光子晶体光纤、特别地用于IR波长范围的单模光纤以及用于其生产的处理制造技术

本发明专利技术涉及一种用于在>1μm的IR波长范围内，特别地在1μm和20μm直径，优选地在9μm和20μm之间的波长范围内传输电磁辐射的光子晶体光纤，特别地单模光纤，所述光子晶体光纤包括具有直径D的光传导中空芯，特别地中空芯，和围绕所述光传导中空芯布置的多个中空体，特别地由硫族化物玻璃制成的中空体。本发明专利技术的特征在于所述中空体(10、20)布置成使得所述光传导中空芯的直径D大于待被传输的最小波长，优选地至少20μm、优选地至少50μm、特别优选地至少100μm、优选地在100μm和500μm之间的区域内，特别地在150μm和350μm之间的区域内，并且用于传输电磁辐射的阻尼<2dB/m，特别地<1dB/m、优选地<0.3dB/m、特别地<0.1dB/m。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光子晶体光纤，特别地用于IR波长范围的单模光纤，以及用于以拉伸法生产该类型的微结构化光纤的处理。
技术介绍
如例如在Lexikon der Optik的第213-214页中已经描述多次的用于传导光的玻璃光纤通常包括具有不同的折射率的两种材料的结合，相对高折射的光传导芯材被包覆在具有低折射率的材料中。通常，这些是玻璃材料，其中用于光传导芯玻璃的玻璃材料不同于具有低折射率的护套玻璃的玻璃材料。这样的结构使得光能够借助于在芯和护套之间的界面处的全反射沿着芯中的光纤的轴线传导，而没有光穿过护套向外离开。这样的光纤被称为阶梯折射率光纤。在这样的光纤中，芯玻璃对于期望波长的待传导辐射必须具有非常高的透明度，使得光纤中的吸收损失保持得非常低。为了传输CO2激光辐射，因此必须使用在例如从9μm至12μm的激光波长范围中具有非常高的传输的材料。唯一已知的在所提及的波长范围中足够透明的种类的材料是硫属化物。芯-护套光纤可以由其生产，但是这些具有相对高的5dB/M的吸收，即输入辐射的仅30％在1m的距离之后到达光纤出口。然而，这样的光纤仅能经受几瓦的极低激光功率，因为它们对较高的功率显示非常高的吸收，从而导致强加热并且因此导致光纤的破坏。这些光纤因此不适合工业用途。作为上述光纤的替代，为了获得改善的CO2激光辐射的传输，熔融硅管在其内部可用银涂覆以便反射CO2激光辐射并且因此实现辐射在该玻璃管中在从一米到几米的一定距离内的传输。典型的吸收在1dB/m以上的范围内。替代可能性是使用由聚合物和硫属化物玻璃交替构成的高达40个干涉层涂覆玻璃管内部。例如，在10μm的波长下获得这样的反射性，其使得CO2激
光辐射在内壁处反射并且因此在这样的光纤管内传输。典型的吸收或阻尼在1dB/m以上的范围内。所有这些光纤管都不是单模的，即它们是多模光纤。具有涂覆的内管的两种变型具有以下缺点，由于高吸收，仅低激光功率下运行的脉冲激光是可行的，因为否则光纤会由于吸收而被加热并且被破坏。甚至在低功率下，这样的光纤的寿命仅能运行几小时。为此，这样的光纤通常仅使用一次，例如用于激光手术中的医疗应用。另外，这些光纤管具有高达1mm的非常大的内径和外径，这仅允许非常大的弯曲半径。另一类型的光纤是光子晶体光纤(PCF)。在这样的玻璃光纤中，光不是借助于不同材料、例如不同玻璃的折射率，而是通过借助于气体、特别是空气产生的材料内的有效折射率差进行传导。关于这样的光纤，可以例如参考Science 299,358-362(2003)，P.St.J.Russel,“Photonic Crystal Fibres”和J.Light Wave Technology,24(12),4729-4749(2006),P.St.J.Russel“Photonic Crystal Fibres”，上述文章的全部内容通过引用全部并入本专利申请。借助于气体、特别是空气产生的玻璃内的有效折射率差通过围绕光传导芯布置的孔结构实现。光传导芯可以是固体材料或气体，特别是空气或者诸如氩之类的惰性气体。PCF中的有效折射率差通过围绕光传导芯布置的周期孔结构实现。PCF通常由石英玻璃(Quarzglas)制成。这里，合适的玻璃管被组装以产生预成型件，其中位于中间的管由相同尺寸的稍后形成光传导芯的棒代替。