光纤实验技术

光纤，对于一位从事光学研究的人并不陌生，如果能够掌握一些光纤实验技术，对完成自己的实验是有很帮助的！今天，我...

光纤的结构



光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，由内而外依次为：纤芯，包层和涂敷层的三层结构，纤芯用于传播光，包层反射光，涂敷层起保护作用，如下图显示：



光之所以只能够在光纤的纤芯内传播，是因为全反射，纤芯的折射率要比包层的折射率大。而且，纤芯的大小一般从几个um～100um左右，单模光纤的纤芯不到10um，可想而知，每次调节光纤耦合是有多困难了。


光纤的分类



光纤的主要成分是高纯度的二氧化硅，如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，就可以制作光纤的纤芯。同样，如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，就可以作为包层材料。

按照折射率分布，可以分为3类：突变型多模光纤，渐变型多模光纤和单模光纤。纤芯折射率为 n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。

在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。

折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8~10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（只传输主模），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。



大家可能觉得很奇怪，为什么单模光是沿着直线形状传播？ 因为单模光的发散角很小，而多模光的发散角比较大，所以单模光是近似沿着直线形状传播。


数值孔径



光纤的数值孔径（NA）是很重要的参数，在做一些参数计算时候，会用得到，例如计算光从光纤出来的发散角，或者想把从光纤出来的光做扩束，扩束倍数该怎么计算等等，尤其是扩束问题（或者准直问题）。我们先讲清楚什么是光纤的数值孔径，在我们的“数值孔径”文章中有比较详细描述数值孔径的概念。

光纤入射光的入射角θi有一个最大值θmax。θmax称为入射临界角，为什么还会有一个最大的入射临界角θmax？



因为当入射角太大，光在纤芯和包层界面上不能够保证全反射条件。只有在半锥角为θi≤θmax的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。



定义入射临界角的正弦为数值孔径(Numerical Aperture, NA)。即光纤的数值孔径为：

NA= n0sin(θmax)

经过一些计算，得到光纤的数值孔径至于纤芯和包层的折射率有关：
例如，Thorlabs的熊猫型保偏单模光纤P1-780PM-FC的数值孔径为NA=0.12，多模光纤的数值孔径就比较大，例如直径55um的多模光纤，它的数值孔径NA=0.22。


模场直径



模场直径(MFD)是表征单模光纤中光传输时光束宽度的参数，与波长、纤芯半径，以及纤芯和包层折射率有关。虽然大部分光被束缚在光纤纤芯中，但有一小部分在包层中传播。对高斯型功率分布，MFD是光功率衰减到峰值的1/e2处对应的直径。


光纤的损伤阈值



对于单模（SM）光纤，因此损伤阈值是非常小的，也就是单模光纤不能用于很高激光功率。光纤到底能够承受多少功率，看参考如下计算例子：（一下计算来自thorlabs）

工作在400纳米连续光的SM400单模光纤，模场直径（MFD）大于是Ø3微米。对于高耦合效率，MFD的80%一般都充满光。所以有效直径为Ø2.4微米有效面积为4.52平方微米。由此可以推测损伤阈值为11.3毫瓦。我们建议使用上面中“实际值”最大功率密度来说明高斯功率分布、可能的耦合失准和光纤端面的污染或瑕疵：


光纤准直和扩束



其实准直和扩束是同一回事，从光纤发射出来的光是发散的，发散角等于数值孔径，利用透镜可以把发散光重新变为平行光，Thorlabs上有很多这样的光纤组件，例如





我们着重讲解一下光纤的扩束问题，例如我们有时候希望把我们的光纤光束大小变大，可以采用上图的方法，但是上图的光纤组件扩束倍数还是有限，我的印象中Thorlabs光纤组件最大只能8mm，如果你希望扩的更大有什么办法？其实原理还是相同，只是需要自己通过透镜（可以选用一块非球面平凸透镜）来完成：



光束直径：

BD(mm)=2×NA×f(mm)

发散角：

D(mrad)=a(um)/f(mm）


光纤的端面



包括FC/PC，FC/APC，和混合FC/PC至FC/APC跳线。FC是连接器方式，还有SMA方式。

PC和APC的区别是纤芯的端面前者是平面，后面是斜面，APC斜面具有防止反射的作用：




光纤的耦合



我们需要把空间自由光耦合到光纤里，需要用到光纤耦合器，方式有多种，最开始我用的如下方式，通过一个显微镜把光汇聚到光纤里，个人感觉效果并不是特别好，而且调节比较麻烦，



现在根据一些调研，更倾向于利用光纤准直器来做光纤耦合，结构简单，而且耦合效率可以做到50%以上，据说是很轻松事情，如下图：




光纤的模式



特别，单模光纤具有很好的模式选择作用，经过单模光纤出来的光具有很好的光斑形状，模式是TEM00模，这是很多自由空间激光器所达不到的。缺点是，会损失一些激光功率。激光的模式好，对于进一步对光做处理很有帮助，例如激光扩束等。在光纤光学中，经常会介绍归一化频率Vc，它描述的是光纤中能够稳定存在的光模式数，如果Vc

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