短波紅外相機(jī)在激光領(lǐng)域的應(yīng)用探索

  光纖激光器簡(jiǎn)介

  自從 1960美國(guó)科學(xué)家梅曼完成了第一臺(tái)激光器——紅寶石激光器，不同的激光器如雨后春筍開(kāi)始發(fā)展了起來(lái)。與傳統(tǒng)的固體激光器相比較，光纖因具有較大的體積面積比，從而具有優(yōu)良的散熱性能。光纖激光器也因其結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量好，單色性好、穩(wěn)定性高等顯著優(yōu)勢(shì)，在汽車制造、材料清洗、精細(xì)加工，以及激光武器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

  光纖激光器通常采用線性諧振腔結(jié)構(gòu)，主要由一對(duì)光纖光柵、增益介質(zhì)和泵浦源組成，如下圖所示。

典型光纖激光器光學(xué)系統(tǒng)

  光纖光柵是對(duì)特定激光波長(zhǎng)具有一定反射率的光纖器件，在線性諧振腔中起到腔鏡作用，對(duì)激光進(jìn)行模式選擇，使諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的激光振蕩。常規(guī)光纖通常由內(nèi)到外包含纖芯、包層和涂覆層。

典型的光纖結(jié)構(gòu)

  增益介質(zhì)為稀土摻雜光纖，泵浦光耦合到稀土離子摻雜的光纖時(shí)，稀土離子會(huì)吸收泵浦光，光子向激發(fā)態(tài)躍遷，摻雜光纖在其中起到光放大的作用。光纖中常見(jiàn)的摻雜離子有鉺、鐿、釹、銩、鈥、釤等。

  泵浦源通常選擇半導(dǎo)體激光器，源通過(guò)泵浦耦合技術(shù)將半導(dǎo)體激光器中的激光通過(guò)耦合器耦合入雙包層光纖的內(nèi)包層中。

  光纖激光器的熔接點(diǎn)

  光纖激光器的泵浦總的來(lái)講分為端面泵浦技術(shù)和側(cè)面泵浦技術(shù)。下圖為典型的側(cè)面泵浦光纖激光器結(jié)構(gòu)。畫(huà)叉處為連接光纖激光器三部分的五個(gè)熔接點(diǎn)，不同位置熔接點(diǎn)導(dǎo)光特性不同。

側(cè)面泵浦光纖激光器結(jié)構(gòu)圖

  高功率光纖激光器的熔接一般為雙包層光纖的熔接。光纖熔接點(diǎn)未二次涂覆前如下圖所示。其主要由前涂覆層切口，后涂覆層切口，熔接點(diǎn)三部分組成。涂覆層材料一般為摻氟丙烯酸酯等紫外光固化材料。這類材料一般具有較低的熔點(diǎn)（通常在 130℃左右）。光纖熔接時(shí)溫度約 1700℃，因此光纖熔接前需要?jiǎng)兂扛矊印?

高功率光纖激光器熔接點(diǎn)

  光纖熔接及檢測(cè)過(guò)程

  光纖的熔接點(diǎn)的作用是將一根光纖中的電磁波傳遞到另一根光纖中。然而，同一個(gè)熔接點(diǎn)可能同時(shí)存在包層導(dǎo)光和纖芯導(dǎo)光，不同位置的熔接點(diǎn)的纖芯和包層能量比例不相同。導(dǎo)致光波模式變化的原因主要是折射率輪廓的變化和光纖熔接面折射率突變。不同的導(dǎo)光作用的熔接點(diǎn)損耗的機(jī)理不盡相同。如下圖，光在光纖熔接點(diǎn)處有三種傳播方式。

  ①入射光由于熔接點(diǎn)邊界條件的突變轉(zhuǎn)變?yōu)樯⑸涔馍⑸涑龉饫w。

  ②入射光由于熔接點(diǎn)邊界條件變化轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌唠A模式的光波。

  ③入射光由于截面折射率突變反射回前光纖中。

光纖熔接點(diǎn)光波變化

  由于散射光在光纖涂覆層之間反射吸收。當(dāng)激光器傳輸功率較高時(shí)，涂覆層吸收的光能量會(huì)聚集在熔接點(diǎn)附近。又因?yàn)楣饫w橫截面積非常小，因此微小的光散射很容易造成光纖熔接點(diǎn)局部的高溫，從而影響激光器壽命和激光器輸出功率的穩(wěn)定。

  光纖熔接過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。一般情況下，光纖熔接可以被分解為一系列基本程序。光纖熔接的步驟主要包括六個(gè)：剝除涂覆層，清潔光纖，切割光纖，對(duì)齊光纖、熔接光纖、涂覆光纖。在每一個(gè)步驟中都可能存在對(duì)光纖的損毀，例如，剝除涂覆層時(shí)，常見(jiàn)的是鉗口和光纖包層的接觸造成的損傷，其次是整個(gè)剝除段上的包層劃傷。良好的剝除效果能有效避免高功率激光器等應(yīng)用中發(fā)生漏光和燒光纖的情況；清潔時(shí)也有可能因?yàn)榱Χ冗^(guò)大導(dǎo)致碎屑劃傷光纖，產(chǎn)生裂紋。

