的光束， 一方面在光纖傳像束的應用中使傳像質量更逼真， 另一方面在激光加工應用中， 可以提高產品的加工精度。

1.2 非圓形光纖焦比退化特性

理想情況下， 光束在光纖中傳輸后輸出焦比等于輸入焦比。 實際情況下， 由于焦比退化效應（Focal Ratio Degradation， FRD）， 出射光的焦比小于入射光的焦比， 出射光束更加發散， 光束能量密度降低。

光纖焦比退化受機械形變、 光纖端面不理想等外因影響， 可通過優化加工工藝盡可能降低焦比退化效應[10]， 同時光纖焦比退化也受光纖結構影響， 與圓形光纖相比， 非圓形光纖焦比退化明顯降低。 Bruno C等人[8]研究了正方形和八邊形光纖焦比退化特性， 光束輸入焦比為F/4， 輸出端接收孔徑與輸入端相同時， 正方形光纖相對輸出效率約為85%， 八邊形光纖約為95%。 之后Gerardo A[1]研究了長方形和八邊形光纖的焦比退化特性， 光束輸入焦比為F/4， 輸出端接收孔徑與輸入端相同， 八邊形光纖相對效率為95%， 長方形光纖為88%， 而圓形光纖在60%～85%之間。 由此可見非圓形光纖焦比退化效應較弱， 具有較高的能量傳輸效率， 有利于其傳光或傳像的應用。

2 非圓形光纖應用

2.1 高精度視向速度測量系統

在天文探測中， 可通過基于多普勒頻移的視向速度測量技術探測系外行星， 視向速度測量系統如HAPRS[11]和HIRES[12]的視向速度測量精度可達到1～3 m/s， 對于類地等較小行星的探測則對視向速度探測精度要求更高， 需要實現每秒厘米量級的測量精度[2-3]。 視向速度測量系統主要通過光纖將望遠鏡采集的光譜信息傳輸到光譜儀中， 雖然圓形光纖在角方向上具有較好的擾模特性， 但徑向上擾模效果較差， 由此在光纖出射端產生的質心或光強變化易在光譜儀系統中引起譜線漂移， 限制視向速度測量精度的提高， 故需提高光纖傳輸系統的擾模增益。 非圓形光纖具有良好的擾模特性， 可提高視向速度測量系統的測量精度。

SOPHIE是采用光纖反饋的視向速度測量系統， 其視向速度測量精度約為5 m/s， 為了提高其測量精度實現對小行星的探測， Perruchhot S等人[13]于2011年改進了光纖鏈路， 如圖3所示。 系統中使用了八邊形光纖。 該八邊形光纖為CeramOptec公司制造， 八邊形芯70 μm， 內包層100 μm， 外包層187 μm， 其擾模增益遠高于圓形光纖。 改進后SOPHIE的視向速度測量精度優于2 m/s， 測量精度較原系統有很大提高， 在20天的測試周期中儀器穩定性良好。

視向速度測量系統HAPRS采用圓形光纖將望遠鏡和光譜儀連接， Bruno C等人[14]在研究了八邊形光纖擾模特性的基礎上， 在HARPS-N中采用了CeramOptec公司制造的八邊形光纖， 光纖八邊形芯70 μm， 包層125 μm， 最外層有聚酰亞胺做保護， 如圖4所示。

該八邊形光纖近場擾模比是圓形光纖的5～10倍， 近場擾模特性遠優于圓形光纖。 由于八邊形光纖遠場的徑向擾模特性， HARPS-N采用了雙擾模器。 2012年3月25日， HARPS-N采集到了第一束光， 隨后進行了一系列的測試， 測試中由于光束偏心而造成的視向速度漂移上限為0.55 cm/s。

2.2 紅外成像目標模擬器

隨著紅外成像制導武器的高速發展， 紅外成像半實物仿真系統已成為各軍事強國的研究熱點， 采用該系統可在室內進行半實物仿真試驗， 為導彈武器系統的研制與試驗提供經濟有效的技術手段。 紅外成像目標模擬器是紅外半實物仿真系統的核心組成部分， 目前國內外發展較為成熟的紅外成像模擬器技術有兩大類：直接紅外輻射法和紅外調制法。 紅外成像目標模擬器正向著更高的分辨率、 更逼真的目標/干擾/背景紅外特性等方向發展[15-19]。

