Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 综述：中空波导技术
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jun 11 21:59:27 2003)

中空波导技术综述
James A.Harrington and Yuji Matsuura
光学纤维材料研究组
Rutgers University, Poscataway, NJ 08855

摘要

中空波导是常规实心光纤的一种性能优异的替代品。这种中空结构适用于高功率激光的传
输
和气体探测、电磁探测等宽谱传感器。在过去的15年中，人们研究了多种制造技术和中空
形
状。现在这种独特波导的损耗已低于0.1dB/m；传输的功率高过2.7kW。在本文中我们讨论
中
空波导和这种技术最可能的应用。

关键字：红外光纤、中空波导、功率传输、纤维光学

1. 介绍

中空波导作为医学和工业领域内传输CO2激光的波导已研究了很多年。近年来也被用于宽谱

光谱和电磁探测领域的普通光传输。通常，中空波导具有高功率阈值、低插入损耗、无末
端
反射、结实、定向偏差小等优点；同时也有一些缺点：弯折损耗、与实心光纤相比较大的
直
径、小数值孔径NA。无论如何，它是现今医用红外光纤和工业激光传输系统的一种最有前
途
的替代品。
空心波导可以被分为如图所示的2种：（1）核心材料的折射率比包层大（漏波导）；（2）

核心材料的折射率比包层小（衰减全反射波导，如：ATR）。漏波导或n>1波导具有沉积在
金
属、塑料、玻璃管的内表面上的金属性或/和绝缘性薄膜。ATR波导由在感兴趣的波长范围
内
具有较小折射率的绝缘材料组成；而 n<1波导是核心的折射率（n≈1）比包层折射率大。
中
空蓝宝石光纤工作在10.6μm（n=0.67）是这类中空波导的一个例子。中空波导的结构和关

键参数如图1中所示。通常， n>1的中空光纤是由金属、塑料、玻璃管组成的；而n<1和AT
R
光纤是由蓝宝石或n<1的特殊氧化物玻璃制成的。
中空波导传输理论可以用波动和粒子
光学的观点来描述。Marcatili和Schmeltzer（MS）用波动光学的理论预言了两种金属性和

绝缘性波导α～1/a3的性质，这里α是衰减系数并且a是核心半径。弯折中空波导会增加总

损耗。最近，Miyagi等证明了附加弯折损耗随1/R变化（R是弯折半径）。然而，我们与固
体
光纤相比发现，损耗强烈依赖于直径和弯折半径。对于薄膜波导结构，Miyagi和Kawakami
证
明了对于在金属层上进行介质包覆的波导，其衰减系数如下：

其中α∝是直波导的损耗，U0是一个依赖于模式的参数，其最低阶HE11模式的值是2.405，

n和k是指金属膜的光阻，Ffilm是描述介质膜造成损耗的一项。



2. N>1,金属和塑料波导

中空波导可由各种方法制成。其中包括用物理气相沉积法在金属底料上镀银和绝缘层；在
电
镀之后洗净的管子上溅射金属的、绝缘的半导体薄膜；塑料管和玻璃管内的液相沉积法。
通
常波导的截面部分是圆的，但方形截面的波导也很有意义，早期是Garmire在做，最近是K
u
bo在做。圆形波导的好处是容易弯折并且同方形和矩形截面波导相比较小的尺寸。

2.1 Miyagi波导

Miyagi教授和他在Tohoku大学的合作者在中空镍管金属波导的研究上领先。他的制造过程
包
括三步：首先，一根典型的铝管放置在溅射室里，在管子里沉积一层金属膜后，再沉积一
层
绝缘层；下一步，覆膜管放入一个电镀箱，在那里管子里的溅射层上镀上一薄层镍；最后
，
管子被刻蚀成图2的最后结构。


在图2 中我们还可看到他们最好的一种绝缘镀膜(ZnS)覆在银上制成的波导的典型损耗曲线

。数据包括2种1000μm口径波导，一种用于3μm的传输Er：YAG激光，另一种用于传输10.
6
μm的CO2激光。对各种波长的适用性是通过调节绝缘薄膜的厚度确定的。在图3中中空波导

的直线损耗分别给出了CO2和YAG激光两种波长的结果，从图中可以看出对于垂直于弯曲平
面
的10.6μm偏振光损耗低至0.25dB/m，而对平行偏振光稍高。这与波导理论的预期，或简单

