研究激光能量传输规律

3.5.2.1 温度对光缆的耦合传输效率影响

1. 温度对光缆器件的耦合传输效率影响

激光火工品光能传输与隔断原理研究用半导体激光器和固体激光器的输出光束是多模、大功率、高能量激光，对国内外光纤生产厂家的产品进行技术调研，激光火工品系统通常采用的光纤规格、牌号如表3.21所示。美国、德国的光纤厂家产品的几何尺寸偏差小、质量稳定、性能可靠，但价格较高；国产φ100/140、NA0.275、渐变光纤生产工艺较为成熟，传输损耗低，其他5种阶跃光纤为国内新研制产品，性能与国外同类产品相当，价格较低。

表3.21　激光火工品常用光纤一览表

光缆接头通常选用FC/PC标准接头和SMA标准接头。以下定义几种光缆：A型光缆——用国产φ 100/140、NA0.275、渐变光纤，FC/PC标准接头制成的光缆；B型光缆——用国产φ 105/125、NA0.220、阶跃光纤，FC/PC标准接头制成的光缆；C型光缆——用Thorlabs公司φ 105/125、NA0.220、阶跃光纤，FC/PC标准接头制成的光缆；D型光缆——用国产φ 280/308、NA0.220、阶跃光纤，SMA905标准接头制成的光缆。

在-45～65 ℃环境条件下，进行了温度对A型光缆传输损耗的影响试验，将取得的试验数据做成温度与耦合效率关系曲线如图3.42所示。

从图3.44看出，在-10～65 ℃温度范围内，光缆的耦合传输效率基本不变。低于-10 ℃后，耦合传输效率明显下降。经分析主要原因是光缆的光纤芯、成缆包覆材料以及光缆接头的收缩率不同，由于光纤芯收缩率低，护套管收缩率高，在温度应力作用下，引起光纤芯微弯曲增多，导致传输效率下降。加之FC/PC光缆接头各零部件之间相对位移，使光纤芯同轴性、光纤端面接触面积、光纤端面之间的间隙发生变化，使光缆耦合效率下降。

用图3.42的试验数据，经数学处理，得到A型光缆的在温度-45～65 ℃范围内对耦合传输效率影响的半经验公式为

图3.44　A型光缆的温度与耦合传输效率关系曲线

经分析，用不同规格、不同厂家的光纤制成的光缆，在低温下耦合传输效率会有不同的变化。对A型光缆、B型光缆和C型光缆，在低温-45～20 ℃下进行了耦合传输试验，考核对象包括光缆和接头，取得试验结果见图3.45。

图3.45　低温对三种规格光缆耦合传输效率影响对比曲线

从图3.43看出，B型光缆与C型光缆性能相近，在-45～20 ℃温度范围内，光纤耦合传输效率下降了约20%。而渐变光缆在此温度范围内的耦合传输效率下降了65%，温度对耦合传输效率影响显著。

用图3.45的试验数据，经数学处理，得到低温对三种规格光缆耦合传输效率影响半经验公式为

2. 温度对光缆线的耦合传输效率影响

从上述试验看出，温度对带接头的光缆耦合传输效率有一定影响，接头装配工艺与所使用的材料在低温下的变化，导致耦合效率下降。为了进一步研究光缆的组成部件在低温下的性能变化，在-45～20 ℃环境条件下，进行了温度对A型渐变光纤、B型和C型阶跃光纤制成的光缆线传输损耗的影响试验。温度试验的考核对象为由光纤芯、芳纶缓冲层和外护套管组成的光缆线，但不包括接头。取得试验结果见图3.44。

从图3.44看出，三种规格的光缆线在-20 ℃以后，耦合传输效率出现了不同程度的下降。其中B型阶跃纤光缆线传输效率下降了约8%，C型阶跃纤光缆线传输效率下降了约20%，而A型渐变纤光缆线在此温度范围内的耦合传输效率下降了约30%，温度对光缆线耦合传输效率影响显著。经分析，主要原因是外护套管在低温下收缩导致光纤芯弯曲，造成传输损耗增大。

