無截止單模，大模場(chǎng)面積光纖

無截止單模，大模場(chǎng)面積光纖特性

無截止單模工作方式－無高階模截止

提供保偏版本

能承受非常高的平均功率和峰值功率

低非線性

低光纖損耗

模場(chǎng)直徑與波長(zhǎng)無關(guān)

提供5-25 μm的纖芯尺寸

應(yīng)用

在一個(gè)空間模式下傳輸高功率寬帶輻射

短脈沖傳輸

模式濾波

激光尾纖

多波長(zhǎng)引導(dǎo)

傳感器和干涉儀

Thorlabs提供一系列yong久單模(ESM)，大模場(chǎng)面積(LMA)光子晶體光纖(PCF)，包括保偏(PM)型號(hào)。當(dāng)波長(zhǎng)短于二階模式截止波長(zhǎng)時(shí)，傳統(tǒng)單模光纖實(shí)際上是多模的，在很多應(yīng)用中限制了可用工作波長(zhǎng)范圍。與之相反，在熔融石英透明的所有波長(zhǎng)，Crystal Fibre的yong久單模PCF是單模的。

實(shí)際上，可用工作波長(zhǎng)范圍僅受限于彎曲損耗。雖然包層具有六倍對(duì)稱性，但模式輪廓與傳統(tǒng)軸對(duì)稱階躍型光纖的準(zhǔn)高斯基模非常相似，使得形狀重疊度>90%。但是與傳統(tǒng)光纖不同，這些光纖是用無摻雜的高純?nèi)廴谑⒉Ａн@單個(gè)材料制作的。材料與非常大模場(chǎng)面積的結(jié)合，使高功率能夠在光纖中傳輸，而不會(huì)有材料損傷，或由光纖的非線性特性會(huì)導(dǎo)致的有害效應(yīng)。這些出售的光纖是基于其總體的光學(xué)規(guī)格，而不是其物理特性。

請(qǐng)注意：這些光纖將以兩端為密封的形式發(fā)貨，因?yàn)檫@樣可以在存儲(chǔ)中避免水分和灰塵進(jìn)入空心微管中。在使用前需要事先將其切割，例如用我們的S90R紅寶石光纖切割器或我們的Vytran^®CAC400小型光纖切割器。

規(guī)格

無截止單模，大模場(chǎng)，單模，光子晶體光纖

在近場(chǎng)中光強(qiáng)下降峰值的1/e²時(shí)的全寬。

TIA-455-80-C標(biāo)準(zhǔn)

在彎曲半徑為16 cm情況下測(cè)量

很抱歉我們不能提供該專有資料。

該規(guī)格為光纖的幾何(或物理)學(xué)纖芯直徑。

無截止單模，大模場(chǎng)，保偏，光子晶體光纖

在近場(chǎng)中光強(qiáng)下降峰值的1/e²時(shí)的全寬。

在彎曲半徑為16 cm情況下測(cè)量

很抱歉我們不能提供該專有資料。

該規(guī)格為光纖的幾何(或物理)學(xué)纖芯直徑。

衰減

損傷閥值

激光誘導(dǎo)的光纖損傷

以下教程詳述了無終端(裸露的)、有終端光纖以及其他基于激光光源的光纖元件的損傷機(jī)制，包括空氣-玻璃界面(自由空間耦合或使用接頭時(shí))的損傷機(jī)制和光纖玻璃內(nèi)的損傷機(jī)制。諸如裸纖、光纖跳線或熔接耦合器等光纖元件可能受到多種潛在的損傷(比如，接頭、光纖端面和裝置本身)。光纖適用的大功率始終受到這些損傷機(jī)制的小值的限制。

