

如何理解光纤激光中的光纤熔丝损伤？

光电汇OESHOW

2021-10-19

导读：物极必“反”

田佳丁^1,2, 肖起榕^1,2 , 李丹^1,2, 张政^1,2, 尹皓玉^1,2, 闫平^1,2, 巩马理^1,2

1清华大学精密仪器系光子测控技术教育部重点实验室

2清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室

光纤承载着现代生活许多至关重要的应用，例如高功率光纤激光器，在精密加工制造以及国防装备领域具有重要应用价值，其技术水平在过去十余年内得到长足的发展进步。光纤还被广泛应用于通信、传感和生物医疗领域，并伴随着持续的功率提升，创造了巨大的经济社会价值。然而，随着功率的不断增长，所有的光纤系统都面临着不容忽视的损伤问题，对于各种损伤的研究也受到了广泛关注。其中典型的、极具破坏力的损伤就是光纤熔丝（fiber fuse）效应。

什么是光纤熔丝？

光纤熔丝是一种连锁损伤效应，它发生于正在传光的光纤中，沿着光传播的反方向快速传播。这种效应由当时正在英国电信研究实验室工作的Kashyap等于1987年7月14日首次观察到，并被称为“灾难性的自推进自聚焦”。随后在1988年，英国南汉普顿大学光纤组的Hand等用了更简短和形象的“光纤熔丝”来称呼这种现象，这一名称后来被广泛使用。2006年，“光纤熔丝”的译名开始被南京邮电大学的沈建华等使用。

光纤熔丝损伤效应一经发现就引起了业界巨大轰动，因为正值激光技术和光纤技术蓬勃发展，而这一损伤效应竟发生在如此低的激光功率下，发生在之前被认为是几乎绝对安全的石英光纤中，这对光纤技术的发展造成了巨大的威胁（例如光纤连接端子中可能自发发生光纤熔丝损伤）。

尤其是近十年来，光纤熔丝损伤引起了激光产业与通信产业甚至量子保密通信领域的高度重视与激烈探讨，在几乎所有类型的光纤中都可以观察到这一现象。因此，越来越多的研究者开始关注并提出了针对部分应用场景可及时发现或阻断光纤熔丝损伤传播的方法。此外，一些研究已经从另一个角度看待光纤熔丝损伤，利用这种可以产生光纤内空洞的破坏性效应，创造出独特的光纤内微腔结构，并演示了多种潜在的传感应用。

光纤熔丝损伤的特性和触发条件

光纤熔丝损伤在几乎所有类型的光纤中都已被观察到。在光纤熔丝损伤的传播特性方面，主要会影响其发光强度、损伤传播速度以及光纤熔丝损伤产生的光纤内空洞以及物质变化。

损伤传播速度随光纤中传输的激光功率增大而增加，虽然增速会逐渐放缓，但在近年来逐渐普及化的千瓦级光纤系统中，每秒可达十余米，对系统安全具有巨大的威胁；熔丝损伤炙热的白色发光光谱包含了许多未能识别的特征，并且目前还缺少对600 nm以下特征光谱的观测数据；熔丝损伤形成的光纤内空洞受到流体不稳定性的支配，可以有丰富的形态，沿光纤方向有时呈现规则的周期性分布，有时则呈现非单一周期的混乱分布等。

在光纤熔丝损伤效应被发现至今的较短时间内，对其传播性质已经有了较为全面的宏观了解。尽管如此，光纤熔丝损伤仍然可称为是“神秘”的。那么，光纤熔丝损伤的触发条件是什么呢？

光纤熔丝损伤对现实应用的威胁，源于其能够在光纤受到外部损伤时发生，甚至是在没有受到外部损伤时自发发生。

温度和功率，是光纤熔丝损伤触发有关的外部条件，如图1。临界温度与临界功率条件之间存在定量数学关系：自发发生需要的临界温度数值随着激光功率（约等于触发瞬间的临界功率）的上升而下降，但下降速度逐渐放缓。通过这一数学关系，揭示了支配熔丝损伤自发发生的关键物理化学过程所需的能量数值，将熔丝损伤的自发发生与石英介质中的化学活动联系起来。但是，对于支配空洞在光纤材料内部从无到有的过程的具体物理机制，仍然有待进一步解答。