紅外光纖傳像束根據光纖材料的不同可以傳輸包括近紅外、 中紅外至遠紅外的紅外光或紅外圖像， 見圖5。

圖5（a）為經紅外推掃系統得到的電烙鐵圖像， 該系統采用了中科院西安光機所制備的線面轉換紅外光纖傳像束[20]， 像元數為576； 圖5（b）為經約81萬像元的紅外光纖傳像束傳輸得到的電烙鐵圖像， 該傳像束是由江蘇師范大學張斌等人[21]制備； 圖5（c）和圖5（d）是經美國無定型公司制備的紅外傳像束傳輸得到的圖像[22]， 該傳像束像元數為1 054。 因紅外光纖傳像束具有使用自由度大、 易于實現復雜空間結構圖像的傳輸、 抗電磁干擾性能好等優點， 較易實現動態或靜態紅外圖像的傳輸， 并且根據不同的要求， 可以改變光纖排列方式從而實現紅外圖像的轉換， 因此可以用于紅外目標模擬器， 實現多波段紅外動態圖像的生成。

傳統紅外光纖傳像束均采用圓形光纖， 與之相比， 正方形光纖具有良好的擾模效果， 經正方形光纖傳輸的光束光強分布均勻， 不會使光束失真， 且正方形光纖焦比退化效應減弱， 傳輸效率相對增加。 因此采用正方形光纖制成的傳像束其平均透過率將增加， 傳像效果更加逼真， 是紅外光纖傳像束的發展方向。

2.3 光纖激光器

20世紀60年代， 人們開始研究以摻雜光纖作增益介質的光纖激光器， 之后光纖激光器以其低閾值、 高功率、 光束質量好、 可靠性好、 結構緊湊和散熱性好等諸多優點， 廣泛應用于光通信、 傳感、 航天、 軍事等領域。 隨著包層泵浦技術的發展， 雙包層摻雜光纖激光器的輸出功率獲得極大提高。

包層泵浦技術利用了雙包層光纖， 該光纖是由摻有激光激活物質的纖芯、 內包層和外包層組成的單模光纖， 大直徑的內包層對泵浦波長是多模的， 外包層采用低折射率材料， 因而可以匯聚并約束較多的泵浦光在內包層中傳播， 待耦合到纖芯中完成激發過程。 圓形內包層的光纖具有圓形對稱性， 進入內包層的大量泵浦光成為螺旋光而無法進入纖芯， 為了增加泵浦吸收效率， 光纖內包層的形狀也由最初的圓形發展到長方形、 正方形、 星形、 D形等非圓形狀[23-26]。

雙包層光纖激光器的功率從幾十瓦逐漸增長， 1999年Dominic V等人[27]報道了110 W的摻Yb3+雙包層光纖激光器， 其波長中心為1 120 nm， 泵浦轉換效率為58%， 采用了芯徑～9 μm、 內包層尺寸為170 μm×330 μm的雙包層光纖， 數值孔徑為0.46。 上海光機所周軍等人[28]于2004年報道了115 W的摻Yb3+光纖激光器， 產生的激光波長為1.1 μm， 激光器采用光纖纖芯12 μm， D型內包層尺寸為350/400 μm， 數值孔徑約為0.37。

2000年， Alvarez-Chavez J A等人[29]報道了調Q雙包層光纖激光器， 脈沖能量為2.3 mJ， 波長為1 090 nm， 所采用光纖總長36 m， 環狀纖芯為44 μm并摻有0.3%的Yb3+， 內包層尺寸為175 μm×350 μm， 數值孔徑為0.4。

