一种热辐射性能高的表面等离激元光纤

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.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。
7.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。
8.优选的，所述孔阵列上孔的大小和孔的排列周期与包层光波长、光纤包层的折射率、金属层的折射率相关，使包层光激发的指定波长范围内的表面等离激元波被约束在金属层内侧、空间尺寸小于其自由空间波长的区域。
9.优选的，所述孔阵列上的孔形状为矩形、圆形、三角形、多边形中的任一种。
10.优选的，所述金属层(3)的厚度大于表面等离激元波在该金属层中的渗透深度。
11.优选的，所述金属层(3)为铝、钛、金、银、铜中的任一种。
12.优选的，所述热辐射率层(4)为碳、碳化硅、二氧化硅、氮化硅涂层中的任一种。
13.优选的，所述热辐射率层(4)外侧设置有冷却层(5)。
14.优选的，所述冷却层(5)为纳米多孔聚乙烯层、硅胶层中的任一种。
15.本发明还提出一种热辐射性能高的表面等离激元光纤的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：入射光进入光纤、产生包层光，包层光入射到光纤包层(2)和金属层(3)的分界面，形成表面等离激元波；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呈指数方式衰减；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。
16.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
17.(1)包层残留光入射到孔阵列排布的金属层上，在表面等离激元作用下，被很好地限制在亚波长空间尺寸下，有效限制了包层残留光的能量和传播路径。
18.(2)利用热辐射率对比的结构，将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，提高了散热性能，避免了温度过高的问题，体积小，比较稳定。
19.(3)兼顾滤除包层残留光和有效散发包层残留光热量的两种效果。
附图说明
20.图1为本发明的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤的截面结构示意图；
21.图2为本发明的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤的金属层外表面示意图；
22.图3为本发明的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤的sp传播和热辐射原理示意图；
23.图4为实施例1的径向sp电场局部(一个孔阵列周期内)示意图；
24.图5为实施例1的透射系数和波长的关系图；
25.图6为实施例1的透射率和反射率与入射角的关系图；
26.图7为对比例1的透射率和反射率与入射角的关系图；
27.附图标记：1、光纤纤芯；2、光纤包层；3、金属层；4、热辐射率层；5、冷却层。
具体实施方式
28.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。
29.示例性的，所述金属层(3)通过磁控溅射沉积到所述光纤包层(2)，所述金属层(3)的厚度由溅射的功率和时间控制；多孔阵列的结构通过离子束的方法制成；所述热辐射率层(4)通过刮墨刀将浆料涂覆到所述金属层(3)上，更换刮墨刀的量规可以改变热辐射率层(4)的厚度；最终将所述冷却层(5)涂覆到所述热辐射率层(4)外。
30.本发明提出的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤的工作方法包括以下步骤：入射光进入光纤、产生包层光，包层光入射到光纤包层(2)和金属层(3)的分界面，形成表面等离激元波；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呈指数方式衰减；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。
31.滤除包层光的原理为：当光入射到具有亚波长周期孔阵列的金属薄膜时，光的透射效率得到极大的增强，突破了传统孔径衍射理论的极限。具体的，如图1～3所示，所述金属层(3)为多孔阵列排布的结构，使得从所述光纤包层(2)自由出射的包层光的波矢满足相位匹配条件，与sp实现波矢匹配，从而能够在所述光纤包层(2)和所述金属层(3)的界面激发表面等离激元，引起局域场限制和场增强。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呈指数方式衰减；由于周期孔阵列金属薄膜的独特性能，表面等离激元波能够被约束在金属层内侧、空间尺寸远小于其自由空间波长的区域，有效限制光的传播路径；从而避免滤除的包层光自由散射，能够减少包层中残留的包层光，提高输出激光的光束质量。
