非圆形光纤研究进展
郭永解+赵松庆+窦海啸+曹玉超+范大恩+方珍意+陈海燕
摘 要： 非圆形光纤截面可以是D型、 正方形、 长方形、 八边形等多种形状， 这些几何结构使得作为泵浦源或光信号放大的光纤具有高的光光转换效率。 非圆形光纤优良的扰模特性可以获得平顶分布的光束， 且非圆形光纤焦比退化效应降低， 使得光纤的传输效率增大， 采用非圆形光纤制成的传像束平均透过率提高， 传像效果更真实。 非圆形光纤可应用到天文观测、 半实物仿真和激光加工等领域， 用于高精度视向速度测量、 红外目标模拟器、 高功率光纤激光器以及高精度激光焊接和切割等。
关键词： 非圆形光纤； 扰模； 焦比退化； 红外目标模拟器； 光纤激光器； 径向速度
中图分类号： TB34 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2017）06-0059-07[SQ0]
0 引 言
当前， 光纤在军事、 通信、 传感、 医学和天文等领域的应用越来越广泛， 也越来越重要。 在圆形光纤发展的基础上， 非圆形光纤得到进一步发展， 其截面可以是D型、 正方形、 长方形、 八边形等各种形状， 由于截面形状的改变， 光纤的光学性能有了很大提高。 与圆形光纤相比， 非圆形光纤的扰模效果明显， 焦比退化特性降低[1-3]。 非圆形光纤远场光强变化小， 近场光斑质心偏移少， 可有效减少入射偏差引起的谱线漂移， 提高天文探测中视向速度的测量精度。 非圆形光纤光强变化小、 传输效率高， 使得传像束具有高的平均透过率和高的传像质量。 圆形光纤包层中存在大量的螺旋光， 在光传输过程中永远不会到达纤芯， 这对于作为泵浦源的光纤来说是极大的损失， 非圆形光纤的不对称结构可使螺旋光进入到纤芯， 使得非圆形光纤激光器的光光转换效率大大提高[4-6]。 因此非圆形光纤在天文探测、 半实物仿真、 光纤激光器、 激光加工、 夜视监控等领域应用广泛。
1 非圆形光纤特性
1.1 非圆形光纤扰模特性
光纤的扰模特性表现为远场光斑的光强变化和近场光斑的质心偏移， 如图1所示。 当光束入射到圆形光纤端面的中心位置时， 出射场远场为光强均匀的光斑， 一维曲线表现为光滑平整的曲线， 近场质心位于光纤端面中心； 当入射光斑与光纤端面中心存在偏移di时， 光纤出射端远场光强呈圆环分布， 近场质心产生偏移d[7]0。
与圆形光纤相比， 非圆形光纤具有良好的扰模特性。 Bruno C等人[8]初步研究了正方形和八边形光纤的扰模特性， 发现这两类光纤近场扰模效果明显， 将来可满足高精度视向速度测量系统的要求。
Gerardo A等人[1， 9]采用德国CramOptec公司生产的非圆形光纤进行了远近场扰模特性分析， 其中： 300 μm×150 μm矩形光纤远场光强分布平坦， 200 μm和67 μm八边形光纤远场光强分布在中心位置出现了亮斑， 67 μm八边形光纤在受到轻微挤压后扰模特性显著增强。 韩建等人[2]系统地研究了长方形、 正方形和八边形三种非圆形光纤的远近场扰模特性， 其中八边形光纤扰模特性最优， 这与Tobias F等人的研究结果相吻合[7]。 在不同入射偏移量下， 光纤出射场远场光强分布如图2所示， 每组图由上到下依次为：光束入射位置， 出射远场CCD采集图像， 光纤远场光强分布。 圆形光纤出射场光强变化随入射偏移量增大而增大， 远场出现清晰的圆环， 扰模特性最差； 长方形和正方形光纤在入射偏移量较小时， 光强变化较小， 但当入射偏移量为光纤半径80%时， 远场出现不明显圆环； 而对于八边形光纤， 随入射偏移量的增大， 光强并未出现明显波动， 在相同入射偏移量下， 八边形光纤光强波动最小。 因此这四类光纤中八边形光纤的扰模效果最为明显。
