光纤为何会损伤?浅谈一下光纤损伤阈值 - 筱晓小课堂

筱晓（上海）光子技术有限公司

2024/06/03 13:30
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光导纤维，简称光纤，其主要成分是高纯度的石英玻璃（SiO2）。在激光系统中被广泛应用于光信号传输。相较于空间光传输系统，光纤使得激光传输更加稳定，降低了系统维护成本。然而，光纤对于输入功率有一定的承受限度。在激光系统中，光纤作为激光的载体，是激光致伤的主要部件，超过损伤阈值的光功率会对光纤造成损伤。


激光诱导损伤阈值（LIDT）

激光诱导损伤阈值（LIDT）是光纤在激光作用下所能承受的最大光功率密度，是衡量光纤传输能力的重要因数。

一般而言，损伤阈值包括理论损伤和实际损伤阈值。理论损伤阈值是在耦合条件和端面条件都非常好的情形下，保证光纤不被损坏的最大光功率密度；实际损伤阈值是指实际实验条件中光纤端面可能存在污损、耦合条件也并不理想的情形下，光纤所能承受的最大光功率密度。


空气—玻璃界面损伤

实验结果表明，光纤损伤主要发生在入射面处，例如空气—玻璃界面。利用珐兰接通两根光纤时，激光会从第一根光纤的端面中射出，经过空气层入射到下一根光纤的端面上。光功率过高时，可能会损坏光纤端面。

下表给出了空气—玻璃界面的理论损伤阈值和“实际安全水平”


空气—玻璃界面损伤阈值:

激光类型

理论损伤阈值

实际安全水平

连续激光（平均功率）

1MW/cm2

250kW/cm2

脉冲激光（峰值功率）

5GW/cm2

1GW/cm2


如何估算光纤端面适用的功率水平

以单模光纤为例，光通过光纤的横截面积称为有效面积，包括纤芯以及部分包层。有效面积可以通过模场直径（MFD）计算得出。

例如，SMF-28E+康宁单模通信光纤在1260nm下工作的模场直径（MFD）大约9.2 µm，那么它的有效面积为：

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


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将功率密度与效面积相乘，即可估算出光纤端面适用的功率水平。值得注意的是，此计算假设的是光束具有均匀的强度分布，但其实，单模光纤中的大多数激光束都是高斯形状，使得光束中心的密度比边缘处更高，因此，这些计算值将略高于损伤阈值或实际安全水平对应的功率。


与插芯相关的损伤

此外光纤一般通过环氧树脂粘合到陶瓷插芯中，当光功率过高时，没有进入纤芯并在光纤中传播而散射到光纤的外层，会产生足够将环氧树脂融化的热量。



除了空气玻璃界面的损伤机制外，光纤本身还存在两种损伤，包括弯曲损耗和光暗化损伤。


弯曲损耗

光在纤芯内传播入射到纤芯包层界面的角度大于临界角会使其无法全反射，光在某个区域就会射出光纤，这时候就会产生弯曲损耗。射出光纤的光一般功率密度较高，会烧坏光纤涂覆层和周围的松套管。


光暗化

光纤内的第二种损伤机制称为光暗化，随着曝光时间的增加，光纤内的衰减也会增加。光暗化经常发生在紫外或短波长可见光。

在使用光纤进行实验前，需要利用端面检测仪检查光纤端面是否存在污损。下面两张图分别为被激光损坏的端面和未被损伤的端面。



在使用光纤产品时，只有遵守了所有恰当的清洁和操作规范，损伤阈值的计算才会适用。



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