锥形光纤制备方法及光束传播特性

不同于标准光纤，锥形光纤是直径沿光纤轴向呈线性变化的光纤，如图3－24所示。作为一种非均匀的光波导，在锥形光纤中，随着锥区直径的减小，归一化频率V=不断减小，传输光场发生变化，由纤芯进入包层或辐射出包层，以倏逝场的形式向前传输。由于强倏逝场特性，锥形光纤在光捕获和光操控、光纤传感以及生物传感等中有广泛应用。同时，锥形光纤独特的锥形结构还使其具备扩束和聚焦功能。此外，较小锥区光纤在非线性光学领域有着重要的应用。

图3－24　锥形光纤

（a）光束传播轨迹示意图；（b）锥形区的光学显微镜图像（锥形光纤总长度为15 mm，放大50倍）［167］

锥形光纤常用的制备方法有化学腐蚀法及熔融拉锥法。其中，化学腐蚀法是早期制备锥形光纤的通用方法，熔融拉锥法是目前最为广泛使用的方法。

化学腐蚀法［168，169］是用腐蚀性化学溶液（如HF酸）对光纤进行腐蚀制作锥形光纤。将一定浓度腐蚀溶液装在特制的容器里，溶液上方用油脂密封，将剥去涂覆层的干净光纤浸入腐蚀溶液中，利用光纤纤芯和包层材料成分不同调节光纤浸入腐蚀溶液的时间和深度以及腐蚀溶液温度和其上油膜密度，制得所需直径和长度的锥形光纤。化学腐蚀法是一种简单高效的工艺，能够一次性制作数百根一致性高的锥形光纤，但是腐蚀后的光纤表面粗糙，容易断裂，并且制备时间长，加之使用的化学溶液一般具有很强的腐蚀性，不便于操作。(www.xing528.com)

熔融拉锥法［170－172］是将光纤加热至软化熔融状态，然后采用步进电机拉伸，将光纤拉制成锥体结构。热源可用火焰、电弧放电或者二氧化碳激光，通过调节热源加热面积、加热时间、电机转速和行进距离来控制锥体形状，得到不同长度、直径和锥角的锥形光纤。熔融拉锥法制作锥形光纤的特点是光纤包层和纤芯直径沿光纤轴向均逐渐变小，在整个锥形过渡区包层和纤芯直径之比保持恒定。

锥形光纤主要分为两类：绝热锥形光纤和非绝热锥形光纤［173，174］。如果锥形过渡区较平缓、锥角很小，光在这种锥形光纤中传输时，能量主要由基模携带，耦合到其它高阶模中的能量可以忽略不计，损耗很小，把这种缓变锥称作绝热锥形光纤。如果锥形光纤为突变锥，其过渡区比较陡峭，锥角较大，纤芯基模中能量会耦合到两个或多个锥形光纤模式中，模式间产生干涉现象［175，176］，把这种突变锥称作非绝热锥形光纤。

锥形光纤作为一种性能优异的光波导，其发展主要历经了三个时期：

20世纪80年代，光纤系统需要一种能将光场在两根光纤之间相互耦合的器件［177，178］，光纤拉锥的思想被提出［179］。此时锥形光纤多以双端短锥形出现，主要的制备技术是侧向抛磨法或者化学腐蚀法［180，181］。锥形光纤多被当作一种包层模式或者无纤芯的光纤器件。其主要应用领域有光纤耦合器、光纤传感器、滤波器和扩束器。

20世纪90年代，锥形光纤开始被应用到非线性光学领域。锥区较小的芯径使得其非线性阈值大大降低。1993年，加拿大蒙特利尔工程学院的Dumais等在锥形光纤中观察到增强自相位调制现象［182］。在这个时期，锥形光纤的应用主要集中在超连续谱产生［183］以及超低功率非线性效应产生［184］方面。

进入21世纪，光纤激光功率不断提升，非线性效应成为限制高功率光纤激光功率提升的主要因素，长锥形光纤再次受到关注。与普通光纤相比，长锥形光纤具有更大的等效模场面积、更高的泵浦吸收率等［185］。2008年，Filippov等利用长锥形光纤为增益介质进行激光实验，得到了斜率效率为92%和功率为84 W的激光输出［186］。实验中使用的锥形光纤长度为10 m，光纤大端直径为27μm、834μm、890μm，拉锥比为4.8，纤芯包层比为1∶31。2010年，Kerttula等报道了使用长锥形光纤进行调Q脉冲光纤振荡实验，获得了1.6 mJ、64 ns的单脉冲［187］。实验中使用的长锥形光纤长度为6.3 m，拉锥比为5.5，纤芯包层比为1∶10，小端和大端的纤芯直径分别为15μm/150μm和83μm/830μm。2013年，Trikshev等报道了使用长锥形光纤进行单频激光放大实验，锥形光纤长度为18m、拉锥比为6、小端与大端直径分别为7.5μm/120μm和44μm/700μm，最终实现功率为130 W、光束质量M2=1.12［188］的放大激光输出。2015年，Koptev等采用大端与小端直径分别为45μm/430μm和10μm/80μm长锥形光纤，最终获得了脉宽7 ps、脉冲能量1μJ、峰值功率2.5 MW的脉冲激光输出［189］。