旋转光纤

产品介绍

旋转光纤

旋转光纤特性

设计波长：1310 nm或1550 nm

针对电流感应应用优化

输出偏振对热噪声和振动噪声不敏感

应用：

光纤电流传感器 (FOCS)

光学电流互感器 (OCT)

旋转光纤是的高度双折射光纤，它通过在拉制过程中先旋转蝴蝶结式的单模保偏光纤来制造，而不是在拉制之后使其扭转。它们经旋转使得蝴蝶结结构沿光纤的轴向方向转动（参见页面上方的图）。我们提供针对1310 nm（产品型号为SHB1250G80和SHB1250）和1550 nm（产品型号为SHB1500）的激光源的光纤。与传统PM光纤不同，它们设计用来保持线性偏振和圆偏振，且输出偏振对热噪声和振动噪声以及由应力双折射所致的漂移不敏感。

这些高度双折射旋转光纤的特性使它们非常适用于高灵敏度的光纤电流传感器（FOCS）[也称为光学电流互感器（OCT）]。在这些应用中，它们可用于AC电流传感和DC电流传感。FOCS和OCT依靠测量由法拉第效应所致的光偏振轴的旋转圈数（见图1）。法拉第效应通过所施加的磁场导致偏振态的旋转。对于电流传感应用，磁场由载流导体产生。因为由导体产生的磁场与电流呈线性正比关系，所以偏振旋转也与电流呈正比。可通过将光纤缠绕导体来进一步增加灵敏度（见图2）。在这种情况下， 旋转圈数β与Vx N x I呈正比，其中V、N和I如右边所定义。

将这些旋转光纤用作FOCS或OCT具有优于传统方法的几个优点。光纤内部产生偏振旋转，从任何电压线或电压源隔离。这消除了原本可能影响测量的任何电气噪声。光纤对外部场格外敏感，具有非常快的响应时间，并且重量轻，结构紧凑。关于电流传感应用的更多信息，请参见制造商的技术和应用说明。

欲订购这些光纤作为连接器式的跳线，请联系技术支持。

图1：法拉第效应的图示

图2：缠绕导体的旋转光纤，用于电流感应应用

β ∝Vx N x I

V：Verdet常数（参见曲线标签），它是光学材料的一种属性，以rad/A为单位

N：光纤缠绕电流导体的圈数。

I：流过导体的电流，以A为单位

模场直径（MFD）为标称值。它是近场中以1/e²功率等级时的直径。更多信息请参见上方MFD定义标签。完整规格列表参见规格标签。

规格

旋转间距指的是光纤中固定的360度旋转的规律性。例如，5 mm旋转间距意思是对成品光纤将以每5 mm来固定光纤的360度旋转。

曲线

这个曲线图为计算的旋转光纤总灵敏度的值。较小的Ø80 µm包层光纤在较小的线圈直径时比较大的Ø125 µm包层光纤灵敏。因此，Ø80 µm包层光纤可以更紧密地缠绕，并提供更的电流测量。关于总灵敏度的定义，请参见制造商的技术说明的第三页。

上方曲线图为这些旋转光纤的Verdet常数的理论值。

模场直径定义

模场直径（MFD）是在单模光纤中传播的光的光束宽度的一个度量。它与波长、纤芯半径以及纤芯和包层的折射率呈函数关系。虽然光纤中大部分光都被束缚在纤芯内，但有小部分光在包层中传播。对于高斯功率分布，MFD是光功率从其峰值等级下降到1/e²时的直径。

MFD的测量

MFD的测量由远场可变孔径法（VAMFF）完成。 将光阑置于光纤输出的远场中，并测量强度。将依次减小的光阑置于光束中，对每种孔径测量强度等级；所得数据可绘图为功率vs.孔径半角（或对于SM光纤是数值孔径）的正弦值的曲线。

接着用彼得曼第二定义确定MFD，这个彼得曼第二定义不假设功率分布的特定形状。近场中MFD可从这个远场测量用汉克尔变换来确定。

左图是通过光纤传播的光束的强度分布。右图是通过光纤传播的光束的标准强度分布，图中标注了MFD和纤芯直径。

损伤阀值

激光诱导的光纤损伤

以下教程详述了无终端(裸露的)、有终端光纤以及其他基于激光光源的光纤元件的损伤机制，包括空气-玻璃界面(自由空间耦合或使用接头时)的损伤机制和光纤玻璃内的损伤机制。诸如裸纤、光纤跳线或熔接耦合器等光纤元件可能受到多种潜在的损伤(比如，接头、光纤端面和装置本身)。光纤适用的大功率始终受到这些损伤机制的小值的限制。

