产品介绍

Thorlabs多模光纤旋转接头跳线

Thorlabs多模光纤旋转接头跳线特性

铰接式旋转接头可以防止扭转时对光纤的损坏

Ø200微米或400微米纤芯的多模光纤

可选SMA905或FC/PC(2.0 mm窄键)接头

可定制跳线

转动极其平滑

SM05螺纹(0.535"-40)旋转接头用于固定安装

Thorlabs的多模(MM)光纤旋转接头跳线是任何需要旋转一个光纤接头的实验的整体式解决方案。内置的旋转接头允许连接在旋转节上的光缆自由转动，而保持其它光缆不动，从而降低实验中发生损伤的危险。相比将旋转接头和跳线分离的方案，无透镜设计使插入损耗更低，旋转透射变化更小。

这种旋转接头经过精密加工，并带有密封轴承，可以进行极其平滑的转动，具有很长的使用寿命以及在转动时的低信号强度振动特性。该旋转接头具有SM05(0.535英寸-40)安装螺纹，可以兼容我们的Ø1/2英寸光学元件安装座。使用我们的C059TC夹具，通过卡入式安装这些跳线，可以快速安装连接器Ø0.59英寸的主体。

这些跳线采用FT200EMT型Ø200 µm纤芯或FT400EMT型Ø400 µm纤芯、数值孔径0.39的光纤。有一种1米长光纤，它的旋转接头两侧有标准的FT020橙色套管，光纤端是一个FC/PC或SMA接头。每一根旋转接头跳线包括两个保护盖，用于防止灰尘和其它有害物质落入插芯端。额外的用于SMA接头的CAPM橡胶或CAPMM金属盖，以及用在FC/PC接头的CAPF塑料或CAPFM金属盖也可单独购买。相比未端接的光纤，这些跳线的大功率因连接而受到限制。详细信息请查看损伤阈值标签。

光遗传学我们也供应用于光遗传学的旋转接头跳线。它们用在该领域是因为它们对运动样品提供便利。这些跳线不同之处是它们带低剖面金属头的更轻的黑色插芯，在旋转接头的样品一侧插入针头连接。它们为连接光源和移植的光针头提供完整方案，并且兼容Thorlabs所有光源和光遗传学设备。Thorlabs供应用于活体刺激的齐全的光遗传学设备，包括：用于光遗传学的可移植光纤针头、光纤跳线和旋转接头跳线以及LED和激光光源。

旋转接头上的SM05外螺纹兼容我们的SM05螺纹元件安装座，比如这里的LMR05透镜安装座。

旋转接头在两个光纤的金属套管紧邻处采用尾部耦合设计减少插入损耗

定制旋转接头跳线

旋转接头跳线的光纤引线为性连接到旋转接头上，以保证更高的性能，并且提供整体式的光纤光学元件解决方案。为了和更广范围的实验装置，我们还提供定制具有不同纤芯和NA的光纤的旋转接头跳线。我们还可以制造不同接头或者不同长度光纤的跳线。为了能够达到佳性能，我们建议纤芯直径为200微米或更大的光纤。联系技术支持订购定制的旋转接头跳线。

规格

a.     与用于Ø2 mm套管的190088CP消应力套管连接。

b.     与用于Ø2 mm套管的190066CP消应力套管连接。

c.     仅针对旋转接头部分中的轴承所测的数据。

光纤规格

多模光纤教程

在光纤中引导光

光纤属于光波导，光波导是一种更为广泛的光学元件，可以利用全内反射(TIR)在固体或液体结构中限制并引导光。光纤通常可以在众多应用中使用；常见的例子包括通信、光谱学、照明和传感器。比较常见的玻璃(石英)纤维使用一种称之为阶跃折射率光纤的结构，如右图所示。这种光纤的纤芯由一种折射率比外面包层高的材料构成。在光纤中以临界角入射时，光会在纤芯/包层界面产生全反射，而不会折射到周围的介质中。为了达到TIR的条件，发射到光纤中入射光的角度必须小于某个角度，即接收角，θ_acc。根据斯涅耳定律可以计算出这个角：

其中，n_core为纤芯的折射率，n_clad为光纤包层的折射率，n为外部介质的折射率，θ_crit为临界角，θ_acc为光纤的接收半角。数值孔径(NA)是一个无量纲量，由光纤制造商用来确定光纤的接收角，表示为：

