紫外激光的应用十分广泛[1~3],在医学上可用于眼科和心脏的组织切除等。在心脏和心血管成型术中的应用是采用激光汽化动脉粥样硬化斑块,使血流通畅,可以取代心脏旁通术和汽球血管成型术。早期采用Ar+、YAG和CO2激光的效果均不够理想,因为它们会引起周围组织较大的热损伤,对正常组织造成伤害,而且对已钙化斑块无效。紫外线的波长较短,照射到物体表面时更容易被物质所吸收,变成物质的内能,所以紫外线的穿透能力很弱,它只作用在很薄的表面层内,如短紫外线(100~280nm)透入皮肤的深度一般只有1.5~2μm[4]。因此采用脉冲紫外激光,如能正确选择波长、脉冲能量和宽度就可精确汽化各种组织的斑块,紫外激光切割皮肤组织产生规则整齐的切口而没有热损伤。

　　为了把这种激光传输到要求达到的狭小空间,其传输材料的研制十分重要。空芯光纤由于具有较大内径、能量损伤阈值高等优点,可以用来传输高能量紫外激光。目前国外对传输紫外激光的空芯光纤已有报导,国内在这方面还没有投入研究。因此研制传输高功率紫外激光的空芯光纤不论是填补国内空白,还是对激光医疗以及在生物、材料加工、激光防伪等方面的应用都显得尤为重要。本文就传输紫外激光用空芯光纤的结构设计进行了理论研究,表明选择合适的基管材料和具有高反射率的膜层结构可以制备出传输效率较高的空芯光纤。

　　1　基管材料选择

　　与传输红外激光用泄漏型空芯光纤相似,传输紫外激光用空芯光纤也可设计为在选定毛细管内镀制金属高反射膜以达到高传输效率的目的。在基管材料选择方面,与塑料、金属管和蓝宝石管相比,石英毛细管有理想的光滑内表面和较高的截面均匀性[5~7]。所以本研究选用石英毛细管作为空芯光纤基管,在毛细管内表面镀覆反射涂层和二次涂层,以保证空芯光纤良好的机械性能、弯曲性能和较小的弯曲损耗。

　　2　薄膜材料的选择

　　2.1　金属薄膜的选择

　　一般用于可见光的反射材料不一定适用于紫外光,因为反射材料对不同波长光波的反射效率相差很大,如氧化锌对可见光的反射系数为88%,而对

254nm的紫外光反射系数仅为2.5%。因此,在选择紫外光的反射材料时应以具有高的反射系数为原则,如图1所示[8],在紫外波段(0.2~0.4μm)Al膜的反射效率最高,虽然银膜的反射率在350~400nm之间也很高,但在波长小于350nm后反射率迅速降低,至316nm时已降至40%。且银膜的机械强度和稳定性都比较差,在大气中银膜表面会逐渐形成硫化银和氧化银,因而使反射率明显降低,所以在紫外波段铝膜是较为合适的反射材料。

　　中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的刘颖等[9]制备出紫外2真空紫外波段用的Al+MgF2反射膜,其反射率在150~340nm波段上可达到80%,且随时间和温度基本保持稳定。表1为铝对不同波长紫外光的反射系数,由表1可见,铝对不同波长紫外光的反射系数均较高。

　　因此选择在空芯光纤内制备金属铝膜用来传输紫外激光是比较理想的。而且铝膜从紫外到红外波段都有很高的反射率,内表面镀制铝膜的空芯光纤不仅可以用来传输紫外激光,还可用来传输红外激光,可明显降低规模化生产的成本。

　　铝膜除了有高的反射率外,与玻璃基片或基管的粘结力较强。这是由于玻璃表面存在大量的微裂纹使铝分子可以进入裂纹内部,大部分铝元素在玻璃中以三氧化铝的形式存在,这种化学结合使铝膜很牢固地结合于玻璃表面并与玻璃形成一个整体。

　　在确定薄膜厚度的同时要考虑薄膜的结合强度。制镜厂镀的铝镜膜厚度在90~350nm之间,力学测试结果表明膜太薄或太厚都会导致结合强度下降。膜厚低于90nm时呈半透明状,说明铝镜的薄膜以岛状形式生长且尚未形成一个整体,这种类型结构的薄膜与玻璃表面的结合力十分薄弱;厚度大于350nm的铝膜随厚度的增加与玻璃间因热膨胀系数的差别而造成剪切力也随之增加,从而导致薄膜基界面结合强度下降;实测表明当薄膜厚度在200nm左右时结合强度达到最大值[10]。

　　由此我们选用铝膜来研制传输紫外激光用空芯光纤。日本东北大学的Matsuura Yuji等采用在空芯光纤内镀铝膜已制备出用于传输准分子激光的空芯光纤[11],当其长度为1m时,传输193nm ArF激光时损耗低达20%。