虽然可以使用比例关系和一般规则估算损伤阈值，但是，光纤的损伤阈值在很大程度上取决于应用和特定用户。用户可以以此教程为指南，估算大程度降低损伤风险的安全功率水平。如果遵守了所有恰当的制备和适用性指导，用户应该能够在的大功率水平以下操作光纤元件；如果有元件并未大功率，用户应该遵守下面描述的"实际安全水平"该，以安全操作相关元件。可能降低功率适用能力并给光纤元件造成损伤的因素包括，但不限于，光纤耦合时未对准、光纤端面受到污染或光纤本身有瑕疵。关于特定应用中光纤功率适用能力的深入讨论，请联系技术支持techsupport-cn@thorlabs.com。

空气-玻璃界面的损伤

空气/玻璃界面有几种潜在的损伤机制。自由空间耦合或使用光学接头匹配两根光纤时，光会入射到这个界面。如果光的强度很高，就会降低功率的适用性，并给光纤造成yong久性损伤。而对于使用环氧树脂将接头与光纤固定的终端光纤而言，高强度的光产生的热量会使环氧树脂熔化，进而在光路中的光纤表面留下残留物。

损伤的光纤端面

未损伤的光纤端面

裸纤端面的损伤机制

光纤端面的损伤机制可以建模为大光学元件，紫外熔融石英基底的工业标准损伤阈值适用于基于石英的光纤(参考右表)。但是与大光学元件不同，与光纤空气/璃界面相关的表面积和光束直径都非常小，耦合单模(SM)光纤时尤其如此，因此，对于给定的功率密度，入射到光束直径较小的光纤的功率需要比较低。

右表列出了两种光功率密度阈值：一种理论损伤阈值，一种"实际安全水平"。一般而言，理论损伤阈值代表在光纤端面和耦合条件非常好的情况下，可以入射到光纤端面且没有损伤风险的大功率密度估算值。而"实际安全水平"功率密度代表光纤损伤的低风险。超过实际安全水平操作光纤或元件也是有可以的，但用户必须遵守恰当的适用性说明，并在使用前在低功率下验证性能。

计算单模光纤和多模光纤的有效面积单模光纤的有效面积是通过模场直径(MFD)定义的，它是光通过光纤的横截面积，包括纤芯以及部分包层。耦合到单模光纤时，入射光束的直径必须匹配光纤的MFD，才能达到良好的耦合效率。

例如，SM400单模光纤在400 nm下工作的模场直径(MFD)大约是Ø3 µm，而SMF-28 Ultra单模光纤在1550 nm下工作的MFD为Ø10.5 µm。则两种光纤的有效面积可以根据下面来计算：

SM400 Fiber:Area= Pi x (MFD/2)² = Pi x (1.5µm)² = 7.07 µm²= 7.07 x 10^-8cm²
SMF-28 Ultra Fiber: Area = Pi x (MFD/2)² = Pi x (5.25 µm)²= 86.6 µm²= 8.66 x 10^-7cm²

为了估算光纤端面适用的功率水平，将功率密度乘以有效面积。请注意，该计算假设的是光束具有均匀的强度分布，但其实，单模光纤中的大多数激光束都是高斯形状，使得光束中心的密度比边缘处更高，因此，这些计算值将略高于损伤阈值或实际安全水平对应的功率。假设使用连续光源，通过估算的功率密度，就可以确定对应的功率水平：

SM400 Fiber: 7.07 x 10^-8cm²x 1MW/cm²= 7.1 x10^-8MW =71 mW (理论损伤阈值)
7.07 x 10^-8cm²x 250 kW/cm²= 1.8 x10^-5kW = 18 mW (实际安全水平)

SMF-28 Ultra Fiber: 8.66 x 10^-7cm²x 1MW/cm²= 8.7 x10^-7MW =870mW (理论损伤阈值)
8.66 x 10^-7cm²x 250 kW/cm²= 2.1 x10^-4kW =210 mW (实际安全水平)

