光子晶体光纤 【技术领域】
本发明涉及一种光子晶体光波导结构，特别是一种可应用于光束整形系统的光子晶体光纤。
背景技术
文献报道所述，具有特殊形状和特殊光场分布的激光束在光化学反应、材料结构修饰、医学以及提高激光器的能量利用率等方面具有重要应用，是当前的一个重要研究领域。在现有的激光束整形技术中，通常采用硬边或软边光栏、掩膜、空间调制器等方法来获得具有特殊形状和特殊光场分布的激光束，这些方法能在一定程度上满足了人们的要求，但它们存在一个共同的缺点：即整形系统输出激光的光场特性受输入激光光场特性变化的影响严重，从而导致它们的整形能力和工作稳定性不很理想。随着科学研究工作的进步与发展，人们对激光系统精密化的要求逐步提高，在此时光子晶体光纤的出现和发展也为激光整形领域提供了另外一个重要的手段。
光子晶体光纤(photonic crystal fiber，简称PCF)，又称为多孔光纤(holey fiber)或微结构光纤(microstructure fiber)，它在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤端面看，存在周期性的二维结构。如果其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光能够在缺陷内传播。光子晶体光纤中存在两种截然不同地导光原理。一是利用折射率的周期性排列形成的光子带隙效应来导光。当纤芯为空气孔时，在带隙中出现频率极窄的缺陷态，光子带隙缺陷态具有透光性，这样以此频率入射的光子只存在于缺陷区域，实现导光。在这种光子晶体光纤中，光能够传播到光子晶体的所有层中去，通过多次散射和干涉，在满足布拉格条件时形成导光，因此这种光子晶体光纤的导光机制是布拉格衍射。另一种光子晶体光纤的导光原理为全内反射。即气孔缺失，以石英玻璃作为纤芯。它与作为包层的二维光子晶体的折射率形成反差，从而使光以全内反射的形式导向，并不依赖于周期性结构产生的光子禁带，这与传统光纤导光机制相类似。本发明公布的光纤是一种依靠全内反射来导光的光子晶体光纤。
PCF的空气孔的排列和大小有很大的控制余地，因此可以根据需要设计它的光传输特性。在现有文献报道中，改变光子晶体光纤中的周期性排列的孔结构可以产生光场具有特殊形状的激光输出，这些形状包括三角形、正方形和正六边形。它们把激光场整形成了特殊形状，且输出光场的空间分布特性与光子晶体光纤的结构和材料参数有关，不依赖于输入激光的光场分布特性，具有独特的优点，可用来构成稳定性更高的光束整形手段。在已有文献报道中，虽然通过设计光纤内的孔结构的排列方式能得到输出光斑具有特殊形状的光子晶体光纤，但其输出激光的光场在横向分布的均匀性差，一般呈高斯或接近高斯状分布。光场分布横向均匀差的光束无法满足实际应用中对激光束形状和光场分布特性(如：光束中部均匀或中部凹陷)都有要求的场合，也无法有效满足激光整形和光束均匀化等领域的实际应用要求。
【发明内容】
为整形出具有特殊形状，且光场分布满足特定要求的激光束，本发明提供了一种可用于激光整形的光子晶体光纤，利用它可以方便地把输入激光整形成中部平顶或输出光强边缘高中间低的形式。该光纤在激光整形、光束均匀化、补偿激光放大器的增益塌边效应和设计具有特殊光场输出的光子晶体光纤激光器和放大器等领域具有重要应用。
本发明的技术解决方案如下：
一种光子晶体光纤，它的基本结构包括纤芯区和包层区，包层区又分为内包层区和外包层区两部分，内包层区包含多层周期性排列的孔结构，里面填充空气或其它低折射率材料，内包层区内孔结构以外的部分填充折射率均匀分布的固体材料，外包层区一般均匀填充折射率小于纤芯区折射率的光纤材料，特殊地，也可以填充和内包层区一样的固体材料。纤芯区的截面形状一般和光纤输出光斑的形状一致，里面均匀填充折射率小于内包层区所用材料的折射率，但大于内包层区的有效折射率的光纤材料。
