光纤损伤机理

以下详述了无终端(裸露的)、有终端光纤以及其他基于激光光源的光纤元件的损伤机制，包括空气-玻璃界面(自由空间耦合或使用接头时)的损伤机制和光纤玻璃内的损伤机制。诸如裸纤、光纤跳线或熔接耦合器等光纤元件可能受到多种潜在的损伤(比如，接头、光纤端面和装置本身)。光纤适用的最大功率始终受到这些损伤机制的最小值的限制。

虽然可以使用比例关系和一般规则估算损伤阈值，但是，光纤的绝对损伤阈值在很大程度上取决于应用和特定用户。用户可以以此教程为指南，估算最大程度降低损伤风险的安全功率水平。如果遵守了所有恰当的制备和适用性指导，用户应该能够在指定的最大功率水平以下操作光纤元件；如果有元件并未指定最大功率，用户应该遵守下面描述的"实际安全水平"该，以安全操作相关元件。可能降低功率适用能力并给光纤元件造成损伤的因素包括，但不限于，光纤耦合时未对准、光纤端面受到污染或光纤本身有瑕疵。关于特定应用中光纤功率适用能力的深入讨论，请联系技术支持010-60219102

空气-玻璃界面的损伤

空气/玻璃界面有几种潜在的损伤机制。自由空间耦合或使用光学接头匹配两根光纤时，光会入射到这个界面。如果光的强度很高，就会降低功率的适用性，并给光纤造成永久性损伤。而对于使用环氧树脂将接头与光纤固定的终端光纤而言，高强度的光产生的热量会使环氧树脂熔化，进而在光路中的光纤表面留下残留物。

 未损伤的光纤端面      损伤的光纤端面

裸纤端面的损伤机制

光纤端面的损伤机制可以建模为大光学元件，紫外熔融石英基底的工业标准损伤阈值适用于基于石英的光纤(参考右表)。但是与大光学元件不同，与光纤空气/璃界面相关的表面积和光束直径都非常小，耦合单模(SM)光纤时尤其如此，因此，对于给定的功率密度，入射到光束直径较小的光纤的功率需要比较低。

上表列出了两种光功率密度阈值：一种理论损伤阈值，一种"实际安全水平"。一般而言，理论损伤阈值代表在光纤端面和耦合条件非常好的情况下，可以入射到光纤端面且没有损伤风险的最大功率密度估算值。而"实际安全水平"功率密度代表光纤损伤的最低风险。超过实际安全水平操作光纤或元件也是有可以的，但用户必须遵守恰当的适用性说明，并在使用前在低功率下验证性能。

计算单模光纤和多模光纤的有效面积
单模光纤的有效面积是通过模场直径(MFD)定义的，它是光通过光纤的横截面积，包括纤芯以及部分包层。耦合到单模光纤时，入射光束的直径必须匹配光纤的MFD，才能达到良好的耦合效率。

例如，SM400单模光纤在400 nm下工作的模场直径(MFD)大约是Ø3 µm，而SMF-28 Ultra单模光纤在1550 nm下工作的MFD为Ø10.5 µm。则两种光纤的有效面积可以根据下面来计算：

SM400 Fiber:Area = Pi x (MFD/2)² = Pi x (1.5 µm)² = 7.07 µm² = 7.07 x 10^-8 cm²

 SMF-28 Ultra Fiber: Area = Pi x (MFD/2)² = Pi x (5.25 µm)² = 86.6 µm² = 8.66 x 10^-7 cm²

为了估算光纤端面适用的功率水平，将功率密度乘以有效面积。请注意，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。假设使用连续光源，通过估算的功率密度，就可以确定对应的功率水平：

SM400 Fiber: 7.07 x 10^-8 cm² x 1 MW/cm² = 7.1 x 10^-8 MW = 71 mW (理论损伤阈值)
     7.07 x 10^-8 cm² x 250 kW/cm² = 1.8 x 10^-5 kW = 18 mW (实际安全水平)

SMF-28 UltraFiber: 8.66 x 10^-7 cm² x 1 MW/cm² = 8.7 x 10^-7 MW = 870 mW (理论损伤阈值)
           8.66 x 10^-7 cm² x 250 kW/cm² = 2.1 x 10^-4 kW = 210 mW (实际安全水平)

多模(MM)光纤的有效面积由纤芯直径确定，一般要远大于SM光纤的MFD值。如要获得最佳耦合效果，Thorlabs建议光束的光斑大小聚焦到纤芯直径的70 - 80%。由于多模光纤的有效面积较大，降低了光纤端面的功率密度，因此，较高的光功率(一般上千瓦的数量级)可以无损伤地耦合到多模光纤中。

插芯/接头终端相关的损伤机制

有终端接头的光纤要考虑更多的功率适用条件。光纤一般通过环氧树脂粘合到陶瓷或不锈钢插芯中。光通过接头耦合到光纤时，没有进入纤芯并在光纤中传播的光会散射到光纤的外层，再进入插芯中，而环氧树脂用来将光纤固定在插芯中。如果光足够强，就可以熔化环氧树脂，使其气化，并在接头表面留下残渣。这样，光纤端面就出现了局部吸收点，造成耦合效率降低，散射增加，进而出现损伤。

与环氧树脂相关的损伤取决于波长，出于以下几个原因。一般而言，短波长的光比长波长的光散射更强。由于短波长单模光纤的MFD较小，且产生更多的散射光，则耦合时的偏移也更大。

为了最大程度地减小熔化环氧树脂的风险，可以在光纤端面附近的光纤与插芯之间构建无环氧树脂的气隙光纤接头。我们的高功率多模光纤跳线就使用了这种设计特点的接头。

确定具有多种损伤机制的功率适用性

光纤跳线或组件可能受到多种途径的损伤(比如，光纤跳线)，而光纤适用的最大功率始终受到与此光纤组件相关的最低损伤阈值的限制。