的从金属表面Fresnel反射考虑的结果相一致。Miyagi和他的合作者还发展了一种基于方形

截面的中空结构。为生产方形截面的管子，他们发展了一种方法：首先用蒸镀法沉积ZnS，

PbTe和/或PbF2的薄膜到磷铜片上，然后把四片材料焊接成整体，10.6μm激光在其中的损
耗
的10.6μm偏振光损耗低至0.25dB/m，而对平行偏振光稍高。这与波导理论的预期，或简单

的从金属表面Fresnel反射考虑的结果相一致。Miyagi和他的合作者还发展了一种基于方形

截面的中空结构。为生产方形截面的管子，他们发展了一种方法：首先用蒸镀法沉积ZnS，

PbTe和/或PbF2的薄膜到磷铜片上，然后把四片材料焊接成整体，10.6μm激光在其中的损
耗
为0.1dB/m。最近，Miyagi及其合作者发展了一种新的基于硅管的中空结构。首先他们用湿

化学法在硅管中沉积一层银膜，然后在银层上镀一层聚合物。这种结构比图2的金属结构易

于制造，但它受限于所用的聚合物透明度小于5μm。

2.2 Sirgilase波导

Morrow等人研发的波导基于银管结构，与在中空管中沉积金属层不同，他们是从挤压银管
开
始的，然后在其中沉积一层卤化银膜，为保证最低的损耗，Morrow等先刻蚀银管的内壁使
其
光滑。然后，用湿化学法把AgBr膜镀在内壁。1000μm直径、1m长的管子在10.6μm处的弯
折
损耗如图4所示。我们从数据中发现，直波导的损耗很小。不幸的是波导呈现出6个模，所
以
，出射光束与中空玻璃波导或蓝宝石波导相比是多模的。这是主要由于其与玻璃相比相对
粗
糙的内表面造成的。
2.3 Luxar 波导

Luxar的进步是在K.Laakmauu及其同事开创的技术基础上的。他们的制造技术包括首先在金

属片上沉积银膜，再在银膜上涂覆一层PbF2薄膜。然后将金属片卷起来放入不锈钢管，他
们
所制作的其中一支波导的弯折损耗如图5所示。这支波导具有750μm内径、1m长度，图中所

示的是对于10.6μm的损耗。但是这损耗的大小极大地依赖于内表面的质量，当然这是所有

中空波导的特性。通常，对实际应用中遇到的半径，这些弯折损耗是可以接受的。

2.4 Croitoru塑料波导

这些中空波导的独特之处在于他们是塑料管制成的。这导致了非常柔软的结构和非常低的
制
造成本以及对传输较高功率（50W）的耐受力。Croitoru在TelAviv大学的小组已经在先沉
积
银膜后沉积AgI膜的发展上领先。通常用湿化学法来制备这些膜结构。最初，Croitoru用较

大直径的管，但最近1000mm内径的波导已经制成。在图6中，我们给出了10.6μm处，1000
μ
m内径波导的弯折损耗。其损耗比用金属管方法做成的波导大一点。这主要归因于塑料管内

表面不够光滑造成的散射。在一次独立测量中，我们能在1850μm内径波导中传输65WCO2激

光。
3. N>1玻璃波导

中空玻璃波导与金属或塑料波导相比是最近才出现的。中空玻璃波导具有以下好处：设计
简
单、柔软、最重要的是具有非常光滑的内表面。Abel等人描述了用湿化学法的制作过程，
首
先在石英玻璃内壁上沉积一层金属，再在金属层上形成介质膜。这种结构如图7所示。他们

的石英玻璃内壁表面具有极薄的介质层。内径在250～1000μm。银膜以及金、铜可用普通
的
镀镜技术金属化过程后，用化学方法将部分金属层转化成金属卤化物从而形成卤化物介质
膜
。Croituro和合作者用类似方法已经在塑料管内制成了金属层和介质层，Harrington和合
作
者用此法制成了6m长的玻璃波导。

3.1光谱损耗

中空波导的损耗有很多因素，而其中一个负面因素是介质膜的厚度。通常，AgI膜厚为0.2
～
0.8μm。在图8中，我们给出了两种700μm内径、1m长石英玻璃而镀膜厚度不同的波导的光

谱响应。最厚的膜在10.6μm处给出最小的损耗，而薄膜在3μm处具有最小损耗。后者在3
μ
m以外具有相当平滑的响应， 所以这种波导在宽谱应用上会有用。在光谱中观察到的结构
是
由于薄膜干涉效应，这与在其他镀膜光学元件上观察到的一样。这些效应已经被Miyagi等
观
察和讨论过了。他们已经发表了中空金属波导的介质膜损耗理论，而且做了很多试验，这
些
实验显示出在金属表面上沉积不同介质膜和半导体膜具有类似的表现。

