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高能激光光纤端头损伤阈值查表
选择光纤进行高能激光传输时,必须考虑3个主要限制因素:光纤材质,输入接头和模式剥离器(散热)。
首先要考虑的是光纤材质,尤其是界面部分。高能光纤一般采用纯石英纤芯,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,但通常来说,石英内部损伤阈值远高于界面,所以光纤端头接收能量/功率密度受限于端面。
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。
表 1: 背景资料
连续激光 空气-石英熔融界面损 伤阈值 |
<15 MW/cm2 (连续激光 @ λ: 1064nm) 损伤阈值与波长λ 相关在190nm ~ 2400nm上呈线性变化,波长越短,破坏性越强。 |
脉冲激光 空气-石英熔融界面损伤阈值 |
<16.0 J/cm2 (脉冲激光 @ λ: 1064nm and τ: 1ns)
损伤阈值与波长λ 相关,在 在190nm ~ 2400nm上呈线性变化,波长越短,破坏性越强。
破坏阈值和τ相关,在10ps到1µs脉宽之间以平方根比例变化,脉宽越短,破坏性越强。 |
光斑直径 |
≤ 85% 光纤芯径。 |
对中&束腰 |
光纤芯径X & Y轴同心度± 5% / Z轴正交光束束腰。 |
数值孔径(NA) |
光纤 NA ≥ 光源 NA + 10%。 |
光斑形状&质量 |
光束空间形状和质量将极大的影响高能传输特性。这里假设是高斯光束,峰值光通量 设定为2 E/p*( W )2“,表示峰值功率大约是1/e2 指定值的2倍。 |
接头抛光,端面质量&平坦度 |
接头端面必须抛光以减少激光缺陷,适用前必须清洁。端面必须平整,粗糙度 <10% 以防止粗糙部分起到透镜作用,在光纤内汇聚光束形成热点。 |
防反射镀膜 |
无;光纤如采用防反射镀膜,镀膜本身将成为限制光纤传递高能的因素,所以检查所选镀膜的参数非常重要。 |
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。芯径 > 400μm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。
表 2:光纤芯径 100μm ~ 1500μm 波长:193nm - 2100nm下传递连续激光最大功率(单位:W)
光纤芯径 (µm) |
波长(nm) |
|||||||
λ: 193nm |
λ: 405nm |
λ: 532nm |
λ: 808nm |
λ: 980nm |
λ: 1064nm |
λ: 1900nm |
λ: 2100nm |
|
100 |
150 |
320 |
430 |
650 |
780 |
850 |
1520 |
1680 |
200 |
620 |
1300 |
1700 |
2590 |
3140 |
3400 |
6080 |
6720 |
300 |
1390 |
2920 |
3830 |
5820 |
7060 |
7660 |
13680 |
15120 |
400 |
2470 |
5180 |
6810 |
10340 |
12540 |
13620 |
24320 |
26880 |
600 |
5560 |
11660 |
15320 |
23270 |
28220 |
30640 |
54720 |
60480 |
800 |
9880 |
20740 |
27240 |
41370 |
50170 |
54480 |
97280 |
107520 |
1000 |
15440 |
32400 |
42560 |
64640 |
78400 |
85120 |
152000 |
168000 |
1500 |
34740 |
72900 |
95760 |
145440 |
176390 |
191510 |
341990 |
377990 |
以上数值为理想端头下计算得到,实际使用功率受限于接头散热。
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。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。
表3: 校正系数表,用于计算对应λ: 1064nm ,τ: 1ns的等效每脉冲能量
脉宽 (Sec) |
波长(nm) |
|||||||
λ: 193nm |
λ: 405nm |
λ: 532nm |
λ: 808nm |
λ: 980nm |
λ: 1064nm |
λ: 1900nm |
λ: 2100nm |
|
10ps |
55.13 |
26.27 |
20.00 |
13.17 |
10.86 |
10.00 |
5.60 |
5.07 |
50ps |
24.65 |
11.75 |
8.94 |
5.89 |
4.86 |
4.47 |
2.50 |
2.27 |
100ps |
17.43 |
8.31 |
6.32 |
4.16 |
3.43 |
3.16 |
1.77 |
1.60 |
500ps |
7.80 |
3.72 |
2.83 |
1.86 |
1.54 |
1.41 |
0.79 |
0.72 |
1ns |
5.51 |
2.63 |
2.00 |
1.32 |
1.09 |
1.00 |
0.56 |
0.51 |
5ns |
2.47 |
1.17 |
0.89 |
0.59 |
0.49 |
0.45 |
0.25 |
0.23 |
10ns |
1.74 |
0.83 |
0.632 |
0.42 |
0.34 |
0.32 |
0.18 |
0.16 |
50ns |
0.78 |
0.37 |
0.28 |
0.19 |
0.15 |
0.14 |
0.08 |
0.07 |
100ns |
0.55 |
0.26 |
0.20 |
0.13 |
0.11 |
0.10 |
0.06 |
0.05 |
500ns |
0.25 |
0.12 |
0.09 |
0.06 |
0.05 |
0.04 |
0.03 |
0.02 |
1µs |
0.17 |
0.08 |
0.06 |
0.04 |
0.03 |
0.03 |
0.02 |
0.02 |
表4: 1064nm ,τ: 1ns 芯径 100μm ~ 1500μm光纤最大承受每脉冲能量(mJ)
|
光纤芯径 (µm) |
|||||||
100 |
200 |
300 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
1500 |
|
最大等效每脉冲能量 (mJ) |
0.9 |
3.6 |
8.1 |
14.5 |
32.6 |
58.1 |
90.7 |
204.2 |