产品分类
| Silica Optical Fiber Maximum Power Densities | ||
|---|---|---|
| Type | Absolute Value | Practical Value |
| CW (Average Power) | 1 MW/cm2 | 250 kW/cm2 |
| 10 ns Pulsed (Peak Power) | 5 GW/cm2 | 1 GW/cm2 |
光纤端面损伤
无终端光纤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(参考上表)。与空气-玻璃界面相关的表面积和光束直径相比于大光学元件都是非常小的,尤其对于单模(SM)光纤,因此损伤阈值是非常小的。
SM光学的有效面积是通过模场直径(MFD)定义的,它是光通过光纤的有效横截面积。自由空间光束的光斑大小必须聚焦到该直径的约80%时,耦合效率才高。MFD增加与波长基本成线性关系,所以波长增加与损伤阈值为二次方关系。另外,耦合到SM光纤的光束一般类似高斯光束,使得光束中心的密度相比边缘更高,因此如果是假设均匀密度来计算损伤阈值时还必须考虑安全边界。
多模(MM)光纤的有效面积通过纤芯直径定义,它一般要远大于SM光纤的MFD值。数千瓦功率一般都可以无损伤的耦合到多模光纤中,因为更大的纤芯尺寸和更低的功率密度。
高单脉冲功率的脉冲应用一般不使用单模光纤,这是因为耦合时要求把光束聚焦到非常小,从而有非常高的功率密度。单模光纤一般也不用于紫外光,因为MFD变得极小;所以功率处理能力很低且耦合变得非常难。
端接光纤
有终端接头的光纤要考虑更多的功率使用条件。光纤一般通过环氧化到陶瓷或不锈钢插芯中形成接头分界面。光耦合到光纤中时,没有进入纤芯并在光纤中传播的光会散射到外层中,在插芯中。
散射光传播到将光纤固定在插芯中的环氧树脂中。如果光足够强,它会融化环氧树脂,使光传到接头面上并进入光路中。环氧树脂可能被烧掉在光纤上留下残渣,这会降低耦合效率并增加散射,导致更大损伤。光纤和插芯间没有环氧树脂也会使光纤不在中心位置,这也要降低耦合效率并增加散射和损伤。
终端光纤的功率使用能力与波长成比例有两个原因。第一,短波长光的光子能量更高使散射概率更高,这会增加接头附近入射的光功率。第二,更短波长的光由于MFD更小所以更难耦合到SM光纤中。如果光不能进入光纤纤芯中的大概率会增加损伤散射效应的机会。这种二次效应在MM光纤并不常见,因为它们的纤芯更大,一般更容易进行耦合,即使是对于短波长的光。
光纤接头的结构可以是在光纤和插芯之间没有环氧树脂的空气间隔。这种设计特点一般用在多模光学中,避免一些接头相关的损伤机制。HP-SMA905高功率多模光纤跳线使用这种设计特点的接头。
光纤内的损伤
除了空气玻璃界面的损伤机制外,光纤本身的损伤机制也会产生光纤的功率使用限制。光纤内的两种损伤包括弯曲损耗和光暗化损伤。
弯曲损耗
光在纤芯内传播入射到纤芯包层界面的角度大于临界角会使无法进行全反射,光在某个区域就会射出光纤,这时候就会产生弯曲损耗。射出光纤的光一般功率密度高,会烧坏光纤和周围的分叉套管。
有一种叫做双包层的特殊类别光纤,它允许光纤包层(第二层)也和纤芯一样用作波导,从而降低弯折损伤的风险。使包层护套界面的临界角高于纤芯包层界面的临界角,射出纤芯的光会被限制在包层之内。这些光会在几厘米或者几米的距离而不是光纤内的某个居于点溢出,所以可最大限度地降低损伤。
光暗化
光纤内的第二种损伤机制称为光暗化或负感现象,一般发生在紫外或短波长可见光。标准多模光纤的纯石英纤芯可以用于传播紫外光,但是随着曝光时间增加这些短波长光的衰减会增加。引起光暗化的原因大部分是未知的,但是可以采取一些列措施来预防。非常低羟基离子(OH)含量的光纤可以抵抗光暗化。其它掺杂比如氟也能降低光暗化。
一般在红光或红外波长用于单模光纤纤芯的掺锗光纤可能在蓝色可见光经历光暗化。因此纯石英纤芯单模光纤一般用于短波长可见光。单模光纤一般不用于紫外光,因为这些波长下时MFD小,会使得耦合极其困难。
即使采取了上述措施,所有光纤在用于紫外光时还是会有光暗化产生,因此用于这些波长下的光纤应该被看成消耗品。
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