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光纖為何會損傷?淺談一下光纖損傷閾值 - 筱曉小課堂

更新時間:2024-06-03      點擊次數(shù):1696

光導(dǎo)纖維,簡稱光纖,其主要成分是高純度的石英玻璃(SiO2)。在激光系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用于光信號傳輸。相較于空間光傳輸系統(tǒng),光纖使得激光傳輸更加穩(wěn)定,降低了系統(tǒng)維護成本。然而,光纖對于輸入功率有一定的承受限度。在激光系統(tǒng)中,光纖作為激光的載體,是激光致傷的主要部件,超過損傷閾值的光功率會對光纖造成損傷。


激光誘導(dǎo)損傷閾值(LIDT)

激光誘導(dǎo)損傷閾值(LIDT)是光纖在激光作用下所能承受的最大光功率密度,是衡量光纖傳輸能力的重要因數(shù)。

一般而言,損傷閾值包括理論損傷和實際損傷閾值。理論損傷閾值是在耦合條件和端面條件都非常好的情形下,保證光纖不被損壞的最大光功率密度;實際損傷閾值是指實際實驗條件中光纖端面可能存在污損、耦合條件也并不理想的情形下,光纖所能承受的最大光功率密度。


空氣—玻璃界面損傷

實驗結(jié)果表明,光纖損傷主要發(fā)生在入射面處,例如空氣—玻璃界面。利用琺蘭接通兩根光纖時,激光會從第一根光纖的端面中射出,經(jīng)過空氣層入射到下一根光纖的端面上。光功率過高時,可能會損壞光纖端面。

下表給出了空氣—玻璃界面的理論損傷閾值和“實際安全水平"


空氣—玻璃界面損傷閾值:

激光類型

理論損傷閾值

實際安全水平

連續(xù)激光(平均功率)

1MW/cm2

250kW/cm2

脈沖激光(峰值功率)

5GW/cm2

1GW/cm2


如何估算光纖端面適用的功率水平

以單模光纖為例,光通過光纖的橫截面積稱為有效面積,包括纖芯以及部分包層。有效面積可以通過模場直徑(MFD)計算得出。

例如,SMF-28E+康寧單模通信光纖在1260nm下工作的模場直徑(MFD)大約9.2 µm,那么它的有效面積為:

S=Pi×(MFD/2)2≈3.14×(9.2/2)2=66.44μm2=6.644×10-7cm2


相關(guān)產(chǎn)品

CSMF-28E+康寧單模通信光纖 截至波長 1260nm 纖芯直徑 8.2um



FOC-2.5/1.25/2.0 光纖清潔筆


將功率密度與效面積相乘,即可估算出光纖端面適用的功率水平。值得注意的是,此計算假設(shè)的是光束具有均勻的強度分布,但其實,單模光纖中的大多數(shù)激光束都是高斯形狀,使得光束中心的密度比邊緣處更高,因此,這些計算值將略高于損傷閾值或?qū)嶋H安全水平對應(yīng)的功率。


與插芯相關(guān)的損傷

此外光纖一般通過環(huán)氧樹脂粘合到陶瓷插芯中,當(dāng)光功率過高時,沒有進入纖芯并在光纖中傳播而散射到光纖的外層,會產(chǎn)生足夠?qū)h(huán)氧樹脂融化的熱量。



除了空氣玻璃界面的損傷機制外,光纖本身還存在兩種損傷,包括彎曲損耗和光暗化損傷。


彎曲損耗

光在纖芯內(nèi)傳播入射到纖芯包層界面的角度大于臨界角會使其無法全反射,光在某個區(qū)域就會射出光纖,這時候就會產(chǎn)生彎曲損耗。射出光纖的光一般功率密度較高,會燒壞光纖涂覆層和周圍的松套管。


光暗化

光纖內(nèi)的第二種損傷機制稱為光暗化,隨著曝光時間的增加,光纖內(nèi)的衰減也會增加。光暗化經(jīng)常發(fā)生在紫外或短波長可見光。

在使用光纖進行實驗前,需要利用端面檢測儀檢查光纖端面是否存在污損。下面兩張圖分別為被激光損壞的端面和未被損傷的端面。



在使用光纖產(chǎn)品時,只有遵守了所有恰當(dāng)?shù)那鍧嵑筒僮饕?guī)范,損傷閾值的計算才會適用。