2.0～5.0 μm波段范圍內的的激光在光電對抗/激光雷達等領域有極其重要的地位， ZBLAN中紅外光纖激光器也是近年來的研究熱點之一。 2001年， Jackson S[30]采用Tm3+和Ho3+共摻的雙包層ZBLAN光纖， 獲得了2.1 μm的激光輸出， 最大輸出功率為8.8 W， 斜效率為33%。 其采用的雙包層ZBLAN光纖纖芯直徑12 μm， 數值孔徑0.15， 內包層為長方形， 尺寸為300 μm×150 μm， 數值孔徑為0.55。 之后Jackson S與李劍鋒等人合作[31]， 采用56 W、 975 nm高功率二極管抽運摻Er3+ ZBLAN光纖激光器， 同時產生了8.2 W的2.8 μm與1.6 μm的激光輸出。 其中ZBLAN光纖為D型， 纖芯直徑20 μm， 數值孔徑0.12， 包層直徑300 μm。

非圓形結構光纖應用于光纖激光器和光纖放大器， 大大提高了光光轉換效率， 是高功率光纖激光器的關鍵材料， 應用前景十分廣闊。

3 前景與展望

3.1 非圓形光纖制備技術

最具代表性的石英光纖多采用棒管法制備， 其中光纖預制棒管的制備技術發展迅速， 方法包括外氣相沉積（OVD）、 軸向氣相沉積（VAD）、 改進的化學氣相沉積（MCVD）以及等離子體化學氣相沉積（PCVD）等。 加之石英光纖預制棒綜合性能良好， 采用機械加工等技術可方便加工出所需的截面形狀， 這使得非圓形光纖的成功拉制成為可能。 20世紀60年代， 人們開始研究以摻雜光纖作增益介質的光纖激光器， 之后光纖激光器由于具有眾多優點而成為激光器研究的熱點，隨后獲得廣泛應用。 隨著包層泵浦技術的發展， 為了增加泵浦吸收效率，非圓形光纖獲得應用， 這使得光纖激光器的輸出功率得到提高，在后續的研究中光纖激光器所用到的非圓形光纖的截面發展演變出多種形狀， 這得益于光纖制備技術的發展。 目前非圓形石英光纖的制備技術發展十分成熟， 在光纖激光器中已獲得廣泛應用， 為了提高激光光源的輸出功率和工作的可靠性， 非圓形光纖結構設計和光纖芯包組份設計是重點發展方向。

除棒管法外， 坩堝法和擠壓法是制備多組分玻璃光纖的常用方法， 在諸如硅酸鹽光纖、 磷酸鹽光纖、 鍺酸鹽光纖、 碲酸鹽光纖、 氟化物光纖以及硫屬化合物光纖等眾多的多組分玻璃光纖中， 采用以上兩種方法制備非圓形光纖鮮有報告。 坩堝法多采用石英坩堝或硬質玻璃坩堝拉制光纖， 擠壓法常采用不銹鋼模具制備光纖預制棒。 采用以上兩種方法制備非圓形光纖的技術難點包括兩方面， 一方面是光纖制備工藝的參數控制， 另一方面是坩堝（或擠壓模具）材質的合理選擇和坩堝（或擠壓模具）結構的設計。 這是未來采用坩堝法或擠壓法拉制非圓形光纖要解決的技術難點， 同時光纖制備方法的改進也是重要研究方向， 例如將坩堝結構設計與擠壓模具結構設計的有機結合。

3.2 非圓形光纖應用前景及存在問題

雖然前文提到已有文獻報道在高精度視向速度測量系統中已采用了八邊形光纖， 并且系統的測量精度較之前也有很大提高， 但非圓形光纖的擾模特性仍存在一些問題， 一方面， 不同研究單位的非圓形光纖的擾模特性差異較大， 部分光纖遠場光強存在徑向和中心結構， 另一方面非圓形光纖的尺寸、 所受應力以及光纖與其他部件的耦合均會影響其擾模特性；加之目前采用棒管法拉制的非圓形光纖截面與理想形狀有一定偏差， 因此仍需對非圓形光纖擾模特性的優化、 擾模特性穩定性的提高、 光纖耦合方式以及光纖尺寸參數誤差的降低等內容進行詳細研究， 這是非圓形光纖在天文探測領域獲得更廣泛應用的前提。 盡管存在以上問題， 非圓形光纖擾模器仍具有優異的擾模特性， 非圓形光纖的使用也提高了視向速度測量系統的精度， 這將克服小行星探測的障礙， 為新的系外行星探測設備的研制打下基礎。 采用非圓形光纖代替傳統圓形光纖是高精度視向速度測量系統的發展方向之一。