图3.46　低温对三种规格光缆线传输效率影响对比曲线

用图3.46的试验数据，经数学处理，得到低温对三种规格光缆线耦合传输效率影响半经验公式为

3. 温度对光缆接头的耦合传输效率影响

从图3.45与图3.46对比看出，在低温下，接头对光缆的耦合传输效率影响明显，为了进一步分析研究接头对光缆耦合传输效率的影响，进行了光缆的大斜面FC/PC接头、SMA905接头低温对比试验，试验结果见图3.47。

从图3.47看出，接头种类不同，在低温条件下对光缆的耦合效率有不同程度的影响。B型阶跃光纤、大斜面FC/PC接头在低温条件下，耦合效率变化不大，减小了约20%；C型阶跃光纤、大斜面FC/PC接头在低温条件下，耦合效率变化较小，减小了约10%；SMA905接头在低温条件下，耦合效率变化较大，减小了约40%。

图3.47　温度对三种光缆接头耦合效率影响对比曲线

4. 温度对裸纤的耦合传输效率影响

为了进一步分析在低温条件下芳纶缓冲层和外护套管对光缆线传输效率的影响，进行了A型渐变光纤、B型阶跃光纤、C型阶跃光纤和3M φ100/140 NA0.365阶跃光纤4种规格裸纤的低温传输试验，取得的试验结果如图3.48所示。

从图3.46看出，在低温下，裸纤的传输效率比较稳定。说明光缆的外护套管和接头对光缆的传输效率影响较大，应根据军品元器件的使用条件，设计研制军品专用光缆组件。

5. 温度对优化设计光缆的耦合传输效率影响

采用军品器件制作工艺，优化设计研制出A型、B型、D型光缆，在-55～70 ℃温度范围内，进行了光缆的传输耦合试验，取得的结果如图3.49所示。

图3.48　4种裸纤低温传输损耗变化曲线

图3.49　优化改进光缆的高低温传输试验结果

从图3.49的试验结果看出，经过优化设计后：

（1） A型渐变光缆器件，可以满足-40～70 ℃环境温度范围的使用要求。

（2） B型阶跃光缆器件，可以满足-20～70 ℃环境温度范围的使用要求。

（3） D型阶跃光缆器件，可以满足-55～70 ℃环境温度范围的使用要求。

用图3.49的试验数据，经数学处理，得到温度对三种规格优化改进光缆耦合传输效率影响半经验公式为

3.5.2.2 光纤弯曲对激光能量传输效率的影响

光纤弯曲引起的能量损耗也是不可忽视的。随着光纤曲率的增大，光线在纤芯和包层界面上发生全反射的条件将难以满足，激光在光纤中传播时的散射和透射将越强，即能量损耗越大。

对于激光火工品系统中常用的阶跃折射光纤，通过光纤中心轴的平面都称为子午面，位于子午面内的光线则称为子午光线。根据光的反射定律，光线在光纤的纤芯-包层分界面反射时，其分界面法线就是纤芯的半径。因此，子午光线的入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内，这是子午光线传播的特点，如图3.50（a）所示。图中n1、n2分别为纤芯和包层的折射率，n0为光纤周围媒质的折射率，a为纤芯半径，根据图3.50（a），子午光线在光纤内传播时，单位长度内的光路长L′和全反射次数q分别为实际使用中，光纤经常处于弯曲状态，这时其光路长度、数值孔径等诸参量都会发生变化，图3.50（b）是光纤弯曲时光线的传播情况。设光纤在P处发生弯曲，光线在离中心轴h处的c点进入弯曲区域，两次全反射点之间的距离为AB。利用图中的几何关系可得

图3.50　光线在光纤中的传播

（a）光线直线传播；（b）光线弯曲传播

式中，R为光纤弯曲半径；为光纤弯曲时单位光纤长度上子午光线的光路长度。由于sina/R＜1，a/R ＜1，因而有＜L′。这说明光纤弯曲时子午光线的光路长度减小了。与此相应，其单位长度的反射次数也变少了，即q0＜q。q0的具体表达式为

