光纤传输系统优化策略

图2.23 各种扫描方法

在材料加工中，可选择多种光纤用于激光的能量传输，光纤传输的优点就像电缆传输电一样显而易见^[34]，但通过光纤传输激光还面临一定的困难，第一就是光纤的插入问题，光纤的直径通常只有几分之一毫米，因此只有将光束聚焦后引入到光纤的入口（耦合端），任何端面的灰尘都将导致光纤的完全损坏。在光纤内，激光的功率密度非常高，如2kW的激光在直径0.5mm光纤内的功率密度为10⁶W/cm²，为与该值比较，表2.10^[34]列出目前公开发表的光纤损伤阈值，因此功率密度是一个显而易见的问题。如果为降低作用于光纤的激光功率密度而采用较大直径的光纤，那么将遇到聚焦性能降低的问题，激光束焊接的主要特点将不复存在，通过多模光纤传输激光束的最小斑点出现在光纤的端面，很少有其他光束能得到像直线传输激光一样细小的聚焦斑点，光纤传输能得到的激光极限焦斑尺寸是端面尺寸与放大倍数积的一半。另一个问题是由于非线性影响，如早前提到的Roman、Brillouin及Rayleigh等导致较高的能量损失，这就会遇到在光纤中传输高质量、高功率光束的传输极限问题，但目前传输极限功率很高，5kW的功率可通过直径0.4mm的光纤传输，一种选择是光纤的多样性，如图1.7所示的三束激光在一个透镜上聚焦。

表2.10 已公开发表的各种光纤损伤阈值^[34]

目前Nd-YAG激光器的光纤传输系统是一个正在发展的市场^[35]领域，许多激光功率大于1kW的Nd-YAG激光器在销售时只有光纤传输可供选择，这主要源于两个方面的考虑，一是从激光器输出的多模光束通过400μm的光纤时几乎不受任何影响；二是光纤传输对操作者来说比较方便，如激光器可以安装在离工作台较远的房间，同时激光器可供几个一千米远的不同工作台使用。

光纤是由极纯的SiO₂制成，为避免由于过多金属离子如Cu、Co及羟基离子等杂质的影响，经常使用硅氢化合物（SiH）制备SiO₂，上述工艺制成的SiO₂其杂质为十亿分之一。光纤主要由纤芯、低折射指数的包覆层及外层保护塑料层等组成，此外通常还有金属保护外管。一般将监测光纤损伤的探头安在金属保护层内，通过低折射指数包覆层界面的反射，激光光线被控制在芯部范围内。这里主要有两种形式的光纤：梯度折射率光纤和渐变折射率光纤，如图2.24所示。在梯度折射率光纤中，激光采用锯齿路径沿光纤传输，直到光线沿纤芯均匀填充，尽管由于光纤的弯曲，其输出模式会发生改变，但输出光束基本上以平顶模式输出，其大小与纤芯直径相同。在渐变折射率光纤中含有一定的掺杂剂，折射指数沿光纤直径方向发生变化，通常是抛物线形变化，光线以波浪方式传输。在抛物线折射侧面的每个传播角度，所有光线的光程基本上是相等的，这就是光束参数的乘积：守恒的腰斑直径，即d_waist×发散角，（见2.8.1.1节），从分级指数光纤中输出功率的分布与从梯级指数光纤得到的强度分布相似，在实际使用的光纤中，由于光纤尺寸的稳定性、几何形状、SiO₂中的杂质、弯曲及光纤耦合不好的影响，光束参数值有一定的增加。

图2.24 梯度折射率光纤和渐变折射率光纤的结构

2.9.7.1 光纤耦合

当激光进入耦合角度最大的光纤时^[36]，激光沿光纤传输所损失的能量很小，是由光纤数字孔径所决定：

数字孔径等于芯部折射指数与包覆层n_clad差值的平方根：(www.xing528.com)

对熔化型SiO₂光纤，NA值变化范围一般为0.17～0.25（接受角度约为28°），较高的NA值就要求增加掺杂的浓度，会引起折射指数混乱的危险，基本的耦合要求是（图2.25）：

当光束出现椭圆或散光变化时，问题就复杂得多，这里还有在2.8.1.3节讨论的热透镜问题，随着时间的变化热透镜能改变d_in值，在实际应用的光纤中，选择芯部直径和数字孔径要远大于光束参数，为保证安全使用，要在d_in和基础上乘1.5到3倍，光纤耦合的光学通常建立在望远镜基础上。

由于光纤要吸收聚焦激光的能量，光纤端面的加工是特别严格的，通常要经过切开和抛光等加工过程。

2.9.7.2 用于其他激光器的光纤

表2.10列出了可以用于其他波长的光纤材料，除了表中提到的材料和波长外，波长5.4μm的CO激光可通过金属卤化物光纤实现传输，如CaF₂和Zn的卤化物等；波长10.6μm的CO₂激光可通过铊基光纤实现传输，但传输过程中损失很大，目前能实现100W功率的激光传输。另一种选择就是空心波导传输，在内表面涂上折射系数比空气小的绝缘涂层蓝宝石管（内径仅为0.5～1mm），该种装置能将数千瓦10.6μm波长的激光传输到几米远，Miyagi和Karasawa^[37]计算出这种波导装置的能量损失系数α：

D_core是蓝宝石管的内径，R是弯曲半径，因此蓝宝石管的直径越小其损失的能量越严重，但直径太大会出现聚焦困难。

总之，工程技术人员还在探索，希望优先实现激光能量的光纤传输，他们正在放弃光学能量的显著特征之一，离开导体的帮助只有少数能量可通过空气和空间实现传输。

图2.25 光纤耦合的几何形状