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光纤端面处理对激光配件光纤激光器的影响

光纤是圆柱形介质波导由纤芯、包层和涂敷层3有些构成,通常单模和多模光纤的纤芯直径分别为5~15μm和40~100μm,包层直径大约为125~600μm。通过处理的光纤端面,抱负情况是一个润滑平面。但实践中,光纤端面的加工通常不能到达抱负情况,例如抛光不抱负、有划痕、外表或边缘破碎危害等等,都将使端面情况复杂化。关于光纤与激光器中其它元件的耦合以及光纤之间的熔接来说,请求光纤端部有必要有润滑平坦的外表,否则会增大损耗。这篇文章分类介绍了光纤损耗发生的要素,通过试验验证了光纤端面质量对光纤激光器输出功率的影响,研讨了光纤端面处理技能流程,剖析了光纤端面的切开和研磨办法,对光纤熔接进程提出了详细请求,为同类激光器的研发供给了参阅依据。

1、光纤损耗品种

1.1光纤本征损耗

光纤本征损耗即光纤固有损耗,首要因为光纤机基质资料石英玻璃自身缺陷和富含金属过渡杂质和OH-,使光在传输进程中发生散射、吸收和色散,通常可分为散射损耗,吸收损耗和色散损耗。其间散射损耗是因为资料中原子密度的涨落,在冷凝进程中形成密度不均匀以及密度涨落形成浓度不均匀而发生的。吸收损耗是因为纤芯富含金属过渡杂质和OH-吸收光,特别是在红外和紫外光谱区玻璃存在固有吸收。光纤色散按照发生的要素可分为三类,即资料色散、波导色散和模间色散。其间单模光纤是以基模传输,故没有模间色散。在单模光纤本征要素中,对联接损耗影响大的是模场直径。单模光纤本征要素导致的联接损耗大约为 0.014dB,当模场直径失配20%时,将发生0.2dB的联接损耗[1]。多模光纤的归一化频率V>2.404,有多个波导形式传输,V值越大,形式越多,除了资料色散和波导色散,还有模间色散,通常模间色散占首要方位。所谓模间色散,是指光纤不相同形式在同一频率下的相位常数β不相同,因而群速度不相同而导致的色散。

此外,光纤几许参数如光纤芯径、包层外径、芯/包层同心度、不圆度,光学参数如相对折射率、理论数值孔径等,只需一项或多项失配,都将发生不相同程度的本征损耗。

1.2光纤附加损耗

光纤的附加损耗通常由辐射损耗和运用损耗构成。其间辐射损耗是因为光纤拉制技能、光纤直径、椭圆度的动摇、套塑层温度改动的胀缩和涂层低温缩短导致光纤微弯所形成的;运用损耗是因为光纤的张力、曲折、揉捏形成的宏弯和微弯所导致的损耗。

2、试验设备与成果

掺Er3+光纤环形腔激光器试验设备如图1所示,泵浦光由波长980nmLD尾纤输出,经波分复用器(WDM)耦合进入环形光纤谐振腔,通过耦合器分光后输出激光。其间光纤光栅基地波长为1546.3nm,掺Er3+光纤长度为3m,掺杂浓度为400ppm,隔离器作业波长规模为 1535~1565nm,各元件插入损耗均为0.4dB,经上述设备输出功率与输入功率的联系曲线如图2所示,大输出功率可达16.9mW。但因为光纤激光器各个部件之间均熔接在一起,插入损耗和熔接损耗对悉数体系具有非常大的影响。在熔接质量比较好的情况下,整体光光功率可达5.3%,在光纤焊接较差的情况下,焊点漏光严峻,用变换片能够看到显着的泵浦光走漏,严峻影响整体光光功率,二者功率相差23%摆布。因而怎么下降腔内熔接损耗是影响激光器输出功率的要害要素。

