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光纤端面损伤阈值

来原:    点击率:    发布时间:2023.09.26


激光诱导的光纤损伤

以下教程详述了无终端(裸露的)、有终端光纤以及其他基于激光光源的光纤元件的损伤机制,包括空气-玻璃界面(自由空间耦合或使用接头时)的损伤机制和光纤玻璃内的损伤机制。诸如裸纤、光纤跳线或熔接耦合器等光纤元件可能受到多种潜在的损伤(比如,接头、光纤端面和装置本身)。光纤适用的大功率始终受到这些损伤机制的小值的限制。

虽然可以使用比例关系和一般规则估算损伤阈值,但是,光纤的损伤阈值在很大程度上取决于应用和特定用户。用户可以以此教程为指南,估算大程度降低损伤风险的安全功率水平。如果遵守了所有恰当的制备和适用性指导,用户应该能够在的大功率水平以下操作光纤元件;如果有元件并未大功率,用户应该遵守下面描述的"实际安全水平"该,以安全操作相关元件。可能降低功率适用能力并给光纤元件造成损伤的因素包括,但不限于,光纤耦合时未对准、光纤端面受到污染或光纤本身有瑕疵。关于特定应用中光纤功率适用能力的深入讨论,请联系17768100252

空气-玻璃界面的损伤

空气/玻璃界面有几种潜在的损伤机制。自由空间耦合或使用光学接头匹配两根光纤时,光会入射到这个界面。如果光的强度很高,就会降低功率的适用性,并给光纤造成性损伤。而对于使用环氧树脂将接头与光纤固定的终端光纤而言,高强度的光产生的热量会使环氧树脂熔化,进而在光路中的光纤表面留下残留物。

 


损伤的光纤端面

未损伤的光纤端面


裸纤端面的损伤机制

光纤端面的损伤机制可以建模为大光学元件,紫外熔融石英基底的工业标准损伤阈值适用于基于石英的光纤(参考右表)。但是与大光学元件不同,与光纤空气/璃界面相关的表面积和光束直径都非常小,耦合单模(SM)光纤时尤其如此,因此,对于给定的功率密度,入射到光束直径较小的光纤的功率需要比较低。

右表列出了两种光功率密度阈值:一种理论损伤阈值,一种"实际安全水平"。一般而言,理论损伤阈值代表在光纤端面和耦合条件非常好的情况下,可以入射到光纤端面且没有损伤风险的大功率密度估算值。而"实际安全水平"功率密度代表光纤损伤的低风险。超过实际安全水平操作光纤或元件也是有可以的,但用户必须遵守恰当的适用性说明,并在使用前在低功率下验证性能。

计算单模光纤和多模光纤的有效面积

单模光纤的有效面积是通过模场直径(MFD)定义的,它是光通过光纤的横截面积,包括纤芯以及部分包层。耦合到单模光纤时,入射光束的直径必须匹配光纤的MFD,才能达到良好的耦合效率。

例如,SM400单模光纤在400 nm下工作的模场直径(MFD)大约是Ø3 µm,而SMF-28 Ultra单模光纤在1550 nm下工作的MFDØ10.5 µm。则两种光纤的有效面积可以根据下面来计算:

SM400 Fiber:Area= Pi x (MFD/2)2 = Pi x (1.5µm)2 = 7.07 µm2= 7.07 x 10-8cm2
SMF-28 Ultra Fiber: Area = Pi x (MFD/2)2 = Pi x (5.25 µm)2= 86.6 µm2= 8.66 x 10-7cm2

为了估算光纤端面适用的功率水平,将功率密度乘以有效面积。请注意,该计算假设的是光束具有均匀的强度分布,但其实,单模光纤中的大多数激光束都是高斯形状,使得光束中心的密度比边缘处更高,因此,这些计算值将略高于损伤阈值或实际安全水平对应的功率。假设使用连续光源,通过估算的功率密度,就可以确定对应的功率水平:

SM400 Fiber: 7.07 x 10-8cm2x 1MW/cm2= 7.1 x10-8MW =71 mW (理论损伤阈值)
7.07 x 10-8cm2x 250 kW/cm2= 1.8 x10-5kW = 18 mW (
实际安全水平)

SMF-28 Ultra Fiber: 8.66 x 10-7cm2x 1MW/cm2= 8.7 x10-7MW =870mW (理论损伤阈值)
8.66 x 10-7cm2x 250 kW/cm2= 2.1 x10-4kW =210 mW (
实际安全水平)

多模(MM)光纤的有效面积由纤芯直径确定,一般要远大于SM光纤的MFD值。如要获得佳耦合效果,Thorlabs建议光束的光斑大小聚焦到纤芯直径的70 - 80%。由于多模光纤的有效面积较大,降低了光纤端面的功率密度,因此,较高的光功率(一般上千瓦的数量级)可以无损伤地耦合到多模光纤中。

 

