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光纖光柵為什么會發熱

時間:2025-10-14 來源:光纖光柵為什么會發熱 訪問量:2150

我們知道在高功率光纖激光器中有一類failure是光柵燒損。為了減少這種情況,一般光柵器件廠家在生產檢測時是通過使用高功率的Pump光進行通光檢測的。檢測辦法也很簡單,主要是看高功率通光之后光纖柵區的溫度,只要其數值低于規定的上限即可。有些同事可能疑惑,作為傳輸光纖的部分,光纖光柵的本質是光纖纖芯中周期性的折射率調制。但僅是折射率不同而已,并不像增益光纖那樣內部有稀土離子對泵浦光進行吸收,為什么也會有熱量產生呢?

下面嘗試來定性分析一下,對錯與否供大家討論:

首先,我們在實際使用的過程中確實觀察到了熱量的產生,且隨著功率的提升有一定的線性關系。既然有熱量產生,中學物理告訴我們這里必然存在著能量轉化:部分傳輸的光能轉化成了光纖的內能(熱能),而光纖內能是由組成它的分子能量(勢能+動能)組成的。這就好理解了,我們大膽推測一下:由于光子與光纖中物質的相互作用產生了能量轉化。

那我們再討論一下為什么光子會和光纖物質產生相互作用?由于光子有粒子的特性,它在傳輸的過程中難免會和光纖中的微粒產生碰撞(散射),尤其是與布拉格波長不完全匹配的光。又是初中物理告訴我們:散射可分為彈性散射和非彈性散射:

彈性散射只改變光子方向不改變能量->如瑞利散射,此散射不改變光子的波長,不直接產生能量損耗。但是雖然光子能量沒有發生變化,但由于速度方向發生了變化,部分會從纖芯中溢出到包層甚至外部的涂覆層(包層模、輻射模)。涂覆層通常是丙烯酸酯、聚酰亞胺等高分子材料,這些材料對光纖激光器的工作波長(如 1064nm, 1080nm)有很強的吸收。因此最終也會產生熱量。

非彈性散射既改變光子方向也改變能量->如拉曼散射、布里淵散射,這類散射會改變光子的波長(光譜上產生新的波長)。一般光子損失了能量波長會往長波方向漂移,損失的這部分能量直接轉移給光纖物質(產生聲子/分子振動),這部分能量最終也產生熱能。

另外這里也大膽猜測一下:包層(石英)本身對工作波長的吸收雖然很低,但由于可能存在的雜質(如Fe2?, Cu2?, OH?)或其它缺陷等并非絕對為零,長時間高功率下也會有貢獻。

再說纖芯部分,由于光柵的柵區本身就是因激光刻蝕產生的周期性折射率調制,因而在激光寫入的過程中可能引入缺陷和應力,這些局部的缺陷也可能吸收光子的能量進而轉化為晶格的振動(熱能)。


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