所述的纤芯区的几何形状和内包层区内的多层周期性排列的孔结构形成的几何形状相同。
所述纤芯区的几何尺寸小于内包层区内的多层周期性排列的孔结构围成的几何区域的大小，并且其大小可以根据需要调整。
所述的纤芯区填充材料的折射率处于内包层区所用材料的折射率和内包层区所产生的有效折射率之间。
所述的纤芯区填充折射率均匀分布的材料。
所述的纤芯区填充折射率在光纤横截面内呈梯度变化或阶跃变化的材料。
所述的纤芯区填充材料的折射率大小与纤芯区的尺寸、内包层区所用材料、空气孔大小及排列周期相关。
所述的内包层区的孔结构的形状为圆形、或多边形或其它有规则的几何形状。
所述的内包层区的孔结构为空气柱。
所述的内包层区的孔结构里填充低折射率的固体材料。
所述的内包层区内的孔结构排列形成的几何形状和纤芯区的几何形状一致。
所述的内包层区内的孔结构以外的区域所用材料的折射率高于纤芯区所用材料的折射率。
所述的外包层区所用材料的折射率小于纤芯区所用材料的折射率。
改变内包层区内的孔结构的大小与排列方式，可以得到单模或多模光纤。
下面结合附图和实施例对本发明的特点和性能做进一步详细说明，并构成本说明书的一部分。
附图说明：
图1是本发明第一实施例的光纤横截面示意图。
图2是本发明第二实施例的光纤横截面示意图。
图3是本发明第三实施例的光纤横截面示意图。
图4是本发明第四实施例的光纤横截面示意图。
图5是本发明第五实施例的光纤横截面示意图。
图6为图1所示光纤输出中部平顶激光时的光场分布平面图。
图7为图6所示光场分布图的中部平顶部分的三维立体分布图。
图8为图1所示光纤输出中部比边缘凹陷0.5％时的激光光场在纤芯区附近的立体分布图。
图9为改变图1所示光纤的纤芯区尺寸分别为a＝0.4Λ、0.8Λ和1.2Λ时(其中：a为正方形纤芯区的边长，Λ＝2.5μm为孔间距)，在光纤输出端的x方向得到的一维平顶光场分布图。
图10为在图1所示光纤的纤芯区大小固定的情况下，让光纤输出中部平顶的激光束时纤芯区所填充材料的折射率ncore、光纤有效折射率neff、内包层区所用材料的折射率nclad和激光波长λ之间的变化关系(其中：内包层区所用材料以石英为例，Λ＝2.5μm为孔间距)。
图11为改变图1所示光纤的纤芯区尺寸，且让光纤输出平顶光束时纤芯区所填充材料的折射率ncore、光纤有效折射率neff及内包层区所用材料的折射率nclad和正方形纤芯区的边长a之间的变化关系(其中：内包层区所用材料以石英为例，Λ＝2.5μm为孔间距)。
图12为改变图1所示光纤内包层区的空气孔直径d，并让光纤输出中部平顶的激光束时纤芯区所填充材料的折射率ncore、光纤有效折射率neff及内包层所用材料的折射率nclad和空气孔直径d之间的变化关系(其中：内包层所用材料以石英为例，Λ＝2.5μm为孔间距)。
图13为改变图1所示光纤内包层区的空气孔直径d，并让光纤输出平顶光束时光纤模参数Veff和空气孔直径之间的变化关系(其中：内包层所用材料以石英为例，Λ＝2.5μm为孔间距)。
图14为本发明的第六实施例。
【具体实施方式】
图1至图5分别给出了本发明光子晶体光纤的第一至第五实施例的端面示意图，它们的结构都包括纤芯区2和由内包层区3和外包层区4共同组成的包层区两部分，其中纤芯区2的几何形状和要求光纤输出光斑的形状一致，分别为正方形、正三角形、菱形、正六边形和圆形，里面均匀填充低折射率材料。内包层区3由高折射率固体材料形成，里面包含有多层周期性排列的空气柱，空气柱排列、包绕成的内部区域的形状和纤芯区的几何形状基本一致，但尺寸大于纤芯区的尺寸。外包层区4由折射率均匀分布的固体材料形成，其折射率一般要求小于纤芯区2所用材料的折射率。
由图1至图5给出的五个实施例，应当理解为：
