在用于高能激光能量传输的大芯径光纤技术上篇内容中，我们介绍了高能激光对传能光纤的需求，今天我们一起来看看几种典型的大芯径传能光纤的结构设计。
特约撰稿人 | 廉正刚
共同作者 | 张博、皮亚斌
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为什么选择石英玻璃作为材料？
激光传能光纤同传统通信光纤一样，使用石英玻璃为主材料。
为什么是石英玻璃而不是其他材料成为光纤的主材料，原因有很多：首先，石英玻璃的主要成分是二氧化硅，和随处可见的沙子一样，取之不尽用之不竭。一公斤高纯度石英玻璃就可以拉制上万公里的光纤，能极大地节约成本，具有重大的战略意义；其次，石英玻璃具有高的透光、机械强度、化学稳定性，作为光的传输介质具有绝对优势。相较于其他材料，石英玻璃可以较容易的达到近乎100%的纯度；最后，石英中可以掺杂多种不同的元素从而形成具有不同光学特性的光纤，这也为其后续发展打下了良好的基础[1]。图1为传统通信光纤和典型大芯径光纤的横截面对比图。
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几种大芯径传能光纤的结构设计
1）常规大芯径光纤
大芯径光纤（Large-Core Optical Fiber），结构与传统的通信用单模光纤（Single-Mode Fiber，SMF）一样，由纤芯和包层两部分构成，其纤芯材料为高纯度石英玻璃，直径往往大于50 μm（普通单模光纤芯径通常为9~10 μm），故具备高耦合效率、大能量传输等特点，根据应用场景的不同，其包层材料可以选择塑料或高纯度掺F（氟）石英玻璃。塑料包层抗拉强度高、抗辐射能力强，可用于电力、中短距离通信传输，激光医疗和光纤照明等领域；掺F玻璃包层由于有较高的带宽和低损耗，可用于光纤传感、光学设备连接器、长距离通信、有线电视传输中[2]。图2为典型大芯径光纤结构图。
图2 典型的大芯径光纤结构，其包层可以是塑料包层或掺F玻璃包（左）；石英包层大芯径光纤产品的横截面图（右）
工业上，大芯径光纤配合高功率激光器用于材料表面热处理，可以增强或改善材料性能，提高表面硬度和抗腐蚀能力。而通过优化大芯径光纤的纤芯折射率分布，还可进一步扩展其应用范围，例如使用阶跃型大芯径多模光纤，其能量传输分布较为均匀，适合薄物焊接，或用于扩大焊合面积；使用渐变型大芯径多模光纤，其能量传输会聚集在一点上，适合厚物焊接。
医疗上，由于大芯径光纤具有高能量传输、绝缘、可弯曲等特性，可应用于内窥镜和激光碎石和前列腺治疗等方面。
2）大芯径特种几何端面光纤
同常规大芯径光纤相比，大芯径特种几何端面光纤，主要是纤芯的结构发生变化，不再是圆形，可以是矩形、多边形、环形或椭圆形等（图3），以满足不同的应用场景需求。例如大芯径方形芯光纤，其纤芯的形状是正方形或者矩形，由合成高纯度石英玻璃材料构成；光学包层同样为方形，由高纯深掺氟玻璃构成；外包层材料同样为高纯石英玻璃。
图3 典型的大芯径方形芯光纤结构及横截面图
方形芯光纤的出现，主要原因之一是为了匹配激光二极管的输出光束，以提高激光耦合效率。而在激光加工中，利用方形芯光纤制备的光纤能量合束组件，是大功率高亮度半导体激光器的核心器件之一，利用合束组件将通常呈高斯强度分布的激光光束进行转变，获得均匀的平顶型（Top-Hat）强度分布的方形光斑，在激光清洗、切割或者打标时，可有效降低材料表面损伤。图4为方形芯光纤输出的方形匀化光斑示意图。
图4 方形芯光纤输出的方形匀化光斑示意图，通过多种高阶模混合实现（左）；方形光斑相较于高斯光斑，可有效降低加工材料的表面损伤（右）
此外，在光纤通信技术朝着更长距离、更高速率、更大容量的目标发展同时，为了进一步降低系统的成本、尺寸和功耗，以实现“绿色通信”理念，新一代光通信系统要求用集成光路来取代集成电路，由于方形芯光纤和平面波导的模式接近，可以用来提高同集成芯片的耦合效率，并保持系统与CMOS的兼容性，这也是方形芯光纤的优势之一。
而大芯径环形芯光纤，是为解决传统光纤激光器在型材焊接中的飞溅问题所给出的解决方案之一。不锈钢、铝等特定型材，对光纤激光器的高吸收率会使得材料受热更快，且这种激光加热往往局限在较小区域内，更易出现飞溅问题。飞溅会造成大量材料的损耗和侧切口，降低焊缝的机械强度，影响焊接质量和焊缝一致性，是激光焊接领域的痛点难点。
大芯径环形芯光纤，由内纤芯和外边一个环形纤芯组成，即在传统的圆形纤芯外覆一层环形截面纤芯，可以输出中心光斑外包环形光斑的形似“牛眼”的特殊光斑。这种特殊环形光斑通过焊前预热、焊后缓冷有效控制热影响区来减少焊接过程中的材料飞溅，从而提升焊接质量。此外，该环形光斑由于优化了激光能量分布，在激光切割、激光清洗中，也较传统光纤激光器效率更高。当前，Coherent（已和II-VI合并）、Holo/Or、锐科激光、飞博激光等国内外激光器生产厂商，均有对应的环形光斑激光器产品推出（图5），除采用大芯径环形芯光纤外，还有采用多光路复合、光束整形等技术途径来实现该环形光斑激光输出的方案。图6为传统光纤激光器与采用环形芯光纤的FL-ARM系列激光器焊接表现对比图。
