Thorlabs多模光纖，方形纖芯

Thorlabs多模光纖，方形纖芯特性

階躍折射率多模光纖，方形纖芯，數(shù)值孔徑0.39

純石英纖芯尺寸150 µm x 150 µm

硬聚合物包層Ø225 µm

波長(zhǎng)范圍400 - 2200 nm，低羥基

非常適合成像和光譜學(xué)應(yīng)用

使用T12S21光纖剝除工具剝離涂覆層

FP150QMT多模光纖的數(shù)值孔徑為0.39，它具有150µm x 150 µm的方形石英纖芯，這點(diǎn)與大多數(shù)具有圓形纖芯的階躍折射率光纖不同。該纖芯由Ø225 µm圓形聚合物包層包圍，且涂覆有乙烯-四氟乙烯共聚物(Tefzel)緩沖層。它的波長(zhǎng)范圍為400 - 2200nm；請(qǐng)看下方的衰減曲線圖，完整規(guī)格請(qǐng)看規(guī)格標(biāo)簽。

纖芯的方形有助于光纖中的模式混合，從而產(chǎn)生均勻的空間分布、正方形的光束形狀以及平頂光束輪廓(在輸出端)。為了在遠(yuǎn)場(chǎng)距離保持方形的光束，需要使用準(zhǔn)直器對(duì)纖芯成像(請(qǐng)看右圖)。鮮明的方形光束非常適合成像應(yīng)用，比如在矩形CCD探測(cè)器上成像。該光束輪廓的形狀還可以改善激光二極管或LED的耦合，因?yàn)樗鼈兙哂芯匦伟l(fā)射面。對(duì)于天文光譜學(xué)應(yīng)用，方形纖芯的光纖還能減少焦比衰退(FRD)，并改善擾模增益(更多信息，請(qǐng)看應(yīng)用標(biāo)簽)。

庫(kù)存有使用該光纖的光纖跳線，包含多種配置(詳情請(qǐng)看表格)。我們也可以定制不同的長(zhǎng)度或接頭配置，詳情請(qǐng)聯(lián)系技術(shù)支持。

使用FP150QMT的光纖跳線(左圖)與M29L02纖芯Ø200 µm的光纖跳線(右圖)的準(zhǔn)直輸出比較。M625F2光纖耦合LED用作光源。

利用透鏡擴(kuò)束測(cè)量的平頂光束輪廓

規(guī)格

應(yīng)用

方形纖芯的光纖適合多種應(yīng)用，包括：天文學(xué)、激光加工、皮膚病學(xué)設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)成像。下面的例子展現(xiàn)了這些光纖相對(duì)于傳統(tǒng)圓形纖芯光纖而具有的*優(yōu)勢(shì)。

平坦的光束輪廓

方形纖芯的光纖具有一個(gè)明顯的特點(diǎn)，那就是它在纖芯區(qū)域產(chǎn)生的是強(qiáng)度均勻的光束，而不是圓形纖芯的光纖通常產(chǎn)生的高斯光束輪廓。這是因?yàn)?，纖芯的方形有助于光在光纖中傳播時(shí)實(shí)現(xiàn)模式混合，從而使輸出光束的空間模式均勻分布。

方形纖芯的光纖非常適合激光加工應(yīng)用，無(wú)需光束整形光學(xué)元件或掩模，就可以形成尖角或進(jìn)行邊緣切割；這種光纖也適合成像應(yīng)用，方形光束輪廓可以更好地適應(yīng)矩形CCD陣列的形狀。請(qǐng)注意，光束一旦離開光纖，光束形狀就無(wú)法保持，因此，需要準(zhǔn)直器對(duì)纖芯成像，以保持光束在自由空間中的形狀。

使用透鏡擴(kuò)展由530 nm LED光源從單模光纖發(fā)射到測(cè)試光纖的光束，并測(cè)量光束輪廓。

天文應(yīng)用

對(duì)恒星和天文光譜學(xué)感興趣的客戶，這種方形纖芯的光纖還有幾種優(yōu)于圓形纖芯光纖的特點(diǎn)。

焦比衰退(FRD)少多模光纖跳線適用于天文應(yīng)用，尤其常用于建立多天體分光(MOS)系統(tǒng)，可以在望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)內(nèi)同時(shí)觀察多個(gè)天體的光譜。光纖的小視場(chǎng)只能捕捉目標(biāo)天體發(fā)出的光，周圍天體產(chǎn)生的噪聲很小。由于微彎曲以及安裝接頭時(shí)終端對(duì)光纖產(chǎn)生的應(yīng)力，光纖輸出端的焦比(也就是f/#)會(huì)低于輸入端，而光束角度在輸出端會(huì)變大。這種現(xiàn)象也就是所謂的焦比衰退(FRD)，輸出光束角度變寬，會(huì)導(dǎo)致光譜分辨率降低，在探測(cè)器上的采光量減少。FRD通過輸入f/#與輸出f/#的比值來(lái)計(jì)算。

Thorlabs方形纖芯的光纖可以大程度地減少終端應(yīng)力和焦比衰退。為了證明這點(diǎn)，我們測(cè)試了三種光纖，其終端由低應(yīng)力環(huán)氧樹脂粘合，并在40 °C下經(jīng)過4小時(shí)固化。如右圖所示，與FT200EMT(Ø200 µm纖芯)和FT300EMT(Ø300 µm 纖芯)光纖相比，使用FP150QMT方形纖芯光纖的跳線焦比衰退更低(即，輸入端與輸出端的焦比差異更小)

在530 nm處的FRD測(cè)量FP150QMT：150 µm x 150 µm方形纖芯FT200EMT：Ø200 µm圓形纖芯FT300EMT：Ø300 µm圓形纖芯

擾模增益

恒星光譜學(xué)中也使用多模光纖。觀察到的恒星的細(xì)微運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致所測(cè)光譜的變化，這是一種測(cè)量噪聲的來(lái)源。加強(qiáng)擾?？梢越档凸饫w對(duì)這些波動(dòng)的靈敏度。"擾模增益"可以量化光纖對(duì)這些擾動(dòng)的靈敏度，被定義為光纖輸入端點(diǎn)光源的位移與光纖輸出端所測(cè)光束位移的比值。擾模增益值越高，表示點(diǎn)光源波動(dòng)對(duì)光纖輸出的影響越小。

有好幾種方法可以改善光纖中的擾模增益。一般而言，使用較長(zhǎng)的光纖可以提高擾模增益，但是，光纖的總透射率也會(huì)降低。而方形纖芯的光纖改善擾模增益不需要使用較長(zhǎng)的光纖。如左表所示，使用方形纖芯的Thorlabs光纖跳線的擾模增益高于類似圓形纖芯的光纖跳線。

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(shuō)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Ø3 µm，而SMF-28 Ultra單模光纖在1550 nm下工作的MFD為Ø10.5 µm。則兩種光纖的有效面積可以根據(jù)下面來(lái)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(wú)損傷地耦合到多模光纖中。

所有值針對(duì)無(wú)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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(lái)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(lái)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)。

多模光纖選擇指南

Thorlabs提供的多模裸光纖具有石英、氟化鋯(ZrF₄)或氟化銦(InF₃)纖芯。下表詳述了Thorlabs的所有多模裸光纖。點(diǎn)擊右邊欄中的曲線圖標(biāo)可以查看衰減曲線圖。

損傷的光纖端面