劉星洋,翟尚禮,潘 望,汪 洋,樊啟要,杜瀚宇

(南京萊斯電子設(shè)備有限公司,江蘇 南京 210014)

1 引 言

紅外波段的大功率激光在各個領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在工業(yè)領(lǐng)域,普遍使用近紅外波段的激光進行激光打孔、激光切割和激光焊接等[1]；在軍事領(lǐng)域,激光武器是大功率紅外激光應(yīng)用的典型代表[2]；而在醫(yī)療領(lǐng)域,則多使用8～12 μm波段的長波紅外激光進行激光手術(shù)。激光應(yīng)用效果不僅受限于激光器性能,還與激光空間傳輸方式密切相關(guān)。

傳統(tǒng)的激光傳輸方式存在著體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活性差、傳輸效率低、維護保養(yǎng)困難等缺陷,從而在較大程度上制約了大功率激光的應(yīng)用。而光纖傳輸方式具有可柔性傳輸、傳輸效率高、體積小、質(zhì)量輕等顯著優(yōu)勢,能夠很好地克服傳統(tǒng)導(dǎo)光方式的缺點。目前廣泛使用的石英光纖的最低傳輸損耗已經(jīng)接近其理論極限,達到了0.2 dB/km,可用于近紅外波段大功率激光的空間傳輸。而當(dāng)激光波長大于1.7 μm時,該類光纖的傳輸損耗會急劇增加,難以滿足實際使用需求,這時特種光纖中的紅外傳能光纖展現(xiàn)出了巨大的潛力。

2 紅外傳能光纖分類

紅外傳能光纖具有多種分類方法。按照結(jié)構(gòu)區(qū)分,人們將紅外傳能光纖分為實芯光纖和空芯光纖兩種。根據(jù)材料區(qū)分,紅外傳能光纖又可以分為玻璃光纖、晶體光纖、塑料光纖和金屬光纖等。其中玻璃光纖可以細分為氧化物玻璃光纖、氟化物玻璃光纖和硫化物玻璃光纖；晶體光纖可以分為單晶光纖和多晶光纖兩種。此外,紅外傳能光纖還可以根據(jù)通過波段等進行分類。

其中,實芯紅外傳能光纖的纖芯和包層都是固體,其材料的選擇是根據(jù)所需傳輸紅外波段的透過率所決定的。因此不同材料的實芯紅外傳能光纖具有不同的機械、光學(xué)以及環(huán)境性能。而空芯紅外傳能光纖為空心管狀結(jié)構(gòu),激光主要在空氣中傳播,因此理論上可以傳輸極高功率的激光,但也存在著一些缺點,尤其是彎曲性能比較差。表1給出了包括實芯光纖與空芯光纖在內(nèi)的幾種典型紅外光纖的性能和相關(guān)數(shù)據(jù)[3]。

表1 典型紅外傳能光纖的性能

總體來說,空芯紅外傳能光纖與實芯紅外傳能光纖相比,具有以下突出優(yōu)點:

1) 耦合時不存在端面反射損耗；

2) 傳輸介質(zhì)均勻一致,散射損耗小；

3) 輸出光束發(fā)散小,輸出光斑質(zhì)量優(yōu)秀；

4) 避免了金屬離子和OH-離子的大量引入,很大程度上減少了由此造成的吸收損耗；

5) 相對較大芯徑使得內(nèi)部空氣量多,散熱效率大幅度提高；

6) 較耐高溫、紫外線的照射,因此空芯光纖具有較高的能量損傷閾值。

因此,空芯紅外傳能光纖的應(yīng)用前景非常廣闊,尤其是在紅外高能激光傳輸領(lǐng)域。

3 紅外傳能光纖傳輸特性

紅外傳能光纖的性能直接影響了高功率激光傳輸?shù)男Ч?決定光纖傳輸性能的核心參數(shù)包括耦合傳輸效率,傳能容量以及光束傳輸質(zhì)量等[4]。其中耦合傳輸效率又包括耦合效率和傳輸效率兩部分,光纖的最大傳能容量則由光纖的損傷閾值所決定[5]。下面分別從光束傳輸質(zhì)量變化情況、耦合傳輸效率影響因素和損傷機理及損傷閾值測定等方面對紅外傳能光纖耦合傳輸特性進行介紹。

