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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:2023-06-03      點擊次數:212

光導纖維,簡稱光纖,其主要成分是高純度的石英玻璃(SiO2)。在激光系統中被廣泛應用于光信號傳輸。相較于空間光傳輸系統,光纖使得激光傳輸更加穩定,降低了系統維護成本。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。


激光誘導損傷閾值(LIDT)

激光誘導損傷閾值(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。

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

實驗結果表明,光纖損傷主要發生在入射面處,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


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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實際安全水平對應的功率。


與插芯相關的損傷

此外光纖一般通過環氧樹脂粘合到陶瓷插芯中,當光功率過高時,沒有進入纖芯并在光纖中傳播而散射到光纖的外層,會產生足夠將環氧樹脂融化的熱量。



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,光在某個區域就會射出光纖,這時候就會產生彎曲損耗。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,光纖內的衰減也會增加。光暗化經常發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。



在使用光纖產品時,只有遵守了所有恰當的清潔和操作規范,損傷閾值的計算才會適用。