作者： 时间：2024-09-29
Guiding Photonics 致力于提供中红外光纤、远红外光纤解决方案，红外空芯光纤在中波和长波红外光谱学中发挥关键作用。红外空芯光纤在损耗、耦合特性等方面表现优异，可应用于化学气体传感、红外探测器校准等领域。美国Guiding Photonics 提供标准产品和定制化服务，以高质量的光纤解决方案满足客户需求，推动中红外技术在相关领域的应用与发展。空心芯玻璃波导光纤在中波红外光纤（MWIR光纤）和长波红外光纤（LWIR光纤）光谱系统中具有重要应用潜力。在这些波长区域（3 至 14 µm）进行光谱测量，对于检测痕量化学化合物、实现安全和国防相关应用至关重要。
应用背景
（一）化学气体传感
许多气态化学物质在 MWIR 和 LWIR 波长区域呈现独特的吸收带，特别是在 LWIR 范围的指纹区域，其光谱特征可用于检测和识别微量的特定分子物种。例如，太平洋西北国家实验室（PNNL）积极开展化学传感系统的研发，旨在开发小型、轻便的系统，以准确现场检测指示大规模杀伤性武器（WMD）的痕量气体。光纤组件在该系统中起到关键作用，有助于实现系统的小型化，提高其效用和有效性，适用于《不扩散核武器条约》核查和《全面禁止核试验条约》现场检查工作。
（二）红外探测器和传感器的校准
MWIR光纤/LWIR光纤（中红外光纤/远红外光纤）可用于各种红外探测器和传感器的现场原位校准。在这种应用中，光纤需要具备坚固的特性，且离开光纤的光束在空间和时间上要保持稳定。单模光束传输对于此类应用至关重要。
与硫族化物光纤的比较
硫族化物玻璃基光纤是 MWIR 和 LWIR 范围常用的实芯光纤，对比一些中红外光纤、远红外光纤存在一些局限性。例如，其传输通常在 λ > 9 µm 时急剧截止，且极其脆弱易碎。此外，末端反射会导致反馈并使源激光不稳定，包层模式会导致系统噪声且难以缓解。相比之下，空心芯玻璃波导具有诸多优势，能够有效解决这些问题。
空心波导光纤的特性
（一）结构和制作
空心波导光纤由空心玻璃毛细管、内部的反射性银（Ag）层和介电碘化银（AgI）层组成，外径有保护套。空心芯的内径相对较大（如 300 µm），但仍能实现 LWIR 激光器的单模光束传输。
图 1：空心波导光纤的横截面视图，展示基本结构和涂层（非比例）
（二）光谱特性调整
通过改变 AgI介电层的厚度（由碘（I₂）溶液沉积时间控制），可以调整波导的光谱特性。波导的传输光谱可以是宽带的，也可以针对 MWIR 和 LWIR 区域内的特定光谱区域进行调谐。
图 2：不同碘（I₂）沉积时间下波导吸光度的缩放 FTIR 测量，从而确定 AgI 介电层的厚度
（三）损耗和耦合
波导损耗强烈依赖于空心孔的直径和光束的模式。损耗随着孔径直径的减小而增加，对于高阶波导模式更大。高阶模式会被衰减，这一特性在模式滤波中起到重要作用。此外，波导弯曲时会有额外的损耗，但可通过选择特定的玻璃管来降低损耗。
图 3（a）：不同 HEnm 模式下损耗对孔径直径的依赖性；（b）：不同孔径尺寸的 1 米长波导中损耗对发射的 f/# 的依赖性，以及不同孔径尺寸下的损耗与孔径大小的关系
用量子级联激光器和CO₂激光器的测量结果
（一）测量装置与耦合效率
测量使用特定装置，耦合相对宽容，在低损耗 f/# 发射条件下，耦合效率通常大于 90％。
图4：测量波导中功率损耗和离开波导的光束轮廓的设置示意图
（二）传输损耗和额外弯曲损耗
使用脉冲 QCL 进行测量，结果表明单模波导中额外弯曲损耗相对较低。
图 5（a）：不同孔径尺寸的波导的直损耗与 f/# 发射条件的函数关系；（b）：波导在弯曲时的额外损耗与 f/# 发射条件的函数关系，激光为工作在 λ = 10.0 µm 的脉冲 QCL
（三）单模性能
单模光束传输对于许多 IR 激光应用至关重要。通过使用专有选择的玻璃管来减轻弯曲的影响，可生产出具有改进的单模性能的波导。目前正在推动开发更大孔径的单模、低损耗波导，以拓展其在 MWIR 区域以及 LWIR 的应用。
图 6：两种不同尺寸波导在直和弯条件下传输 CO₂激光（λ = 10.6 µm）的二维空间轮廓；
图 7：300 µm “单模” 波导在不同弯曲程度下传输 CO₂激光（λ = 9.3 µm）的一维空间轮廓
（四）模式滤波
单模波导可对 QCL 的多模输出进行模式滤波，产生圆形对称的高斯光束轮廓。例如，当 CO₂激光束与波导不对准以激发高阶模式时，短波导中高阶模式的证据明显，而长波导输出的光束是平滑的高斯光束，表明高阶模式被滤除。对于 QCL 光束，其原始输出具有椭圆形形状和条纹，经过单模空心芯波导后，光束转换为圆形对称输出。
图 8：单模波导中高阶模式滤波的空间轮廓演示，激光器故意与波导不对准（即耦合差）以激发高阶模式；
图 9：QCL 光束通过单模波导后的模式滤波示例，展示了输出光束从椭圆形和有条纹到圆形对称的变化
其他应用
波导的其他应用，除了用于光束传输，波导还可以作为气体池用于高灵敏度光谱学应用，在其中探测光束与研究中的气体之间可以发生强烈的相互作用。此外，还可构建波导束用于信号收集以及红外成像应用。
图 10：用于信号收集应用的波导束图像
结论
在光谱学中，中波红外光纤（MWIR光纤）与长波红外光纤（LWIR光纤）各具特点，而空心芯玻璃光纤在中波红外光纤和长波红外光纤光谱学中均展现出重要应用价值。通过对空心芯玻璃光纤的研究和测试，我们发现它在化学气体传感、红外探测器和传感器校准等方面具有巨大潜力。与传统的硫族化物光纤相比，空心芯玻璃光纤具有诸多优势，能够有效解决传输截止波长限制、脆性高、端反射和包层模式导致的问题等。此外，空心芯玻璃光纤在与量子级联和 CO₂激光器的测量中表现出良好的性能，包括较低的传输损耗、单模性能和模式滤波能力。未来，随着技术的不断发展，空心芯玻璃光纤有望在更多领域得到广泛应用，为相关行业带来更大的便利和效益。同时，光纤技术的不断改进和创新也将为空心芯玻璃光纤的发展提供更广阔的空间。
