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摘 要： 非圆形光纤截面可以是D型、 正方形、 长方形、 八边形等多种形状， 这些几何结构使得作为泵浦源或光信号放大的光纤具有高的光光转换效率。 非圆形光纤优良的扰模特性可以获得平顶分布的光束， 且非圆形光纤焦比退化效应降低， 使得光纤的传输效率增大， 采用非圆形光纤制成的传像束平均透过率提高， 传像效果更真实。 非圆形光纤可应用到天文观测、 半实物仿真和激光加工等领域， 用于高精度视向速度测量、 红外目标模拟器、 高功率光纤激光器以及高精度激光焊接和切割等。
关键词： 非圆形光纤； 扰模； 焦比退化； 红外目标模拟器； 光纤激光器； 径向速度
中图分类号： TB34 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2017）06-0059-07[SQ0]
0 引 言
当前， 光纤在军事、 通信、 传感、 医学和天文等领域的应用越来越广泛， 也越来越重要。 在圆形光纤发展的基础上， 非圆形光纤得到进一步发展， 其截面可以是D型、 正方形、 长方形、 八边形等各种形状， 由于截面形状的改变， 光纤的光学性能有了很大提高。 与圆形光纤相比， 非圆形光纤的扰模效果明显， 焦比退化特性降低[1-3]。 非圆形光纤远场光强变化小， 近场光斑质心偏移少， 可有效减少入射偏差引起的谱线漂移， 提高天文探测中视向速度的测量精度。 非圆形光纤光强变化小、 传输效率高， 使得传像束具有高的平均透过率和高的传像质量。 圆形光纤包层中存在大量的螺旋光， 在光传输过程中永远不会到达纤芯， 这对于作为泵浦源的光纤来说是极大的损失， 非圆形光纤的不对称结构可使螺旋光进入到纤芯， 使得非圆形光纤激光器的光光转换效率大大提高[4-6]。 因此非圆形光纤在天文探测、 半实物仿真、 光纤激光器、 激光加工、 夜视监控等领域应用广泛。
1 非圆形光纤特性
1.1 非圆形光纤扰模特性
光纤的扰模特性表现为远场光斑的光强变化和近场光斑的质心偏移， 如图1所示。 当光束入射到圆形光纤端面的中心位置时， 出射场远场为光强均匀的光斑， 一维曲线表现为光滑平整的曲线， 近场质心位于光纤端面中心； 当入射光斑与光纤端面中心存在偏移di时， 光纤出射端远场光强呈圆环分布， 近场质心产生偏移d[7]0。
与圆形光纤相比， 非圆形光纤具有良好的扰模特性。 Bruno C等人[8]初步研究了正方形和八边形光纤的扰模特性， 发现这两类光纤近场扰模效果明显， 将来可满足高精度视向速度测量系统的要求。
Gerardo A等人[1， 9]采用德国CramOptec公司生产的非圆形光纤进行了远近场扰模特性分析， 其中： 300 μm×150 μm矩形光纤远场光强分布平坦， 200 μm和67 μm八边形光纤远场光强分布在中心位置出现了亮斑， 67 μm八边形光纤在受到轻微挤压后扰模特性显著增强。 韩建等人[2]系统地研究了长方形、 正方形和八边形三种非圆形光纤的远近场扰模特性， 其中八边形光纤扰模特性最优， 这与Tobias F等人的研究结果相吻合[7]。 在不同入射偏移量下， 光纤出射场远场光强分布如图2所示， 每组图由上到下依次为：光束入射位置， 出射远场CCD采集图像， 光纤远场光强分布。 圆形光纤出射场光强变化随入射偏移量增大而增大， 远场出现清晰的圆环， 扰模特性最差； 长方形和正方形光纤在入射偏移量较小时， 光强变化较小， 但当入射偏移量为光纤半径80%时， 远场出现不明显圆环； 而对于八边形光纤， 随入射偏移量的增大， 光强并未出现明显波动， 在相同入射偏移量下， 八边形光纤光强波动最小。 因此这四类光纤中八边形光纤的扰模效果最为明显。
同时韩建也计算了 非圆形光纤研究进展同时韩建也计算了非圆形光纤的近场扰模系数， 表1为入射偏移量为半径80%时三类非圆形光纤近场质心方差和扰模系数， 可以看出八边形光纤质心移动方差最小， 扰模系数最大。
非圆形光纤远近场扰模特性的增强可有效减少入射偏差引起的谱线漂移， 提高天文探测系统视向速度测量精度； 远场可获得能量均匀分布的光束， 一方面在光纤传像束的应用中使传像质量更逼真， 另一方面在激光加工应用中， 可以提高产品的加工精度。
1.2 非圆形光纤焦比退化特性
理想情况下， 光束在光纤中传输后输出焦比等于输入焦比。 实际情况下， 由于焦比退化效应（Focal Ratio Degradation， FRD）， 出射光的焦比小于入射光的焦比， 出射光束更加发散， 光束能量密度降低。
光纤焦比退化受机械形变、 光纤端面不理想等外因影响， 可通过优化加工工艺尽可能降低焦比退化效应[10]， 同时光纤焦比退化也受光纤结构影响， 与圆形光纤相比， 非圆形光纤焦比退化明显降低。 Bruno C等人[8]研究了正方形和八边形光纤焦比退化特性， 光束输入焦比为F/4， 输出端接收孔径与输入端相同时， 正方形光纤相对输出效率约为85%， 八边形光纤约为95%。 之后Gerardo A[1]研究了长方形和八边形光纤的焦比退化特性， 光束输入焦比为F/4， 输出端接收孔径与输入端相同， 八边形光纤相对效率为95%， 长方形光纤为88%， 而圆形光纤在60%～85%之间。 由此可见非圆形光纤焦比退化效应较弱， 具有较高的能量传输效率， 有利于其传光或传像的应用。
2 非圆形光纤应用
2.1 高精度视向速度测量系统
在天文探测中， 可通过基于多普勒频移的视向速度测量技术探测系外行星， 视向速度测量系统如HAPRS[11]和HIRES[12]的视向速度测量精度可达到1～3 m/s， 对于类地等较小行星的探测则对视向速度探测精度要求更高， 需要实现每秒厘米量级的测量精度[2-3]。 视向速度测量系统主要通过光纤将望远镜采集的光谱信息传输到光谱仪中， 虽然圓形光纤在角方向上具有较好的扰模特性， 但径向上扰模效果较差， 由此在光纤出射端产生的质心或光强变化易在光谱仪系统中引起谱线漂移， 限制视向速度测量精度的提高， 故需提高光纤传输系统的扰模增益。 非圆形光纤具有良好的扰模特性， 可提高视向速度测量系统的测量精度。