3.2  CO2波段的损耗

10.6μm处四种半径的波导损耗如图9所示。我们还在图9中给出了Miyagi和Kawakami用波动

光学计算出的理论损耗值。在我们的计算中我们假定沉积了介质膜且膜厚具有10.6μm处的

最小衰减。我们从数据中看出1/a3大约随α变化，而且我们的试验值与这种结构的最低理
论
损耗符合得非常好。这在很大程度上是由于玻璃表面比其他，如金属或塑料表面光滑的多
。
Gregory和Harrington证明对于HE11模式，蓝宝石中空波导的表面粗糙度造成了比理论预期

值大的衰减。与蓝宝石对比，他们发现N<1的铅基玻璃中空波导具有基本上符合预期损耗值

的测量结果。所以，在我们的工作中中空玻璃管显示出制作中空波导的几乎完美的潜质。

在10.6μm处由弯折造成的附加损耗,图10中显示了三种直径的情形,对于垂直于弯折平面的

偏振光弯折损耗测量中所用的波导的长度大约120cm。输入输出端保持中正垂直,被弯曲的
部
分固定为80cm长，被弯成统一的曲率半径。这些弯折损耗是由全部测量值减去直线部分的
损
耗而得出的。图10中的实线是用最小二乘法从测量值中拟合的。
中空波导的理论损耗已经被精确的研究过了。在相对较大的曲率下，例如小口径下，波导
支
持边导模式。在这个范围，中空波导的损耗被解释成片状波导的衰减系数的函数，αTE和
α
TM，分别对应TE和TM波，


这里R是曲率半径。人们应可注意到衰减常数是不依赖于内径的。这是因为光纤只在外壁反

射而不是波导的内壁。弯成圆形的中空波导的全部衰减系数如下式。

这里c1，c2是加权系数。在图10?
3.2  CO2波段的损耗

10.6μm处四种半径的波导损耗如图9所示。我们还在图9中给出了Miyagi和Kawakami用波动

光学计算出的理论损耗值。在我们的计算中我们假定沉积了介质膜且膜厚具有10.6μm处的

最小衰减。我们从数据中看出1/a3大约随α变化，而且我们的试验值与这种结构的最低理
论
损耗符合得非常好。这在很大程度上是由于玻璃表面比其他，如金属或塑料表面光滑的多
。
Gregory和Harrington证明对于HE11模式，蓝宝石中空波导的表面粗糙度造成了比理论预期

值大的衰减。与蓝宝石对比，他们发现N<1的铅基玻璃中空波导具有基本上符合预期损耗值

的测量结果。所以，在我们的工作中中空玻璃管显示出制作中空波导的几乎完美的潜质。

在10.6μm处由弯折造成的附加损耗,图10中显示了三种直径的情形,对于垂直于弯折平面的

偏振光弯折损耗测量中所用的波导的长度大约120cm。输入输出端保持中正垂直,被弯曲的
部
分固定为80cm长，被弯成统一的曲率半径。这些弯折损耗是由全部测量值减去直线部分的
损
耗而得出的。图10中的实线是用最小二乘法从测量值中拟合的。
中空波导的理论损耗已经被精确的研究过了。在相对较大的曲率下，例如小口径下，波导
支
持边导模式。在这个范围，中空波导的损耗被解释成片状波导的衰减系数的函数，αTE和
α
TM，分别对应TE和TM波，


这里R是曲率半径。人们应可注意到衰减常数是不依赖于内径的。这是因为光纤只在外壁反

射而不是波导的内壁。弯成圆形的中空波导的全部衰减系数如下式。

这里c1，c2是加权系数。在图10中的测量结果，大多数具有较大曲率（1/R>=5）的区域应
该
对所有直径都满足边导膜条件。因此，在大曲率区域，对E⊥，预言的损耗非常接近αTE（

下面那条虚线），因为我们用参考文献22中的（52）（53）式计算证明各种规格的波导对
E
⊥，c1>>c2，对E∥c1<<c2。然而，在图10中可见对小直径波导测得的弯折损耗要比理论预

