一种高非线性倍频产生反谐振光纤

1.本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种高非线性倍频产生反谐振光纤。


背景技术：

2.二维材料是由单层或少层的原子或分子组成的材料，电子只能在两个维度的纳米尺度上运动，二维材料由离子键和共价键组成的层内作用力比较强，层间范德瓦耳斯力较弱。其独特的二维结构使得这种材料展现出许多奇特的性质。目前二维材料主要包括有石墨烯、过渡金属硫族化合物、黑磷等。其中过渡金属硫族化合物基本化学式可写为mx2，其中，m代表过渡金属元素，x表示硫族元素，如硫(s)、硒(se)、碲(te)等。由于部分二维材料，如过渡金属硫族化合物中的二硫化钼(mos2)具有非反演对称性，存在较大的二阶非线性系数，故可应用于与光相互作用产生明显的二次谐波。
3.二次谐波产生，即为非线性倍频产生，是一种非线性光学过程，光入射到材料中，与材料发生相互作用，当入射基频光与倍频光的有效折射率相等，满足相位匹配，且入射光功率大于材料二阶非线性效应产生的阈值功率时，会产生的一种频率变为入射光频率两倍，波长变为入射光一半的出射光，这就成为二次谐波产生。其产生与光的强度及材料的二阶非线性系数有关。非线性倍频产生已广泛应用于材料科学、物理化学、生物医学等领域。
4.反谐振光纤，利用反谐振反射原理将光场约束在光纤纤芯中实现导光。目前市面上常见的反谐振光纤主要是通过设计反谐振光纤的结构达到降低光纤损耗的目的，结构设计包括添加毛细管的数量、更改毛细管的管径、更改管间间距、改变毛细管形状及嵌套多层毛细管等方法。原理大致是各个管壁厚度相同的毛细管同时对特定波长范围的光满足反谐振条件，通过优化结构使反谐振反射的效果更佳，实现降低光纤损耗的目的。反谐振光纤由于纤芯由空气组成，包层由折射率比空气大的石英毛细管组成，有效的避免了在传导过程中瑞利散射带来的损耗，这是相比传统实芯光纤有巨大优势。但是也因为纤芯由空气组成，使得光场在光纤传输时非线性效应较弱，令光纤的应用场景受限。为了解决上述问题，本发明提出了一种高非线性倍频产生反谐振光纤。


