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HP SMA905与HP D80高能量光纤设计与选择

发布时间:2017-02-14

选择光纤进行高能激光传输时,设计者必须考虑3个主要限制因素:基材、输入接头和模式剥离器(如采用)。

首先要考虑的是基材,尤其是界面部分。采用的高能光纤均采用纯石英纤芯,掺氟包层的阶跃式多模光纤组成。由于纤芯纯度极高,可承受非常高的能量。问题是如何将光能耦合到石英光纤中,而这是受输入接头的空气–‐石英界面影响的。采用特殊的抛光工艺,尽可能的提高界面所能承受的功率,但这部分仍会限制跳线所能承受的整体功率。

连续激光的失效类型为由于空气–‐石英界面微观不规则吸收激光能量导致的热失效,取决于脉冲激光的特性,其失效类型可能是热失效,也可能是原子级别的击穿。这几种情况都是耦合到光纤里的,在单位面积可以传递的最高能量,这就是所谓的破坏阈值。连续激光用W/cm2(光强度)表示,脉冲激光用 J/cm2(光通量)表示。

之所以有差别,是因为脉冲激光是以一系列重复能量爆发/脉冲的形式工作。其脉冲宽度和重复频率决定了脉冲激光的峰值功率和平均功率。由于焦耳 (J)是1秒内做1瓦特 (W)功所需的能量,为消除时间因素的影响我们采用焦耳为单位以方便比较。

考察激光器是否会损坏光纤时要进行计算,如为连续激光则需将其光强度除以光纤上光斑面积,如为每脉冲能量则需将光通量除以光纤上光斑面积。如为连续激光所获数值须按波长修正,如为脉冲激光须按波长和脉宽修正。如修正值低于损伤阈值,光斑大小和光纤尺寸适合该激光器。如修正值高于损伤阈值,光斑大小和/或光纤尺寸必须加大直至光强度或光通量低于损伤阈值。下表表示连续激光根据波长不同芯径可承受的最大光强,脉冲激光根据波长和脉宽,不同芯径可承受的最大光通量。

另外两个光纤跳线传输功率限制因素,输入接头和模式剥离器也必须同时被检验。它们的失效形式都是热失效,我们将在随后章节里对其进行详细分析。

表 1:

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请注意:以上信息仅供产品选型辅助参考,由于每个光学系统都不一样,强烈建议在对系统核心组建承诺之前进行完全测试。

连续激光 (CW)

下表反应了常规连续激光光源下不同芯径光纤可承受的功最大功率情况。和功率与波长有关,空气–‐石英界面损伤阈值,接头或模式剥离会成为能量传输的限制因素。下表中的实线表示界面限制,虚线表示接头和模式剥离限制。请注意,为表示损伤阈值依赖于波长的关系,表中某些波长的功率等级将远高于可能/现有的激光功率。

连续激光最大功率表:

下表为不同芯径传输连续激光最大功率表。如果芯径<400μm,空气–‐石英界面损伤阈值是高能激光跳线功率传输的主要限制因素。更大芯径情况下,接头本身所能承受功率成为高能激光跳线功率传输的主要限制因素。请注意,为表示损伤阈值依赖于波长的关系,表中某些波长的功率等级将远高于可能/现有的激光功率。

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脉冲激光:

确定脉冲激光下高能激光跳线所能承受功率时,脉冲宽度(τ)决定了需要采用何种计算方式。当脉宽大于1微秒(1μs(10–‐6s))时为热失效形式,应采用连续激光的计算方式/图表。此时,采用公式光源平均功率=每脉冲能量(J)x脉冲频率(Hz)来表示等价连续激光。当脉宽小于10皮秒(10ps(10–‐11s))时为非线性损伤,属于如受激布里渊散射(S)mulated Brillion Scavering(SBS))或受激拉曼散射(S)mulated Raman Scavering (SRS))的二次损伤类型,此类损伤在极短脉宽情况下为主要损伤类 型。此时,完全实测各种光束和/或光纤尺寸才是决定合适解决方案的最好方法。

脉宽在10ps和1μs之间时失效模式趋向于原子级别的电介质击穿,每脉冲能量和光纤尺寸成为决定最大承受功率的关键。确定一根光纤尺寸是否合适时,需要将每脉冲能量除以接触光纤光束面积的数值和空气–‐石英损伤阈值进行比较.如激光特性满足这2个数值就没问题,如果不满足就需要进行更多测试。

