Thorlabs多模光纤，方形纤芯
- 产品型号：
- 更新时间：2023-12-19
- 产品介绍：Thorlabs多模光纤，方形纤芯的数值孔径为0.39，它具有150µm x 150 µm的方形石英纤芯，这点与大多数具有圆形纤芯的阶跃折射率光纤不同。该纤芯由Ø225 µm圆形聚合物包层包围，且涂覆有乙烯-四氟乙烯共聚物（Tefzel）缓冲层。它的波长范围为400 - 2200nm；请看下方的衰减曲线图，完整规格请看规格标签。
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产品介绍
| 品牌 | Thorlabs | 价格区间 | 面议 |
|---|---|---|---|
| 组件类别 | 光学元件 | 应用领域 | 电子 |
Thorlabs多模光纤，方形纤芯
Thorlabs多模光纤，方形纤芯特性
阶跃折射率多模光纤，方形纤芯，数值孔径0.39
纯石英纤芯尺寸150 µm x 150 µm
硬聚合物包层Ø225 µm
波长范围400 - 2200 nm，低羟基
非常适合成像和光谱学应用
使用T12S21光纤剥除工具剥离涂覆层
FP150QMT多模光纤的数值孔径为0.39，它具有150µm x 150 µm的方形石英纤芯，这点与大多数具有圆形纤芯的阶跃折射率光纤不同。该纤芯由Ø225 µm圆形聚合物包层包围，且涂覆有乙烯-四氟乙烯共聚物(Tefzel)缓冲层。它的波长范围为400 - 2200nm；请看下方的衰减曲线图，完整规格请看规格标签。
纤芯的方形有助于光纤中的模式混合，从而产生均匀的空间分布、正方形的光束形状以及平顶光束轮廓(在输出端)。为了在远场距离保持方形的光束，需要使用准直器对纤芯成像(请看右图)。鲜明的方形光束非常适合成像应用，比如在矩形CCD探测器上成像。该光束轮廓的形状还可以改善激光二极管或LED的耦合，因为它们具有矩形发射面。对于天文光谱学应用，方形纤芯的光纤还能减少焦比衰退(FRD)，并改善扰模增益(更多信息，请看应用标签)。
库存有使用该光纤的光纤跳线，包含多种配置(详情请看表格)。我们也可以定制不同的长度或接头配置，详情请联系技术支持。
使用FP150QMT的光纤跳线(左图)与M29L02纤芯Ø200 µm的光纤跳线(右图)的准直输出比较。M625F2光纤耦合LED用作光源。
利用透镜扩束测量的平顶光束轮廓
Stock Patch Cables Available with this Fibera | |||
Item # | Fiber Used | Description | Length |
M97L02 | FP150QMT | SMA Connectors | 2 m |
M101L02 | FC/PC Connectors | 2 m | |
M102L05 | SMA Connectors | 5 m | |
M103L05 | FC/PC Connectors | 5 m | |
规格
Item # | WavelengthRange | HydroxylContent | Core Size | CladdingDiameter | CoatingDiameter | Core / Cladding | Coating | Stripping Tool | Proof Test |
FP150QMT | 400 - 2200 nm | Low OH | 150 ± 10 µm x 150 ± 10 µm | 225 ± 5 µm | 500 ± 30 µm | Pure Silica /Hard Polymer | Tefzel | T12S21 | ≥50 kpsi |
Item # | NA | Core Index @ 589.3 nm | Cladding Index @ 589.3 nm | Attenuation (Click for Plot) | Core Offset | Bend Radius | Operating Temperature Short Term | |
Short Term | Long Term | |||||||
FP150QMT | 0.39 | 1.458965 | 1.3651 | 20 dB/km @ 803 nm (Max) | 6 µm (Max) | 20 mm | 40 mm | -40 to 150 °C |
应用
方形纤芯的光纤适合多种应用，包括：天文学、激光加工、皮肤病学设备和生物医学成像。下面的例子展现了这些光纤相对于传统圆形纤芯光纤而具有的*优势。
平坦的光束轮廓
方形纤芯的光纤具有一个明显的特点，那就是它在纤芯区域产生的是强度均匀的光束，而不是圆形纤芯的光纤通常产生的高斯光束轮廓。这是因为，纤芯的方形有助于光在光纤中传播时实现模式混合，从而使输出光束的空间模式均匀分布。
方形纤芯的光纤非常适合激光加工应用，无需光束整形光学元件或掩模，就可以形成尖角或进行边缘切割；这种光纤也适合成像应用，方形光束轮廓可以更好地适应矩形CCD阵列的形状。请注意，光束一旦离开光纤，光束形状就无法保持，因此，需要准直器对纤芯成像，以保持光束在自由空间中的形状。
使用透镜扩展由530 nm LED光源从单模光纤发射到测试光纤的光束，并测量光束轮廓。
天文应用
对恒星和天文光谱学感兴趣的客户，这种方形纤芯的光纤还有几种优于圆形纤芯光纤的特点。