32.有效散发包层光热量的原理为：所述孔阵列结构排布的金属层(3)与所述光纤包层(2)的波导结构可以激发表面等离激元，将包层残留光激发成表面等离激元波，有效限制了包层光传播路径，但是滤除的包层残留光会产生大量的热量。在以上技术方案的基础上，在所述金属层(3)外侧设置一层热辐射率层(4)，由于金属层(3)比热辐射率层(4)的热辐射率低，采用这种热辐射率差别较大的结构，能够在以热辐射为主、协同热传导和热对流的方式有效散热，最终将滤除包层残留光和散热的双重需求有机结合了起来。
33.在本发明中，所述金属层(3)为铝、钛、金、银、铜中的任一种，这些材料制备的孔阵列结构排布的金属层(3)均能激发表面等离激元波。所述热辐射率层(4)为碳、碳化硅、二氧化硅、氮化硅涂层中的任一种，这类材料比金属层(3)的热辐射率高，与金属层(3)之间形成热辐射率差别较大的结构，能有效散热。应当理解，所述金属层(3)和热辐射率层(4)能够采用的材料包括但不限于以上几种。
34.优选的，所述金属层(3)的厚度大于表面等离激元在该金属中的渗透深度，可以使得表面等离激元波更充分地耦合出包层光。
35.在孔的结构方面，本发明对所述孔形状无需做任何限定，例如孔形状可以为矩形、圆形、三角形、多边形中的任一种。所述孔阵列上孔的大小和孔的排列周期与包层光波长、光纤包层(2)的折射率、金属层(3)的折射率相关，只要能够使包层光激发的指定波长范围内的表面等离激元波被约束在金属层内侧、空间尺寸小于其自由空间波长的区域。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，可使得包层光的热量散发更均匀。
36.为了获得更好的散热效果，所述热辐射率层(4)外侧设置有冷却层(5)，采用冷却层(5)降低热辐射率层的温度，使金属层(4)内侧的表面等离激元波携带的热量能够更好地传导出。优选的，所述冷却层(5)为纳米多孔聚乙烯层、硅胶层中的任一种。
37.实施例1
38.本实施例提供一种热辐射性能高的表面等离激元光纤。所述表面等离激元光纤包括光纤纤芯、包层、孔阵列排布的金属层以及热辐射率层。其中，纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4；包层为石英玻璃，折射率为1.2-1.3；金属层为铝涂层，波长1080nm下折射率为1.3641，辐射率为0.35；孔的形状为长方形，长方形孔的长和宽分别为675nm和150nm，孔的排列周期在光纤轴向和径向上均为750nm；热辐射率层为碳涂层，辐射率为0.9。
39.实施例2
40.本实施例提供一种热辐射性能高的表面等离激元光纤。所述表面等离激元光纤包括光纤纤芯、包层、孔阵列排布的金属层以及热辐射率层。其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4；包层为石英玻璃，折射率为1.2-1.3；金属层为铝涂层，波长1080nm下折射率为1.3641，辐射率为0.35；孔的形状为等腰三角形，等腰三角形孔的底和高分别为200nm和800nm，孔的排列周期在光纤轴向和径向上均为750nm；热辐射率层为碳涂层，辐射率为0.9。
41.实施例3
42.本实施例提供一种热辐射性能高的表面等离激元光纤。所述表面等离激元光纤包括光纤纤芯、包层、孔阵列排布的金属层以及热辐射率层。其中，纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4；包层为石英玻璃，折射率为1.2-1.3；金属层为钛涂层，波长1080nm下折射率为3.3489，辐射率为0.20；孔的形状为长方形，长方形孔的长和宽分别为675nm和150nm，孔的排列周期在光纤轴向和径向上均为750nm；热辐射率层为碳涂层，辐射率为0.9。
43.实施例4
44.本实施例提供一种热辐射性能高的表面等离激元光纤。所述表面等离激元光纤包括光纤纤芯、包层、孔阵列排布的金属层以及热辐射率层。其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4；包层为石英玻璃，折射率为1.2-1.3；金属层为铝涂层，波长1080nm下折射率为1.3641，辐射率为0.35；孔的形状为长方形，长方形孔的长和宽分别为675nm和150nm，孔的排列周期在光纤轴向和径向上均为750nm；热辐射率层为碳化硅涂层，辐射率为0.8。
45.对比例1
46.本对比例提供一种表面等离激元光纤。所述表面等离激元光纤包含光纤纤芯、包层以及金属层，金属层上无孔阵列排布，无热辐射率层。其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4；包层为石英玻璃，折射率为1.2-1.3；金属层为铝涂层，波长1080nm下折射率为
1.3641。
47.对比例2