用于紅外目標成像模擬器的紅外光纖束要求光纖排列的位置精度高， 光纖排列方式多樣化， 正方形結構光纖使得傳像束中光纖排列更為整齊， 光纖位置精度可在一定范圍內得到提高， 并且也可以采用正方形光纖制作高像元、 高分辨率的紅外傳像束， 因此正方形紅外光纖傳像束將滿足紅外目標模擬器的發展需求， 是最有發展前景的紅外半實物仿真技術之一。 非圓形紅外光纖是制備紅外光纖傳像束的關鍵， 光纖一般采用棒管法和雙坩堝法制備， 目前已獲得應用的非圓形石英光纖多采用棒管法制作， 先將預制棒加工成所要求的正方形、 長方形或八邊形等非圓形截面， 然后拉制成非圓形光纖。 與石英不同， 紅外玻璃機械強度小， 硬度低， 采用棒管法拉制紅外光纖成品率較低， 難度大， 目前科研與生產中常采用雙坩堝法進行紅外光纖的制備， 經過工藝改進也可用于非圓形紅外光纖的拉制。 工藝改進主要涉及雙坩堝的結構改進和光纖制備工藝的優化， 這是目前非圓形紅外光纖拉制的重點和難點。

激光光源在傳感、 石油勘探、 電力線檢測、 激光雷達、 潛艇水聽器、 激光加工等方面有十分重要的應用， 激光光源器件的全光纖化是未來重點發展方向之一。 光纖激光器作為區別于傳統固體激光器的第三代新興激光技術的代表， 在激光光源器件的全光纖化、 小型化等方面有諸多優勢， 同時非圓形光纖的應用提升了激光光源輸出功率以及工作可靠性。 目前應用于激光器的非圓形光纖制備技術發展十分成熟， 在光纖激光器中已獲得廣泛應用， 加之非圓形光纖具有良好的擾模特性， 能夠獲得更加均勻的激光光斑， 未來在激光應用領域將有更好的發展前景。

4 結 論

非圓形光纖具有良好的擾模特性， 作為擾模器中的擾模芯， 可提高視向速度測量系統的測量精度， 對系外行星探測、 天文物理學研究及其進展有重要意義； 同時非圓形光纖可以獲得平頂分布的光束， 能量均化后可大幅提高激光加工精度， 在激光焊接、 切割、 打標等激光加工領域有廣泛的應用前景。 非圓形光纖的非對稱結構可使包層內螺旋光進入纖芯， 大大提高光纖激光器或光纖放大器的轉換效率。 采用非圓形光纖制備的傳像束具有高的平均透過率和傳像質量， 在半實物仿真、 導彈制導系統、 強磁場探測、 熱氣流風洞試驗等方面具有廣闊的應用前景。 總之， 非圓形光纖特性優良， 在軍事、 天文、 醫療等領域的應用將越來越廣泛， 其作用也越來越重要。

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Research Progress of the Non-Circular Fiber

Guo Yongjie1， Zhao Songqing2， Dou Haixiao3， Cao Yuchao1， Fan Daen1， Fang Zhenyi1， Chen Haiyan2

（1. Beijing Industrial Technology Research Institute， Beijing 101111， China； 2. China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China； 3. Beijing Smartchip Microelectronics Technology Company Limited， Beijing 100192， China）

Abstract： Non-circular fibers section can be D-type， square， rectangle or octagon， and the non circular geometry makes the fiber as a pump source or optical singal amplification have high light and light conversion efficiency. The non-circular fiber has better scrambling performance and can obtain flat topped beam. The non-circular fiber reduces the focal ratio degradation and improves the transmission efficiency of fiber. The non-circular fiber bundle which has higher average transmittance and more real image is potential in the IR image simulator. Non-circular fibers can be applied to astronomical observation， semi physical simulation and laser processing field， and can be used for high precision veloctiy measurement， infrared target simulator， high power fiber laser and high precision laser welding and cutting.

Key words： non-circular fiber； scrambling； focal ratio degradation； IR image simulator； fiber laser； radial velocity