SMA905 石英光纤、定制石英光纤、单芯光纤、一分五石英光纤、多模光纤：激光应用下的损伤机制剖析与预防策略
在现代科技领域，激光技术凭借其高能量、高聚焦性等特性，大范围的应用于高能光源传输、光谱搭建、光源采集、光学测温、医学传感、激光治疗等多个领域。而光纤作为激光传输的核心部件，其性能与稳定性直接影响着激光系统的整体效能。航鑫光电专注于光纤研发技术，生产的抗紫外石英光纤、深紫外石英光纤、可见光玻璃石英光纤、近红外石英光纤、中红外石英光纤等多种类型光纤，以高通量的特点，配合微型光谱仪、光纤光源及其他光谱配件，可搭建多样化的光谱测量系统。然而，激光诱导的光纤损伤问题，成为制约光纤性能和常规使用的寿命的关键因素。
在自由空间耦合或使用接头对接光纤时，光入射到空气/玻璃界面，高强度光易损伤端面，降低光纤功率承受能力并造成永久损伤。若采用环氧树脂固定接头，光产生的热量可能烧蚀环氧树脂，在端面形成残留物。裸纤端面损伤机制与块状光学元件类似，紫外熔融石英的行业标准损伤阈值适用于石英光纤。但由于光纤空气/玻璃界面光斑直径和面积小，单模光纤耦合时，其能承受的入射功率更低。
不同类型光在空气/玻璃界面有不同的预估光功率密度。连续光（平均功率）理论损伤阈值约为 1 MW/cm²，实际安全水平约为 250 kW/cm²；10ns 脉冲光（峰值功率）理论损伤阈值约为 5 GW/cm²，实际安全水平约为 1 GW/cm²。理论损伤阈值是在光纤端面和耦合条件极佳时，端面无损伤风险能承受的最高功率密度；实际安全水平则代表大部分工作条件下的最低损伤风险。
单模光纤的有效面积依据模场直径（MFD）计算，有效面积越大，光纤端面功率密度越小。但由于单模光纤输出近似高斯光束，中心功率密度高于边缘，依据功率密度和有效面积计算的光纤端面可承受功率，会高估损伤阈值或实际安全水平对应的功率。
多模光纤有效面积根据纤芯直径计算，为实现最佳耦合，建议将光束聚焦到纤芯直径的 70% - 80%。多模纤芯通常远大于单模光纤的 MFD，因此多模光纤能耦合更高功率的光，可达千瓦级。
有接头的光纤在制作时，光纤通过环氧树脂固定在陶瓷或不锈钢插芯中。光耦合时，未进入纤芯的光会散射到光纤外层，并进入插芯和环氧树脂。强光照可能烧蚀环氧树脂，形成局部吸收点，降低耦合效率并增加散射，造成进一步损伤。
这种损伤与波长有关，短波长散射更强，且短波长单模光纤的小 MFD 易造成对准误差，产生更多散射光。为降低烧蚀环氧树脂的风险，航鑫光电的高功率多模光纤跳线在端面附近的光纤和插芯之间留一个空气间隙。
弯曲损耗是由于包层/纤芯界面的全内反射被破坏，光从局部点漏出光纤，功率密度高，易烧坏涂覆层和套管。双包层光纤可降低弯曲损耗风险，航鑫光电生产和销售的 0.22 NA 双包层多模光纤，可承受百万瓦级的峰值功率。
光致暗化是指光纤内部形成色心导致传输性能直线下降的现象，多见于传输紫外或短波可见光的光纤，特别是掺锗的纤芯。在这些波长下工作，光纤衰减会随时间增加。虽然光致暗化的诱导机制尚不明确，但低羟基离子（OH）含量的光纤或掺氟光纤可减轻这种效应。不过，所有光纤在紫外或短波长处使用时最终都会经历光致暗化，因此在这样的一种情况下应将其视为耗材。
在多种损伤机制共同作用下，光纤能承受的最高功率由最低的损伤阈值决定，通常是入射在光纤跳线上的最高输入功率，而非耦合的输出功率。例如，单模光纤跳线中裸纤端面和接头可承受的最高功率在不同波长下不一样，最高输入功率取决于两者的最低值。多模裸纤虽能耦合更高功率的光，但插芯/接头的损伤限制不变，因此多模光纤跳线能承受的最高功率受限于插芯/接头。
需要注意的是，上述功率水平是粗略估计，在这些功率下遵循正确的操作和对准程序，损伤光纤的可能性较低。光纤有时会在超过上述功率水平下使用，但这些应用常常要专业用户，并预先在较低功率下来测试，以将损伤风险降至最低。
光源关闭：安装或集成光纤前，无论裸纤还是有接头的光纤，都应关闭所有光源，避免聚焦光束入射到接头或光纤的脆弱部分。
端面检查：光纤的功率承受能力与光纤/接头端面的质量直接相关，连接前必须检查端面，确保无灰尘或其他污染，避免耦合光散射。裸纤使用前应进行切割，并检查切割质量。
低功率验证熔接质量：将光纤熔接到光学系统中时，在高功率使用前，应先在低功率水平下确认熔接质量，低质量熔接会增加散射，可能损伤光纤。
低功率对准系统：在低功率水平下对准系统和优化耦合，减小光纤别的部分的曝光，避免高功率光束聚焦在包层、涂覆层或接头上导致散射光损伤光纤。
熔接光纤组件：将光纤组件熔接到系统中可提高功率承受能力，减小空气/光纤界面的损伤概率。但需遵循相关指南，确保高质量熔接，低质量熔接可能会引起散射或局部过热，损伤光纤。
低功率测试与逐步提效：连接光纤后，在低功率下使用光源测试并对准系统，然后慢慢地提高系统功率至目标输出功率，同时定期验证所有组件的对准情况，确保耦合效率不随入射光功率改变。
避免光纤弯曲：光纤急剧弯曲可能会引起光从高应力区域泄漏，高功率下工作时，局部漏出的光会导致发热，损伤光纤。因此，工作过程中应避免干扰或意外弯曲光纤，减小弯曲损耗。
选择正真适合光纤：用户应根据具体应用选择合适的光纤，例如在高功率应用中使用大模场光纤替代标准单模光纤，以更大的模场直径提供高光束质量，降低空气/光纤界面的功率密度。由于高功率密度，阶跃折射率石英单模光纤一般不用于紫外光或高峰值功率脉冲应用。
通过进一步探索光纤的激光诱导损伤机制，并采取比较有效的预防的方法，可提升光纤的性能和常规使用的寿命，确保激光系统的稳定运行。航鑫光电将持续投入光纤技术的研发与创新，为客户提供更优质的光纤产品和解决方案。
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