图1 光纤熔丝损伤的自发发生触发条件

光纤熔丝损伤的阻断和抑制

光纤熔丝损伤会严重威胁正常工作的光纤激光系统，因而对于潜在的光纤熔丝损伤，其阻断和抑制方法至关重要。

所谓阻断光纤熔丝损伤，是使得已经产生的光纤熔丝损伤停止传播，从而控制损失范围。

而抑制光纤熔丝损伤，则是通过采取措施，在实现同样系统性能的同时，尽量避免光纤熔丝损伤的发生；或者，对于光纤熔丝损伤频发的高功率系统，能够降低光纤熔丝损伤自发发生的概率。

1 阻断光纤熔丝损伤传播的方法

1）通过改造光纤或插入特殊材料来阻断光纤熔丝损伤传播

因为光纤熔丝损伤的传播总是需要大于传播阈值功率的激光能量供应，所以“阻断光纤熔丝损伤的传播”就转化为“及时发现系统中已经发生的光纤熔丝损伤，然后及时切断光纤中的激光供应”。目前提出的通过改造光纤或插入特殊材料来阻断光纤熔丝损伤传播的各种装置，这种阻断策略主要适用于激光功率较低(通常是瓦级)的场景下，如一些允许服务中断的小规模光纤系统，例如单台光纤激光器，或者实验室中的光纤激光系统等。

2）通过改造光纤来阻断光纤熔丝损伤传播

在高功率光纤应用场景下(例如光纤通信网)，切断整体系统激光供应的阻断思路往往不可行。因为改造光纤或插入特殊材料的装置会给系统引入较大的损耗和不可靠性 (甚至意外触发光纤熔丝损伤)，而且由于光纤尺寸有限，传输激光的功率密度无法进一步降低，也难以阻断高功率激光传播导致的光纤熔丝损伤。此时，为了控制单个风险事件的影响范围，另一种思路就是改造光纤本身，使其无法满足光纤熔丝损伤传播条件，从而阻断传播。

更常见的阻断装置是拉锥光纤，通过控制拉制参数，使得足够的光在通过拉细光纤时泄漏到包层中，从而降低光的功率密度，使得光纤熔丝损伤难以继续传播。这种拉细光纤的策略被持续研究至今，效果相当明显，光纤熔丝损伤几乎在功率密度下降到阈值的位置处就立即停止了。除了拉细光纤，使用热扩芯、空心光纤（HAF），或者使用多根模场直径不同的光纤接续在一起，也可以达到类似的降低功率密度从而阻断光纤熔丝损伤传播的效果。

值得注意的是，对于已经发生的光纤熔丝损伤，即使激光功率很低，使用很低的温度（例如液氮气氛）来冷却光纤一般也不能阻断光纤熔丝损伤的传播。因此，对于高功率系统，控制风险的关键应当是及时发现光纤熔丝损伤，从而尽快切断激光供应。

2 抑制光纤熔丝损伤自发发生

迄今，光纤熔丝损伤自发发生的动态微观物理过程，包括多种物理机制相互作用的定量程度以及因果关系尚不明确。尤其是在高功率光纤激光系统中，还无法在尽可能挖掘功率潜力的同时，精确地、绝对地避免光纤熔丝损伤的自发发生。因此，上文所说的“抑制光纤熔丝损伤自发发生”，是指降低光纤熔丝损伤自发发生概率。