言值大得多。测量值显示出更符合α⊥=αTE,TM+α∝。测量值与预期不符可能是因为发生

分固定为80cm长，被弯成统一的曲率半径。这些弯折损耗是由全部测量值减去直线部分的
损
耗而得出的。图10中的实线是用最小二乘法从测量值中拟合的。
中空波导的理论损耗已经被精确的研究过了。在相对较大的曲率下，例如小口径下，波导
支
持边导模式。在这个范围，中空波导的损耗被解释成片状波导的衰减系数的函数，αTE和
α
TM，分别对应TE和TM波，


这里R是曲率半径。人们应可注意到衰减常数是不依赖于内径的。这是因为光纤只在外壁反

射而不是波导的内壁。弯成圆形的中空波导的全部衰减系数如下式。

这里c1，c2是加权系数。在图10中的测量结果，大多数具有较大曲率（1/R>=5）的区域应
该
对所有直径都满足边导膜条件。因此，在大曲率区域，对E⊥，预言的损耗非常接近αTE（

下面那条虚线），因为我们用参考文献22中的（52）（53）式计算证明各种规格的波导对
E
⊥，c1>>c2，对E∥c1<<c2。然而，在图10中可见对小直径波导测得的弯折损耗要比理论预

言值大得多。测量值显示出更符合α⊥=αTE,TM+α∝。测量值与预期不符可能是因为发生

在波导由直变弯的弯折点处的模式转变效应。直部与弯部之间的模式场不匹配造成了高阶
模
和附加损耗。
3.3  Er:YAG激光波段的损耗

通过改变介质膜的厚度设计，中空波导能够传送Er:YAG激光的能量。图11给出了设计用来
传
送Er:YAG激光的一支波导的理论和测量光谱损耗。其AgI的膜厚为0.23μm。使用这样一个
薄
的膜厚参数，可在2.94μm的Er:YAG波长获得小衰减。图12给出了使用Er:YAG激光源测得的

直线损耗。虚线是用最小二乘法由测量值拟合得到的。实线是仅对HE11模的用(1)式计算出

的曲线。与CO2激光对比，实际损耗比理论大得多。这多出的损失有两个原因。其一是因为

我们用的多模Er:YAG激光源产生的输入光束在波导中激发了很多高阶模。另一个原因是表
面
粗糙造成的正比于1/EXP(λ-2)的反射率减小。因此，小的内表面粗糙度强烈的影响短波段

的传输损耗。然而，损耗仍然很低，320μm直径直波导的约1.2dB/m,弯成10cm曲率半径为
6
dB/m。因此，这种波导在Er:YAG激光的医疗应用上很有用。

4. CO2和Er:YAG激光能量传输

这种技术的主要应用是在激光外科中传输CO2激光和Er:YAG激光能量。我们测试中使用了8
5
W功率的CO2激光器，和高功率工业激光器。三种直径波导的输出功率如图13。其测试光源
是
85W医用CO2激光器TEM00模式输出光束。320μm波导在50W时损坏，530μm波导可以传送85
W
功率。在另一测试中，我们使用的工业高功率激光器是PRC公司制造的。在这些测试中，为

波导加水冷层是很有必要的。另外，我使用了倒置的镀金圆锥在波导的输入端来保护玻璃
环
。使用700μm直径玻璃波导时我们可以传输1010W功率的 10.6μm激光而不损坏波导。
Er:YAG激光正成为重要的医用激光，因为它的切割损伤深度非常浅，因此这种激光在精确
切
割和减小创伤等医疗应用中有巨大潜力。在图14中我们给出了1000μm直径中空玻璃波导传

送3μm功率激光的情形。这些数据是Continuum使用多模Er:YAG激光获得的。大约8ｗ的最
大
输出代表了这个波段非常大的平均功率。这个功率在大多数外科及牙科应用中是足够了。

在很多医疗应用中，输出光束的特性很重要。我们经常需要尽可能小的光点来切割或abla
t
e组织。在许多金属中空波导中，输出是多模的甚至使用TEM00模式输入光束也是这样。空
间
特性常常会由于弯折而变劣，产生高阶模耦合的增加。耦合成高阶模的大小是波导直径、
表
面粗糙度、材料折射率的函数。通常，ｎ<１的中空光纤表现出较少的耦合，而ｎ>１波导
具
有更大的多模输出。Geogory和Harrington测量了几种中空波导的空间特性。我们的530μ
m
中空玻璃波导的空间特性如图15Ａ、Ｂ。从数据中我们可知，若波导是直的有可能产生低
阶
模式，然而通常玻璃波导具有近于HE11的输出。这与其他大多数金属波导的多模特性形成
尖
锐对比。玻璃波导的这些优异空间特性的原因是低散射和小直径。这是因为小直径波导与
大
直径相比，对高阶模损耗会更快衰减，因此小直径具有滤除高阶模的特性。
当精确的组织切割需要使用小光斑时，接近玻璃波导的单模输出就很重要。