48.本对比例提供一种表面等离激元光纤。所述表面等离激元光纤包含光纤纤芯、包层以及孔阵列排布的金属层，无热辐射率层。其中纤芯为掺镱石英玻璃，折射率为1.3-1.4；包层为石英玻璃，折射率为1.2-1.3；金属层为铝涂层，波长1080nm下折射率为1.3641；孔的形状为长方形，长方形孔的长和宽分别为675nm和150nm，孔的排列周期在光纤轴向和径向上均为750nm。
49.表1为在自然对流、热源为广义源的条件下，实施例1-4与对比例1-2的表面等离激元光纤的温度模拟仿真结果。
50.表1实施例1-4与对比例1-2的表面等离激元光纤的温度模拟仿真结果
[0051][0052][0053]
仿真结果分析：
[0054]
实施例1的sp电场局部示意图见图4，透射系数和波长的关系见图5，孔阵列的四个角电场强度明显增强，表明激发了表面等离激元。
[0055]
图6和图7分别为实施例1与对比例1在同一波长下、透射率t0和反射率r0与入射角的关系图，结果表明在设计的孔阵列结构下，包层光的透射率极大增强。在对比例1中，包层光无法进入金属层；在实施例1中，包层光利用孔阵列激发出表面等离激元，在中红外波段能耦合出更多的包层光能量，透射率得到增强。相比于对比例1，实施例1的结构起到了滤除包层光的作用。
[0056]
表1中的实施例1和对比例1的温度仿真结果表明，本发明下的金属层和热辐射率层辐射率对比的组合结构，使得温度能均匀分布导出，减轻了包层光大量滤除下给散热带来的压力，热辐射性能较高。对比例1和对比例2的温度仿真结果表明，只有金属层、没有热辐射率层，即使激发了表面等离激元波，由于表面等离激元波限制在金属层、其所携带的热量仍然无法散出。
[0057]
表1中的实施例1和实施例2的温度仿真结果表明，不同的孔形状都可以激发表面等离激元波，起到高散热性能的效果。
[0058]
表1中的实施例1和实施例3的温度仿真结果表明，铝和钛都能达到高散热性能的效果。在实际应用中，优选铝制备金属层可降低成本和工艺难度。
[0059]
表1中的实施例1和实施例4的温度仿真结果表明，热辐射率层的不同材料都能达到高散热性能的效果。
[0060]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，包括但不限于厚度的变更、涂层材料的变化，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，其特征在于，所述孔阵列上孔的大小和孔的排列周期与包层光波长、光纤包层(2)的折射率、金属层(3)的折射率相关，使包层光激发的指定波长范围内的表面等离激元波被约束在金属层内侧、空间尺寸小于其自由空间波长的区域。4.根据权利要求1所述的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，其特征在于，所述孔阵列上的孔形状为矩形、圆形、三角形、多边形中的任一种。5.根据权利要求1所述的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，其特征在于，所述金属层(3)的厚度大于表面等离激元波在该金属层中的渗透深度。6.根据权利要求1所述的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，其特征在于，所述金属层(3)为铝、钛、金、银、铜中的任一种。7.根据权利要求1所述的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，其特征在于，所述热辐射率层(4)为碳、碳化硅、二氧化硅、氮化硅涂层中的任一种。8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，其特征在于，所述热辐射率层(4)外侧设置有冷却层(5)。9.根据权利要求8所述的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤，其特征在于，所述冷却层(5)为纳米多孔聚乙烯层、硅胶层中的任一种。10.根据权利要求1～7任意一项所述的一种热辐射性能高的表面等离激元光纤的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：入射光进入光纤、产生包层光，包层光入射到光纤包层(2)和金属层(3)的分界面，形成表面等离激元波；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呈指数方式衰减；表面等离激元波携带的热量，通过热辐射率层(4)以热辐射为主、协同热传导和热对流的方式传输出去。

技术总结
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。光纤局部温度过高的问题。光纤局部温度过高的问题。


技术研发人员：叶莉华 赵宇杰 丁柯风 闫大鹏
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/13