如果激光器的波长和/或脉宽不同于标准损伤阈值(λ:1064nm,τ:1ns)需要参考下表3以确定校正系数。每脉冲能量乘以校正系数得到λ:1064nm和τ:1ns的等价每脉冲能量。由于波长越短破坏作用越大,校正系数随波长不同呈线性变化;由于脉宽越小破坏作用越大,校正系数随脉宽不同则按平方根比例变化。

确定λ:1064nm和τ:1ns的等价每脉冲能量后,下表4用来选取可能合适的光纤尺寸。这里最大功率基于前面出现的表1所做的假设。

最后需要使用连续激光计算/方式图表将做功部分考虑在内以检查脉冲激光器的激光平均功率,这里平均功率=每脉冲能量(J)x脉冲频率(Hz)。上面步骤得出的所有可能合适光纤尺寸都必须满足这2个标准,合格者才是给定脉冲激光器可以采用的光纤。

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示列:

假设 532nmNd:YAG脉冲激光发射100ns脉冲、频率100Hz,平均功率5W。应使用多少尺寸的光纤?

先通过平均功率或峰值功率确定每脉冲能量,每脉冲能量 (J)=平均功率 (W)/脉冲频率(Hz)–‐或–峰值功率 (W)x脉宽 (sec)。这里每脉冲能量 =5W/100Hz=0.05J或50mJ。

由于该激光器工作于不同波长,脉宽也不同于标准值(λ:1064nm,τ:1ns),必须采用校正系数计算等效每脉冲能量。查上一页的表3,λ:532nm和 τ:100ns的校正系数为0.20。等效每脉冲能量=激光器每脉冲能量 x校正系数 =50mJx0.2=10mJ。这代表1064nm,1ns脉冲激光器的10mJ能量等价于532nm,100ns脉冲激光器的50mJ量。

查上一页表4可知,400μm以上芯径的光纤可搭配此脉冲激光器。

考虑到系统变量,建议尝试大于或小于计算出的光纤尺寸获得所需的性能。

另外,该激光器的峰值功率 =每脉冲能量 (J)/脉宽 (sec)=0.05/100×10–‐9=500,000W/500kW。

假设1064nm调Q脉冲激光器发射150ns脉冲,频率30kHz,峰值功率75kW。应使用多少尺寸的光纤?

先根据平均功率或峰值功率确定每脉冲能量。每脉冲能量 (J)=平均功率 (W)/脉冲频率(Hz)–‐或–峰值功率 (W)x脉宽 (sec)。这里每脉冲能量=75kWx150ns=75,000x100x10–‐9=0.01125J/11.25mJ。由于该激光器工作于同一波长但不同脉宽(λ:1064nm,τ:1ns),必须采用校正系数计算等

效每脉冲能量。由于 150ns不在表3内须采用以下公式计算:

校正系数=Damage Threshold λ x〔Damage Threshold τ〕1/2=1064/1064x√1/150=0.08

Laser λ                     Laser τ

故等效每脉冲能量激光器每脉冲能量 x校正系数=11.25mJx0.08=0.9mJ。

这代表1064nm,1ns脉冲激光器0.9mJ能量等价于1064nm,150ns脉冲激光器11.25mJ的能量。

查表4可知,大于等于 100μm的光纤都可适用于此脉冲激光器。考虑到系统变量,建议尝试大于或小于计算出的光纤尺寸获得所需的性能。

另外,该脉冲激光器平均功率 =每脉冲能量 (J)x脉冲频率 (Hz)=0.01125×30,000=338W。

输入接头:

高能激光跳线采用HPSMA HP D80接头作为输入接头,具有高精度机械加工、无环氧树脂、端头悬臂梁(气隙)特点,可在不烧蚀周边材料的情况下安全可靠的散热。光纤端头经过激光抛光处理,光纤表面质量优良以保证高能激光传输。较传统砂纸抛光SMA或陶瓷插芯接头光纤而言可传递更多能量。

HPSMAHP D80接头主要差别在于HP D80接头为具有定位键的结构,该定位键允许光纤反复插拔时精确定位,而且 HP D80HPSMA体积更大更结实,并全面兼容三菱D–‐80接头机械尺寸,是工业激光的理想选择。

由于物理尺寸和结构限制,此类接头的失效形式为其采用的有机材料被破坏后发生的热过载。此类接头的承载功率与光纤尺寸或光源特性(如激光器类型、波长、脉宽等)无关,有明确的功率上限。

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HPSMA905接头尺寸:

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HP D80接头尺寸:

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