同时韩建也计算了 非圆形光纤研究进展同时韩建也计算了非圆形光纤的近场扰模系数， 表1为入射偏移量为半径80%时三类非圆形光纤近场质心方差和扰模系数， 可以看出八边形光纤质心移动方差最小， 扰模系数最大。
非圆形光纤远近场扰模特性的增强可有效减少入射偏差引起的谱线漂移， 提高天文探测系统视向速度测量精度； 远场可获得能量均匀分布的光束， 一方面在光纤传像束的应用中使传像质量更逼真， 另一方面在激光加工应用中， 可以提高产品的加工精度。
1.2 非圆形光纤焦比退化特性
理想情况下， 光束在光纤中传输后输出焦比等于输入焦比。 实际情况下， 由于焦比退化效应（Focal Ratio Degradation， FRD）， 出射光的焦比小于入射光的焦比， 出射光束更加发散， 光束能量密度降低。
光纤焦比退化受机械形变、 光纤端面不理想等外因影响， 可通过优化加工工艺尽可能降低焦比退化效应[10]， 同时光纤焦比退化也受光纤结构影响， 与圆形光纤相比， 非圆形光纤焦比退化明显降低。 Bruno C等人[8]研究了正方形和八边形光纤焦比退化特性， 光束输入焦比为F/4， 输出端接收孔径与输入端相同时， 正方形光纤相对输出效率约为85%， 八边形光纤约为95%。 之后Gerardo A[1]研究了长方形和八边形光纤的焦比退化特性， 光束输入焦比为F/4， 输出端接收孔径与输入端相同， 八边形光纤相对效率为95%， 长方形光纤为88%， 而圆形光纤在60%～85%之间。 由此可见非圆形光纤焦比退化效应较弱， 具有较高的能量传输效率， 有利于其传光或传像的应用。
2 非圆形光纤应用
2.1 高精度视向速度测量系统
在天文探测中， 可通过基于多普勒频移的视向速度测量技术探测系外行星， 视向速度测量系统如HAPRS[11]和HIRES[12]的视向速度测量精度可达到1～3 m/s， 对于类地等较小行星的探测则对视向速度探测精度要求更高， 需要实现每秒厘米量级的测量精度[2-3]。 视向速度测量系统主要通过光纤将望远镜采集的光谱信息传输到光谱仪中， 虽然圓形光纤在角方向上具有较好的扰模特性， 但径向上扰模效果较差， 由此在光纤出射端产生的质心或光强变化易在光谱仪系统中引起谱线漂移， 限制视向速度测量精度的提高， 故需提高光纤传输系统的扰模增益。 非圆形光纤具有良好的扰模特性， 可提高视向速度测量系统的测量精度。
SOPHIE是采用光纤反馈的视向速度测量系统， 其视向速度测量精度约为5 m/s， 为了提高其测量精度实现对小行星的探测， Perruchhot S等人[13]于2011年改进了光纤链路， 如图3所示。 系统中使用了八边形光纤。 该八边形光纤为CeramOptec公司制造， 八边形芯70 μm， 内包层100 μm， 外包层187 μm， 其扰模增益远高于圆形光纤。 改进后SOPHIE的视向速度测量精度优于2 m/s， 测量精度较原系统有很大提高， 在20天的测试周期中仪器稳定性良好。
视向速度测量系统HAPRS采用圆形光纤将望远镜和光谱仪连接， Bruno C等人[14]在研究了八边形光纤扰模特性的基础上， 在HARPS-N中采用了CeramOptec公司制造的八边形光纤， 光纤八边形芯70 μm， 包层125 μm， 最外层有聚酰亚胺做保护， 如图4所示。
