HWG 和 PIR 光纤： 二氧化碳激光束传输解析

导言
本文将讨论如何使用 HWG 和 PIR 光纤传输 CO2 和 CO 激光光束。CO2 和 CO 激光器自半个多世纪前发明以来，因其多功能性、转换效率和脉冲能量远远优于其他激光器而吸引了众多研究人员和工业界的关注。它们在皮肤病学、换肤、牙科、神经外科和整形外科等医疗应用领域尤其受欢迎。

在继续详细介绍此主题之前，FindLight 要感谢 art photonics GmbH 在撰写本文时提供的支持。 art photonics 是开发和生产应用广泛的特种光纤产品的领先企业。其多晶中红外 (PIR-) 光纤和金属涂层二氧化硅光纤技术被广泛应用于医疗诊断和工业过程控制的各种光谱探头中。

这些激光器的工作波长很长（CO 激光器为 5-6 µm，CO2 激光器为 10.6 µm），非常适合软组织手术，因为它们能够使用同一仪器切割和凝固皮肤。对于上述某些医疗应用，必须将灵活的光束传输系统与激光源集成在一起。该系统将引导光线从激光源照射到应用部位，同时保护激光器免受损坏，并为外科医生和医疗专业人员的工作提供便利。

灵活的传输系统在激光手术中尤为重要，因为它们易于处理和操作。虽然也有铰接臂等其他传输系统，但灵活的传输系统更受欢迎。光导纤维是最常用的光束传输系统之一，但它能用于传输 CO2 和 CO 激光辐射吗？答案是否定的。光网络和电信中使用的标准光纤由熔融石英制成，这种材料的特点是在波长大于 2 µm 的中红外范围（中红外）具有高吸收率（或吸收）。因此，使用这种光纤会导致较高比例的功率损耗。

长期以来，这一直是个问题。由于缺乏支持红外辐射的技术，限制了 CO2 和 CO 激光器在医疗应用中的集成。幸运的是，随着 HWG 和 PIR 等高穿透性中红外光纤的发明，这一问题已经得到解决。在本文中，我们将讨论一些基于 HWG 和 PIR 光纤（可与 CO2 和 CO 激光器配合使用）的最流行的柔性激光光束传输系统，以及提高其性能的方法。

中红外光纤和光束传输的历史 
科学家们在 20 世纪 60 年代左右开始研究红外（IR）材料，并在 20 世纪 60 年代中期制造出了第一根红外光纤。然而，直到 20 世纪 70 年代中期，红外光纤的发展一直很缓慢。在此期间，由于军事传感应用需要一种能传输长波长辐射的光纤，人们对研究这些光学元件的兴趣日益浓厚。

到 1975 年，已经出现了几种红外和中红外光纤，并将重点转移到优化这些光纤上。红外光纤可分为三类：玻璃、晶体和中空波导。在本文的其余部分，我们将深入探讨其中的 2 个类别。

卤化银（PIR）光纤
卤化银光纤是一种多晶红外（PIR）光纤，具有中红外高透过率的特点。与标准光纤一样，PIR 光纤通过全内反射传播光线。PIR 光纤由纤芯和包层组成，包层由卤化物材料制成，因此纤芯的折射率高于包层的折射率。据 art photonics GmbH 公司报告，在波长为 3 µm 至 17 µm 的范围内，1 米长的 PIR 光纤的透射率约为 70%。这些 PIR 光纤还具有低衰减的特点。

卤化银光纤的最大优势之一是其灵活的传输方式和机械强度。这些特性使光纤可以弯曲，而不会出现明显的功率损耗。不过，尽管这些光纤在中红外范围内的吸收率较低，但光纤两端的菲涅尔反射损耗会显著降低透射率。因此，必须对 PIR 光纤进行处理，以尽量减少菲涅尔损失，达到最佳功率传输效果。在以下几节中，我们将讨论处理 PIR 光纤以减少传输损耗的各种可行方法。


显示纤芯和包层的圆柱阶跃光纤纵向截面图。维基共享资源提供。
处理卤化银（PIR）光纤的方法
如上所述，菲涅尔反射损耗会阻碍 PIR 光纤的性能并导致功率损耗。这种效应源于空气（n_air = 1）和光纤（n_halide = 2.1，中红外）之间的高折射率对比。在最近的一项研究中，art photonics 估计光纤两端（光纤-空气或空气-光纤界面）的功率损耗约为 13%，因此一根光纤的总体功率损耗为 25%。幸运的是，有几种方法可以处理卤化银光纤，并将功率传输提高到 90%。在下面的章节中，我们将介绍其中的一些技术。有兴趣了解更多光纤微结构方法的读者，可参考本文末尾提供的参考资料。