对于芯径(多模)较大的阶跃折射率光纤，使用这个等式可以直接计算出NA。NA也可以由实验确定，通过追踪远场光束分布并测量光束中心与光强为大光强5%的点之间的角度即可；但是，直接计算NA得出的值更为准确。

光纤的全内反射

光纤中的模式数量

光在光纤中传播的每种可能路径即为光纤的导模。根据纤芯/包层区域的尺寸、折射率和波长，单光纤内可支持从一种到数千种模式。而其中常使用两种为单模(支持单导模)和多模(支持多种导模)。在多模光纤中，低阶模倾向于在空间上将光限制在纤芯内；而高阶模倾向于在空间上将光限制在纤芯/包层界面的附近。

使用一些简单的计算就可以估算出光纤支持的模(单模或多模)的数量。归一化频率，也就是常说的V值，是一个无量纲的数，与自由空间频率成比例，但被归为光纤的引导属性。V值表示为：

其中V为归一化频率(V值)，a为纤芯半径，λ为自由空间波长。多模光纤的V值非常大；例如，芯径为Ø50 µm、数值孔径为0.39的多模光纤，在波长为1.5 µm时，V值为40.8。

对于具有较大V值的多模光纤，可以使用下式近似计算其支持的模式数量：

上面例子中，芯径为Ø50 µm、NA为0.39的多模光纤支持大约832种不同的导模，这些模可以同时穿过光纤。

单模光纤V值必须小于截止频率2.405，这表示在这个时候，光只耦合到光纤的基模中。为了满足这个条件，单模光纤的纤芯尺寸和NA要远小于同波长下的多模光纤。例如SMF-28超单模光纤的标称NA为0.14，芯径为Ø8.2 µm，在波长为1550nm时，V值为2.404。

衰减来源

光纤损耗，也称之为衰减，是光纤的特性，可以通过量化来预测光纤装置内的总透射功率损耗。这些损耗来源一般与波长相关，因光纤的使用材料或光纤的弯曲等而有所差异。常见衰减来源的详情如下：

吸收

标准光纤中的光通过固体材料引导，因此，光在光纤中传播会因吸收而产生损耗。标准光纤使用熔融石英制造，经优化可在波长1300 nm-1550 nm的范围内传播。波长更长(>2000nm)时，熔融石英内的多声子相互作用造成大量吸收。使用氟化锆、氟化铟等氟氧物玻璃制造中红外光纤，主要是因为它们处于这些波长范围时损耗较低。氟化锆、氟化铟的多声子边分别为~3.6 µm和~4.6 µm。

光纤内的污染物也会造成吸收损耗。其中一种污染物就是困在玻璃纤维中的水分子，可以吸收波长在1300 nm和2.94 µm的光。由于通信信号和某些激光器也是在这个区域里工作，光纤中的任意水分子都会明显地衰减信号。

玻璃纤维中离子的浓度通常由制造商控制，以便调节光纤的传播/衰减属性。例如，石英中本来就存在羟基(OH-)，可以吸收近红外到红外光谱的光。因此，羟基浓度较低的光纤更适合在通信波长下传播。而羟基浓度较高的光纤在紫外波长范围时有助于传播，因此，更适合对荧光或UV-VIS光谱学等应用感兴趣的用户。

散射

对于大多数光纤应用来说，光散射也是损耗的来源，通常在光遇到介质的折射率发生变化时产生。这些变化可以是由杂质、微粒或气泡引起的外在变化；也可以是由玻璃密度的波动、成分或相位态引起的内在变化。散射与光的波长呈负相关关系，因此，在光谱中的紫外或蓝光区域等波长较短时，散射损耗会比较大。使用恰当的光纤清洁、操作和存储存步骤可以尽可能地减少光纤*的杂质，避免产生较大的散射损耗。