该八边形光纤近场扰模比是圆形光纤的5～10倍， 近场扰模特性远优于圆形光纤。 由于八边形光纤远场的径向扰模特性， HARPS-N采用了双扰模器。 2012年3月25日， HARPS-N采集到了第一束光， 随后进行了一系列的测试， 测试中由于光束偏心而造成的视向速度漂移上限为0.55 cm/s。
2.2 红外成像目标模拟器
随着红外成像制导武器的高速发展， 红外成像半实物仿真系统已成为各军事强国的研究热点， 采用该系统可在室内进行半实物仿真试验， 为导弹武器系统的研制与试验提供经济有效的技术手段。 红外成像目标模拟器是红外半实物仿真系统的核心组成部分， 目前国内外发展较为成熟的红外成像模拟器技术有两大类：直接红外辐射法和红外调制法。 红外成像目标模拟器正向着更高的分辨率、 更逼真的目标/干扰/背景红外特性等方向发展[15-19]。
红外光纤传像束根据光纤材料的不同可以传输包括近红外、 中红外至远红外的红外光或红外图像， 见图5。
图5（a）为经红外推扫系统得到的电烙铁图像， 该系统采用了中科院西安光机所制备的线面转换红外光纤传像束[20]， 像元数为576； 图5（b）为经约81万像元的红外光纤传像束传输得到的电烙铁图像， 该传像束是由江苏师范大学张斌等人[21]制备； 图5（c）和图5（d）是经美国无定型公司制备的红外传像束传输得到的图像[22]， 该传像束像元数为1 054。 因红外光纤传像束具有使用自由度大、 易于实现复杂空间结构图像的传输、 抗电磁干扰性能好等优点， 较易实现动态或静态红外图像的传输， 并且根据不同的要求， 可以改变光纤排列方式从而实现红外图像的转换， 因此可以用于红外目标模拟器， 实现多波段红外动态图像的生成。
传统红外光纤传像束均采用圆形光纤， 与之相比， 正方形光纤具有良好的扰模效果， 经正方形光纤传输的光束光强分布均匀， 不会使光束失真， 且正方形光纤焦比退化效应减弱， 传输效率相对增加。 因此采用正方形光纤制成的传像束其平均透过率将增加， 传像效果更加逼真， 是红外光纤传像束的发展方向。
2.3 光纤激光器
20世纪60年代， 人们开始研究以掺杂光纤作增益介质的光纤激光器， 之后光纤激光器以其低阈值、 高功率、 光束质量好、 可靠性好、 结构紧凑和散热性好等诸多优点， 广泛应用于光通信、 传感、 航天、 军事等领域。 随着包层泵浦技术的发展， 双包层掺杂光纤激光器的输出功率获得极大提高。
包层泵浦技术利用了双包层光纤， 该光纤是由掺有激光激活物质的纤芯、 内包层和外包层组成的单模光纤， 大直径的内包层对泵浦波长是多模的， 外包层采用低折射率材料， 因而可以汇聚并约束较多的泵浦光在内包层中传播， 待耦合到纤芯中完成激发过程。 圆形内包层的光纤具有圆形对称性， 进入内包层的大量泵浦光成为螺旋光而无法进入纤芯， 为了增加泵浦吸收效率， 光纤内包层的形状也由最初的圆形发展到长方形、 正方形、 星形、 D形等非圆形状[23-26]。
双包层光纤激光器的功率从几十瓦逐渐增长， 1999年Dominic V等人[27]报道了110 W的掺Yb3+双包层光纤激光器， 其波长中心为1 120 nm， 泵浦转换效率为58%， 采用了芯径～9 μm、 内包层尺寸为170 μm×330 μm的双包层光纤， 数值孔径为0.46。 上海光机所周军等人[28]于2004年报道了115 W的掺Yb3+光纤激光器， 产生的激光波长为1.1 μm， 激光器采用光纤纤芯12 μm， D型内包层尺寸为350/400 μm， 数值孔径約为0.37。