3、光纤端面处理

光纤端面处理也称为端面制备,是光纤技能中的要害工序,首要包含剥覆、清洗和切开三个环节。端面质量直接影响光纤激光器的泵浦光耦合功率和激光输出功率。

3.1光纤涂覆层的剥除

去掉光纤涂覆层是光纤端面处理的第一步。能够用剥线钳和刀片两种办法进行剥除。当选用剥线钳剥除时,左手拇指和食指捏紧光纤,所露长度为5cm摆布,余纤在无名指和小拇指之间天然打弯,以增加力度,防止打滑,剥线钳应与光纤垂直,上方向内歪斜必定视点,然后用钳口悄悄卡住光纤,右手随之用力,顺光纤轴向平推出去,悉数进程要天然流通,争夺一次成功;当选用刀片剥除时,首先用浓硫酸浸泡3~5cm长的光纤端头1~2分钟,用酒精棉擦洗洁净[2]。左手捏紧光纤,持纤要平,防止打滑,右手用刀片沿光纤向端头方向,与光纤成必定歪斜视点,顺次剥除外表涂敷层聚合物资料,选用这种办法克服了选用化学溶剂法长时刻浸泡光纤腐蚀严峻的缺陷,而且比用剥线钳或刀片直接刮除更简单、去掉更洁净,不易危害光纤包层侧面有些。

3.2包层外表的清洗

调查光纤剥除有些的包层是不是悉数去掉,若有残留有必要去掉,如有极少量不易剥除的涂覆层,可用棉球沾恰当酒精,边浸渍,边擦除。将脱脂棉撕成层面平坦的扇形小块,沾少量酒精(以两指相捏无溢出为宜),折成V形,夹住已剥覆的光纤,顺光纤轴向擦洗,力求一次成功,一块棉花运用2~3次后要及时替换,每次要运用棉花的不相同部位和层面,这么既可进步棉花运用率,又防止对光纤包层外表的二次污染。

3.3光纤端面切开

切开是光纤端面制备中要害的步骤,精细优异的切刀是根底,严厉科学的操作标准是保证。常用切刀有笔式切开刀和台式光纤切开刀。运用笔式切开刀切开光纤时,光纤放置在手指上,另一手持刀在距离端头5mm摆布的方位处沿垂直光纤轴线方向切开光纤,然后悄悄将切除的端头取下;运用台式光纤切开刀进行操作时,首先要清洗切刀刀片、放置光纤的V型槽和定位压板,并调整切刀方位使其摆放平稳。切开时动作要平稳天然,勿重、勿急,防止断纤、斜角、毛刺和裂缝等不良端面的发生 [3]。

外表的清洗和切开的时刻应严密联接,不可距离过长,特别是已制备的端面切勿放在污浊的空气中。移动时要轻拿轻放,防止与其它物件擦碰。

4、光纤端面研磨

4.1研磨技能

影响端面研磨质量的首要要素首要有光纤的装置与定位、端面研磨和查看及测验。其间研磨及测验有些对研发优异光纤端面要害。直接影响光纤端面研磨作用的首要要素有:研磨机工作安稳,研磨砂纸颗粒均匀、准确运用研磨片、以及研磨参数设置(压力和时刻)[4]。

目前运用的研磨机按其工作原理通常可分红齿轮传动,皮带传动及连竿传动三类。选用齿轮传动办法,通常马力较强,安稳性较高;选用皮带传动办法,通常马力较小,其转速在高压情况下易发生改动,此外皮带随时刻老化后简单呈现疑问;选用连竿式传动办法,噪音较大,安稳性较低,机身简单颤动而且压力偏低。

在加压方面,有单点基地加压,气压及液压等办法。单点基地加压易受外界影响改动,如每盘件数有限;气压较难控制安稳性;而液压控制较准确,力度相对较大,但价格昂贵。

在悉数研磨进程中,不论是研磨机的速度,压力,水或是研磨液,都会使研磨片的作用不相同,故在选用研磨处理时,有必要配合各项要素作全盘考虑,选用一个合理的研磨计划。

4.2研磨工序

端面研磨进程通过4道工序:粗磨、中磨、细磨、抛光。其间粗磨、中磨、细磨所用金刚砂纸的颗粒巨细不相同,分别为6,3,1和0.5[5]。4道工序的时刻和压力一共8个参数,配用不相同的计划,就能够得到端面质量不相同的成果。改动研磨进程中这8个参数得出计划研磨光纤端面图如图3所示。

5、光纤熔接

在把光纤放入熔接机V型槽时,要保证V型槽底部无异物且光纤紧贴V型槽底部。机器主动熔接机器开端熔接时,首先将摆布两头V型槽中光纤相向推动,在推动进程中会发生一次短暂放电,其作用是清洗光纤端面尘埃,接着会把光纤持续推动,直至光纤空隙处在原先所设置的方位上,这时熔接机丈量切开视点,并把光纤端面邻近的扩大图画显现在屏幕上,假如呈现图4所示的图画就要重做。纤芯/包层对准与端面制造相同直接影响熔接损耗,熔接机会在X轴Y轴方向上一起进行对准,而且把轴向、轴心差错参数显现在屏幕上,假如差错在答应规模以内就开端熔接。

