Порог повреждения оптоволокна

В следующем учебном пособии подробно описаны механизмы повреждения, относящиеся к оголенному оптоволокну, оптоволокну с разъемом и другим компонентам волокна от источников лазерного излучения. Эти механизмы включают повреждение, которое происходит на границе раздела воздух/стекло и в самом оптическом волокне. Оптоволоконный компонент, такой как оголенное волокно, соединительный кабель или плавленый соединитель, может иметь несколько потенциальных путей повреждения (например, разъемы, торцы волокна и само устройство). Максимальная мощность, с которой может справиться волокно, всегда будет ограничена нижним пределом любого из этих механизмов повреждения.

Хотя порог повреждения можно оценить с помощью масштабных соотношений и общих правил, абсолютные пороги повреждения в оптических волокнах сильно зависят от приложения и пользователя. Пользователи могут использовать это руководство для оценки безопасного уровня мощности, который сводит к минимуму риск повреждения. Следуя всем соответствующим инструкциям по подготовке и обращению с материалом, пользователи должны иметь возможность эксплуатировать оптоволоконные компоненты до указанного максимального уровня мощности; если для компонента не указан максимум, пользователи должны соблюдать «практический безопасный уровень», описанный ниже, для безопасной работы. Факторы, которые могут снизить мощность и вызвать повреждение волокна, включают, помимо прочего, смещение во время соединения волокна, загрязнение торцевой поверхности или дефекты самого волокна.

Повреждение интерфейса на границе раздела воздух/стекло

Существует несколько потенциальных механизмов повреждения, которые могут возникнуть на границе раздела воздух/стекло. Излучение падает на интерфейс при соединении в свободном пространстве или при соединении двух волокон с помощью оптических соединителей. Излучение высокой интенсивности может повредить торец, что приведет к снижению потребляемой мощности и необратимому повреждению волокна. Для волокон с оптическими разъемами, где разъемы прикреплены к концам волокна с помощью эпоксидной смолы, тепло, выделяемое излучением высокой интенсивности, может сжечь эпоксидную смолу и оставить остатки на граньке волокна непосредственно на пути прохождения излучения.

Механизмы повреждения на неизолированном конце волокна

Механизмы повреждения на торцевой поверхности волокна можно моделировать аналогично объемной оптике, а к волокну на основе кварца можно применять стандартные промышленные пороги повреждения для подложек из УФ-плавленого кварца. Однако, в отличие от объемной оптики, соответствующие площади поверхности и диаметры пучка на границе раздела воздух/стекло в оптическом волокне очень малы, особенно для соединения с одномодовым (SM) волокном, следовательно, для данной плотности мощности мощность, падающая на волокно, должна быть ниже для меньшего диаметра пучка.

В таблице представлены два порога плотности оптической мощности: теоретический порог повреждения и «практический безопасный уровень». В общем, теоретический порог повреждения представляет собой расчетную максимальную плотность мощности, которая может падать на торцевую поверхность волокна без риска повреждения при очень хороших условиях торцевой поверхности волокна и соединения. «Практически безопасный уровень» удельной мощности представляет собой минимальный риск повреждения волокна. Возможно использование волокна или компонента сверх практически безопасного уровня, но пользователи должны следовать соответствующим инструкциям по обращению и проверять работоспособность при малых мощностях перед использованием.

Примечания:

a. Это расчетная максимальная плотность мощности, которая может падать на торцевую поверхность волокна без риска повреждения. Проверка работоспособности и надежности оптоволоконных компонентов в системе перед работой на высокой мощности должна выполняться пользователем, так как это сильно зависит от системы.

b. Это расчетная безопасная плотность оптической мощности, которая может падать на торец волокна без его повреждения в большинстве рабочих условий.

Поврежденный торец волокна

Неповрежденный торец волокна

Расчет эффективной площади для одномодовых и многомодовых волокон

Эффективная площадь одномодового (SM) волокна определяется диаметром модового поля (MFD), который представляет собой площадь поперечного сечения, через которую излучение распространяется в волокне; эта область включает в себя сердцевину волокна, а также часть оболочки. Для достижения хорошей эффективности при соединении с одномодовым волокном диаметр входного пучка должен соответствовать MFD волокна.

