[发明专利]一种热辐射性能高的表面等离激元光纤

说明书

本发明提供一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，包括光纤纤芯、包层，光纤包层外设置有多孔阵列排布的金属层，金属层远离光纤纤芯的一侧设置有热辐射率层，热辐射率层远离光纤纤芯的一侧设置有冷却层。本发明的光纤利用多孔阵列排布的金属层，使包层光在金属层和包层的界面激发出表面等离激元；表面等离激元波携带的热量，通过热辐射率层以热辐射为主、协同热传导和热对流的方式传输出去。本发明的光纤在滤除包层光的同时，能够对包层光产生的热量进行散热，有效提高输出激光的光束质量，解决光纤局部温度过高的问题。

技术领域

本发明属于光纤领域，尤其涉及一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，可以应用于光纤激光器、通信光纤、光纤传感等场景。

背景技术

双包层光纤激光器有利于提高激光输出功率和泵浦耦合效率，其采用的包层泵浦方式使激光器实现多模泵浦和单模输出，而输出激光中包含了一定量的包层光，这严重影响了激光的光束质量和单色性，需及时滤除。在实际的光学系统中，产生残余包层光的主要因素有：在增益光纤末端存在未被吸收的剩余泵浦光；在纤芯光的传播过程中，泄漏到包层的信号光和放大自发辐射光(ASE)；熔接损耗导致的纤芯光泄漏至包层；光纤熔接点处存在的模式不匹配；光纤弯曲导致纤芯中的高阶模泄漏。脱离光纤传输的光与其他物质相互作用会产生热，尤其在高功率光纤激光器中的残余包层光功率可高至数百瓦，产生的大量热会积聚在较小的面积内。残留的包层光将影响光纤激光器输出的光束质量，并且对光纤激光器尾端的输出设备(例如准直器)有很大的危害，严重的将造成破坏及烧毁。

然而，现有的针对包层光滤除的方法，不能很好地将滤除包层光和散热有机结合起来，包层光的大量滤除会给散热带来很大的压力。常见的滤除包层光的方法有：在内包层外涂高折射率胶、氢氟酸腐蚀光纤等方法，容易造成局部热量积累导致温度太高。传统的散热方式如风冷散热和间接水冷散热，设备结构复杂、体积大，维护成本较高。

表面等离激元(surface plasmon,SP)是当光波(电磁波)入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，SP具有很好的局域场限制及场增强的特性。现有光纤表面等离激元共振传感器，将光纤的一段包层剥除后在芯层外包裹一层金属层，由于入射光全反射产生的倏逝波弥补了自由空间光波的波矢，使得在金属层表面激发了SP可用于传感和滤波等研究。但是在光纤激光器中包层光的滤除需要破坏全反射条件，使包层光不满足全反射条件而折射出包层。如果在光纤包层的表面上直接沉积一层金属层，不能保证限制和滤除包层光，原因在于，光纤表面等离激元共振传感器想在金属表面激发SP以实现传感，需要使自由空间光波矢量和表面等离激元波矢量之间匹配，这需要综合考虑入射波的入射角度与金属层两边介质的折射率。而实际过程中，包层光的入射角度是未知和复杂的，除特定角度下包层光无法在金属表面激发SP、透射率低，要达到限制和滤除包层光的效果还需要重新进行设计和考量。

发明内容

发明目的：针对现有方法不能很好的兼顾滤除包层光和散热效果的问题。本发明的目的是提供一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，在有效限制和滤除包层光的同时，能够很好地将包层光的热量散发出去，减少光纤温度过高的问题，这对确保光纤的高可靠性、高光束质量、高功率及良好的光谱特性等需求均具有重要意义。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出了一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，该光纤包括光纤纤芯(1)，所述光纤纤芯(1)的外侧设置有光纤包层(2)，所述光纤包层(2)外侧设置有金属层(3)，并且，所述金属层(3)表面排布有孔阵列，所述金属层(3)的折射率大于所述光纤包层(2)的折射率，并且，包层光在光纤包层(2)和金属层(3)界面上形成等离激元，包层光激发的表面等离激元波沿着金属表面的方向传播，并在垂直金属表面的方向上会呈指数方式衰减；所述金属层(3)外侧设置有热辐射率层(4)，所述热辐射率层(4)的辐射率大于所述金属层(3)的辐射率。

优选的，所述金属层(3)上的孔阵列沿光纤轴向延伸、围绕光纤轴均匀排布。