技术实现要素：

5.本发明目的是提供一种高非线性倍频产生效率、不破坏光纤结构、不破坏光原本传输模式、宽工作波段、易集成的二维材料复合反谐振光纤。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种高非线性倍频产生反谐振光纤，包括有外包层，所述外包层内部阵列排布有嵌套毛细管，所述嵌套毛细管之间为空气；所述嵌套毛细管包括有外毛细管和内毛细管，所述内毛细管设置在外毛细管内部，所述外毛细管和内毛细管的内、外层管壁上均设置有二维材料层。
8.优选地，所述外包层、外毛细管和内毛细管均由二氧化硅材料制成。
9.优选地，所述外毛细管与内毛细管的管壁厚度不一致。
10.优选地，所述外毛细管与内毛细管的厚度根据需要倍频的波长作更改。
11.优选地，所述光纤可以将输入的基频光转变位倍频光，并在纤芯中传输。
12.优选地，所述二维材料层通过化学气相沉积法在外毛细管和内毛细管的内、外层管壁表面生长连续的单层或多层二维材料薄膜制得。
13.与现有技术相比，本发明提供了一种高非线性倍频产生反谐振光纤，具备以下有益效果：
14.本发明中提出的反谐振光纤在外包层的内部阵列排布有嵌套毛细管，形成两层嵌套结构；嵌套毛细管的外毛细管与内毛细管的管壁厚度不一致，根据反谐振反射和谐振透射原理设计，令外毛细管的管壁厚度满足对入射基频光的谐振条件，故光场可以穿过外毛细管，同时在外毛细管和内毛细管的内、外层管壁设置有二维材料，则光场与外毛细管壁上的二维材料充分接触，有效促进光与物质相互作用，从而产生二次谐波。新产生的二次谐波需要在纤芯中实现较低损耗的传导才能实际应用起来，令嵌套的内毛细管管壁厚度满足对新产生的二次谐波的反谐振条件，则二次谐波会被反射回纤芯，并在纤芯中传导，从而实现提高非线性倍频产生效率的目的。
15.综上所述，本发明所提出的二维材料复合反谐振光纤，与光纤光路系统耦合方便，倍频效率高，可广泛应用于材料科学、物理化学、生物医学等领域。
附图说明
16.图1为本发明提出的一种高非线性倍频产生反谐振光纤的结构示意图；
17.图2为本发明图1中a部分放大结构示意图；
18.图3为本发明提出的一种高非线性倍频产生反谐振光纤的工作原理示意图。
19.图中标号说明：
20.1、外包层；2、嵌套毛细管；201、外毛细管；202、内毛细管；203、二维材料层。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
22.实施例1：
23.请参阅图1-2；
24.一种高非线性倍频产生反谐振光纤，包括有外包层1，外包层1内部阵列排布有嵌套毛细管2，嵌套毛细管2之间为空气；嵌套毛细管2包括有厚度不一致的外毛细管201和内毛细管202，内毛细管202设置在外毛细管201内部，外毛细管201和内毛细管202的内、外层管壁上均设置有二维材料层203。
25.外包层1、外毛细管201和内毛细管202均由二氧化硅材料制成。
26.在嵌套型反谐振光纤的设计基础上，外毛细管201和内毛细管202厚度根据需要倍频的波长作更改，如图2所示。
27.请参阅图3，上述高非线性倍频产生反谐振光纤的工作原理如下：
28.入射光在反谐振光纤中传播，当毛细管厚度满足对入射光的谐振条件时，毛细管对入射光的透过率达到最大值，当毛细管厚度满足对光的反谐振条件时，毛细管对光的反
射率达到最大值。本发明使用的嵌套结构反谐振光纤具有的两层毛细管且管壁厚度不一致。
29.在嵌套结构反谐振光纤的外毛细管201和内毛细管202的内、外壁引二维材料，二维材料与光发生相互作用，由于此二维材料具有高二阶非线性系数，故在与光的相互作用下产生二次谐波。入射基频光满足谐振条件，能最大程度透过外毛细管201，相比传统光纤能更好地与二维材料的接触，发生相互作用，而倍频光满足外毛细管201的谐振条件，同时也满足内毛细管202的反谐振条件，故倍频光可以透过外毛细管201，但会被内毛细管202最大程度地反射回纤芯中传导。
30.结合上述描述，当光在本发明所提出的二维材料复合反谐振光纤种进行传导时，二维材料与进入外毛细管201的光波发生相互作用，产生二次谐波，实现倍频，同时由于光被内毛细管202反射回纤芯，光场会再次和二维材料相互作用，提高倍频效率。使得入射光的频率在出射时频率变为原来两倍，波长变为原来一半，如图3所示。
31.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种高非线性倍频产生反谐振光纤，其特征在于，包括有外包层(1)，所述外包层(1)内部阵列排布有嵌套毛细管(2)，所述嵌套毛细管(2)之间为空气；所述嵌套毛细管(2)包括有外毛细管(201)和内毛细管(202)，所述内毛细管(202)设置在外毛细管(201)内部，所述外毛细管(201)和内毛细管(202)的内、外层管壁上均设置有二维材料层(203)。2.根据权利要求1所述的一种高非线性倍频产生反谐振光纤，其特征在于，所述外包层(1)、外毛细管(201)和内毛细管(202)均由二氧化硅材料制成。3.根据权利要求1所述的一种高非线性倍频产生反谐振光纤，其特征在于，所述外毛细管(201)与内毛细管(202)的管壁厚度不一致。

技术总结
本发明公开了一种高非线性倍频产生反谐振光纤，属于光电子技术领域。本发明所提出的一种高非线性倍频产生反谐振光纤，包括有外包层，所述外包层内部阵列排布有嵌套毛细管，所述嵌套毛细管之间为空气；所述嵌套毛细管包括有外毛细管和内毛细管，所述内毛细管设置在外毛细管内部，所述外毛细管和内毛细管的内、外层管壁上均设置有二维材料层。本发明与光纤光路系统耦合方便，倍频效率高，可广泛应用于材料科学、物理化学、生物医学等领域。生物医学等领域。生物医学等领域。


技术研发人员：周旭 甘家杰
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：2022.12.06
技术公布日：2023/3/7