光子带隙光纤的原理和应用

光子带隙是依靠带隙导光的波导结构，通过设计光子带隙，降低光纤的传输损耗。2002年，Temelkuran等设计并制备了有机材料－玻璃光子带隙光纤。与固态纤芯光纤导波不同，光子带隙光纤利用多层径向分布高折射率硫系玻璃层（As2Se3，折射率约2.8）和低折射率有机聚合物层（聚醚砜，PES，折射率约1.55）交替分布，形成中间为空气孔、四周为高低折射率材料规则排布的布拉格反射结构，如图4－22a、b所示［88，89］。图4－22c显示，该光纤可对中红外光低损耗传输，在10.6μm处传输损耗低至0.95 dB/m，而高纯As2Se3玻璃和PES聚合物在10.6μm处传输损耗分别约为7dB/m和105 dB/m［89］。该光纤传输光波长由光纤结构参数（折射率及层厚）调控，通过控制拉丝速度可实现传输波长大范围调谐。随后，Kuriki等将聚合物PES更换为聚醚酰亚胺（polyetherimide，PEI），改善光纤拉丝性能，进一步降低介质层厚度，将光子带隙光纤的传输波段拓展至0.852.28μm红外波段［90］。空芯光子带隙光纤依靠中间空气孔传输光，极大地减少材料吸收、非线性效应、热透镜以及端面反射等，有利于实现高功率激光传输。2010年，Ruff等利用空芯光子带隙光纤实现了峰值功率高达11.4 MW的1.55μm激光传输［91］。

图4－22　PES与As2Se3空芯光子带隙光纤［88，89］

（a）光纤端面扫描电镜图像，空气孔呈黑色，聚合物PES层（厚约900 nm）和包层呈现灰色，As2 Se3层（厚约270 nm）呈白色；（b）光子带隙光纤中PES层和As2Se3层局部放大的扫描电镜图像；（c）光子带隙光纤的透射谱，内插图为传输10.6μm激光时透过功率（WT）与光纤长度（l）的关系，其斜率（k）表示传输损耗(www.xing528.com)

空芯光子带隙光纤不仅可用来传输光，其全向布拉格反射结构还可作为反馈腔，构建径向发射光纤激光器。Abouraddy等利用光子带隙光纤制备出径向激光发射的可见光波段光纤激光器，其示意图如图4－23a所示［92，93］。利用厚度为59 nm的As2S3和厚度为89 nm的PEI交替分布组成58层布拉格反射结构，光纤空气孔中填充有机染料作为增益介质，光子带隙光纤的反射带宽覆盖泵浦激光波长和染料增益区间，通过轴向泵浦光激发有机染料分子，可实现可见激光径向发射。图4－23b为R590染料填充光子带隙光纤的激光发射图，采用532 nm绿色激光泵浦，获得576 nm橙色激光发射。这种激光器发出的激光波具有方位各向异性的特点，例如泵浦光为线偏振时，出射激光为偶极子状辐射图案，如图4－23c所示。此外，激光发射的方向由泵浦光偏振决定，旋转泵浦光的偏振会导致激光发射方向的旋转。通过优化光子带隙光纤激光结构参数，使之与染料激发发射波长匹配，可实现波长从蓝光到深红光的覆盖，如图4－23d所示［93］。

图4－23　径向发射的光子带隙光纤激光器［92，93］

（a）径向发射激光示意图；（b）R590染料填充的光子带隙光纤激光照片；（c）光子带隙光纤激光器发射的几何依赖性；（d）不同染料掺杂光子带隙光纤的荧光照片和激光光谱