焦比衰退(FRD)少多模光纤跳线适用于天文应用，尤其常用于建立多天体分光(MOS)系统，可以在望远镜的视场内同时观察多个天体的光谱。光纤的小视场只能捕捉目标天体发出的光，周围天体产生的噪声很小。由于微弯曲以及安装接头时终端对光纤产生的应力，光纤输出端的焦比(也就是f/#)会低于输入端，而光束角度在输出端会变大。这种现象也就是所谓的焦比衰退(FRD)，输出光束角度变宽，会导致光谱分辨率降低，在探测器上的采光量减少。FRD通过输入f/#与输出f/#的比值来计算。
Thorlabs方形纤芯的光纤可以大程度地减少终端应力和焦比衰退。为了证明这点，我们测试了三种光纤，其终端由低应力环氧树脂粘合，并在40 °C下经过4小时固化。如右图所示，与FT200EMT(Ø200 µm纤芯)和FT300EMT(Ø300 µm 纤芯)光纤相比，使用FP150QMT方形纤芯光纤的跳线焦比衰退更低(即，输入端与输出端的焦比差异更小)
在530 nm处的FRD测量FP150QMT：150 µm x 150 µm方形纤芯FT200EMT：Ø200 µm圆形纤芯FT300EMT：Ø300 µm圆形纤芯
扰模增益
恒星光谱学中也使用多模光纤。观察到的恒星的细微运动会导致所测光谱的变化，这是一种测量噪声的来源。加强扰模可以降低光纤对这些波动的灵敏度。"扰模增益"可以量化光纤对这些扰动的灵敏度，被定义为光纤输入端点光源的位移与光纤输出端所测光束位移的比值。扰模增益值越高，表示点光源波动对光纤输出的影响越小。
有好几种方法可以改善光纤中的扰模增益。一般而言，使用较长的光纤可以提高扰模增益，但是，光纤的总透射率也会降低。而方形纤芯的光纤改善扰模增益不需要使用较长的光纤。如左表所示，使用方形纤芯的Thorlabs光纤跳线的扰模增益高于类似圆形纤芯的光纤跳线。
Scrambling Gain for Different Fiber Typesa | |||
Fiber Length | Fiber Type | Core | Scrambling Gain |
2m | FT200EMT | Circular | 42 |
FP150QMT | Square | 121 | |
5m | FT200EMT | Circular | 235 |
FP150QMT | Square | 465 | |
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。
Estimated Optical Power Densities on Air / Glass Interfacea | ||
Type | Theoretical Damage Thresholdb | Practical Safe Levelc |
CW(Average Power) | ~1 MW/cm2 | ~250 kW/cm2 |
10 ns Pulsed(Peak Power) | ~5 GW/cm2 | ~1 GW/cm2 |
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。
多模光纤选择指南
Thorlabs提供的多模裸光纤具有石英、氟化锆(ZrF4)或氟化铟(InF3)纤芯。下表详述了Thorlabs的所有多模裸光纤。点击右边栏中的曲线图标可以查看衰减曲线图。
Index Profile | NA | Fiber Type | Item # | Core Size | Wavelength Range | Attenuation |
Step Index | 0.100 | Fluorine-Doped Cladding, Enhanced Coating View These Fibers | FG010LDA | Ø10 µm | 400 to 550 nm and 700 to 1000 nm |
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FG025LJA | Ø25 µm | 400 to 550 nm and 700 to 1400 nm | ||||
FG105LVA | Ø105 µm | 400 to 2100 nm | ||||
0.22 | Glass-Clad Slilca Multimode Fiber View These Fibers | FG050UGA | Ø50 µm | 250 to 1200 nm (High OH) |
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FG105UCA | Ø105 µm | |||||
FG200UEA | Ø200 µm | |||||
FG050LGA | Ø50 µm | 400 to 2400 nm (Low OH) | ||||
FG105LCA | Ø105 µm | |||||
FG200LEA | Ø200 µm | |||||
High Power Double TECS / Silica Cladding Multimode Fiber View These Fibers | FG200UCC | Ø200 µm | 250 to 1200 nm (High OH) |
| ||
FG273UEC | Ø273 µm | |||||
FG365UEC | Ø365 µm | |||||
FG550UEC | Ø550 µm | |||||
FG910UEC | Ø910 µm | |||||
FG200LCC | Ø200 µm | 400 to 2200 nm (Low OH) | ||||
