红外传能光纤的传能特性研究进展

刘星洋,翟尚礼,潘 望,汪 洋,樊啟要,杜瀚宇

(南京莱斯电子设备有限公司,江苏 南京 210014)

1 引 言

红外波段的大功率激光在各个领域有着广泛应用。在工业领域,普遍使用近红外波段的激光进行激光打孔、激光切割和激光焊接等[1]；在军事领域,激光武器是大功率红外激光应用的典型代表[2]；而在医疗领域,则多使用8～12 μm波段的长波红外激光进行激光手术。激光应用效果不仅受限于激光器性能,还与激光空间传输方式密切相关。

传统的激光传输方式存在着体积大、结构复杂、灵活性差、传输效率低、维护保养困难等缺陷,从而在较大程度上制约了大功率激光的应用。而光纤传输方式具有可柔性传输、传输效率高、体积小、质量轻等显著优势,能够很好地克服传统导光方式的缺点。目前广泛使用的石英光纤的最低传输损耗已经接近其理论极限,达到了0.2 dB/km,可用于近红外波段大功率激光的空间传输。而当激光波长大于1.7 μm时,该类光纤的传输损耗会急剧增加,难以满足实际使用需求,这时特种光纤中的红外传能光纤展现出了巨大的潜力。

2 红外传能光纤分类

红外传能光纤具有多种分类方法。按照结构区分,人们将红外传能光纤分为实芯光纤和空芯光纤两种。根据材料区分,红外传能光纤又可以分为玻璃光纤、晶体光纤、塑料光纤和金属光纤等。其中玻璃光纤可以细分为氧化物玻璃光纤、氟化物玻璃光纤和硫化物玻璃光纤；晶体光纤可以分为单晶光纤和多晶光纤两种。此外,红外传能光纤还可以根据通过波段等进行分类。

其中,实芯红外传能光纤的纤芯和包层都是固体,其材料的选择是根据所需传输红外波段的透过率所决定的。因此不同材料的实芯红外传能光纤具有不同的机械、光学以及环境性能。而空芯红外传能光纤为空心管状结构,激光主要在空气中传播,因此理论上可以传输极高功率的激光,但也存在着一些缺点,尤其是弯曲性能比较差。表1给出了包括实芯光纤与空芯光纤在内的几种典型红外光纤的性能和相关数据[3]。

表1 典型红外传能光纤的性能

总体来说,空芯红外传能光纤与实芯红外传能光纤相比,具有以下突出优点:

1) 耦合时不存在端面反射损耗；

2) 传输介质均匀一致,散射损耗小；

3) 输出光束发散小,输出光斑质量优秀；

4) 避免了金属离子和OH-离子的大量引入,很大程度上减少了由此造成的吸收损耗；

5) 相对较大芯径使得内部空气量多,散热效率大幅度提高；

6) 较耐高温、紫外线的照射,因此空芯光纤具有较高的能量损伤阈值。

因此,空芯红外传能光纤的应用前景非常广阔,尤其是在红外高能激光传输领域。

3 红外传能光纤传输特性

红外传能光纤的性能直接影响了高功率激光传输的效果,决定光纤传输性能的核心参数包括耦合传输效率,传能容量以及光束传输质量等[4]。其中耦合传输效率又包括耦合效率和传输效率两部分,光纤的最大传能容量则由光纤的损伤阈值所决定[5]。下面分别从光束传输质量变化情况、耦合传输效率影响因素和损伤机理及损伤阈值测定等方面对红外传能光纤耦合传输特性进行介绍。

3.1 光束传输质量变化情况

激光在传能光纤内的传输过程中,光束质量会逐渐变差。具体表现为激光的高阶模式增多,激光能量在基模与各高阶模式间重新分布,能量分布均匀化,且匀化程度与红外传能光纤的长度和直径有关[6-7]。此外,传能光纤的弯曲也会导致激光模式的变化。

中国科学院半导体研究所全固态光源实验室陈寒等将单模激光利用单透镜耦合进入多模光纤中,然后利用光束分析仪分析多模光纤的出射激光光束质量,结果如图1所示。中国工程物理研究院电子工程研究所赵兴海等人也通过实验得出了类似的结论。

(a)入射前光斑能量分布

(b)光纤传输后光斑能量分布

3.2 耦合传输效率影响因素

3.2.1 耦合效率影响因素

激光和传能光纤的耦合的基本条件为:

din

(1)

θin<θmax=2arcsin(NA)

(2)

