本发明涉及光纤，更具体地，涉及一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤。
背景技术：
1、随着社会信息化的飞速发展，光纤通信系统必须满足更远的距离、更高的功率以及更大的容量的要求。而基于石英玻璃传输的传统光纤，由于其材料的吸收、色散、非线性、低损伤阈值和紫外中红外不通光等本征属性，限制了传统光纤性能的更进一步，使其不能满足现代通信技术的发展。另外，在高功率、超快光学、非线性光学等一些特殊领域中，传统光纤也表现出由于材料导致的局限性。
2、为解决上述光纤遇到的瓶颈，纤芯为空气的空芯光纤(hollow core fiber,hcf)应运而生。hcf由于其特殊的包层结构，将光限制在纤芯的空气中传输，可避免光在石英玻璃或其他介质材料中本征限制问题。空芯反谐振光纤(hollow-core anti-resonantfiber,hc-arf)作为一种特殊的hcf，具有更低的传输损耗、高激光损伤阈值和更高的模式纯度。在hc-arf的包层中添加反谐振元件可以显著改善光纤在限制损耗和弯曲损耗方面的性能。此外，带有嵌套和非接触反谐振管元件的hc-arf可以实现更低的损耗。并且由于其包层结构十分简单，可针对某一特定的传输波长和实际的应用来灵活地设计hcf的内部结构和具体尺寸。
3、虽然hc-arf凭借其低损耗、低色散和高损伤阈值等优异特性得到迅速发展，在光通信、传感器以及激光器等领域具有广阔的应用前景。但是，hc-arf的研究仍有不完善之处。首先，虽然目前基于无节点嵌套环结构的空芯反谐振光纤不断达到新的低传输损耗记录，但是每增加一层嵌套管，制造光纤的复杂性便增加，继而导致其后期制备难度变大，同时还会增加弯曲损耗，从而限制了空芯反谐振光纤在长距离光纤通信中的应用；其次，虽然可以灵活地设计hc-arf的内部结构来获得某一特定的传输波长，但目前所研究的以石英玻璃作为基底材料的hc-arf的传输带宽不够宽，大多在1μm以下，这限制了其使用范围；最后，对于当前已有的hc-arf，当损耗为10-1db/km时，传输窗口为101nm，传输窗口为102nm时，对应损耗水平为100db/km，所以低损耗和大传输窗口难以兼具。
4、因此，亟需一种新型的空芯反谐振光纤，以进一步减小限制损耗和限制性损耗，并同时增大传输带宽，使其能够在较大的工作波段内，实现更远距离、更高能量的稳定传输。这具有非常重大的现实意义。
技术实现思路
1、发明目的：针对现有空芯反谐振光纤存在的因增加无节点嵌套环结构而导致光纤结构复杂性的增加、弯曲损耗增加以及低损耗和大传输窗口难以同时获得等问题，本发明提出了一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，以获得大传输带宽的同时，降低限制损耗和弯曲损耗，从而实现更远距离、更高能量的稳定传输的优异光纤传输性能。
2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明提供一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，包括外包层、内包层和空气纤芯区域，所述外包层为具有一定厚度的空心圆柱，包裹着内包层和空气纤芯区域。
3、所述内包层为嵌套包层管结构，所述嵌套包层管结构为双层结构，由孔径较小的圆嵌套管、孔径较大的圆包层管、椭圆嵌套管、第一类半椭圆包层管以及第二类半椭圆包层管构成，各管的介质材料相同。
4、所述孔径较小的圆嵌套管与孔径较大的圆包层管内切构成双层结构的嵌套包层管结构，且内切点与外包层内壁面接触连接，并偏离x轴一定的角度。
5、所述椭圆嵌套管与外包层内壁面内切固连，并设置在第一类半椭圆包层管和第二类半椭圆包层管内部，从而构成双层结构的嵌套包层管结构。
6、所述第一类半椭圆包层管和第二类半椭圆包层管与外包层连接，并分别与其各自相邻的圆包层管间隙相等。两个第一类半椭圆包层管及其内部的椭圆嵌套管分别位于x的正半轴和负半轴，且关于x轴和y轴对称；两个第二类半椭圆包层管及其内部的椭圆嵌套管位于y的正半轴和负半轴，且关于x轴和y轴对称，两个第一类半椭圆包层管顶点距离与两个第二类半椭圆包层管顶点距离不同。
7、所述空气纤芯区域为空气区，由所述孔径较大的圆包层管、第一类半椭圆包层管和第二类半椭圆包层管合围构成，是所述空芯光纤主要的导光区域。
8、优选的，所述外包层、孔径较小的圆嵌套管、孔径较大的圆包层管、椭圆嵌套管、第一类半椭圆包层管以及第二类半椭圆包层管的基底材料均为二氧化硅，折射率为1.4342～1.4533。
9、优选的，所述外包层为具有一定厚度的空心圆柱，所述外包层，所述外包层的外径为240～250μm，壁厚为20～25μm。
10、优选的，所述孔径较小的圆嵌套管、孔径较大的圆包层管、椭圆嵌套管、第一类半椭圆包层管和第二类半椭圆包层管的管壁厚度相同，为0.19～0.55μm。
11、优选的，所述孔径较小的圆嵌套管与孔径较大的圆包层管直径之比为0.4～0.6，所述椭圆嵌套管的短轴与长轴之比为0.4～0.6。
12、优选的，所述孔径较小的圆嵌套管的外径为20～42μm，所述孔径较大的圆包层管外径为50～70μm；所述椭圆嵌套管的长轴外径为30～50μm，短轴外径为12～30μm。
13、优选的，所述孔径较小的圆嵌套管与孔径较大的圆包层管组成的双层嵌套包层管结构偏离x轴的角度为30°～60°。