3.1 光束傳輸質(zhì)量變化情況

激光在傳能光纖內(nèi)的傳輸過程中,光束質(zhì)量會逐漸變差。具體表現(xiàn)為激光的高階模式增多,激光能量在基模與各高階模式間重新分布,能量分布均勻化,且勻化程度與紅外傳能光纖的長度和直徑有關(guān)[6-7]。此外,傳能光纖的彎曲也會導(dǎo)致激光模式的變化。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所全固態(tài)光源實驗室陳寒等將單模激光利用單透鏡耦合進入多模光纖中,然后利用光束分析儀分析多模光纖的出射激光光束質(zhì)量,結(jié)果如圖1所示。中國工程物理研究院電子工程研究所趙興海等人也通過實驗得出了類似的結(jié)論。

(a)入射前光斑能量分布

(b)光纖傳輸后光斑能量分布

3.2 耦合傳輸效率影響因素

3.2.1 耦合效率影響因素

激光和傳能光纖的耦合的基本條件為:

din

(1)

θin<θmax=2arcsin(NA)

(2)

其中,din為激光在傳能光纖入射端面處的直徑;dcore為傳能光纖的纖芯直徑;θin為激光發(fā)散角；NA為傳能光纖的數(shù)值孔徑[8]。如圖2所示。

圖2 光纖耦合條件

常用的耦合方式有兩種:單透鏡直接聚焦和光束變換后再聚焦。單透鏡直接聚焦方式只有兩個光學(xué)界面,能量傳輸損耗相對較小,但是其聚焦效果有限；而光束變換后再聚焦則是先通過鏡組對激光光束進行準直、擴束,然后再通過聚焦鏡聚焦。該種方式的光學(xué)界面較多,會增大激光的傳輸損耗,但是其聚焦效果良好。因此,對于耦合聚焦方式的選擇需要根據(jù)具體使用條件及要求來確定。

在光纖耦合過程中,激光與傳能光纖的對準誤差會破壞光纖耦合的基本條件,從而影響耦合效率。對準誤差具體包括:光斑聚焦平面與光纖端面位置的縱向間距誤差,聚焦光束的光軸與光纖光軸的橫向誤差以及聚焦光束光軸與光纖光軸的角度誤差[9-10],如圖3所示。中國工程物理研究院的趙興海等分別通過仿真和實驗的方法研究了對準誤差對耦合效率的影響,結(jié)果表明橫向誤差對激光注入光纖耦合效率的影響最大。

圖3 對準誤差示意圖

當(dāng)激光從空氣介質(zhì)進入傳能光纖纖芯時,會不可避免的存在菲涅爾反射。該反射不僅會造成一定的反射損耗,影響耦合效率,同時也可能對激光器產(chǎn)生影響。在光纖端面鍍增透膜是一種比較好的降低端面菲涅爾反射影響的方法,但該方法對鍍膜工藝以及設(shè)備有一定的要求[11-12]。隨著技術(shù)的進步,目前已經(jīng)有多個公司具備這樣的鍍膜能力。

3.2.2 傳輸效率影響因素

傳輸效率的影響因素(傳輸損耗因素)包括吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗以及傳輸高功率激光過程中的非線性效應(yīng)等。

1)吸收損耗。光纖材料和雜質(zhì)會吸收一部分光能,并且以熱能的形式消耗在光纖中,這部分損耗即吸收損耗,具體包括本征吸收損耗,雜質(zhì)吸收損耗和內(nèi)部缺陷吸收損耗。對于紅外傳能光纖而言,本征吸收損耗是激光與光纖晶格相互作用使晶格振動加劇產(chǎn)生的。一般來說,光纖材料對激光的本征吸收是比較小的[13]。而雜質(zhì)吸收損耗是由于紅外傳能光纖中的多種金屬離子和OH-等雜質(zhì)會增加光纖對激光的吸收。該損耗與纖芯的純度、雜質(zhì)離子的類型和傳輸?shù)牟ㄩL等有關(guān)。因此,改進和完善光纖的制備工藝,控制光纖中所含的雜質(zhì)的種類和數(shù)量,對減小吸收損耗具有重要的意義。