光纖熔接步驟

  下圖為光纖熔接點(diǎn)在紅外熱相儀測(cè)試下光纖熔點(diǎn)的溫度分布情況。對(duì)于光纖切口漏光主要有很多原因，可能是涂覆層傳導(dǎo)的光切口處散射出去；也可能是包層模場(chǎng)能量在邊界條件變化時(shí)（由涂覆層變?yōu)榭諝猓┮徊糠止庑孤冻鰜?lái)。

高功率光纖激光器熔接點(diǎn)溫度分布圖

  下圖是紅外相機(jī)下的光纖激光器。從圖中可以看出光纖激光器每一部分都有輻射模式射出光纖，而且彎曲的位置更加明亮。關(guān)鍵位置的熔接點(diǎn)（泵浦進(jìn)摻雜光纖的熔接點(diǎn)）熔接質(zhì)量影響激光器的輸出功率、整體溫度和使用壽命。

紅外相機(jī)下的光纖激光器

  是否漏光直接決定激光器光纖的品質(zhì)和使用壽命。在使用過(guò)程中如能用短波紅外相機(jī)檢測(cè)整段光纖，尤其是光纖熔接點(diǎn)處。可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏光處，盡早做好防護(hù)，避免光纖損毀。

  短波紅外相機(jī)在激光領(lǐng)域的拓展應(yīng)用

  ①光纖斷點(diǎn)、銳彎?rùn)z測(cè)

  光纖是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵介質(zhì)，其可靠性直接決定著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。光纖斷裂會(huì)導(dǎo)致信號(hào)中斷，影響通信質(zhì)量。因此，在光纖通信和光纖激光器生產(chǎn)制造過(guò)程中，對(duì)光纖進(jìn)行及時(shí)全面的檢測(cè)至關(guān)重要。利用短波紅外相機(jī)可以有效且直觀地觀察光纖斷點(diǎn)問(wèn)題，并準(zhǔn)確確定故障位置，有助于確保光纖系統(tǒng)的整體性能與質(zhì)量。此外，由于短波紅外成像原理更接近可見(jiàn)光，在成像分辨率和細(xì)節(jié)方面具備顯著優(yōu)勢(shì)。

左圖可見(jiàn)光成像；右圖短波紅外相機(jī)成像

  ②顯微成像檢測(cè)

  紅外相機(jī)配合紅外顯微鏡頭，可以對(duì)光纖熔接點(diǎn)進(jìn)行顯微成像。如下圖所示，上排為可見(jiàn)光成像、下排是顯微紅外成像；左、中、右分別對(duì)應(yīng)剝除器、光纖剝線鉗和刀片三種不同剝除方法。圖中發(fā)亮的位置表示有光散射出來(lái)，顯而易見(jiàn)，錐形結(jié)構(gòu)（a）有較大的漏光面積，而且涂覆層較薄時(shí)，模場(chǎng)不穩(wěn)定容易導(dǎo)致包層光泄漏。光纖剝線鉗剝除（b）會(huì)造成切口處褶皺，涂覆層斷裂。這種結(jié)構(gòu)會(huì)引起涂覆層光波在切口處小空間內(nèi)多次反射。刀片切口（c）整齊沒(méi)有褶皺，刀片漏光面積最小。可見(jiàn)，紅外顯微系統(tǒng)在觀察剝除口的漏光情況、分析漏光原因以及對(duì)比不同剝除方法方面起到了不可或缺的輔助作用。同時(shí)，在半導(dǎo)體檢測(cè)、生命科學(xué)等領(lǐng)域，紅外顯微技術(shù)也應(yīng)用廣泛，拓寬我們的視界。

不同剝除方法a)藤倉(cāng)涂覆剝除器b)光纖剝除鉗c)刀片

  ③激光光束質(zhì)量分析

  高效準(zhǔn)確的測(cè)量與分析是充分利用激光的前提。相機(jī)式光斑分析儀以短波紅外相機(jī)為核心器件，能夠?qū)崟r(shí)顯示光束形狀、大小和光斑能量分布的2D和3D圖像。通過(guò)結(jié)合M2測(cè)試模塊，還可以進(jìn)行激光傳播質(zhì)量檢測(cè)，測(cè)量M2、發(fā)散角、束腰位置和束腰直徑等光束質(zhì)量特性參數(shù)。該技術(shù)在激光加工、增材制造、半導(dǎo)體、生命科學(xué)和通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在400-1700nm寬光譜范圍內(nèi)展現(xiàn)出其卓越之處。

  本文提供了短波紅外相機(jī)在激光領(lǐng)域中應(yīng)用的一點(diǎn)思路和可能性。

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