其中,din为激光在传能光纤入射端面处的直径;dcore为传能光纤的纤芯直径;θin为激光发散角；NA为传能光纤的数值孔径[8]。如图2所示。

图2 光纤耦合条件

常用的耦合方式有两种:单透镜直接聚焦和光束变换后再聚焦。单透镜直接聚焦方式只有两个光学界面,能量传输损耗相对较小,但是其聚焦效果有限；而光束变换后再聚焦则是先通过镜组对激光光束进行准直、扩束,然后再通过聚焦镜聚焦。该种方式的光学界面较多,会增大激光的传输损耗,但是其聚焦效果良好。因此,对于耦合聚焦方式的选择需要根据具体使用条件及要求来确定。

在光纤耦合过程中,激光与传能光纤的对准误差会破坏光纤耦合的基本条件,从而影响耦合效率。对准误差具体包括:光斑聚焦平面与光纤端面位置的纵向间距误差,聚焦光束的光轴与光纤光轴的横向误差以及聚焦光束光轴与光纤光轴的角度误差[9-10],如图3所示。中国工程物理研究院的赵兴海等分别通过仿真和实验的方法研究了对准误差对耦合效率的影响,结果表明横向误差对激光注入光纤耦合效率的影响最大。

图3 对准误差示意图

当激光从空气介质进入传能光纤纤芯时,会不可避免的存在菲涅尔反射。该反射不仅会造成一定的反射损耗,影响耦合效率,同时也可能对激光器产生影响。在光纤端面镀增透膜是一种比较好的降低端面菲涅尔反射影响的方法,但该方法对镀膜工艺以及设备有一定的要求[11-12]。随着技术的进步,目前已经有多个公司具备这样的镀膜能力。

3.2.2 传输效率影响因素

传输效率的影响因素(传输损耗因素)包括吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗以及传输高功率激光过程中的非线性效应等。

1)吸收损耗。光纤材料和杂质会吸收一部分光能,并且以热能的形式消耗在光纤中,这部分损耗即吸收损耗,具体包括本征吸收损耗,杂质吸收损耗和内部缺陷吸收损耗。对于红外传能光纤而言,本征吸收损耗是激光与光纤晶格相互作用使晶格振动加剧产生的。一般来说,光纤材料对激光的本征吸收是比较小的[13]。而杂质吸收损耗是由于红外传能光纤中的多种金属离子和OH-等杂质会增加光纤对激光的吸收。该损耗与纤芯的纯度、杂质离子的类型和传输的波长等有关。因此,改进和完善光纤的制备工艺,控制光纤中所含的杂质的种类和数量,对减小吸收损耗具有重要的意义。

2)散射损耗。散射损耗是由光纤材料组份中原子或分子密度的变化及波导结构的不均匀导致的。瑞利散射是其中一种基本损耗机理,它是由于传能光纤的随机密度变化导致折射率本身的起伏而引起的。瑞利散射损耗对光纤来说是本身固有的,它确定了光纤损耗的极限。此外,掺杂不均匀也会导致散射损耗。

3)弯曲损耗。一般情况下,在光纤与光束的耦合过程中,都会控制光束的入射角度,从而保证光线在光纤的纤芯与包层界面处仅发生全反射。但是如果光纤发生弯曲,就会导致界面处的入射角度发生变化,当光纤弯曲到一定程度时,会使得光线以大于临界角的角度入射到界面处,破坏了全反射的条件,从而导致部分光折射泄露到包层,引起光纤损耗明显增大[14-16]。

4)非线性效应。利用光纤传输高功率激光的过程中,会不可避免的产生非线性效应,从而引起传输光能的损耗。主要的非线性效应包括多光子吸收、受激布里渊散射、自聚焦等。

3.3 损伤机理及损伤阈值测定

当激光的功率密度达到一定程度时,上面提到的激光能量耦合传输损耗环节就会导致传能光纤的损伤。光纤容易损伤的部位主要有光纤入射端面、光纤输入初始段、光纤弯曲部分、光纤出射端面等[17-18]。激光诱导损伤多发生在光纤端面处,光纤端面的损伤阈值大约只有体损伤阈值的1/3[19]。

由于传能光纤的损伤机理非常复杂,目前还没有非常明确的结论,一般认为主要包括光致电离、杂质吸收、亚表面裂纹,自聚焦、受激布里渊散射、非线性吸收、光学击穿和激光等离子体等[20]。