　　2.2　介质膜的选择

　　采用铝薄膜研制传输紫外激光的空芯光纤还存在一些问题:首先,因为金属反射膜有较大的吸收,对于传输高能量紫外激光而言,会产生较大量的热量,降低能量损伤阈值,随着时间的延长,热量迅速聚集从而损坏光纤,降低光纤的使用寿命。其次,由于铝自然氧化形成的三氧化铝在200nm以上时是透明的,铝仍有很高的反射率,这对于传输红外激光和波长大于200nm的紫外激光是可行的,但是当激光波长小于200nm的真空紫外光时,三氧化铝的吸收便增大[12],铝的反射率降低,且随着三氧化铝厚度的增加,起反射作用的铝薄膜厚度减小。最后即使在波长大于200nm的紫外波段,铝的反射率也会由于环境的湿度等因素的影响而下降。

　　为了解决上述问题,可考虑在铝膜上涂覆1对或几对高低折射率交替的介质膜,这样不仅可以保护铝膜不受大气的侵蚀,同时还可以减少铝膜的吸收以增加系统的反射率。

　　铝的复折射率为n+ik,在空气中垂直入射时其反射率为:

　　当两列振幅相同的相干波沿相反方向传播时叠加后便产生驻波,反射膜层中的入射波和反射波正好满足这一条件,于是形成驻波场。根据经典λ/4波堆原理,如果在铝膜上涂覆以折射率为n1和n2的2层1/4波长厚度的介质膜,且n2紧贴铝膜,那么在垂直入射时波长λ0的导纳为:

　　当(n1/n2)2>1时,式(2)给出的反射率大于式(1)给出的纯铝膜的反射率,比值n1/n2越高,即高低折射率差值越大,反射率增加越多。继续涂覆第二对这样的介质膜可以使反射率进一步增加。

　　理论上只要增加膜系的层数,反射率就可无限接近于100%。实际上由于膜层中的吸收和散射损失,当膜系达到一定层数时,继续涂覆两层并不能提高反射率,有时甚至由于吸收和散射损耗的增加反而使反射率下降。而且底层金属铝膜的反射率本身就很高,不必涂覆多层,综合考虑到在内径微小的毛细管内镀制薄膜的难度,只需在铝膜表面加镀1层折射率差别较大的膜对即可获得很高的反射率,同时起到保护铝膜的作用。

　　然而一般而言,高折射率材料的消光系数要比低折射率材料的消光系数大1~2个数量级,因此利用驻波场的特性,适当减小高折射率膜层的厚度,相应增加低折射率膜层的厚度,可以得到更低的损耗。图2所示的驻波场中,(a)是膜厚为λ0/4的膜对,(b)为减薄高折射率膜层和增厚低折射率膜层的膜对,1、2为界面。从图2中可以很直观地看到(b)中消光系数较大的高折射率膜层中的电场强度显著降低了,消光系数是介质中吸收电磁能量的度量,电场强度的降低意味着吸收量的减少,从而减少了吸收损耗,很明显采用这种组合结构时两者的消光系数相差较大,其薄膜厚度的确定可根据下式计算[13]:

　　其中:n=n1/n2(n1>n2),φ和θ分别为高、低折射率膜的相位厚度,垂直入射时相位厚度为2πnsd/λ0,(ns为折射率,d为几何厚度,λ0为中心波长)。故两层膜的几何厚度(其中d1和d2分别为高、低折射率膜的几何厚度)可以表示为:

　　因此从理论上讲,只要选定符合要求的高低折射率材料,采用合适的工艺条件研制薄膜就可以使空芯光纤的传输损耗较只镀铝膜的空芯光纤明显降低,为制备高效率的传输空芯光纤材料提供了理论依据。

　　3　结语

　　金属铝膜是从紫外到红外都有很高反射率的理想材料,再加上它与玻璃基的牢固结合使得它成为用于传输紫外激光和红外激光用空芯光纤的最佳膜层材料。利用驻波场的特性对传输紫外激光用空芯光纤内膜层进行了设计,在高反射金属铝膜外涂覆设计厚度的高、低折射率膜对可以进一步提高系统的反射率,降低吸收损耗,并保护铝膜免受大气侵蚀。

　　参考文献

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　　8　杨臣华,梅遂生,林钧挺.激光与红外技术手册.北京:国防工业出版社,1990.5

　　9　刘颖,李福田.紫外2真空紫外波段的Al+MgF2膜.激光医学,1995,5(3): 112

　　10胡季平,程发泉·铝/玻璃镜膜结合强度的测试与研究.甘肃科学学报,1991,3(3): 41

　　11 Yuji Matsura, Mitsunobu Miyayi·Flexible hollow wave2guides for delivery of excimer2laser light.Optics Lett, 1998,23(15): 1226

　　12 Georg Hass,et al. Reflecting coatings for the extreme ultra2violet. J Opt Soc Am, 1959, 49(6): 593

　　13 Joseh H Apfel. Optical coating design with reduced electricfield intensity·Applied Optics, 1977, 16(7): 1880

　　作者简介：　韩建军:男,1970年生,博士,副教授　Tel:027287651856　E2mail:hanjj@mail.whut.edu.cn

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