2000年， Alvarez-Chavez J A等人[29]报道了调Q双包层光纤激光器， 脉冲能量为2.3 mJ， 波长为1 090 nm， 所采用光纤总长36 m， 环状纤芯为44 μm并掺有0.3%的Yb3+， 内包层尺寸为175 μm×350 μm， 数值孔径为0.4。
2.0～5.0 μm波段范围内的的激光在光电对抗/激光雷达等领域有极其重要的地位， ZBLAN中红外光纤激光器也是近年来的研究热点之一。 2001年， Jackson S[30]采用Tm3+和Ho3+共掺的双包层ZBLAN光纤， 获得了2.1 μm的激光输出， 最大输出功率为8.8 W， 斜效率为33%。 其采用的双包层ZBLAN光纤纤芯直径12 μm， 数值孔径0.15， 内包层为长方形， 尺寸为300 μm×150 μm， 数值孔径为0.55。 之后Jackson S与李剑锋等人合作[31]， 采用56 W、 975 nm高功率二极管抽运掺Er3+ ZBLAN光纤激光器， 同时产生了8.2 W的2.8 μm与1.6 μm的激光输出。 其中ZBLAN光纤为D型， 纤芯直径20 μm， 数值孔径0.12， 包层直径300 μm。
非圆形结构光纤应用于光纤激光器和光纤放大器， 大大提高了光光转换效率， 是高功率光纤激光器的关键材料， 应用前景十分广阔。
3 前景与展望
3.1 非圆形光纤制备技术
最具代表性的石英光纤多采用棒管法制备， 其中光纤预制棒管的制备技术发展迅速， 方法包括外气相沉积（OVD）、 轴向气相沉积（VAD）、 改进的化学气相沉积（MCVD）以及等离子体化学气相沉积（PCVD）等。 加之石英光纤预制棒综合性能良好， 采用机械加工等技术可方便加工出所需的截面形状， 这使得非圆形光纤的成功拉制成为可能。 20世纪60年代， 人们开始研究以掺杂光纤作增益介质的光纤激光器， 之后光纤激光器由于具有众多优点而成为激光器研究的热点，随后获得广泛应用。 随着包层泵浦技术的发展， 为了增加泵浦吸收效率，非圆形光纤获得应用， 这使得光纤激光器的输出功率得到提高，在后续的研究中光纤激光器所用到的非圆形光纤的截面发展演变出多种形状， 这得益于光纤制备技术的发展。 目前非圆形石英光纤的制备技术发展十分成熟， 在光纤激光器中已获得广泛应用， 为了提高激光光源的输出功率和工作的可靠性， 非圆形光纤结构设计和光纤芯包组份设计是重点发展方向。
除棒管法外， 坩埚法和挤压法是制备多组分玻璃光纤的常用方法， 在诸如硅酸盐光纤、 磷酸盐光纤、 锗酸盐光纤、 碲酸盐光纤、 氟化物光纤以及硫属化合物光纤等众多的多组分玻璃光纤中， 采用以上两种方法制备非圆形光纤鲜有报告。 坩埚法多采用石英坩埚或硬质玻璃坩埚拉制光纤， 挤压法常采用不锈钢模具制备光纤预制棒。 采用以上两种方法制备非圆形光纤的技术难点包括两方面， 一方面是光纤制备工艺的参数控制， 另一方面是坩埚（或挤压模具）材质的合理选择和坩埚（或挤压模具）结构的设计。 这是未来采用坩埚法或挤压法拉制非圆形光纤要解决的技术难点， 同时光纤制备方法的改进也是重要研究方向， 例如将坩埚结构设计与挤压模具结构设计的有机结合。
3.2 非圆形光纤应用前景及存在问题