雖然可以使用比例關(guān)系和一般規(guī)則估算損傷閾值，但是，光纖的損傷閾值在很大程度上取決于應(yīng)用和特定用戶。用戶可以以此教程為指南，估算大程度降低損傷風(fēng)險(xiǎn)的安全功率水平。如果遵守了所有恰當(dāng)?shù)闹苽浜瓦m用性指導(dǎo)，用戶應(yīng)該能夠在的大功率水平以下操作光纖元件；如果有元件并未大功率，用戶應(yīng)該遵守下面描述的"實(shí)際安全水平"該，以安全操作相關(guān)元件。可能降低功率適用能力并給光纖元件造成損傷的因素包括，但不限于，光纖耦合時(shí)未對(duì)準(zhǔn)、光纖端面受到污染或光纖本身有瑕疵。關(guān)于特定應(yīng)用中光纖功率適用能力的深入討論，請(qǐng)聯(lián)系技術(shù)支持techsupport-cn@thorlabs.com。

空氣-玻璃界面的損傷

空氣/玻璃界面有幾種潛在的損傷機(jī)制。自由空間耦合或使用光學(xué)接頭匹配兩根光纖時(shí)，光會(huì)入射到這個(gè)界面。如果光的強(qiáng)度很高，就會(huì)降低功率的適用性，并給光纖造成yong久性損傷。而對(duì)于使用環(huán)氧樹脂將接頭與光纖固定的終端光纖而言，高強(qiáng)度的光產(chǎn)生的熱量會(huì)使環(huán)氧樹脂熔化，進(jìn)而在光路中的光纖表面留下殘留物。

損傷的光纖端面

未損傷的光纖端面

裸纖端面的損傷機(jī)制

光纖端面的損傷機(jī)制可以建模為大光學(xué)元件，紫外熔融石英基底的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)損傷閾值適用于基于石英的光纖(參考右表)。但是與大光學(xué)元件不同，與光纖空氣/璃界面相關(guān)的表面積和光束直徑都非常小，耦合單模(SM)光纖時(shí)尤其如此，因此，對(duì)于給定的功率密度，入射到光束直徑較小的光纖的功率需要比較低。

右表列出了兩種光功率密度閾值：一種理論損傷閾值，一種"實(shí)際安全水平"。一般而言，理論損傷閾值代表在光纖端面和耦合條件非常好的情況下，可以入射到光纖端面且沒有損傷風(fēng)險(xiǎn)的大功率密度估算值。而"實(shí)際安全水平"功率密度代表光纖損傷的低風(fēng)險(xiǎn)。超過實(shí)際安全水平操作光纖或元件也是有可以的，但用戶必須遵守恰當(dāng)?shù)倪m用性說明，并在使用前在低功率下驗(yàn)證性能。

計(jì)算單模光纖和多模光纖的有效面積單模光纖的有效面積是通過模場(chǎng)直徑(MFD)定義的，它是光通過光纖的橫截面積，包括纖芯以及部分包層。耦合到單模光纖時(shí)，入射光束的直徑必須匹配光纖的MFD，才能達(dá)到良好的耦合效率。

例如，SM400單模光纖在400 nm下工作的模場(chǎng)直徑(MFD)大約是?3 µm，而SMF-28 Ultra單模光纖在1550 nm下工作的MFD為?10.5 µm。則兩種光纖的有效面積可以根據(jù)下面來計(jì)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

為了估算光纖端面適用的功率水平，將功率密度乘以有效面積。請(qǐng)注意，該計(jì)算假設(shè)的是光束具有均勻的強(qiáng)度分布，但其實(shí)，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(jì)算值將略高于損傷閾值或?qū)嶋H安全水平對(duì)應(yīng)的功率。假設(shè)使用連續(xù)光源，通過估算的功率密度，就可以確定對(duì)應(yīng)的功率水平：

SM400 Fiber: 7.07 x 10^-8cm²x 1MW/cm²= 7.1 x10^-8MW =71 mW (理論損傷閾值)
7.07 x 10^-8cm²x 250 kW/cm²= 1.8 x10^-5kW = 18 mW (實(shí)際安全水平)