5. N<1波导

n<1结构的想法源于1981年Hidaka等的设想。在这种结构中，空气核心(n=1)具有比内表面
包
覆材料大的折射率，因此，这种波导是nclad<ncore的光纤。同上面讨论过的n>1波导的渗
漏
结构相比，又被称为反射波导。为了在n<1范围内操作就需要反常散射区域落在一些有用的

激光波长范围内。第一种n<1波导是Hidaka研发的，用掺铅、锗的石英玻璃管做成的。通过

添加重离子到石英玻璃中，它能够改变红外线的边缘到更长的波长，以便n<1的反常传播范

围发生在CO2激光的波段。Worrell也研究了某些n<1的锗玻璃。可是在n<1中空玻璃纤维中
的
损耗非常高，这种技术很大程度上已经被放弃了。
一种更有希望的n<1结构是中空蓝宝石。Harrington和Geogory首先指出：蓝宝石或Al2O3具

有从10～16.7μm处的n<1特性，此外，他还具有非常小的Ｋ或在10.6μm处有0.05的消光系

数。这意味着这种材料由MS理论得出的理论损耗会非常低（对1mm管少于0.1dB/m）。由Mi
l
ford，NH的Saphikon公司制造的单晶蓝宝石管有250～1070μm直径的规格。在图16中我们
给
出了五种不同直径的损耗测量值。在图16中，对最低阶的HE11和HE12模，理论损耗都给了
出
来。作为蓝宝石表面粗糙造成的结果，测得的损耗比用MS理论得到的高几分。Harrington
和
Geogory证明中空蓝宝石波导中表面粗糙度造成了HE11模比理论预计值大的衰减。图17表明

了530μm波导的弯折损耗。曲率不太大是因为蓝宝石具有很高的弹性模量，因此，不能弯
成
像玻璃管那样小的半径。中空蓝宝石传输系统在妇科和牙科中用来传输CO2激光，他们已经

被装上水冷夹层用来传输1900W功率CO2 激光。
６. 总结
中空波导在很多方面是理想的红外光纤，因为他们可以为激光外科传输高功率激光，同时
在
光纤传感技术中作宽谱应用。我们制造的中空波导在关键的外科激光波长2.94/20.6μm具
有
低损耗,我们演示了它们可以传输80W功率CO2激光。中空玻璃波导因其具有小弯折半径且相

对较低的制造成本而成为一种特别有吸引力的新波导。


中文译者：丛庆
浙江大学 物理学系 光学研究所
数。这意味着这种材料由MS理论得出的理论损耗会非常低（对1mm管少于0.1dB/m）。由Mi
l
ford，NH的Saphikon公司制造的单晶蓝宝石管有250～1070μm直径的规格。在图16中我们
给
出了五种不同直径的损耗测量值。在图16中，对最低阶的HE11和HE12模，理论损耗都给了
出
来。作为蓝宝石表面粗糙造成的结果，测得的损耗比用MS理论得到的高几分。Harrington
和
Geogory证明中空蓝宝石波导中表面粗糙度造成了HE11模比理论预计值大的衰减。图17表明

了530μm波导的弯折损耗。曲率不太大是因为蓝宝石具有很高的弹性模量，因此，不能弯
成
像玻璃管那样小的半径。中空蓝宝石传输系统在妇科和牙科中用来传输CO2激光，他们已经

被装上水冷夹层用来传输1900W功率CO2 激光。
６. 总结
中空波导在很多方面是理想的红外光纤，因为他们可以为激光外科传输高功率激光，同时
在
光纤传感技术中作宽谱应用。我们制造的中空波导在关键的外科激光波长2.94/20.6μm具
有
低损耗,我们演示了它们可以传输80W功率CO2激光。中空玻璃波导因其具有小弯折半径且相

对较低的制造成本而成为一种特别有吸引力的新波导。


中文译者：丛庆
浙江大学 物理学系 光学研究所
2000/3/3
二○○○年三月十九日星期日

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║★★★★★友谊第一  比赛第二★★★★★║
╚═══════════════════╝

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