金属毛细管多窗口远红外/THz空芯光纤的研制

Currently, far-infrared/THz systems predominantly utilize free-space propagation because robust fiber optic transmission systems are not available. These systems are difficult to be integrated. They are susceptible to ambient atmosphere and easy to loss operational stability. Consequently, their applications and popularization are limited. This research project aims to seek appropriate dielectric film materials and fabricate metallic capillary tube-based dielectric film far-infrared/THz hollow optical fibers. A fiber with multiple low-loss windows within far-infrared/THz range will be established on the basis of full study of the relationships among the fiber materials, structure and far-infrared/THz wave transmission behaviors. We intend to break through the bottleneck for preparation of a highly thick dielectric film inside the hollow waveguide and obtain hollow fiber samples. Hopefully, the as-prepared fibers can be bent elastically and be compatible with traditional metal connection processing technologies. It can deliver multi-bands of far-infrared/THz radiations. The fiber samples will be integrated with a THz communication radiations emitter to evaluate its connection compatibility with other metallic components of far-infrared/THz devices and its’ operational reliability. The research results can provide a new idea for development of a highly reliable infrared/THz optical fiber with multiple transmission windows. It is of great significance for infrared/THz applications not only in basic scientific researches but also in communications, medical imaging, environmental monitoring, radio astronomy and military radars.

由于缺乏有效的光纤传输技术，目前大多数应用系统都只能在自由空间中处理远红外/THz波。这些系统集成度低、受环境影响大、性能稳定性差，严重限制了其应用和推广。本项目拟通过探索适合远红外/THz波段的介质膜材料，研制金属毛细管/介质膜结构的远红外空芯光纤。通过研究光纤材料、结构、力学参数与远红外/THz波传输行为的关系，对光纤的材料和结构进行优化，将光纤的低损耗窗口覆盖到远红外/THz波段，同时突破高厚度介质膜空芯光纤的制备技术瓶颈，研制出兼顾弹性弯曲和金属连接兼容性的多窗口远红外/THz光纤，并与太赫兹通信发射端连接集成，对其金属连接兼容性和运行可靠性进行评估，验证所研制光纤的性能。本项目的研究成果将为高可靠性多窗口远红外光纤的研制提供一个新思路，对促进远红外/THz波在基础科学研究以及通信、医学成像、环境监测、射电天文和军用雷达等方面的应用具有重要意义。

远红外/THz空芯光纤在远红外/THz光谱分析、成像探测、通信、在线环境监测等领域有着重要应用前景。目前由于缺乏有效的传输光纤使得对上述应用的开发受到较大的限制。本项目探索了适用于在毛细管内镀金属/聚合物或无机介质膜技术路线的多窗口远红外/THz金属毛细管空芯光纤的优化设计原理、制备方法和性能评价机制。研究了镍、铜、银等系列金属和GeO2、COC、PC等介质材料在远红外/THz波段的光学常数，探究了用Ray Model和COMSOL模型进行光纤结构和性能仿真的优势和局限性，基于两者的互补性设计出了镍、铜、银等金属/GeO2、COC、PC等介质系列毛细管多窗口远红外/THz空芯光纤结构。创建了在毛细管内涂覆高厚度、高均匀性介质膜的制备新原理和方法，即活塞式可控降液动态镀膜原理和方法，改进了在毛细管内表面上动态液相沉积光学反射膜的工艺原理，建立了该类远红外/THz空芯光纤的性能检测系统和评估方法。研制了透过窗口可以覆盖波长27-29μm、39-40μm、81-112μm等远红波段以及0.3THz、0.1THz等重要太赫兹频点的系列金属毛细管多窗口远红外/THz空芯光纤样品，获得了长度可达1.1米、在0.3THz以15 cm半径弯曲180°时传输损耗可以低至1.02 dB/m的光纤样品，实现预期目标（长度1米，损耗值<3dB/m，弯曲半径<25cm）。将所制备光纤样品与THz通信发射端连接集成，可以实现在-78℃～150℃的高、低温环境中传输0.1THz、0.3THz太赫兹波。用所制备的光纤样品搭建了波导式远场太赫兹共焦成像系统，在0.1THz实现了分辨率达到1.12mm的成像探测。本项目研制的低损耗光纤及其与THz通信发射端和远场太赫兹共焦成像系统的集成效果具有国际领先水平和实用化价值，可以为促进空芯光纤在远红外/太赫兹光谱分析、成像、通信、在线传感环境监测等方面的实际应用提供理论和技术支持。项目中研究的毛细管内活塞式可控降液动态镀膜原理和改进的动态液相沉积工艺原理亦能解决新型毛细管聚合物及钙钛矿光电传感器研制中的技术难题，可以为突破传统平面结构气体传感器检测性能的局限性提供新的思路。