利用图中的几何关系，还可求出光纤弯曲时孔径角φ0的表达式为[29]

由此可见，光纤弯曲时其入射端面上各点的孔径角不相同，沿光纤弯曲方向由大变小。

由上述分析可知，光纤弯曲时，由于全反射条件不满足，其透光率会下降。这时既要计算子午光线的全反射条件，又要推导斜光线（光纤中不在子午面内的光线）的全反射条件，才能求出光纤弯曲时透光量和弯曲半径之间的关系。相关研究表明，对于阶跃折射光纤缆而言，当R/2a＜50时，透光量已开始下降；R/2a≈20时，透光量明显下降，说明大量光子已从光纤包层逸出，造成耦合传输效率明显下降。

3.5.2.3 光纤轴偏离对耦合效率的影响

1. 阶跃光纤耦合效率

对于阶跃光纤，光纤端面的激光能量分布基本是均匀的，所以存在轴偏离问题时，激光能量的耦合传输效率ηstep可由入射光纤与接收光纤的重合面积与入射光纤的通光面积之比获得[30]，即

图3.51　阶跃折射光纤轴偏离示意图

设入射光纤与接收光纤的规格相同，光纤芯半径为a，两光纤轴偏离为x（对于渐变折射光纤，这些假设一样），如图3.51所示。

接收光纤的通光面积为

阶跃折射光纤轴偏离情况下的耦合效率为[30]

假设光纤在等模式激励、等模式衰减下传输，发射光纤的光功率Pt则均匀地分布在各个模式光场中，当它与另一根光纤端面对接时，从发射光纤耦合到接收光纤中的光功率Ph便可能发生变化，根据GJB 1427A-99定义光纤耦合损耗L为

根据几何光学知识，轴偏离情况下，阶跃光纤的耦合损耗为

2. 渐变光纤耦合效率

对于渐变折射光纤，以平方律光纤为例，根据几何光学原理，光纤端面的激光能量分布规律为

式中，e(0)为光纤中心处的激光能量密度；e(r) 为距光纤中心为r处的激光能量密度。

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对于图3.52所示的渐变折射光纤轴偏离问题，可分别计算重合部分A1与A2的激光能量耦合情况。

在A1中，耦合传输激光能量为

图3.52　渐变折射光纤轴偏离示意图

在A2中，耦合传输激光能量为

式中，，则

渐变折射光纤轴偏离情况下的耦合效率为

3.5.2.4 激光波长对光缆耦合效率的影响

用A型、B型、C型和D型光缆，对808 nm、980 nm、1 064 nm三种波长的激光能量传输效率进行了试验，取得的试验结果见表3.22。

表3.22　不同规格光缆对三种波长激光耦合传输效率试验结果

从表3.22试验结果看出，激光波长对耦合传输效率的影响不明显，但随着波长的增加耦合传输效率有下降趋势。

3.5.2.5 光纤端面角度对耦合效率的影响

光纤端面与其中心轴不垂直时，将引起光束发生偏折，这是研究工作中应注意的一个实际问题。图3.53所示为入射端面倾斜的情况，γ是端面的倾斜角，α和α′是端面倾斜时光线的入射角和折射角。由图中几何关系得

上式说明，当n1，n2，n0不变时，倾斜角γ越大，接收角α 就越小。所以光纤入射端面倾斜后，要接收入射角为α的光线，所需孔径角要大于正常端面的孔径角。而光纤规格选定后，其孔径角为一固定值。端面有一定倾斜角的光缆比垂直端面光缆能够接收到的光线少，所以耦合传输效率降低。