SMF-28 Ultra Fiber: 8.66 x 10^-7cm²x 1MW/cm²= 8.7 x10^-7MW =870mW (理論損傷閾值)
8.66 x 10^-7cm²x 250 kW/cm²= 2.1 x10^-4kW =210 mW (實(shí)際安全水平)

多模(MM)光纖的有效面積由纖芯直徑確定，一般要遠(yuǎn)大于SM光纖的MFD值。如要獲得佳耦合效果，Thorlabs建議光束的光斑大小聚焦到纖芯直徑的70 - 80%。由于多模光纖的有效面積較大，降低了光纖端面的功率密度，因此，較高的光功率(一般上千瓦的數(shù)量級(jí))可以無損傷地耦合到多模光纖中。

所有值針對(duì)無終端(裸露)的石英光纖，適用于自由空間耦合到潔凈的光纖端面。

這是可以入射到光纖端面且沒有損傷風(fēng)險(xiǎn)的大功率密度估算值。用戶在高功率下工作前，必須驗(yàn)證系統(tǒng)中光纖元件的性能與可靠性，因其與系統(tǒng)有著緊密的關(guān)系。

這是在大多數(shù)工作條件下，入射到光纖端面且不會(huì)損傷光纖的安全功率密度估算值。

插芯/接頭終端相關(guān)的損傷機(jī)制

有終端接頭的光纖要考慮更多的功率適用條件。光纖一般通過環(huán)氧樹脂粘合到陶瓷或不銹鋼插芯中。光通過接頭耦合到光纖時(shí)，沒有進(jìn)入纖芯并在光纖中傳播的光會(huì)散射到光纖的外層，再進(jìn)入插芯中，而環(huán)氧樹脂用來將光纖固定在插芯中。如果光足夠強(qiáng)，就可以熔化環(huán)氧樹脂，使其氣化，并在接頭表面留下殘?jiān)?。這樣，光纖端面就出現(xiàn)了局部吸收點(diǎn)，造成耦合效率降低，散射增加，進(jìn)而出現(xiàn)損傷。

與環(huán)氧樹脂相關(guān)的損傷取決于波長(zhǎng)，出于以下幾個(gè)原因。一般而言，短波長(zhǎng)的光比長(zhǎng)波長(zhǎng)的光散射更強(qiáng)。由于短波長(zhǎng)單模光纖的MFD較小，且產(chǎn)生更多的散射光，則耦合時(shí)的偏移也更大。

為了大程度地減小熔化環(huán)氧樹脂的風(fēng)險(xiǎn)，可以在光纖端面附近的光纖與插芯之間構(gòu)建無環(huán)氧樹脂的氣隙光纖接頭。我們的高功率多模光纖跳線就使用了這種設(shè)計(jì)特點(diǎn)的接頭。

曲線圖展現(xiàn)了帶終端的單模石英光纖的大概功率適用水平。每條線展示了考慮具體損傷機(jī)制估算的功率水平。大功率適用性受到所有相關(guān)損傷機(jī)制的低功率水平限制(由實(shí)線表示)。

確定具有多種損傷機(jī)制的功率適用性

光纖跳線或組件可能受到多種途徑的損傷(比如，光纖跳線)，而光纖適用的大功率始終受到與該光纖組件相關(guān)的低損傷閾值的限制。

例如，右邊曲線圖展現(xiàn)了由于光纖端面損傷和光學(xué)接頭造成的損傷而導(dǎo)致單模光纖跳線功率適用性受到限制的估算值。有終端的光纖在給定波長(zhǎng)下適用的總功率受到在任一給定波長(zhǎng)下，兩種限制之中的較小值限制(由實(shí)線表示)。在488 nm左右工作的單模光纖主要受到光纖端面損傷的限制(藍(lán)色實(shí)線)，而在1550
nm下工作的光纖受到接頭造成的損傷的限制(紅色實(shí)線)。