这样的预成型件包含高达几百个单独的管并且通常具有50mm的直径。在随后的单级或多级拉伸处理中，预成型件被拉伸成125μm光纤，其中孔结构必须制成比相同程度更小。作为替代，结构中间的棒在拉伸光纤时可以被省略，使得形成中空的芯光纤。如果光纤中的微结构的对称性和精确性足够好，该光纤也如同基于带隙效应的经典芯-护套光纤传导辐射，这里不更加详细地描述。因为没有吸收介质存在于这些中空芯光纤中，CO2激光辐射原则上应该能够由此传导。然而，由石英玻璃构成的传统结构化的中空芯光纤在5μm的波长以上不再透明并且CO2激光辐射必须与中空芯内的微结构相互作用以便实现带隙效应。因为CO2激光辐射在其撞击在石英玻璃上时被吸收，没有发生带隙效应，但相反光纤被加热到破坏。CN 10 298 1212 A已公开了由碲玻璃构成并且在从3μm到5μm的波长范围
中透明的PCF。CN 10 298 1212 A中描述的PCF被描述为单模光纤，但CN 10 298 1212 A没有给出关于中空芯的直径的信息并且未指出任何阻尼值。用于拉伸细光纤的处理也未说明。此外，在拉伸处理之后没有产生关于光纤的尺寸的信息。光子晶体光纤的生产存在相当大的问题，因为在传统的拉伸处理中，光纤、特别是微结构化的光纤的预成型件由于中空空间而非常复杂。在升高的温度和相对小的结构尺寸下，中空空间倾向于由于表面张力而坍塌。结构的单独部件的坍塌导致总预成型件的坍塌，使得光纤的完整结构在大多数不利的情况下坍塌。FR 2 606 866已经公开了用于借助于拉伸处理利用两个加热装置生产光纤的处理。在FR 2 606 866中描述的处理中，在两个串联布置的分开的加热区中实现加热。作为借助于FR 2 606 866中描述的设备加热的材料，其由聚合物、特别是PMMA制成。FR 2 606 866中说明的两级加热防止预成型件的外部和内部的同时加热。当利用FR 2 606 866中所述的处理和设备时所得到的不均匀加热导致预成型件的内部结构的坍塌。涉及玻璃光纤的生产的另外的文献是US 7,374,714和US 2005/0274149，但仅具有一个加热装置。DE 37 04 054已公开了一种使玻璃管坍塌的方法。因为玻璃管首先必须坍塌，即它必须已经是热的，在CO2辐射能够带来任何效果之前，在DE 37 04 054中提及的CO2激光辐射不能用于借助于多个加热装置同时加热。此外，在DE 37 04 054中，玻璃管的内部区域被从内部并且借助于辐射(借助于CO2激光)通过顶部处开口的玻璃管加热，该辐射不能从外部穿过玻璃。关于玻璃光纤和光纤的生产的主题的另外的文献是DE 698 27 630和US 6,861,148。DE 10 2011 103 686 A1已经公开了用于生产微结构化的光纤、即PCF的处理，其中可以成功地拉伸微结构化的光纤、非常特别优选的光子晶体光纤。根据DE 10 2011 103 686 A1，其公开内容通过引用完全并入本专利申请，光纤材料通过拉伸处理由光纤的预成型件、特别是微结构化的光纤生产，并且借助于至少一个第一加热装置和至少一个第二加热装置加热到拉伸温度，其中第一加热装置是提供高于光纤材料的软化温度的温度的加热装置。优选在其下粘度在η＝
104dPas-107.6dPas的范围内的温度。这导致温度优选地在高于光纤材料的软化温度10K到100K、特别是20K到60K的温度。第二加热装置根据DE 10 2011 103 686 A1是如例如在WO 00/56674中公开的IR加热装置，其公开内容通过引用完全并入本专利申请，其具有>1300K、特别地>1500K、特别地>2000K、优选地>2500K的温度。第一和第二加热装置基本上同时或同时在单个加热区内起作用。纤维的预成型件然后优选地本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光子晶体光纤，特别地单模光纤，用于在>1μm的IR波长范围内、特别是从1μm到20μm、优选从9μm到12μm的波长范围内的电磁辐射的传输，具有光传导中空芯(5)，特别是具有直径和由硫族化物玻璃构成的多个中空体(10、20)、特别是中空管的中空芯，所述中空体围绕所述光传导中空芯(5)布置，其特征在于，所述中空体(10、20)以所述光传导中空芯(5)的直径D大于待传输的最小波长、优选至少20μm、特别优选至少50μm、特别优选至少100μm、优选在从100μm到500μm的范围内、特别优选从150μm到350μm的范围内的这样的方式布置，用于电磁辐射的传输的阻尼<2dB/m，特别<1dB/m，优选<0.3dB/m，特别<0.1dB/m。