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光導(dǎo)纖維,簡(jiǎn)稱(chēng)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(hào)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(hù)成本。然而,光纖對(duì)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(guò)損傷閾值的光功率會(huì)對(duì)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(shí)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(shí)際損傷閾值是指實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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。利用法蘭接通兩根光纖時(shí),激光會(huì)從第一根光纖的端面中射出,經(jīng)過(guò)空氣層入射到下一根光纖的端面上。光功率過(guò)高時(shí),可能會(huì)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(shí)際安全水平”
空氣—玻璃界面損傷閾值
激光類(lèi)型 | 理論損傷閾值 | 實(shí)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(guò)光纖的橫截面積稱(chēng)為有效面積,包括纖芯以及部分包層。有效面積可以通過(guò)模場(chǎng)直徑(MFD)計(jì)算得出。
例如,SMF-28E+康寧單模通信光纖在1260nm下工作的模場(chǎng)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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●CSMF-28E+康寧單模通信光纖 截至波長(zhǎng) 1260nm 纖芯直徑 8.2um | |
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與插芯相關(guān)的損傷
此外光纖一般通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘合到陶瓷插芯中,當(dāng)光功率過(guò)高時(shí),沒(méi)有進(jìn)入纖芯并在光纖中傳播而散射到光纖的外層,會(huì)產(chǎn)生足夠?qū)h(huán)氧樹(shù)脂融化的熱量。
除了空氣玻璃界面的損傷機(jī)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(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?chē)乃商坠堋?/span>
光暗化
光纖內(nèi)的第二種損傷機(jī)制稱(chēng)為光暗化,隨著曝光時(shí)間的增加,光纖內(nèi)的衰減也會(huì)增加。光暗化經(jīng)常發(fā)生在紫外或短波長(zhǎng)可見(jiàn)光。
在使用光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前,需要利用端面檢測(cè)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。
激光損壞的端面 未被損傷的端面
在使用光纖產(chǎn)品時(shí),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(jì)算才會(huì)適用。
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