對(duì)于多模光纖，有效模場(chǎng)由纖芯直徑確定，一般要遠(yuǎn)大于SM光纖的有效模場(chǎng)。因此，其光纖端面上的功率密度更低，較高的光功率(一般上千瓦的數(shù)量級(jí))可以無損傷地耦合到光纖中(圖中未顯示)。而插芯/接頭終端的損傷限制保持不變，這樣，多模光纖的大適用功率就會(huì)受到插芯和接頭終端的限制。

請(qǐng)注意，曲線上的值只是在合理的操作和對(duì)準(zhǔn)步驟幾乎不可能造成損傷的情況下粗略估算的功率水平值。值得注意的是，光纖經(jīng)常在超過上述功率水平的條件下使用。不過，這樣的應(yīng)用一般需要專業(yè)用戶，并在使用之前以較低的功率進(jìn)行測(cè)試，盡量降低損傷風(fēng)險(xiǎn)。但即使如此，如果在較高的功率水平下使用，則這些光纖元件應(yīng)該被看作實(shí)驗(yàn)室消耗品。

光纖內(nèi)的損傷閾值

除了空氣玻璃界面的損傷機(jī)制外，光纖本身的損傷機(jī)制也會(huì)限制光纖使用的功率水平。這些限制會(huì)影響所有的光纖組件，因?yàn)樗鼈兇嬖谟诠饫w本身。光纖內(nèi)的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(huì)使其無法全反射，光在某個(gè)區(qū)域就會(huì)射出光纖，這時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生彎曲損耗。射出光纖的光一般功率密度較高，會(huì)燒壞光纖涂覆層和周圍的松套管。

有一種叫做雙包層的特種光纖，允許光纖包層(第二層)也和纖芯一樣用作波導(dǎo)，從而降低彎折損傷的風(fēng)險(xiǎn)。通過使包層/涂覆層界面的臨界角高于纖芯/包層界面的臨界角，射出纖芯的光就會(huì)被限制在包層內(nèi)。這些光會(huì)在幾厘米或者幾米的距離而不是光纖內(nèi)的某個(gè)局部點(diǎn)漏出，從而大限度地降低損傷。Thorlabs生產(chǎn)并銷售0.22 NA雙包層多模光纖，它們能將適用功率提升百萬(wàn)瓦的范圍。

光暗化

光纖內(nèi)的第二種損傷機(jī)制稱為光暗化或負(fù)感現(xiàn)象，一般發(fā)生在紫外或短波長(zhǎng)可見光，尤其是摻鍺纖芯的光纖。在這些波長(zhǎng)下工作的光纖隨著曝光時(shí)間增加，衰減也會(huì)增加。引起光暗化的原因大部分未可知，但可以采取一些列措施來緩解。例如，研究發(fā)現(xiàn)，羥基離子(OH)含量非常低的光纖可以抵抗光暗化，其它摻雜物比如氟，也能減少光暗化。

即使采取了上述措施，所有光纖在用于紫外光或短波長(zhǎng)光時(shí)還是會(huì)有光暗化產(chǎn)生，因此用于這些波長(zhǎng)下的光纖應(yīng)該被看成消耗品。

制備和處理光纖

通用清潔和操作指南

建議將這些通用清潔和操作指南用于所有的光纖產(chǎn)品。而對(duì)于具體的產(chǎn)品，用戶還是應(yīng)該根據(jù)輔助文獻(xiàn)或手冊(cè)中給出的具體指南操作。只有遵守了所有恰當(dāng)?shù)那鍧嵑筒僮鞑襟E，損傷閾值的計(jì)算才會(huì)適用。