调查熔接成果熔接往后机器会主动评价,并显现当时熔接损耗,因为是估计值,鼓显现在0.3dB以上就有必要从头制端面。在熔接往后,还要进一步调查光纤熔接形状,假如呈现如图5所示情况,有必要调整机器设置,从头制造光纤端面后进行熔接,其详细实施办法如表1所示。

熔接进程中还应及时清洗熔接机V形槽、电极、物镜和熔接室,随时调查熔接中有无气泡、过细、过粗、虚熔、分离等不良景象,可选用OTDR盯梢监测成果,及时剖析发生上述不良景象的要素,采纳相应的改善措施。假如屡次呈现虚熔景象,应查看熔接的两根光纤的资料、类型是不是匹配,切刀和熔接机是不是被尘埃污染,并查看电极氧化情况,若均无疑问,则应恰当进步熔接电流。

因为光纤在联接时去掉了接头部位的涂覆层其机械强度下降,因而要对接头部位进行补强维护,可选用光纤热缩维护管(热缩管)维护光纤接头部位。热缩管应在剥覆前穿入,严禁在端面制备后穿入。将预先穿置光纤某一端的热缩管移至光纤接头处,使熔接点坐落热缩管中心,悄悄拉直光纤接头,放入加热器内加热,醋酸乙烯内管熔化,聚乙烯管缩短后紧套在接续好的光纤上,因为此管内有一根不锈钢棒,不只增加了抗拉强度(承受拉力为1000~2300g),一起也防止了因聚乙烯管的缩短而也许导致接续部位的微弯。

6、盘纤

盘纤是一门技能,科学的盘纤办法可使光纤规划合理、附加损耗小、经得住时刻和恶劣环境的查看,可防止揉捏形成断纤。盘纤办法有很多,能够从一侧的光纤盘起,固定热缩管,然后再处理另一侧余纤,该办法可依据一侧余纤长度灵敏挑选热缩管安放方位,便利、快捷,可防止呈现急弯、小圈景象;也能够先将热缩套管逐一放置于固定槽中,然后再处理两头余纤,该办法有利于维护光纤接点,防止盘纤也许形成的危害,在光纤预留盘空间较小,光纤不易环绕和固守时,常用此种办法;当单个光纤过长或过短时,可将其放在独自环绕;带有特殊光器材时,可将其独自环绕处理,若与普通光纤共盘时,应将其轻置于普通光纤之上,两者之间加缓冲衬垫,以防揉捏形成断纤,且特殊光器材尾纤不可太长。依据实践情况,可选用选用圆、椭圆、“∝”等多种图形盘纤,按余纤长度和预留盘空间巨细,顺势天然环绕,切勿生拉硬拽,尽也许极限运用预留盘空间,有用下降因盘纤带来的附加损耗。

7、光纤熔接点损耗的丈量

光纤熔接点损耗的丈量是衡量光纤接头质量的主要指标,运用光时域反射仪(OTDR)或熔接接头的损耗评价计划等丈量办法能够断定光纤接头的光损耗。

OTDR的原理是:因为光纤的模场直径影响其后向散射,因而在接头两头的光纤也许会发生不相同的后向散射,然后遮盖接头的实在损耗。假如从两个方向丈量接头的损耗,并求出这两个成果的平均值,便可消除单向OTDR丈量的人为要素差错。加强OTDR的监测,对保证光纤熔接质量,削减因盘纤带来的附加损耗和封装也许对光纤形成的损耗,具有十分主要的含义。在悉数接续作业中,有必要严厉执行OTDR的4道监测程序:熔接进程中对每一根光纤进行实时盯梢监测,查看每个熔接点的质量;每次盘纤后,对所盘光纤进行检验以断定盘纤带来的附加损耗;封装前对一切光纤进行查看,以查明有无漏测和对光纤及接头有无揉捏;封装后对一切光纤进行查看,查看封装是不是对光纤有损耗[6]。

此外某些熔接机运用一种光纤成像和丈量几许参数的断面摆放体系,通过从两个垂直方向调查光纤,计算机处理并剖析该图画来断定包层偏移、纤芯畸变、光纤外径改动和别的要害参数,运用这些参数来评价接头的损耗。依赖于接头和损耗评价算法求得的接续损耗也许与实在值区别很大。

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