Например, одномодовое волокно SM400 имеет диаметр модового поля (MFD) ~Ø3 мкм при работе на длине волны 400 нм, в то время как MFD для одномодового волокна SMF-28 Ultra, работающего на длине волны 1550 нм, составляет Ø10.5 мкм. Эффективную площадь для этих волокон можно рассчитать следующим образом:

Волокно SM400: Площадь = Pi x (MFD/2)² = Pi x (1.5 мкм)² = 7.07 мкм² = 7.07 x 10^-8 см²

SMF-28 Ultra Fiber: Площадь = Pi x (MFD/2)² = Pi x (5.25 мкм)² = 86.6 мкм² = 8.66 x 10^-7 см²

Чтобы оценить уровень мощности, с которым может справиться грань волокна, плотность мощности умножается на эффективную площадь. Следует обратить внимание, что этот расчет предполагает однородный профиль интенсивности, но большинство лазерных пучков имеют гауссову форму внутри одномодового волокна, что приводит к более высокой плотности мощности в центре пучка по сравнению с краями. Следовательно, эти расчеты немного завышают мощность, соответствующую порогу повреждения или практическому безопасному уровню. Используя оценочные плотности мощности, предполагая источник непрерывного света, можно определить соответствующие уровни мощности как:

Волокно SM400: 7.07 x 10^-8 см² x 1 МВт/см² = 7.1 x 10^-8 МВт = 71 мВт (теоретический порог повреждения) 7.07 x 10^-8 см² x 250 кВт/см² = 1.8 x 10^-5 кВт = 18 мВт (практический безопасный уровень)

SMF-28 Ultra Fiber: 8.66 x 10^-7 см² x 1 МВт/см² = 8.7 x 10^-7 МВт = 870 мВт (теоретический порог повреждения) 8.66 x 10^-7 см² x 250 кВт/см² = 2.1 x 10^-4 кВт = 210 мВт (практический безопасный уровень)

Эффективная площадь многомодового (MM) волокна определяется диаметром сердцевины, который обычно намного больше, чем MFD SM-волокна. Для оптимальной связи Thorlabs рекомендует фокусировать луч в точку примерно на 70–80% диаметра сердцевины. Большая эффективная площадь ММ-волокон снижает плотность мощности на торце волокна, что позволяет передавать более высокие оптические мощности (обычно порядка киловатт) в многомодовое волокно без повреждений.

Механизмы повреждения, связанные с наконечником/разъемом

Волокна с оптическими коннекторами на конце, требуют дополнительных требований к мощности. Волокно обычно имеет эпоксидную смолу на конце для соединения волокна с керамическим или стальным наконечником. Когда излучение попадает в волокно через соединитель, излучение, которое не входит в сердцевину и распространяется вниз по волокну, рассеивается на внешние слои волокна, в наконечник и эпоксидную смолу, используемую для крепления волокна в наконечнике. Если свет достаточно интенсивный, он может сжечь эпоксидную смолу, что приведет к ее испарению и отложению осадка на поверхности разъема. Это приводит к появлению локализованных участков поглощения на торце волокна, которые снижают эффективность соединения и увеличивают рассеяние, вызывая дальнейшее повреждение.

По нескольким причинам повреждения, связанные с эпоксидной смолой, зависят от длины волны. Как правило, на коротких волнах свет рассеивается сильнее, чем на более длинных. Отсутствие соосности при соединении также более вероятно из-за небольшого MFD коротковолнового SM-волокна, которое также дает больше рассеянного света.

Чтобы свести к минимуму риск возгорания эпоксидной смолы, волоконно-оптические соединители могут быть сконструированы с воздушным зазором без эпоксидной смолы между оптическим волокном и наконечником вблизи торца волокна. В многомодовых оптоволоконных соединительных кабелях для излучения высокой мощности компании Thorlabs используются разъемы с этой конструктивной особенностью.

Определение управление мощностью излучения

Когда волоконно-оптические кабели или компоненты имеют несколько путей повреждения (например, оптоволоконные соединительные кабели), максимальная мощность всегда ограничивается самым низким порогом повреждения, имеющим отношение к волоконному компоненту. Как правило, это максимальная входная мощность, которая может приходить на торец соединительного кабеля, а не связанная выходная мощность.