安裝或集成光纖(有終端的光纖或裸纖)前應(yīng)該關(guān)掉所有光源，以避免聚焦的光束入射在接頭或光纖的脆弱部分而造成損傷。

光纖適用的功率直接與光纖/接頭端面的質(zhì)量相關(guān)。將光纖連接到光學(xué)系統(tǒng)前，一定要檢查光纖的末端。端面應(yīng)該是干凈的，沒有污垢和其它可能導(dǎo)致耦合光散射的污染物。另外，如果是裸纖，使用前應(yīng)該剪切，用戶應(yīng)該檢查光纖末端，確保切面質(zhì)量良好。

如果將光纖熔接到光學(xué)系統(tǒng)，用戶先應(yīng)該在低功率下驗(yàn)證熔接的質(zhì)量良好，然后在高功率下使用。熔接質(zhì)量差，會(huì)增加光在熔接界面的散射，從而成為光纖損傷的來源。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)和優(yōu)化耦合時(shí)，用戶應(yīng)該使用低功率；這樣可以大程度地減少光纖其他部分(非纖芯)的曝光。如果高功率光束聚焦在包層、涂覆層或接頭，有可能產(chǎn)生散射光造成的損傷。

高功率下使用光纖的注意事項(xiàng)

一般而言，光纖和光纖元件應(yīng)該要在安全功率水平限制之內(nèi)工作，但在理想的條件下(佳的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和非常干凈的光纖端面)，光纖元件適用的功率可能會(huì)增大。用戶先必須在他們的系統(tǒng)內(nèi)驗(yàn)證光纖的性能和穩(wěn)定性，然后再提高輸入或輸出功率，遵守所有所需的安全和操作指導(dǎo)。以下事項(xiàng)是一些有用的建議，有助于考慮在光纖或組件中增大光學(xué)功率。

要防止光纖損傷光耦合進(jìn)光纖的對(duì)準(zhǔn)步驟也是重要的。在對(duì)準(zhǔn)過程中，在取得佳耦合前，光很容易就聚焦到光纖某部位而不是纖芯。如果高功率光束聚焦在包層或光纖其它部位時(shí)，會(huì)發(fā)生散射引起損傷

使用光纖熔接機(jī)將光纖組件熔接到系統(tǒng)中，可以增大適用的功率，因?yàn)樗梢源蟪潭鹊販p少空氣/光纖界面損傷的可能性。用戶應(yīng)該遵守所有恰當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)來制備，并進(jìn)行高質(zhì)量的光纖熔接。熔接質(zhì)量差可能導(dǎo)致散射，或在熔接界面局部形成高熱區(qū)域，從而損傷光纖。

連接光纖或組件之后，應(yīng)該在低功率下使用光源測(cè)試并對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。然后將系統(tǒng)功率緩慢增加到所希望的輸出功率，同時(shí)周期性地驗(yàn)證所有組件對(duì)準(zhǔn)良好，耦合效率相對(duì)光學(xué)耦合功率沒有變化。

由于劇烈彎曲光纖造成的彎曲損耗可能使光從受到應(yīng)力的區(qū)域漏出。在高功率下工作時(shí)，大量的光從很小的區(qū)域(受到應(yīng)力的區(qū)域)逃出，從而在局部形成產(chǎn)生高熱量，進(jìn)而損傷光纖。請(qǐng)?jiān)诓僮鬟^程中不要破壞或突然彎曲光纖，以盡可能地減少?gòu)澢鷵p耗。

用戶應(yīng)該針對(duì)給定的應(yīng)用選擇合適的光纖。例如，大模場(chǎng)光纖可以良好地代替標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖在高功率應(yīng)用中使用，因?yàn)榍罢呖梢蕴峁└训墓馐|(zhì)量，更大的MFD，且可以降低空氣/光纖界面的功率密度。

階躍折射率石英單模光纖一般不用于紫外光或高峰值功率脈沖應(yīng)用，因?yàn)檫@些應(yīng)用與高空間功率密度相關(guān)。

無截止單模，大模場(chǎng)，單模，光子晶體光纖

無截止單模，大模場(chǎng)，保偏，光子晶體光纖