图5 Coherent公司FL-ARM系列激光器中运用的环形芯光纤结构，通过独立控制两束入射的同轴激光光束，其输出激光光斑可能出现5种基本功率模式，可灵活应用于不同场景中[3]。
图6 传统光纤激光器的焊接表现，有明显的飞溅现象（左）；采用环形芯光纤的FL-ARM系列激光器焊接表现（右）
3）大芯径空芯光纤
前面提到的常规大芯径光纤和特种几何光纤，均是实芯光纤，即纤芯为实心玻璃；相对于实芯光纤，空芯光子晶体光纤（Hollow-Core Photonic Crystal Fiber，HC-PCF）在激光传能上也有其独特的优势。
空芯光纤的纤芯为空气，与激光器耦合时不存在吸收损耗和端面反射损耗；由于传输介质空气的高度均匀性使得散射损耗很小，且能保证好的光斑输出质量。最重要的，空芯光纤的能量损伤阈值很高，散热效率良好。虽然空芯光纤也存在抗弯性不足、数值孔径小的问题，但其所具备的优势仍使其成为极富前景的传能光纤之一。
基于光传导原理，空芯光纤可分为空芯带隙光纤（Hollow-Core Bandgap Fiber， HC-PBGF）和空芯反谐振光纤（Hollow-Core Anti-resonant Fiber，HC-ARF）两大类光子晶体光纤[4]。
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空芯带隙光纤（HC-PBGF）：是基于光子带隙原理导光，包层是由周期性空气孔呈阵列排布的光子带隙结构，当结构中心的缺陷部分为空气时，波长在带隙范围内的光可以限制在空气纤芯中。 图7为空芯带隙光子晶体光纤端面图。
图7 空芯带隙光子晶体光纤端面图，由透过式光学显微镜拍摄
空芯反谐振光纤（HC-ARF）：其导光机理可以用平面波导中反谐振反射光波导原理来解释。图8是结构简单的空芯反谐振光纤，其包层部分是高折射率的石英材料，黑色部分是低折射率的空气，光纤结构周围环绕空气纤芯的数个石英毛细管包层是最核心的部分，此结构可以使特定波长的光共振至包层外，对不满足共振条件的光反射回空气纤芯，从而将光限制在空气纤芯中，实现反谐振反射导光。谐振波长取决于石英毛细管的厚度和谐振阶次。
图8 空芯反谐振光子晶体光纤端面图，由扫描电镜拍摄
空芯光纤除了可用于激光传能外，由于其具有低非线性、低延迟的特性，且光波可以在空气纤芯中低损耗传输，因此在光通信系统应用中，其作为信号传输介质具有很大的应用前景。另一方面，空气纤芯为光与物质的相互作用提供了通道，降低了光纤材料属性对传输光的影响（如中红外吸收、热光效应），为诸如痕量气体/液体探测、高精度光纤陀螺仪等传感应用提供了高效的新平台。
此外，空芯带隙光纤内部精细的微结构具有新颖的机械性能和热性能，有利于诸如声波、振动探测等传感应用；还可结合光纤后期热处理、选择性填充等技术，对多孔包层进行结构修改或材料填充，获得进一步的性能和功能扩展。
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拉制工艺
常规大芯径光纤的制备，同普通单模光纤的制备流程基本一致，先制备包层套管，再通过化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）工艺在高温条件下把石英芯棒和包层套管熔融烧结在一起成为预制棒，最后将预制棒拉制成光纤[5]。化学气相沉积技术有多种类型，包括MCVD（图9）、PCVD和FCVD等，区别主要在于加热形式的不同。
图9 使用MCVD（改进的化学气相沉积）设备制造芯棒
大芯径特种几何光纤制备，由于其纤芯结构异于常规大芯径光纤，制备方法也有所不同，主要体现在芯棒上。以方形芯光纤的制备为例，首先同样是包层衬管的制备，随后是圆形芯棒的制备，并将其打磨成方形芯棒（图10），再将包层衬管和方形芯棒熔缩组合成方形芯光纤预制棒，最后将预制棒拉制为光纤。
图10 将圆形芯棒打磨成方形芯棒，并同包层衬管进行组装
空芯带隙光纤的制备，则更加复杂，可分为如下4个步骤：
①、根据结构设计拉制具有精确外径的毛细管，包括包层部分的毛细管，以及中央毛细管，并将毛细管排布成微结构毛细管束；
图11 毛细管的堆叠过程
②、将毛细管束插入套管内进行组装堆叠（图11）；
③、将毛细管束和套管的组合体拉制成微结构预制棒；
④、通过精密气压控制，将预制棒拉制成丝，形成空芯光子晶体光纤。
空芯反谐振光纤制备，流程大致同空芯带隙光纤一样，只是在管材堆积和拉制时气压控制等方面在技术参数上有所不同（图12）。
图12 拉丝塔正在拉制光纤
本篇重点对几种典型的大芯径传能光纤结构与制备技术进行了介绍。最初的大芯径传能光纤，仅仅用作激光的传输媒介，但随着激光产业的发展，以及对应用技术的细化与深入，一些兼具匹配性、效率，或针对某些特定问题的大芯径传能光纤结构被设计出来，而且可以预见，今后大芯径传能光纤结构将越来越多样化。
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