2)散射損耗。散射損耗是由光纖材料組份中原子或分子密度的變化及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的不均勻?qū)е碌?。瑞利散射是其中一種基本損耗機理,它是由于傳能光纖的隨機密度變化導(dǎo)致折射率本身的起伏而引起的。瑞利散射損耗對光纖來說是本身固有的,它確定了光纖損耗的極限。此外,摻雜不均勻也會導(dǎo)致散射損耗。

3)彎曲損耗。一般情況下,在光纖與光束的耦合過程中,都會控制光束的入射角度,從而保證光線在光纖的纖芯與包層界面處僅發(fā)生全反射。但是如果光纖發(fā)生彎曲,就會導(dǎo)致界面處的入射角度發(fā)生變化,當(dāng)光纖彎曲到一定程度時,會使得光線以大于臨界角的角度入射到界面處,破壞了全反射的條件,從而導(dǎo)致部分光折射泄露到包層,引起光纖損耗明顯增大[14-16]。

4)非線性效應(yīng)。利用光纖傳輸高功率激光的過程中,會不可避免的產(chǎn)生非線性效應(yīng),從而引起傳輸光能的損耗。主要的非線性效應(yīng)包括多光子吸收、受激布里淵散射、自聚焦等。

3.3 損傷機理及損傷閾值測定

當(dāng)激光的功率密度達到一定程度時,上面提到的激光能量耦合傳輸損耗環(huán)節(jié)就會導(dǎo)致傳能光纖的損傷。光纖容易損傷的部位主要有光纖入射端面、光纖輸入初始段、光纖彎曲部分、光纖出射端面等[17-18]。激光誘導(dǎo)損傷多發(fā)生在光纖端面處,光纖端面的損傷閾值大約只有體損傷閾值的1/3[19]。

由于傳能光纖的損傷機理非常復(fù)雜,目前還沒有非常明確的結(jié)論,一般認為主要包括光致電離、雜質(zhì)吸收、亞表面裂紋,自聚焦、受激布里淵散射、非線性吸收、光學(xué)擊穿和激光等離子體等[20]。

光致電離包括了多光子電離和雪崩電離。對于飛秒激光以及聚焦的納秒激光而言,光纖傳輸激光過程中會比較容易達到很高的峰值功率,從而導(dǎo)致多光子吸收進而電離；雪崩電離則是吸收激光能量的高能電子之間相互碰撞累積,導(dǎo)致電子數(shù)密度增大,使得纖芯材料對激光光束的吸收急劇增加。光纖端面和內(nèi)部會不可避免的存在著一些雜質(zhì),它們對于激光的吸收程度遠大于光纖材料,從而導(dǎo)致局部溫度升高,最終會導(dǎo)致光纖的損傷。亞表面裂紋導(dǎo)致?lián)p傷,一方面是由于裂紋內(nèi)部容易殘留和堆積雜質(zhì),會加劇對激光束的吸收,最終引起光纖局部損傷,另一方面是由于裂紋周圍必然存在著殘余應(yīng)力,這會在一定程度上降低光纖的物理性能。自聚焦容易發(fā)生在強激光傳輸過程中,高功率密度的激光會使得光纖纖芯折射率發(fā)生變化,從而導(dǎo)致同一橫截面上的折射率分布不均勻,引起激光在傳輸過程中發(fā)生自聚焦現(xiàn)象。在焦點附近區(qū)域,光束的功率密度會進一步增大,引發(fā)其他效應(yīng),間接導(dǎo)致光纖損傷。布里淵散射是在強激光場作用下,聲波場與激光場相互激勵增強,最終降低了傳能光纖的損傷閾值[21-22]。