FG273LEC | Ø273 µm | |||||
FG273LEC | Ø273 µm | |||||
FG550LEC | Ø550 µm | |||||
FG910LEC | Ø910 µm | |||||
Solarization-Resistant Multimode Fiber for UV Use View These Fibers | FG10CA | Ø105 µm | 180 to 1200 nm Acrylate Coating for Ease of Handling |
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FG200AEA | Ø200 µm | |||||
FG300AEA | Ø300 µm | |||||
FG400AEA | Ø400 µm | |||||
FG600AEA | Ø600 µm | |||||
UM22-100 | Ø100 µm | 180 to 1150 nm Polyimide Coating for Use up to 300 °C | ||||
UM22-200 | Ø200 µm | |||||
UM22-300 | Ø300 µm | |||||
UM22-400 | Ø400 µm | |||||
UM22-600 | Ø600 µm | |||||
0.39 | High Power TECS Cladding Multimode Fiber View These Fibers | FT200UMT | Ø200 µm | 300 to 1200 nm (High OH) |
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FT300UMT | Ø300 µm | |||||
FT400UMT | Ø400 µm | |||||
FT600UMT | Ø600 µm | |||||
FT800UMT | Ø800 µm | |||||
FT1000UMT | Ø1000 µm | |||||
FT1500UMT | Ø1500 µm | |||||
FT200EMT | Ø200 µm | 400 to 2200 nm (Low OH) | ||||
FT300EMT | Ø300 µm | |||||
FT400EMT | Ø400 µm | |||||
FT600EMT | Ø600 µm | |||||
FT800EMT | Ø800 µm | |||||
FT1000EMT | Ø1000 µm | |||||
FT1500EMT | Ø1500 µm | |||||
Square-Core Multimode Fiber | FP150QMT | 150 µm x 150 µm | 400 to 2200 nm |
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0.5 | High NA Multimode Fiber View These Fibers | FP200URT | Ø200 µm | 300 to 1200 nm (High OH) |
| |
FP400URT | Ø400 µm | |||||
FP600URT | Ø600 µm | |||||
FP1000URT | Ø1000 µm | |||||
FP1500URT | Ø1500 µm | |||||
FP200ERT | Ø200 µm | 400 to 2200 nm (Low OH) | ||||
FP400ERT | Ø400 µm | |||||
FP600ERT | Ø600 µm | |||||
FP1000ERT | Ø1000 µm | |||||
FP1500ERT | Ø1500 µm | |||||
0.20 | Mid-IR Fiber with Zirconium Fluoride (ZrF4) Core | Various Sizes Between | 285 nm to 4.5 µm |
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0.20 or 0.26 | Mid-IR Fiber with Indium Fluoride (InF3) Core | Ø50 µm or Ø100 µm | 310 nm to 5.5 µm | |||
Graded Index | 0.2 | Graded-Index Fiber for Low Bend Loss View These Fibers | GIF50C | Ø50 µm | 800 to 1600 nm |
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GIF50E | ||||||
0.275 | GIF625 | Ø62.5 µm | 800 to 1600 nm |
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产品型号 | 公英制通用 |
FP150QMT | 多模光纤，数值孔径0.39，方形纤芯150 µm x 150 µm，低羟基 |
损伤的光纤端面
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