[發(fā)明專利]一種光子晶體傳像光纖及其設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111040708.6
• 申請(qǐng)日: 2021-09-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113777699B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高福宇;范榮華;楊越;鄭月;李立京
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B6/02
• 分類號(hào): G02B6/02;G02B23/26;G02B27/00
• 代理公司: 北京天匯航智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11987
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發(fā)明公開(kāi)了一種光子晶體傳像光纖及其設(shè)計(jì)方法，光子晶體傳像光纖的纖芯與包層同軸，纖芯為實(shí)芯，包層包括空氣孔構(gòu)成的空氣層，空氣孔整體呈六邊形排列，空氣層的厚度≤2.45μm，空氣層的直徑≤8.89μm。本發(fā)明的光纖具有可見(jiàn)光波段低限制損耗、直徑超細(xì)、耐輻照性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將其用于光纖內(nèi)窺鏡中，既能提高光纖內(nèi)窺鏡的分辨率又能擴(kuò)展光纖內(nèi)窺鏡的應(yīng)用場(chǎng)景，可解決輻照環(huán)境下難以實(shí)現(xiàn)高分辨成像的難題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于特種光纖技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可見(jiàn)光波段的耐輻照、超細(xì)的光子晶體傳像光纖及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

核能作為清潔能源，因其發(fā)電轉(zhuǎn)換效率高、燃料儲(chǔ)量豐富、具有廣闊的應(yīng)用前景而備受人們青睞。不足的是核能發(fā)電時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的核輻照(如大量γ射線等)，一旦發(fā)生核泄漏將會(huì)帶來(lái)巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失以及對(duì)環(huán)境產(chǎn)生長(zhǎng)久性的破壞。因此，安全合理的利用核能發(fā)電已經(jīng)成為全球能源研究方面的熱點(diǎn)之一。

為了安全可控的利用核能發(fā)電，需要對(duì)核能發(fā)電過(guò)程和換料過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)。由于核反應(yīng)的特殊性，工業(yè)攝像機(jī)在強(qiáng)輻照的環(huán)境下會(huì)造成圖像嚴(yán)重失真，無(wú)法正常工作。強(qiáng)輻照對(duì)工業(yè)攝像機(jī)的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，輻照環(huán)境會(huì)使攝像機(jī)鏡頭的折射率、體積等發(fā)生改變，導(dǎo)致信噪比、成像質(zhì)量下降，結(jié)構(gòu)匹配性變差。可使用摻雜輻照穩(wěn)定劑(如CeO₂)的耐輻鏡頭解決這一問(wèn)題。第二，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)中的圖像傳感器(CCD/CMOS)基于的材料是摻雜半導(dǎo)體，輻照環(huán)境中的γ射線會(huì)使材料中的電子脫離束縛變成自由電子，這樣就產(chǎn)生一個(gè)偽的電信號(hào)(不是由真實(shí)成像光線產(chǎn)生)，形成了γ輻射導(dǎo)致的噪點(diǎn)；此外，半導(dǎo)體晶格與γ射線相互作用產(chǎn)生新的物質(zhì)，會(huì)在半導(dǎo)體上形成晶格缺陷，導(dǎo)致此像素點(diǎn)無(wú)法敏感光信號(hào)，成為圖像上一個(gè)永久的壞點(diǎn)。雖然數(shù)字?jǐn)z像機(jī)具有高成像分辨率，但其圖像傳感器(CCD/CMOS)無(wú)法在強(qiáng)輻照環(huán)境下實(shí)時(shí)正常工作；模擬攝像機(jī)的圖像傳感器是真空管，相對(duì)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的圖像傳感器而言耐輻照性能相對(duì)好一些，但模擬攝像機(jī)的分辨率較低，成像質(zhì)量較差。綜上所述，要使用高分辨率的圖像傳感器(CCD/CMOS)，則需改變攝像機(jī)的成像體制，使高分辨率圖像傳感器遠(yuǎn)離輻照環(huán)境。

光纖內(nèi)窺鏡的成像體制為利用物鏡將目標(biāo)物體成像到光纖傳像束的入射端面，將光纖傳像束出射端面的像通過(guò)耦接鏡耦合到圖像傳感器的靶面上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，送入控制顯示系統(tǒng)生成圖像。如上所述，光纖內(nèi)窺鏡的成像體制可以實(shí)現(xiàn)圖像傳感器在無(wú)輻照的環(huán)境下工作。據(jù)調(diào)研，現(xiàn)有的光纖傳像束所用的單光纖均為纖芯摻雜的階躍型光纖，該光纖在強(qiáng)輻照環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生巨大的傳輸損耗導(dǎo)致圖像無(wú)法傳輸。光子晶體光纖是由純二氧化硅材料制成，具有超強(qiáng)的耐輻照特性(如表1所示)。因此，利用光子晶體光纖作為傳像束，可以從本質(zhì)上解決傳統(tǒng)光纖輻照致衰減增大的問(wèn)題。

表1光子晶體光纖與傳統(tǒng)光纖輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：輻照環(huán)境劑量率10⁴Gy/h，時(shí)間16h

光纖傳像束是光纖內(nèi)窺鏡的核心器件，其關(guān)鍵指標(biāo)的優(yōu)劣直接決定了光纖內(nèi)窺鏡的成像質(zhì)量和工作距離，光纖的直徑?jīng)Q定了傳像束的分辨率，限制損耗決定了傳像束的透過(guò)率。目前光纖市場(chǎng)上可見(jiàn)光波段光子晶體裸纖的直徑一般為125μm，特種的細(xì)徑光子晶體裸纖直徑最細(xì)也只達(dá)到80μm，遠(yuǎn)達(dá)不到制作高分辨率傳像束的要求。因此，如何設(shè)計(jì)可見(jiàn)光波段、超細(xì)、超低損耗的光子晶體光纖成為實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)輻照環(huán)境下高分辨率成像的關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種可用于在強(qiáng)輻照環(huán)境下、可見(jiàn)光波段高分辨成像的超細(xì)光子晶體光纖及其設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種光子晶體傳像光纖，所述光子晶體傳像光纖的纖芯與包層同軸，所述纖芯為實(shí)芯，包層包括空氣孔構(gòu)成的空氣層，所述空氣孔整體呈六邊形排列，所述空氣層的厚度≤2.45μm，所述空氣層的直徑≤8.89μm。

進(jìn)一步地，所述空氣孔為圓形，所有空氣孔的直徑相同，相鄰空氣孔之間的距離相等，相鄰的三個(gè)空氣孔呈三角形排列。