多模(MM)光纤的有效面积由纤芯直径确定，一般要远大于SM光纤的MFD值。如要获得佳耦合效果，Thorlabs建议光束的光斑大小聚焦到纤芯直径的70 - 80%。由于多模光纤的有效面积较大，降低了光纤端面的功率密度，因此，较高的光功率(一般上千瓦的数量级)可以无损伤地耦合到多模光纤中。

所有值针对无终端(裸露)的石英光纤，适用于自由空间耦合到洁净的光纤端面。

这是可以入射到光纤端面且没有损伤风险的大功率密度估算值。用户在高功率下工作前，必须验证系统中光纤元件的性能与可靠性，因其与系统有着紧密的关系。

这是在大多数工作条件下，入射到光纤端面且不会损伤光纤的安全功率密度估算值。

插芯/接头终端相关的损伤机制

有终端接头的光纤要考虑更多的功率适用条件。光纤一般通过环氧树脂粘合到陶瓷或不锈钢插芯中。光通过接头耦合到光纤时，没有进入纤芯并在光纤中传播的光会散射到光纤的外层，再进入插芯中，而环氧树脂用来将光纤固定在插芯中。如果光足够强，就可以熔化环氧树脂，使其气化，并在接头表面留下残渣。这样，光纤端面就出现了局部吸收点，造成耦合效率降低，散射增加，进而出现损伤。

与环氧树脂相关的损伤取决于波长，出于以下几个原因。一般而言，短波长的光比长波长的光散射更强。由于短波长单模光纤的MFD较小，且产生更多的散射光，则耦合时的偏移也更大。

为了大程度地减小熔化环氧树脂的风险，可以在光纤端面附近的光纤与插芯之间构建无环氧树脂的气隙光纤接头。我们的高功率多模光纤跳线就使用了这种设计特点的接头。

曲线图展现了带终端的单模石英光纤的大概功率适用水平。每条线展示了考虑具体损伤机制估算的功率水平。大功率适用性受到所有相关损伤机制的低功率水平限制(由实线表示)。

确定具有多种损伤机制的功率适用性

光纤跳线或组件可能受到多种途径的损伤(比如，光纤跳线)，而光纤适用的大功率始终受到与该光纤组件相关的低损伤阈值的限制。

例如，右边曲线图展现了由于光纤端面损伤和光学接头造成的损伤而导致单模光纤跳线功率适用性受到限制的估算值。有终端的光纤在给定波长下适用的总功率受到在任一给定波长下，两种限制之中的较小值限制(由实线表示)。在488 nm左右工作的单模光纤主要受到光纤端面损伤的限制(蓝色实线)，而在1550
nm下工作的光纤受到接头造成的损伤的限制(红色实线)。

对于多模光纤，有效模场由纤芯直径确定，一般要远大于SM光纤的有效模场。因此，其光纤端面上的功率密度更低，较高的光功率(一般上千瓦的数量级)可以无损伤地耦合到光纤中(图中未显示)。而插芯/接头终端的损伤限制保持不变，这样，多模光纤的大适用功率就会受到插芯和接头终端的限制。

请注意，曲线上的值只是在合理的操作和对准步骤几乎不可能造成损伤的情况下粗略估算的功率水平值。值得注意的是，光纤经常在超过上述功率水平的条件下使用。不过，这样的应用一般需要专业用户，并在使用之前以较低的功率进行测试，尽量降低损伤风险。但即使如此，如果在较高的功率水平下使用，则这些光纤元件应该被看作实验室消耗品。

光纤内的损伤阈值

除了空气玻璃界面的损伤机制外，光纤本身的损伤机制也会限制光纤使用的功率水平。这些限制会影响所有的光纤组件，因为它们存在于光纤本身。光纤内的两种损伤包括弯曲损耗和光暗化损伤。

弯曲损耗

光在纤芯内传播入射到纤芯包层界面的角度大于临界角会使其无法全反射，光在某个区域就会射出光纤，这时候就会产生弯曲损耗。射出光纤的光一般功率密度较高，会烧坏光纤涂覆层和周围的松套管。