Estimated  Optical Power Densities on Air / Glass Interfacea

Type

Theoretical  Damage Thresholdb

Practical Safe  Levelc

CW
 (Average Power)

~1 MW/cm2

~250 kW/cm2

10 ns Pulsed
 (Peak Power)

~5 GW/cm2

~1 GW/cm2

 

所有值针对无终端(裸露)的石英光纤,适用于自由空间耦合到洁净的光纤端面。

这是可以入射到光纤端面且没有损伤风险的大功率密度估算值。用户在高功率下工作前,必须验证系统中光纤元件的性能与可靠性,因其与系统有着紧密的关系。

这是在大多数工作条件下,入射到光纤端面且不会损伤光纤的安全功率密度估算值。

插芯/接头终端相关的损伤机制

有终端接头的光纤要考虑更多的功率适用条件。光纤一般通过环氧树脂粘合到陶瓷或不锈钢插芯中。光通过接头耦合到光纤时,没有进入纤芯并在光纤中传播的光会散射到光纤的外层,再进入插芯中,而环氧树脂用来将光纤固定在插芯中。如果光足够强,就可以熔化环氧树脂,使其气化,并在接头表面留下残渣。这样,光纤端面就出现了局部吸收点,造成耦合效率降低,散射增加,进而出现损伤。

与环氧树脂相关的损伤取决于波长,出于以下几个原因。一般而言,短波长的光比长波长的光散射更强。由于短波长单模光纤的MFD较小,且产生更多的散射光,则耦合时的偏移也更大。

为了大程度地减小熔化环氧树脂的风险,可以在光纤端面附近的光纤与插芯之间构建无环氧树脂的气隙光纤接头。闵壹的高功率多模光纤跳线就使用了这种设计特点的接头。

制备和处理光纤

通用清洁和操作指南

建议将这些通用清洁和操作指南用于所有的光纤产品。而对于具体的产品,用户还是应该根据辅助文献或手册中给出的具体指南操作。只有遵守了所有恰当的清洁和操作步骤,损伤阈值的计算才会适用。

安装或集成光纤(有终端的光纤或裸纤)前应该关掉所有光源,以避免聚焦的光束入射在接头或光纤的脆弱部分而造成损伤。

光纤适用的功率直接与光纤/接头端面的质量相关。将光纤连接到光学系统前,一定要检查光纤的末端。端面应该是干净的,没有污垢和其它可能导致耦合光散射的污染物。另外,如果是裸纤,使用前应该剪切,用户应该检查光纤末端,确保切面质量良好。

如果将光纤熔接到光学系统,用户先应该在低功率下验证熔接的质量良好,然后在高功率下使用。熔接质量差,会增加光在熔接界面的散射,从而成为光纤损伤的来源。

对准系统和优化耦合时,用户应该使用低功率;这样可以大程度地减少光纤其他部分(非纤芯)的曝光。如果高功率光束聚焦在包层、涂覆层或接头,有可能产生散射光造成的损伤。

高功率下使用光纤的注意事项一般而言,光纤和光纤元件应该要在安全功率水平限制之内工作,但在理想的条件下(佳的光学对准和非常干净的光纤端面),光纤元件适用的功率可能会增大。用户先必须在他们的系统内验证光纤的性能和稳定性,然后再提高输入或输出功率,遵守所有所需的安全和操作指导。以下事项是一些有用的建议,有助于考虑在光纤或组件中增大光学功率。

要防止光纤损伤光耦合进光纤的对准步骤也是重要的。在对准过程中,在取得佳耦合前,光很容易就聚焦到光纤某部位而不是纤芯。如果高功率光束聚焦在包层或光纤其它部位时,会发生散射引起损伤

使用光纤熔接机将光纤组件熔接到系统中,可以增大适用的功率,因为它可以大程度地减少空气/光纤界面损伤的可能性。用户应该遵守所有恰当的指导来制备,并进行高质量的光纤熔接。熔接质量差可能导致散射,或在熔接界面局部形成高热区域,从而损伤光纤。

连接光纤或组件之后,应该在低功率下使用光源测试并对准系统。然后将系统功率缓慢增加到所希望的输出功率,同时周期性地验证所有组件对准良好,耦合效率相对光学耦合功率没有变化。

由于剧烈弯曲光纤造成的弯曲损耗可能使光从受到应力的区域漏出。在高功率下工作时,大量的光从很小的区域(受到应力的区域)逃出,从而在局部形成产生高热量,进而损伤光纤。请在操作过程中不要破坏或突然弯曲光纤,以尽可能地减少弯曲损耗。

用户应该针对给定的应用选择合适的光纤。例如,大模场光纤可以良好地代替标准的单模光纤在高功率应用中使用,因为前者可以提供更佳的光束质量,更大的MFD,且可以降低空气/光纤界面的功率密度。

阶跃折射率石英单模光纤一般不用于紫外光或高峰值功率脉冲应用,因为这些应用与高空间功率密度相关。


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