В качестве иллюстративного примера на графике показана оценка ограничений по мощности одномодового оптоволоконного кабеля из-за повреждения торцевой поверхности волокна и повреждения через оптический соединитель. Общая входная мощность оптоволокна на заданной длине волны ограничена нижним из двух ограничений на любой заданной длине волны (обозначенной сплошными линиями). Одномодовое волокно, работающее на длине волны около 488 нм, в первую очередь ограничено повреждением торца волокна (синяя сплошная линия), но волокна, работающие на длине волны 1550 нм, ограничены повреждением разъема (красная сплошная линия).

Расчетная мощность оптических волокон из диоксида кремния

В случае многомодового волокна эффективная площадь моды определяется диаметром сердцевины, который больше, чем эффективная площадь моды для SM-волокна. Это приводит к более низкой плотности мощности на торце волокна и позволяет передавать более высокие оптические мощности (порядка киловатт) в волокно без повреждений (не показано на графике). Однако предел повреждения наконечника/разъема остается неизменным, и в результате максимальная мощность, обрабатываемая для многомодового волокна, ограничивается наконечником и разъемом.

Следует обратить внимание, что это приблизительные оценки уровней мощности, при которых повреждение маловероятно при правильном обращении и процедурах регулировки. Стоит отметить, что оптические волокна часто используются на уровнях мощности, превышающих описанные здесь. Однако для этих приложений обычно требуются опытные пользователи и сначала проводится тестирование на более низких мощностях, чтобы минимизировать риск повреждения. Тем не менее, оптоволоконные компоненты следует рассматривать как расходные материалы для лабораторий, если они используются на высоких уровнях мощности.

Внутренний порог повреждения

Помимо механизмов повреждения на границе раздела воздух/стекло, оптические волокна также демонстрируют ограничения по мощности из-за механизмов повреждения внутри самого оптического волокна. Эти ограничения влияют на все компоненты волокна, так как они присущи самому волокну. Двумя категориями повреждений волокна являются повреждения из-за потерь на изгибе и повреждения из-за фототемнения.

Потери на изгибе

Потери на изгибе возникают, когда волокно изгибается до точки, в которой свет, проходящий по сердцевине, падает на границу раздела сердцевина/оболочка под углом, превышающим критический угол, что делает невозможным полное внутреннее отражение. В этих условиях свет выходит из волокна, часто в определенной области. Свет, выходящий из волокна, обычно имеет высокую удельную мощность, которая сжигает покрытие волокна, а также любые его ответвления.

Специальная категория оптического волокна, называемого волокном с двухслойным покрытием, может снизить риск повреждения из-за потерь на изгибе, позволяя оболочке волокна (2-й слой) также функционировать как волновод в дополнение к сердечнику. За счет того, что критический угол границы раздела оболочка/покрытие превышает критический угол границы раздела сердцевина/оболочка, свет, выходящий из сердцевины, свободно ограничивается внутри оболочки. Затем он будет просачиваться на расстояние в сантиметры или метры, а не в одном локальном месте внутри волокна, что сводит к минимуму риск повреждения. Thorlabs производит и продает многомодовое оптоволокно с двухслойным покрытием 0.22 NA, которое может похвастаться очень высокой мощностью в мегаваттном диапазоне.

Фототемнение

Второй механизм повреждения, называемый фототемнением или соляризацией, может возникать в волокнах, используемых с ультрафиолетовым или коротковолновым видимым излучением, особенно с сердцевиной, легированной германием. Волокна, используемые на этих длинах волн, со временем будут испытывать повышенное затухание. Механизм, вызывающий фототемнение, в значительной степени неизвестен, но для его уменьшения было разработано несколько конструкций волокон. Например, было обнаружено, что волокна с очень низким содержанием гидроксил-иона (ОН) устойчивы к фототемнению, а использование других легирующих добавок, таких как фтор, также может уменьшить фототемнение.