一般而言,光纖傳輸高峰值功率激光,多光子電離和雪崩電離是主要損傷機制。對于連續(xù)激光等峰值功率相對較低的激光而言,熱損傷是光纖損傷的主要原因[23]。

對于傳能光纖損傷閾值的測量方法,可參考ISO11254中光學(xué)元件損傷閾值的定量測量方法。中國工程物理研究院電子工程研究所的趙興海等人采用1-ON-1方式,測量了傳能光纖的損傷閾值,并且繪制出了損傷概率曲線,測量過程中的光纖損傷全部為輸入端面損傷[24]。

提高大功率激光光纖耦合過程中傳能光纖損傷閾值的途徑有以下三個:一是改進光纖的生產(chǎn)和加工工藝,盡可能減少光纖端面和內(nèi)部的雜質(zhì)和缺陷,；二是采用具有高損傷閾值的光纖材料；三是改進光學(xué)系統(tǒng),保護低損傷閾值的光學(xué)元件。研究發(fā)現(xiàn),對光纖進行激光預(yù)處理能夠清除元件表面雜質(zhì),減小缺陷,從而提高損傷閾值。美國Sandia國家實驗室通過實驗測量發(fā)現(xiàn),激光預(yù)處理能夠?qū)⒐饫w的損傷閾值從185 J/cm2提高到215 J/cm2；南洋理工大學(xué)則通過在光纖端面覆蓋碳納米管基飽和吸收材料的方法,將熱損傷閾值提高了約130 %[25]；還有學(xué)者通過在傳能光纖端面熔接端帽來降低激光功率密度,從而提高光纖的傳能容量。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所全固態(tài)光源實驗室的張志研等人成功實現(xiàn)了400 μm光纖與直徑8 mm石英端帽的大梯度高質(zhì)量熔接,并利用其封裝的傳能光纖組件進行了高功率連續(xù)激光傳能測試,如圖4所示。最高入纖功率為1970 W,最高出纖功率1780 W,傳輸效率達到90.3 %[26],該結(jié)果處于國內(nèi)高功率傳能光纖組件研發(fā)領(lǐng)域的先進水平。

圖4 光纖端帽熔接技術(shù)成果及應(yīng)用

4 結(jié) 論

用于傳能的紅外光纖在工業(yè)、醫(yī)療及軍事等方面的應(yīng)用已越來越廣泛,對社會各個行業(yè)也產(chǎn)生了越來越深遠的影響,從而吸引了更多的學(xué)者針對紅外傳能光纖的傳能特性開展更加深入的研究。目前主要的研究內(nèi)容包括光纖耦合效率、傳輸損耗、光纖損傷閾值以及光束質(zhì)量變化等紅外光纖傳輸高能激光過程的核心參數(shù)和過程。經(jīng)過大量研究工作,現(xiàn)已取得了很多成果,成功實現(xiàn)了較大功率激光的傳輸,并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)。但是,目前紅外傳能光纖的傳輸性能與其理論預(yù)期還存在著一定的差距,有待進一步的提高。具體可以從以下幾個方面入手:①探索新材料,改進紅外傳能光纖的制備工藝,減小紅外傳能光纖內(nèi)部的雜質(zhì)和缺陷；②進一步研究紅外波段大功率激光光纖耦合傳輸過程中光纖損傷的機理,探索耦合過程中光纖的薄弱環(huán)節(jié),并對其進行重點保護；③進一步研究光纖傳輸效率的影響因素,并盡可能的對其進行量化分析。

此外,由于空芯紅外傳能光纖和實芯紅外傳能光纖結(jié)構(gòu)和原理上的差異,導(dǎo)致了空芯光纖具有一些顯著的優(yōu)勢,因而具有更大的潛力,同時也導(dǎo)致了二者在傳輸高能激光的過程中存在著不同的過程和現(xiàn)象。就目前而言,針對空芯紅外傳能光纖傳能特性的研究相對較少一些,部分原因可能是空芯紅外傳能光纖目前的制備工藝還不是特別的成熟和完善。但是隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進步,空芯紅外傳能光纖的機械、光學(xué)和其他性能會不斷地提高,從而吸引越來越多的學(xué)者去研究它的傳能特性,最終推動空芯紅外傳能光纖向各個領(lǐng)域延伸和擴展。