抗反射帽
减少菲涅尔反射损耗的一种方法是使用抗反射（AR）帽。这些盖帽涂有防反射膜，连接在 PIR 光纤的两端。报告显示，当 PIR 光纤连接到 AR 盖帽上时，其传输率可提高到 92.5%。

抗反射膜的折射率介于空气和光纤所使用的卤化物材料之间。这种选择可以用下图所示的反射方程来解释：


其中 n_i 和 n_s 分别为输入介质和第二介质的折射率。因此，通过减小两种介质之间的折射率差，反射率就会减小，整体反射率也会降低。

虽然抗反射膜帽在降低光纤输入表面的功率密度和菲涅尔反射方面效果显著，但由于其损坏阈值低（涂层在高功率水平下会退化）和光谱范围不广（涂层具有最佳性能的频率或波长范围）而受到限制。

抗反射微结构
减少菲涅尔反射损耗的更好方法是对光纤端部进行剖面处理，形成抗反射微结构 (ARM)。这种方法通常也被称为 "蛾眼"。飞蛾是一种夜间活动的昆虫，其眼睛几乎不反射光线。电子显微镜捕捉到的图像显示，飞蛾的眼睛看起来就像一个被称为 "omatidia "的圆顶阵列或网格，如下图所示。

一张特写图片，显示组成蛾眼的膜片。由 Hippopx 提供。

这就形成了一层纳米结构的薄膜，在空气和材料之间形成有效的折射率梯度，从而减少反射。受此启发，Fiberguide 公司的研究人员开发出了一种防反射技术，它可以复制蛾眼的效果，并将某些频率的反射率降低到 0.01%。

这种技术无需使用任何其他元件或工具，可直接应用于光纤末端，因此非常具有优势。不过，值得注意的是，摩丝眼微结构只能应用于熔融石英等硬质材料。不过，其他具有相同效果的图案化微结构也已被开发出来，并用于卤化银等软质材料。

在下面的章节中，我们将讨论一些用于在卤化银纤维末端制造防反射微结构的技术。

SMART 处理
特殊微结构抗反射处理（简称 SMART）是一种蚀刻技术，通过切割纤维或使用微结构刀刮掉材料，形成一维图案（等距分开的直槽或脊线）。当纤维的两端都经过处理时，SMART 技术可将传输率提高 16%。

ARM 压印处理
这是对光纤进行微结构处理的最简单方法，它是通过在光纤端部直接压印来实现的。这种方法通过在纤维端面按压母版来复制蛾眼的二维结构。由于图案非常小（纳米级），因此很难在不损坏复制品的情况下移除母版。幸运的是，这对许多材料来说都不是问题。此外，我们还希望通过改进制作工艺来避免这一问题。当光纤的两端都经过处理时，这项技术可将中红外激光辐射的传输率从 70% 提高到 90%。

飞秒激光烧蚀 ARM 处理技术
这是另一种在光纤端面上创建二维图案的微结构技术。微结构是通过使用功率强大的单脉冲飞秒激光钻孔制造的。研究报告显示，对光纤的一端进行处理后，传输率可提高 8%。这种技术的主要优点是可以在平整和不平整的表面上进行。与之前讨论的技术相比，它所需的步骤也更少。研究人员仍在开发这种方法，以达到更好的传输效果。

空心波导
标准光纤由两个主要部分组成：纤芯和包层，纤芯和包层通常由玻璃或塑料材料制成。在空心波导（HWG）中，纤芯是空气，因此被称为空心。空心波导本质上是由塑料或金属材料制成的光导管，也依靠全内反射（TIR）将中红外辐射传播到几米远的距离。这些类似光纤的结构具有功率阈值高、吸收损耗低、柔性好、无末端反射等优点，是激光传输的理想选择。

由于核心是空气，这些波导在输入或输出端没有物理端面，因此完全消除了菲涅尔反射损耗。它们可以传播中红外辐射，衰减低至 0.1dB/m，功率传输高达 90%。此外，据 art photonics 报道，这些波导可同时支持特定波长或 CO2 和 CO 辐射。