有一种叫做双包层的特种光纤，允许光纤包层(第二层)也和纤芯一样用作波导，从而降低弯折损伤的风险。通过使包层/涂覆层界面的临界角高于纤芯/包层界面的临界角，射出纤芯的光就会被限制在包层内。这些光会在几厘米或者几米的距离而不是光纤内的某个局部点漏出，从而大限度地降低损伤。Thorlabs生产并销售0.22 NA双包层多模光纤，它们能将适用功率提升百万瓦的范围。

光暗化

光纤内的第二种损伤机制称为光暗化或负感现象，一般发生在紫外或短波长可见光，尤其是掺锗纤芯的光纤。在这些波长下工作的光纤随着曝光时间增加，衰减也会增加。引起光暗化的原因大部分未可知，但可以采取一些列措施来缓解。例如，研究发现，羟基离子(OH)含量非常低的光纤可以抵抗光暗化，其它掺杂物比如氟，也能减少光暗化。

即使采取了上述措施，所有光纤在用于紫外光或短波长光时还是会有光暗化产生，因此用于这些波长下的光纤应该被看成消耗品。

制备和处理光纤

通用清洁和操作指南

建议将这些通用清洁和操作指南用于所有的光纤产品。而对于具体的产品，用户还是应该根据辅助文献或手册中给出的具体指南操作。只有遵守了所有恰当的清洁和操作步骤，损伤阈值的计算才会适用。

安装或集成光纤(有终端的光纤或裸纤)前应该关掉所有光源，以避免聚焦的光束入射在接头或光纤的脆弱部分而造成损伤。

光纤适用的功率直接与光纤/接头端面的质量相关。将光纤连接到光学系统前，一定要检查光纤的末端。端面应该是干净的，没有污垢和其它可能导致耦合光散射的污染物。另外，如果是裸纤，使用前应该剪切，用户应该检查光纤末端，确保切面质量良好。

如果将光纤熔接到光学系统，用户先应该在低功率下验证熔接的质量良好，然后在高功率下使用。熔接质量差，会增加光在熔接界面的散射，从而成为光纤损伤的来源。

对准系统和优化耦合时，用户应该使用低功率；这样可以大程度地减少光纤其他部分(非纤芯)的曝光。如果高功率光束聚焦在包层、涂覆层或接头，有可能产生散射光造成的损伤。

高功率下使用光纤的注意事项

一般而言，光纤和光纤元件应该要在安全功率水平限制之内工作，但在理想的条件下(佳的光学对准和非常干净的光纤端面)，光纤元件适用的功率可能会增大。用户先必须在他们的系统内验证光纤的性能和稳定性，然后再提高输入或输出功率，遵守所有所需的安全和操作指导。以下事项是一些有用的建议，有助于考虑在光纤或组件中增大光学功率。

要防止光纤损伤光耦合进光纤的对准步骤也是重要的。在对准过程中，在取得佳耦合前，光很容易就聚焦到光纤某部位而不是纤芯。如果高功率光束聚焦在包层或光纤其它部位时，会发生散射引起损伤

使用光纤熔接机将光纤组件熔接到系统中，可以增大适用的功率，因为它可以大程度地减少空气/光纤界面损伤的可能性。用户应该遵守所有恰当的指导来制备，并进行高质量的光纤熔接。熔接质量差可能导致散射，或在熔接界面局部形成高热区域，从而损伤光纤。

连接光纤或组件之后，应该在低功率下使用光源测试并对准系统。然后将系统功率缓慢增加到所希望的输出功率，同时周期性地验证所有组件对准良好，耦合效率相对光学耦合功率没有变化。

由于剧烈弯曲光纤造成的弯曲损耗可能使光从受到应力的区域漏出。在高功率下工作时，大量的光从很小的区域(受到应力的区域)逃出，从而在局部形成产生高热量，进而损伤光纤。请在操作过程中不要破坏或突然弯曲光纤，以尽可能地减少弯曲损耗。

用户应该针对给定的应用选择合适的光纤。例如，大模场光纤可以良好地代替标准的单模光纤在高功率应用中使用，因为前者可以提供更佳的光束质量，更大的MFD，且可以降低空气/光纤界面的功率密度。

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，因为这些应用与高空间功率密度相关。