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.17 DE 102014001995.01.一种光子晶体光纤，特别地单模光纤，用于在>1μm的IR波长范围内、特别是从1μm到20μm、优选从9μm到12μm的波长范围内的电磁辐射的传输，具有光传导中空芯(5)，特别是具有直径和由硫族化物玻璃构成的多个中空体(10、20)、特别是中空管的中空芯，所述中空体围绕所述光传导中空芯(5)布置，其特征在于，所述中空体(10、20)以所述光传导中空芯(5)的直径D大于待传输的最小波长、优选至少20μm、特别优选至少50μm、特别优选至少100μm、优选在从100μm到500μm的范围内、特别优选从150μm到350μm的范围内的这样的方式布置，用于电磁辐射的传输的阻尼<2dB/m，特别<1dB/m，优选<0.3dB/m，特别<0.1dB/m。2.如权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，围绕所述光传导中空芯布置的由硫族化物玻璃构成的所述中空体、特别是中空管布置在围绕所述中空芯的结构环(50.1、50.2)中。3.如权利要求2所述的光子晶体光纤，其特征在于，中空体、特别地中空管的至少4个、优选地至少6个、特别优选地至少8个、非常优选地从4到20个结构环围绕所述中空芯布置。4.如权利要求1至3中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体、特别是中空管具有横截面，其中所述横截面的直径优选地在从5μm到20μm的范围内、特别是从8μm到14μm的范围内。5.如权利要求4所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体(10、20)的所述横截面是圆形或六角形横截面。6.如权利要求1至5中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体的布置形成由所述中空体的间隔a和/或所述中空体的横截面确定的结构。7.如权利要求6所述的光子晶体光纤，其特征在于，对于不同中空体的所述中空体的所述间隔a和/或所述横截面的偏差小于10％，优选地小于4％，特别地小于1％。8.如权利要求1至7中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，用于从1μm到20μm、特别是从9μm到12μm的波长的所述硫族化物玻璃的折射率在从1.8到3、特别是在2.0和2.7之间的范围内。9.如权利要求1至8中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤是模保晶体光纤。10.如权利要求1至9中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体(10、20)呈具有带填充的装填间隙的基本上圆的内部横截面的中空管的形式。11.如权利要求1至9中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体(10、20)呈具有带空的装填间隙的基本上圆的内部和外部横截面的中空管的形式。12.如权利要求1至9中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体(10、20)形成六边形中空管的致密装填并且所述六边形中空管经由它们的面接合。13.如权利要求1至9中的任一项所述的光子晶体光...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·霍普，W·曼斯塔特，
申请(专利权)人：肖特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE