作者简介:刘长蕊(1987-),女(汉族),辽宁省北票市人,深圳大学硕士研究生. E-mail:liuchangrui611@163.com
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深圳大学深圳市激光工程重点实验室,先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室,深圳518060
Liu Changrui, Xu Xintong, Zhang Yingying, Chen Lin, Zheng Wanjun, Yang Xi, Liang Huawei, and Ruan ShuangchenShenzhen Key Laboratory of Laser Engineering, Key Laboratory of Advanced Optical Precision Manufacturing Technology of Guangdong Higher Education Institutes, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China
microstructural polymer optical fiber; continuous wave terahertz; Topas cyclic olefin copolymer fiber; terahertz transmission; terahertz imaging; confinement loss
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2014.02164
以大直径空芯微结构Topas 环烯烃共聚物光纤为太赫兹波传输媒介,数值计算得其在1.89和2.52 THz处的限制损耗约为1.25和1.59 dB/m. 实验结果表明,该结构光纤能将1.89和2.52 THz的太赫兹波很好地限制在其空气芯中传输,存在较小的弯曲损耗,且1.89 THz处的约束损耗低于2.52 THz处,与计算结果吻合,并获得较好传输效果.
A large diameter hollow micro-structural Topas cyclic olefin copolymer(COC)fiber is selected for terahertz transmission. Numerical calculation of the confinement loss at 1.89 and 2.52 THz are about 1.25 and 1.59 dB/m, respectively. Experimental results show that this structural fiber can marvelously restrict 1.89 and 2.52 THz in the air inside of the fiber and exhibit relatively low bending loss. Furthermore, the fiber reveals better restriction property at 1.89 THz than that at 2.52 THz. In other words, the experimental results coincide with the result of theoretical calculation.
太赫兹(terahertz, THz)辐射通常指波长在30~3 000 μm(对应频率为10~0.1 THz)范围内的电磁波. 太赫兹波在电磁波谱中处于毫米波与红外线之间,位于宏观理论和微观量子理论的过渡频带,属于光子学和电子学的交叉区域. 由于普通的光学材料(如玻璃、石英等)在太赫兹波段的损耗特别大, 加之20世纪80年代前,国内外缺少产生和探测太赫兹波的有效方法和技术,故研究人员也将其称为“太赫兹空隙”(THz gap). 然而,此频率段在安全检查、反恐、激光雷达、生物医学成像及前期诊断等领域存在潜在应用价值[1-2].但由于太赫兹波波源功率低、对水蒸气的吸收强及发散角大等原因,使其具有较大的自由空间传输损耗. 此外,太赫兹波的传输方向难以控制,所以太赫兹波导就成为研究太赫兹传输的重要基础. 通过选取不同材质,研究已提出多种波导结构,如空心金属管波导[3-4]、电介质带状波导[5-7]、平行金属板波导[8]、金属线波导[9-10]、光子晶体波导[11]及微结构聚合物光纤(microstructure polymer optical fiber, MPOF)波导[12-15]等.但如何实现太赫兹波低损耗、低色散的传输仍是一个巨大挑战.
在以上多种波导结构中,MPOF是一种特殊的光波导,其由具有光子晶体结构的包层和纤芯组成,并有着诸如无限单模传输、极大或极小的模场面积、高模式双折射以及超宽带平坦色散等一系列光子晶体光纤所具有的新奇特性[12-13]. 本研究选用的空芯MPOF由Topas 环烯烃共聚物(cyclic olefin copolymer,COC)制成. 与其他聚合物光纤(polymer optical fiber, POF)常用基质材料如聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)和聚苯乙烯(polystyrene,PS)等相比,Topas COC不含残余单体,因此具有高折射率、高光学透过率、低双折射率、极低吸水率及耐酸碱性等优点[16].
本研究利用连续太赫兹成像系统对Topas COC 光纤在1.89和2.52 THz处的太赫兹波传输特性进行实验研究,结果表明,该光纤可基于带隙效应实现太赫兹波传输,在1.89和2.52 THz处可以将模场很好地限制在其中央空气芯中传输. 与其他THz光纤相比较,该光纤具有很好的可实现性,且由于绝大部分的太赫兹模场都在空气中传播,材质对其吸收几乎可以忽略,因此不会产生材料色散,具有较小的限制损耗.
Topas COC光纤的端面结构如图1(a). 在Topas COC基质中,两圈空气孔构成包层,分别由48和54个相同直径的小空气孔构成圆环,纤芯直径为6.2 mm,包层空气孔直径为0.379 mm,孔间距为0.421 mm,光纤直径为9 mm. 通过模拟有效折射率,理论计算其传输1.89和2.52 THz时的限制损耗分别约为1.25和1.59 dB/m.可见,1.89 THz波的传输效果更好. 实验中使用的其他光纤均是根据上述数值参数成比例拉制而成.
图2是测试环烯烃共聚物光纤所用实验装置. 采用相干公司的SIFIR-50光泵连续太赫兹激光器作为光源. SIFIR-50采用光栅可调谐的CO2激光器作为光源,通过调节法布里-珀罗腔的腔长使其抖动频率与泵浦频率接近,以锁定泵浦光频率; 由外部稳频装置选择低压气体(甲烷、甲醇和二氟甲烷等),激励这些气体发生转动和振动能级跃迁,引起太赫兹辐射并产生太赫兹激光输出. 通过改变泵浦气体种类或泵浦光频率,可获得频率从0.3~7.0 THz(对应波长为1 020~40 μm)的太赫兹波输出,谱线的输出功率在1.5~143.8 mW各不相同. 对实验中常用的几个稳定谱线,其输出功率均可达到50 mW左右.
实验选用Spiricon公司的增强型Pyrocam III热释电相机探测相应太赫兹辐射. 热释电探测材料选用相对介电常数较小且热释电系数较大的钽酸锂晶体,响应波长范围可达1.06~1 000.00 μm. Pyrocam III焦热相机用于THz探测成像系统时,需多加一块高密度聚乙烯窗,以达到滤掉杂散光(可见光和近红外光)的目的,其探测灵敏度为3.2 mW/cm2.
图3为没有 picarin透镜聚焦情况下,对比2.52 THz波在有无Topas COC光纤时得到的成像光斑图. 选用Topas COC直光纤的直径为8.1 mm,长度为289 mm. 在无Topas COC光纤时,呈微弱散乱光斑,如图3(a); 而在有Topas COC光纤时,呈明显的同心亮斑,如图3(b). 根据图3左上方数值粗略估算,并与空气中的传输相比,Topas COC直光纤在传输2.52 THz波时中心能量提高了约77%,由此表明Topas COC光纤可传输2.52 THz的太赫兹波,并具有较好的聚焦效果.
由于SIFIR-50光源出射的太赫兹光束均匀性较差,光斑较大,因此,为尽量提高光源与环烯烃共聚物光纤的耦合效率,选用一个picarin 透镜对光路进行准直聚焦. 该透镜由透明塑料材料制成,可透过太赫兹波与可见光,损耗小到可以忽略不计.
图3 对比2.52 THz无透镜聚焦时有无Topas COC光纤成像的光斑图
Fig.3 The light spot diagram of the 2.52 THz wave coming out of the air and the Topas COC fiber without being focused by lens
图4给出频率为2.52 THz的太赫兹波在焦距为100 mm的picarin 透镜聚焦下,不同光纤长度对传输影响所得光斑图. 选用直径均为8.1 mm,长度分别为160和289 mm的直Topas COC光纤. 图中右侧的不同颜色数字代表能量,自下向上能量渐增,由此可以判断光斑能量强弱. 可见,图4(a)呈现的同心光斑明显比图4(b)明亮,可知其能量更高,表明传输损耗随光纤长度的增加而增大.
图5为2.52 THz的太赫兹波在焦距为100 mm的 picarin透镜聚焦下,不同弯曲程度的光纤对传输影响所得光斑图. 选用直径均为9 mm,长度均为500 mm的直Topas COC光纤与弯度为100°的Topas COC光纤,如图1(d). 图5(a)呈明显的同心亮斑,不同于以上实验结果,外圈多一圈同心圆环,说明该结构Topas COC光纤(直径为9 mm)对2.52 THz波的限制稍弱,有少部分光泄露至包层中. 与图5(a)相比,图5(b)的光斑明显变弱,能量有一定损耗,表明Topas COC光纤在传输2.52 THz的太赫兹波时存在少量的弯曲损耗.
图6为透镜聚焦情况下,不同频率对该结构光纤传输影响所得光斑图.选用直径为9 mm、长度为500 mm,弯度为100°的Topas COC光纤. 可见,图6(a)的光斑能量明显高于图6(b),由此表明该结构Topas COC光纤对1.89 THz波的限制损耗稍小些,并具有较小的传输损耗.实验结论与理论计算相符.
图4 2.52 THz波经透镜聚焦入射光纤传输光斑图
Fig.4 The light spot diagram of the 2.52 THz wave coming out of Topas COC fiber by the lens focusing
图5 2.52 THz波经透镜聚焦入射不同弯度光纤传输所得斑图
Fig.5 The spot diagram of the 2.52 THz wave coming out of Topas COC fiber by the lens focusing that have the diffirent bending
本研究首次对直径较大空芯微结构Topas COC光纤在1.89和2.52 THz的传输特性进行实验研究. 结果表明,太赫兹波在该结构光纤中的传输效果优于空气; 其传输损耗随光纤长度增大而递增,并存在一定弯曲损耗; 在1.89 THz处的限制损耗稍小于2.52 THz处,传输效果更好,与光纤结构有关,与理论计算一致. 此光纤用于太赫兹波传输改变了太赫兹波目前只能在自由空间内传输的现状,使太赫兹波光路不再束缚于直线或折线传输,而可以弯曲传输,降低了太赫兹波的传输损耗. 这种微结构聚合物光纤在太赫兹传感和应用技术中具有一定应用前景.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
(1984年创刊 双月刊)
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