图3.53　入射端面倾斜时光纤中的光路

用B型光纤，分别加工成2°、4°、6°、8°、10°、12°斜面插针接头光缆。进行了光纤插针端面角度对耦合效率的影响试验，取得试验结果见图3.54。其中试验1输入光缆采用B型光纤，其光纤插针端面为平面；试验2输入光缆采用A型光纤，其光纤插针端面为平面。

从图3.54试验结果看出，随着端面角度的增大，光缆的耦合传输效率总体上呈现下降趋势。用图3.54的试验数据，经数学处理，得到光纤端面倾斜角度对耦合传输效率影响的半经验公式如下：

与A型光纤耦合时：

与B型光纤耦合时：

图3.54　光缆端面斜度对耦合效率的影响

3.5.2.6 光纤端面间隙对耦合效率的影响

由于加工误差或制造工艺等因素的影响，相连接的两光纤端面间沿轴线方向可能会出现间隙，而在与光纤轴线垂直的方向即横向是对准的。相关文献给出了存在端面间隙情况下，两光纤对接的耦合效率为

式中，假设光功率在光纤截面上的分布是均匀的，光强的角分布和偏振分布是均匀的，光纤的折射率分布也是均匀的。

其中，z为端面间隙；n = n1/n0，n1是纤芯的折射率，n0是周围介质的折射率，若在光纤两端面之间加了匹配液n = 1，光纤两端面处于空气中时n = 1.46；Δ = （n1-n2）/n1是芯包折射率差，n2是光纤包层的折射率；a是光纤芯的半径。

根据式（3-125），随着两光纤端面间隙z的增大，两者间的耦合效率ηz是线性下降的。所以可以通过改变两光纤端面间隙z量值的方法，来实现对光纤传输系统的激光能量定量调节。

但是，由于式（3-125）是讨论通信用光纤的连接损耗时提出的，所以z的适用范围较小。若取n = 1.46，Δ = 0.7%，a = 50 μm，那么按式（3-125），当时，耦合效率ηz为0。这显然是不可能的，因为两光纤是轴向对准的，沿光纤轴线传播的光线总是可以入射到接收光纤中。因此，需要针对激光火工品系统光纤能量传输情况，建立光纤端面间隙耦合效率计算新模型。

首先假设光功率在光纤截面上的分布是均匀的，光强的角分布和偏振分布是均匀的，光纤的折射率分布也是均匀的，且两光纤的规格相同。对于图3.55所示的一对光纤接头，端面间隙为z，入射光纤输出端面的激光能量为E，光束半径为a，则激光能量密度为

。此光束到达接收光纤的输入端面时，光束半径扩大为a + ztanθa，此时激光能量密度为。其中，θa为孔径角。

图3.55　光纤接头端面间存在间隙时的对接情况

由于两光纤的规格相同，根据几何光学光路可逆性原理，接收光纤可接收入射到其端面部分的光束。两光纤间的耦合效率为

由式（3-126）可知，当端面间隙z逐渐增大时，两光纤间耦合效率ηz逐渐降低，且z→∞时，耦合效率ηz→0，这与实际情况相吻合。

采用A型光纤和B型光纤，进行了光纤端面间隙对耦合效率的影响试验，取得结果如图 3.56所示。

从图3.56可以看出，随着光纤端面间隙的增大，其耦合传输效率逐渐趋近0。所以在光缆对接时，应仔细检查法兰盘连接情况，确保两光纤端面可靠接触。

定义

用图3.54的试验数据，经数学处理，可以得到光纤端面距离对耦合传输效率影响的半经验公式分别为

图3.56　光纤端面间隙对耦合效率的影响曲线

3.5.2.7 光纤端面的污染损耗规律

在装配过程中的任意环节都有可能对光纤端面造成污染，污染物在光纤端面的发光界面上犹如一道屏障，降低输出激光的透光率从而引起失效，将由污染物引入的损耗称为污染损耗。这些污染物都是可清洁的，对光纤端面没有造成永久性损伤。