14、优选的，所述第一类半椭圆包层管的长半轴外径为70～90μm，短半轴外径为20～30μm，第二类半椭圆包层管的长半轴外径为60～80μm，短半轴外径为30～40μm。
15、优选的，孔径较小的圆嵌套管与孔径较大的圆包层管内切构成双层结构的嵌套包层管结构为四个，分别设置在所述第一类半椭圆包层管以及第二类半椭圆包层管之间，关于x轴和y轴对称。
16、优选的，所述孔径较大的圆包层管与孔径较小的圆嵌套管之间、第一类半椭圆包层管与椭圆嵌套管之间、第二类半椭圆包层管与椭圆嵌套管之间、空气纤芯区域以及其它内部空间填充空气，折射率为1。
17、有益效果：本发明提供的一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，由外至内依次为外包层、双层嵌套包层管结构组成的内包层和空气纤芯；其中，双层嵌套包层管结构在设计上满足反谐振反射波导(arrow)原理，具体由二氧化硅玻璃制成且具有一定厚度，内包层区域的双层嵌套包层管结构分别由孔径较小的圆嵌套管与孔径较大的圆包层管构成的双层嵌套包层管结构、椭圆嵌套管与第一类半椭圆包层管组成的双层嵌套包层管结构以及椭圆嵌套管与第二类半椭圆包层管组成的双层嵌套包层管结构共同围绕排列而成，整体呈现工整的轴对称，并相对于空气纤芯均是负曲率，即朝空气纤芯外侧方向弯曲；这些双层嵌套包层管结构能产生双重反谐振，以降低损耗。与现有技术相比，本发明至少具有如下的优点和有益效果：
18、(1)本发明提出的光纤结构简单，易于制备，仅使用圆、椭圆和半椭圆等常见形状的嵌套包层管结构，且仅有两层嵌套，没有使用其它复杂的包层结构。
19、(2)本发明与现有常见的空芯反谐振光纤相比，具有很好的结构调节性，可以通过调节圆形包层管的直径、第一类半椭圆包层管和第二类半椭圆包层管的长半轴来调节光纤的纤芯大小，获得更低的限制损耗和弯曲损耗，实现远距离低损耗传输，并同时获得更大的传输带宽，拓宽应用范围；此外还具有较大的模场面积和较低非线性等优点，为高功率大能量传输提供性能优良的传输介质。
20、(3)本发明可使用常见的二氧化硅玻璃，无需添加其它介质材料，制备成本较低。
21、(4)实验表明，本发明能够在传输波长0.8～2.25μm的大传输带宽范围内，损耗低于10-3db/m，甚至是低于4.6032×10-5db/m@1.6μm的超低损耗，实现超低损耗传输；另外，本发明还具有较大的有效模场面积和较低的限制性损耗，分别达到103μm2和10-2w-1·km-1量级，可以进行高功率、大能量激光传输，并降低非线性效应。
1.一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，包括外包层、内包层和空气纤芯区域，所述外包层为具有一定厚度的空心圆柱，包覆着内包层和空气纤芯区域；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述外包层、孔径较小的圆嵌套管、孔径较大的圆包层管、椭圆嵌套管、第一类半椭圆包层管以及第二类半椭圆包层管的基底材料均为二氧化硅，折射率为1.4342～1.4533。
3.根据权利要求1所述的一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述外包层为具有一定厚度的空心圆柱，所述外包层的外径为240～250μm，壁厚为20～25μm。
4.根据权利要求1所述的一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述孔径较小的圆嵌套管、孔径较大的圆包层管、椭圆嵌套管、第一类半椭圆包层管和第二类半椭圆包层管的管壁厚度相同，为0.19～0.55μm。
5.根据权利要求1所述的一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述孔径较小的圆嵌套管与孔径较大的圆包层管直径之比为0.4～0.6，所述椭圆嵌套管的短轴与长轴之比为0.4～0.6。
6.根据权利要求1或5所述的一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述孔径较小的圆嵌套管的外径为20～42μm，所述孔径较大的圆包层管外径为50～70μm；所述椭圆嵌套管的长轴外径为30～50μm，短轴外径为12～30μm。
7.根据权利要求1所述的一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述孔径较小的圆嵌套管与孔径较大的圆包层管组成的双层嵌套包层管结构偏离x轴的角度为30°～60°。
8.根据权利要求1所述的一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述第一类半椭圆包层管的长半轴外径为70～90μm，短半轴外径为20～30μm，第二类半椭圆包层管的长半轴外径为60～80μm，短半轴外径为30～40μm。
9.根据权利要求1所述的一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述孔径较小的圆嵌套管与孔径较大的圆包层管内切构成双层结构的嵌套包层管结构为四个，分别设置在所述第一类半椭圆包层管以及第二类半椭圆包层管之间，关于x轴和y轴对称。
10.根据权利要求1所述的一种宽工作波段长距离大能量传输的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述空气纤芯区域以及其它内部空间填充空气，折射率为1。