Даже при использовании вышеупомянутых стратегий все волокна в конечном итоге испытывают фототемнение при использовании УФ или коротковолнового излучения, и, следовательно, волокна, используемые на этих длинах волн, следует рассматривать как расходные материалы.

Подготовка оптических волокон и обращение с ними

Общие инструкции по очистке и эксплуатации

Общие инструкции по очистке и эксплуатации рекомендуются для всех волоконно-оптических компонентов. Пользователи по-прежнему должны следовать конкретным рекомендациям для отдельного продукта, изложенным в документации или руководстве по поддержке. Расчет порога повреждения применяется только при соблюдении всех соответствующих процедур очистки и обращения.

1. Все источники излучения должны быть выключены перед установкой или подключением оптических волокон. Это гарантирует, что сфокусированное излучение не попадет на хрупкие части соединителя или волокна, которые могут вызвать повреждение.
2. Управление мощностью оптического волокна напрямую зависит от качества торца волокна/соединителя. Всегда следует проверять конец волокна перед подключением к оптической системе. Торцевая поверхность волокна должна быть чистой и очищенной от грязи и других загрязнений, которые могут вызвать рассеяние излучения. Перед использованием оголенное волокно следует разрезать и осмотреть конец волокна, чтобы убедиться, что скол хорошего качества.
3. Если оптическое волокно должно быть сварено с оптической системой, пользователи должны сначала убедиться, что сварка имеет хорошее качество при низкой оптической мощности, прежде чем использовать высокую мощность. Плохое качество сварки может увеличить рассеяние света на стыке, что может стать источником повреждения волокна.
4. Пользователи должны использовать малую мощность при юстировке системы и оптимизации соединения; это сводит к минимуму воздействие излучения на другие части волокна (кроме сердцевины). Повреждение из-за рассеянного излучения может произойти, если пучок высокой мощности сфокусирован на оболочке, покрытии или соединителе.

Советы по использованию волокна с высокой оптической мощностью

Оптические волокна и волоконно-оптические компоненты, как правило, должны эксплуатироваться в пределах безопасного уровня мощности, но в идеальных условиях (хорошее оптическое выравнивание и чистые оптические торцы) мощность оптоволоконного компонента может быть увеличена. Пользователи должны проверить работоспособность и стабильность оптоволоконного компонента в своей системе до увеличения входной или выходной мощности и соблюдать все необходимые инструкции по безопасности и эксплуатации. Приведенные ниже советы являются полезными советами при рассмотрении увеличения оптической мощности в оптическом волокне или компоненте.

1. Соединение оптоволоконного компонента с системой с помощью системы для сварки оптоволокна может увеличить потребляемую мощность, поскольку сводит к минимуму возможность повреждения на границе раздела воздух/оптоволокно. Пользователи должны следовать всем соответствующим инструкциям, чтобы подготовить и выполнить качественную сварку волокна. Некачественная сварка может привести к рассеянию или появлению участков сильно локализованного тепла на стыке, что может привести к повреждению волокна.
2. После подключения волокна или компонента систему следует протестировать и отъюстировать с помощью источника света малой мощности. Системную мощность можно медленно наращивать до желаемой выходной мощности, периодически проверяя, что все компоненты правильно выровнены и что эффективность связи не меняется по отношению к оптической пусковой мощности.
3. Потери на изгибе, возникающие в результате резкого изгиба волокна, могут привести к утечке света из волокна в напряженную область. При работе на высокой мощности локальный нагрев, который может возникнуть, когда большое количество света выходит из небольшой локализованной области (напряженная область), может повредить волокно. Важно избегать нарушения или случайного перегиба волокон во время работы, чтобы свести к минимуму потери на изгиб.
4. Пользователи всегда должны выбирать подходящее оптическое волокно для конкретного применения. Например, волокна с большой площадью моды являются хорошей альтернативой стандартным одномодовым волокнам в приложениях высокой мощности, поскольку они обеспечивают хорошее качество пучка с большим MFD, уменьшая плотность мощности на границе раздела воздух/волокно.
5. Одномодовые волокна из кварца со ступенчатым показателем преломления обычно не используются для ультрафиолетового излучения или импульсных приложений с высокой пиковой мощностью из-за высокой пространственной плотности мощности, связанной с этими приложениями.