污染来源可能是手、光纤帽、光纤适配器、脏光纤端面的“污染”、地面、空气等。因为对光纤的绝大部分操作，如切割、研磨和连接都要用到手，所以手是最有可能对光纤端面造成污染的源头之一，而手上覆盖一层油脂，表3.23中序号2就是手接触光纤端面后得到的图像。在套光纤帽时不小心让光纤端面接触到光纤帽边缘，则有可能使光纤帽边缘的脏东西沾到光纤端面上，或使用光纤适配器时也可能碰到金属结构，虽然这样的污染不一定会发生，但是一旦发生就可能导致很大的颗粒附着在端面上。当光纤与光纤连接时，脏的光纤端面会污染原本干净的端面。当光纤端面裸露在空气中时，空气中的微小灰尘颗粒因为空气流动与光纤端面接触后会附着在上面造成污染，见表3.23中序号1的图像。

污染不易定量分析，对每种污染图像对应的808 nm发火光和650 nm检测光损耗进行对比分析，见表3.23。在图3.57中，两种波长的污染损耗之间成负指数函数关系，表示为

表3.23　不同的光纤端面污染对应的650 nm损耗和808 nm损耗

图3.57　检测光和发火光下光纤污染损耗的关系

3.5.2.8 光纤端面的划痕损耗规律

当光纤端面有划痕时，容易在光纤端面产生漫反射，并且光透射率下降从而引起失效，将由划痕引入的损耗称为划痕损耗。划痕产生的原因主要是在光纤端面有硬度很高的污染颗

粒，施加外力和其他端面摩擦时造成的。光纤端面的划痕可用粗糙度来衡量，为研究不同量级的划痕对激光传输效率的影响，将经过研磨抛光后的光纤端面在不同粗糙度的研磨纸上制造划痕，对划痕粗糙度1 μm、3 μm、6 μm和15 μm下分别进行650 nm检测光和808 nm发火光的损耗对比，见表3.24。在图3.58中，这两种波长的划痕损耗Lnick之间成负指数函数关系，表示为

表3.24　不同粗糙度划痕的光纤端面对应的650 nm损耗和808 nm损耗

图3.58　 检测光和发火光下光纤划痕损耗的关系

3.5.2.9 光纤端面的烧蚀损耗规律

早在1991年F-16战斗机乘员逃逸系统的研制中，就指出光纤端面的烧蚀会引起激光能量传输效率降低。尽管并没有像高能量密度的固体激光点火系统中，烧蚀主要发生在铜质光纤连接器与石英光纤纤芯之间的黏合剂区域，但是对于半导体激光点火系统而言，输出功率密度在103～104 W/cm2量级，光纤端面的污染物也同样会吸收激光脉冲，造成大量热量积累，使得污染物和光纤端面一同烧蚀。烧蚀产物将污染光纤的镜面端面，形成阻碍光透过的沉积膜层，降低光透过率，从而导致失效。虽然半导体激光点火系统中的烧蚀主要是由污染物引起的，但也是有条件的，即在污染处于一根光纤的端面，再用光纤适配器将这根光纤和另一根光纤对接，污染物在光纤适配器相对密闭的环境中，热量更容易积累，促使烧蚀产生。当受污染的光纤端面露置在空气中，即使输入很高的激光功率，也不会产生烧蚀现象，说明由污染物积累的热量很快在空气中散失，无法达到产生烧蚀的阈值温度。将各种烧蚀后的光纤分别进行650 nm检测光和808 nm发火光的损耗对比，见表3.25。在图3.59中，这两种波长的烧蚀损耗Lablation之间成线性函数关系，表示为

图3.59　检测光和发火光下光纤烧蚀损耗的关系

表3.25　不同程度烧蚀的光纤端面对应的650 nm损耗和808 nm损耗

续表

3.5.2.10 光纤的折断损耗规律

光纤折断后进行功率测量，808 nm发火光和650 nm检测光的测量结果均为0，说明一旦650 nm检测光的输出功率为0，则在发火光路上肯定存在光纤折断的故障。这是双光纤自检系统所具备的最基本，也是最重要的一个检测功能。