光致电离包括了多光子电离和雪崩电离。对于飞秒激光以及聚焦的纳秒激光而言,光纤传输激光过程中会比较容易达到很高的峰值功率,从而导致多光子吸收进而电离；雪崩电离则是吸收激光能量的高能电子之间相互碰撞累积,导致电子数密度增大,使得纤芯材料对激光光束的吸收急剧增加。光纤端面和内部会不可避免的存在着一些杂质,它们对于激光的吸收程度远大于光纤材料,从而导致局部温度升高,最终会导致光纤的损伤。亚表面裂纹导致损伤,一方面是由于裂纹内部容易残留和堆积杂质,会加剧对激光束的吸收,最终引起光纤局部损伤,另一方面是由于裂纹周围必然存在着残余应力,这会在一定程度上降低光纤的物理性能。自聚焦容易发生在强激光传输过程中,高功率密度的激光会使得光纤纤芯折射率发生变化,从而导致同一横截面上的折射率分布不均匀,引起激光在传输过程中发生自聚焦现象。在焦点附近区域,光束的功率密度会进一步增大,引发其他效应,间接导致光纤损伤。布里渊散射是在强激光场作用下,声波场与激光场相互激励增强,最终降低了传能光纤的损伤阈值[21-22]。

一般而言,光纤传输高峰值功率激光,多光子电离和雪崩电离是主要损伤机制。对于连续激光等峰值功率相对较低的激光而言,热损伤是光纤损伤的主要原因[23]。

对于传能光纤损伤阈值的测量方法,可参考ISO11254中光学元件损伤阈值的定量测量方法。中国工程物理研究院电子工程研究所的赵兴海等人采用1-ON-1方式,测量了传能光纤的损伤阈值,并且绘制出了损伤概率曲线,测量过程中的光纤损伤全部为输入端面损伤[24]。

提高大功率激光光纤耦合过程中传能光纤损伤阈值的途径有以下三个:一是改进光纤的生产和加工工艺,尽可能减少光纤端面和内部的杂质和缺陷,；二是采用具有高损伤阈值的光纤材料；三是改进光学系统,保护低损伤阈值的光学元件。研究发现,对光纤进行激光预处理能够清除元件表面杂质,减小缺陷,从而提高损伤阈值。美国Sandia国家实验室通过实验测量发现,激光预处理能够将光纤的损伤阈值从185 J/cm2提高到215 J/cm2；南洋理工大学则通过在光纤端面覆盖碳纳米管基饱和吸收材料的方法,将热损伤阈值提高了约130 %[25]；还有学者通过在传能光纤端面熔接端帽来降低激光功率密度,从而提高光纤的传能容量。中国科学院半导体研究所全固态光源实验室的张志研等人成功实现了400 μm光纤与直径8 mm石英端帽的大梯度高质量熔接,并利用其封装的传能光纤组件进行了高功率连续激光传能测试,如图4所示。最高入纤功率为1970 W,最高出纤功率1780 W,传输效率达到90.3 %[26],该结果处于国内高功率传能光纤组件研发领域的先进水平。

图4 光纤端帽熔接技术成果及应用

4 结 论

用于传能的红外光纤在工业、医疗及军事等方面的应用已越来越广泛,对社会各个行业也产生了越来越深远的影响,从而吸引了更多的学者针对红外传能光纤的传能特性开展更加深入的研究。目前主要的研究内容包括光纤耦合效率、传输损耗、光纤损伤阈值以及光束质量变化等红外光纤传输高能激光过程的核心参数和过程。经过大量研究工作,现已取得了很多成果,成功实现了较大功率激光的传输,并且已经广泛应用于多个行业。但是,目前红外传能光纤的传输性能与其理论预期还存在着一定的差距,有待进一步的提高。具体可以从以下几个方面入手:①探索新材料,改进红外传能光纤的制备工艺,减小红外传能光纤内部的杂质和缺陷；②进一步研究红外波段大功率激光光纤耦合传输过程中光纤损伤的机理,探索耦合过程中光纤的薄弱环节,并对其进行重点保护；③进一步研究光纤传输效率的影响因素,并尽可能的对其进行量化分析。

此外,由于空芯红外传能光纤和实芯红外传能光纤结构和原理上的差异,导致了空芯光纤具有一些显著的优势,因而具有更大的潜力,同时也导致了二者在传输高能激光的过程中存在着不同的过程和现象。就目前而言,针对空芯红外传能光纤传能特性的研究相对较少一些,部分原因可能是空芯红外传能光纤目前的制备工艺还不是特别的成熟和完善。但是随着相关技术的不断进步,空芯红外传能光纤的机械、光学和其他性能会不断地提高,从而吸引越来越多的学者去研究它的传能特性,最终推动空芯红外传能光纤向各个领域延伸和扩展。