弯曲损耗

因光纤的外部和内部几何发生变化而产生的损耗称之为弯曲损耗。通常包含两大类：宏弯损耗和微弯损耗。

宏弯损耗造成的衰减

微弯损耗造成的衰减

宏弯损耗一般与光纤的物理弯曲相关；例如，将其卷成圈。如右图所示，引导的光在空间上分布在光纤的纤芯和包层区域。以某半径弯曲光纤时，在弯曲外半径的光不能在不超过光速时维持相同的空间模分布。相反，由于辐射能量会损耗到周边环境中。弯曲半径较大时，与弯曲相关的损耗会比较小；但弯曲半径小于光纤的推荐弯曲半径时，弯曲损耗会非常大。光纤可以在弯曲半径较小时进行短时间工作；但如果要长期储存，弯曲半径应该大于推荐值。使用恰当的储存条件(温度和弯曲半径)可以降低对光纤造成性损伤的几率；FSR1光纤缠绕盘设计用来大程度地减少高弯曲损耗。

微弯损耗由光纤的内部几何，尤其是纤芯和包层发生变化而产生。光纤结构中的这些随机变化(即凸起)会破坏全内反射所需的条件，使得传播的光耦合到非传播模中，造成泄露(详情请看右图)。与由弯曲半径控制的宏弯损耗不同，微弯损耗是由制造光纤时在光纤内造成的性缺陷而产生。

包层模

虽然多模光纤中的大多数光通过纤芯内的TIR引导，但是由于TIR发生在包层与涂覆层/保护层的界面，在纤芯和包层内引导光的高阶模也可能存在。这样就产生了我们所熟知的包层模。这样的例子可在右边的光束分布测量中看到，其中体现了包层模包层中的光强比纤芯中要高。这些模可以不传播(即它们不满足TIR的条件)，也可以在一段很长的光纤中传播。由于包层模一般为高阶模，在光纤弯曲和出现微弯缺陷时，它们就是损耗的来源。通过接头连接两个光纤时包层模会消失，因为它们不能在光纤之间轻松耦合。

由于包层模对光束空间轮廓的影响，有些应用(比如发射到自由空间中)中可能不需要包层模。光纤较长时，这些模会自然衰减。对于长度小于10 m的光纤，消除包层模的一种办法就是将光纤缠绕在半径合适的芯轴上，这样能保留需要的传播模式。

在FT200EMT多模光纤与M565F1 LED的光束轮廓中，展现了包层而不是纤芯引导的光。

入纤方式

多模光纤未充满条件

对于在NA较大时接收光的多模光纤来说，光耦合到光纤的的条件(光源类型、光束直径、NA)对性能有着极大影响。在耦合界面，光的光束直径和NA小于光纤的芯径和NA时，就出现了未充满的入纤条件。这种情况的常见例子就是将激光光源发射到较大的多模光纤。从下面的图和光束轮廓测量可以看出，未充满时会使光在空间上集中到光纤的中心，优先充满低阶模，而非高阶模。因此，它们对宏弯损耗不太敏感，也没有包层模。这种条件下，所测的插入损耗也会小于典型值，光纤纤芯处有着较高的功率密度。

展示未充满条件的图(左边)和使用FT200EMT多模光纤进行的光束轮廓测量(右边)。

多模光纤过满条件

在耦合界面，光束直径和NA大于光纤的芯径和NA时就出现了过满的情况。实现这种条件的一个方法就是将LED光源的光发射到较小的多模光纤中。过满时会将整个纤芯和部分包层裸露在光中，均匀充满低阶模和高阶模(请看下图)，增加耦合到光纤包层模的可能性。高阶模比例的增加意味着过满光纤对弯曲损耗会更为敏感。在这种条件下，所测的插入损耗会大于典型值，与未充满光纤条件相比，会产生较高的总输出功率。

展示过满条件的图(左边)和使用FT200EMT多模光纤进行的光束轮廓测量(右边)。

多模光纤未充满或过满条件各有优劣，这取决于特定应用的要求。如需测量多模光纤的基准性能，Thorlabs建议使用光束直径为光纤芯径70-80%的入纤条件。过满条件在短距离时输出功率更大；而长距离(>10 - 20 m)时，对衰减较为敏感的高阶模会消失。

损伤阀值

激光诱导的光纤损伤

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。

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。

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。

旋转接头跳线，Ø200微米光纤

a.    与用于Ø2 mm套管的190088CP消应力套管连接。

b.    与用于Ø2 mm套管的190066CP消应力套管连接。

旋转接头跳线，Ø400微米光纤

与用于Ø2 mm套管的190088CP消应力套管连接。

与用于Ø2 mm套管的190066CP消应力套管连接。

损伤的光纤端面