研究还表明，700 微米的空心波导的传输率在 65% 到 70% 之间，而内径为 900 微米的空心波导的功率传输率在 70% 到 80% 之间。这意味着，只需增大波导的尺寸，就能提高功率传输率。

然而，空心波导具有较高的弯曲敏感性。波导的弯曲会导致低阶模式耦合到限制或引导较少的高阶模式中。换句话说，当波导弯曲时，功率会泄漏到圆柱形结构之外，从而导致功率损耗。事实上，弯曲造成的功率损耗与弯曲半径成反比，这意味着空心波导的环路或曲线越小，功率损耗就越大。经验数据表明，某些空心波导的弯曲半径为 10 厘米时，功率传输可下降到 50%。

光束传输系统示例：圆形空心波导。由 ScienceDirect 提供。

波导弯曲也会导致场分布失真。

光束传输系统： 卤化银（PIR）光纤与空心波导
了解了这两种光束传输系统的特性后，您可能会问："HWG 和 PIR 光纤哪种技术更适合 CO2 和 CO 激光传输？HWG 和 PIR 光纤各有优缺点，因此答案是根据应用来选择。空心波导具有极高的传输率，无需任何特殊处理即可达到 90%，并且具有无物理端面的优势。这意味着传输不受反射损耗的影响。但是，如果应用中需要对波导进行大量弯曲，这种传输方式就会变得效率低下。艺术光子学对 HWG 的弯曲损耗进行的实验表明，HWG 因弯曲而产生的衰减是 PIR 光纤的 3 倍。

另一方面，卤化银（PIR）光纤非常坚固，比空心波导更能承受弯曲效应。虽然 PIR 光纤的传输率通常不会超过 70%，但有许多方法可以将这种光纤的传输率提高到 90%。

结论 
世界上第二台激光器是中红外固体激光器。这一发明为中红外激光器在不同领域的广泛应用中的发展和集成提供了可能。在所有已制造的中红外激光器中，CO2 和 CO 激光器仍然是这一光谱范围内最好的激光器。多年来，这些激光器主导了许多行业和领域，包括传感、医学成像、焊接、打标、切割、光谱学和外科手术。

CO 和 CO2 激光器因其光与组织的相互作用而闻名，这使它们成为激光手术的绝佳选择。这些激光可以精确到单细胞地消融皮肤，对周围组织的损伤相对较小，副作用也较小。CO 和 CO2 激光器发出的辐射波长不会深入皮肤，这进一步减少了对组织的损伤。尽管二氧化碳和一氧化碳激光器具有这些优势特性，但直到近十年后中红外光纤被发明出来，二氧化碳和一氧化碳激光器才被整合到医疗应用中。

这一新技术使医疗领域受益于 CO2 和 CO 激光。HWG 和 PIR 光纤都是最好的中红外光束传输系统。它们具有极大的灵活性，而这正是激光手术所需要的。此外，它们还能支持高功率和宽波长范围，同时保持低吸收水平。尽管存在一些缺点，如中空波导的高弯曲灵敏度或卤化银光纤的菲涅尔反射损耗，但通过处理光纤或在弯曲半径大于最小弯曲半径的应用中使用光纤，可以最大限度地减少这些影响并降低功率损耗。

参考资料

1. Mikhail K. Tarabrin, Andrey A. Bushunov, Andrei A. Teslenko, Tatiana Sakharova, Jonas Hinkel, Iskander Usenov, Torsten Döhler, Ute Geißler, Viacheslav Artyushenko, and Vladimir A. Lazarev, “Fabrication of an antireflection microstructure on AgClBr polycrystalline fiber by single pulse femtosecond laser ablation,” Opt. Mater. Express 11, 487-496 (2021), https://opg.optica.org/ome/fulltext.cfm?uri=ome-11-2-487&id=446868
2. Sonata Adomavičiũtė-Grabusovė, Jonas Hinkel, Iskander Usenov, Alexander S. Novikov, Tatiana Sakharova, Torsten Döhler, Ute Geißler, Elena Feliksberger, and Viacheslav Artyushenko, “Microstructuring of the end-surface for silver halide polycrystalline fibers to suppress Fresnel reflection,” Opt. Mater. Express 12, 34-48 (2022), https://opg.optica.org/ome/fulltext.cfm?uri=ome-12-1-34&id=465630