1)光纤内包层区3排列的空气柱层数可以根据需要改变，排列形成的内部区域一般由缺失1-2层空气孔形成，形状和纤芯区2的形状相同，空气柱形成的外部轮廓可以和纤芯区2的几何形状有差异，以降低光纤的制作难度。
2)纤芯区2在光纤中起到缺陷的作用，引导光在光纤1中传输并把它的光场分布整形成中部平顶或中部凹陷的形式。
3)该光纤1对激光的整形是通过改变纤芯区2所用材料的折射率来实现的，它和纤芯区尺寸、空气孔大小及相邻两空气孔的间距等因素有关，这在本说明书的后面有详细说明。
图6、图7和图8分别给出了实施例1所述光纤1输出中部平顶的激光时的光场分布平面图、输出的中部平顶的激光在纤芯中部的光场分布立体图和输出中部凹陷的激光在纤芯中部的光场分布立体图，它们说明利用本发明给出的光子晶体光纤可以把激光束整形成中部平顶或中部凹陷的形式。
图9描述的是通过改变实施例1所述光纤1的纤芯区2的尺寸，可以得到光场在横向具有不同宽度和不同上升沿与下降沿的激光输出，它说明可以利用该类光束整形光纤把激光整形成近超高斯分布的形式，而且如果纤芯区的尺寸越大，整形后的激光光场分布就越接近更高阶的超高斯分布。
图10至图12给出了在实施例1所述光纤输出平顶激光时，纤芯区2填充材料的折射率ncore和激光波长、纤芯区尺寸、空气孔大小与相邻两空气孔的间距之间的关系。它们说明纤芯区2填充材料的折射率ncore大于光纤1的有效折射率neff，但小于内包层区3所用材料的折射率nclad。另外，它们还说明激光波长越长、或纤芯区2尺寸越大、或内包层区3的空气柱直径越大，纤芯区2所填充材料的折射率ncore和内包层区3所用材料的折射率nclad之间的折射率差异就越明显。图10至图12给出的内容可以为光纤材料的选择提供依据，有助于本发明所述的光子晶体光纤的制作。
图13说明了实施例1所述光纤的模参数Veff随光纤内包层区3内的空气柱直径的增加而变大，因此，通过恰当选择空气孔的大小与相邻空气孔的间距，可以把该类光纤设计成单模光纤或多模光纤。
最后还有必要说明：本说明书针对实施例1给出的光纤特性与实施信息，同样适用于本发明给出的其它实施例情况；另外，如果设计光纤让其输出中部凹陷的激光，则光纤特性同样遵守图6至图13给出的特点与变化规律。
为进一步说明本发明的可行性，下面结合本发明第六实施例和图14来量化说明用本发明所述的光纤对激光束整形时所需要的光子晶体光纤的结构参数。
图14为一个单模光子晶体光纤的横截面图，该光纤正方形纤芯区2的边长为2μm，内包层区3由6层周期性排列的空气柱形成，其中空气柱的直径为0.5μm，两相邻空气柱之间的距离为2.0μm。按照本发明给出的规律，上述光纤在内包层区3内的空气柱以外的部分填充折射率为1.45332(800nm处)的石英材料，外包层区4填充折射率为1.43878(和内包层区的折射率相差1/100)的石英材料的情况下，如果让光纤在800nm处输出平顶的激光束，可在纤芯区填充折射率为1.44857(和内包层区的折射率相差0.327％)的石英材料；而如果让光纤在800nm处输出中部凹陷5％的激光束，则可以在纤芯区填充折射率为1.44792(和内包层区的折射率相差0.37％)的石英材料。众所周知，石英玻璃折射率的增减可以通过增加不同掺杂剂的方法来调节，如增加ZrO2、TiO2、Al2O3、GeO2、P2O5等原料可以使石英玻璃的折射率增加，而增加B2O3、F则可以使石英玻璃的折射率降低。本发明需要的折射率改变量在现有的制作工艺中是可以实现的。
另外，更特别地，如果在纤芯区2或在纤芯区2及纤芯区2的周边填充激光增益介质，其它部分相应填充和纤芯区2所用材料相匹配的其它光纤材料，则利用本发明就可以设计出输出光斑具有特殊形状，且中部平顶或凹陷的光子晶体光纤激光器和放大器，这在激光器件及光通讯领域中具有重要的应用。