虽然前文提到已有文献报道在高精度视向速度测量系统中已采用了八边形光纤， 并且系统的测量精度较之前也有很大提高， 但非圆形光纤的扰模特性仍存在一些问题， 一方面， 不同研究单位的非圆形光纤的扰模特性差异较大， 部分光纤远场光强存在径向和中心结构， 另一方面非圆形光纤的尺寸、 所受应力以及光纤与其他部件的耦合均会影响其扰模特性；加之目前采用棒管法拉制的非圆形光纤截面与理想形状有一定偏差， 因此仍需对非圆形光纤扰模特性的优化、 扰模特性稳定性的提高、 光纤耦合方式以及光纤尺寸参数误差的降低等内容进行详细研究， 这是非圆形光纤在天文探测领域获得更广泛应用的前提。 尽管存在以上问题， 非圆形光纤扰模器仍具有优异的扰模特性， 非圆形光纤的使用也提高了视向速度测量系统的精度， 这将克服小行星探测的障碍， 为新的系外行星探测设备的研制打下基础。 采用非圆形光纤代替传统圆形光纤是高精度视向速度测量系统的发展方向之一。
用于红外目标成像模拟器的红外光纤束要求光纤排列的位置精度高， 光纤排列方式多样化， 正方形结构光纤使得传像束中光纤排列更为整齐， 光纤位置精度可在一定范围内得到提高， 并且也可以采用正方形光纤制作高像元、 高分辨率的红外传像束， 因此正方形红外光纤传像束将满足红外目标模拟器的发展需求， 是最有发展前景的红外半实物仿真技术之一。 非圆形红外光纤是制备红外光纤传像束的关键， 光纤一般采用棒管法和双坩埚法制备， 目前已获得应用的非圆形石英光纤多采用棒管法制作， 先将预制棒加工成所要求的正方形、 长方形或八边形等非圆形截面， 然后拉制成非圆形光纤。 与石英不同， 红外玻璃机械强度小， 硬度低， 采用棒管法拉制红外光纤成品率较低， 难度大， 目前科研与生产中常采用双坩埚法进行红外光纤的制备， 经过工艺改进也可用于非圆形红外光纤的拉制。 工艺改进主要涉及双坩埚的结构改进和光纤制备工艺的优化， 这是目前非圆形红外光纤拉制的重点和难点。
激光光源在传感、 石油勘探、 电力线检测、 激光雷达、 潜艇水听器、 激光加工等方面有十分重要的应用， 激光光源器件的全光纤化是未来重点发展方向之一。 光纤激光器作为区别于传统固体激光器的第三代新兴激光技术的代表， 在激光光源器件的全光纤化、 小型化等方面有诸多优势， 同时非圆形光纤的应用提升了激光光源输出功率以及工作可靠性。 目前应用于激光器的非圆形光纤制备技术发展十分成熟， 在光纤激光器中已获得广泛应用， 加之非圆形光纤具有良好的扰模特性， 能够获得更加均匀的激光光斑， 未来在激光应用领域将有更好的发展前景。
4 结 论
非圆形光纖具有良好的扰模特性， 作为扰模器中的扰模芯， 可提高视向速度测量系统的测量精度， 对系外行星探测、 天文物理学研究及其进展有重要意义； 同时非圆形光纤可以获得平顶分布的光束， 能量均化后可大幅提高激光加工精度， 在激光焊接、 切割、 打标等激光加工领域有广泛的应用前景。 非圆形光纤的非对称结构可使包层内螺旋光进入纤芯， 大大提高光纤激光器或光纤放大器的转换效率。 采用非圆形光纤制备的传像束具有高的平均透过率和传像质量， 在半实物仿真、 导弹制导系统、 强磁场探测、 热气流风洞试验等方面具有广阔的应用前景。 总之， 非圆形光纤特性优良， 在军事、 天文、 医疗等领域的应用将越来越广泛， 其作用也越来越重要。
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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