如何降低光纤熔丝损伤自发发生概率？一般意义上，通过各种手段降低光纤部件的工作温度，避免局部高温的产生，可以降低光纤熔丝损伤自发发生的概率。

为了降低高功率光纤激光系统的温度，除了采用导热性好的散热媒介、合理的散热结构以及更强的制冷系统外，还应当减少增益光纤的发热。增益光纤的发热主要由激光过程的量子亏损产生：对于一个泵浦光子产生一个信号光子的简单激光过程，减少泵浦光与信号光的波长差，可降低量子亏损，这就是级联泵浦的主要应用优势。

例如，1018 nm高功率光纤激光器就常被用于级联泵浦掺镱光纤激光器，其放大级量子亏损比用传统半导体激光器在976nm附近波长泵浦导致的量子亏损要低50%左右。更重要的是，由1018 nm级联泵浦较低的吸收系数带来的放大级增益光纤延长，最终在放大级增益光纤上产生的温升显著降低。

级联泵浦的应用优势已经被许多过往研究证明。虽然直接将级联泵浦与光纤熔丝损伤联系讨论的报道很少，但是级联泵浦中1018 nm泵浦源不断发展及其不断刷新的光纤激光指标记录已经证明，级联泵浦的确具有抑制光纤熔丝损伤的效果。

为此，清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室课题对级联泵浦对于光纤熔丝损伤的抑制效果进行了长期系统地研究。首先，研究了高性能的1018 nm高功率光纤激光源，实现单纤激光功率达到千瓦以上，亮度达289 MW/(sr·cm²) ；还验证了混合结构激光器以及降低后向反射光的光纤特殊处理方法对于降低放大自发辐射（ASE）的效果；并进一步验证了1018 nm级联泵浦在高功率拉曼激光、随机激光、宽带可调谐高功率窄线宽激光、高功率连续光铒镱共掺光纤激光等方面出色的应用效果，而且大幅降低了实验中光纤熔丝损伤自发发生的概率，对于光纤熔丝损伤的抑制效果明显，光纤激光系统的可靠性和经济性显著提升。

光纤熔丝损伤的应用和发展潜力

1）光纤传感应用

实际上，光纤熔丝损伤在造成重大损失之余，还具有自身独特的应用价值。在光纤熔丝损伤被发现后，Hand等就注意到光纤熔丝损伤可能在制造光纤光栅方面发挥作用。实际上，光纤熔丝损伤作为一种改变光纤内部结构的物理效应，具有独特的发展潜力。

但是，受限于对光纤熔丝损伤的物理研究水平，很难可重复地控制光纤熔丝损伤产生指定的、可直接应用的微结构性质。特别是，光纤熔丝损伤产生的微结构在微加工过程中非常容易变形，这就使得即便能够从熔丝损伤后的光纤中切割、提取出符合需求的微结构，也很难将这微结构无缝整合到其他光纤系统中。这些原因使得目前尚无法用光纤熔丝损伤来产生Hand等预言的光纤光栅等全光纤应用器件。

即使如此，过往研究仍然提出并演示了一些有趣的应用，例如用类似光纤熔丝损伤的物理机制为玻璃钻孔。而更为普遍的应用是将光纤熔丝损伤作为制造光纤传感器的手段。在该应用中，光纤熔丝损伤后的光纤精确切割以及与完整光纤的高质量熔接是实验的难点。

将光纤熔丝损伤产生的光纤内空洞切开并重新缝合的方法，可以获得传统方法中常见的光纤内F-P谐振腔结构，在温度、应力、压力、折射率、湿度等方面实现光纤传感；通过测量遭受光纤熔丝损伤破坏后的塑料光纤的透射功率衰减程度，可以制成应力传感器和曲率角度传感器；利用塑料光纤相对于石英介质光纤而言具有更小的弹性模量，可以实现对更大范围应变的测量。

2）光纤微腔制造工艺的优化及应用潜力

切割并重新熔接的光纤内空洞应用工序较为繁琐，不仅需要在刻意触发光纤熔丝损伤以获取可切割空洞之余产生大量的受损光纤，还面临着实验操作变量难以控制、最终结果可重复性差等问题。实际上，如果能通过光纤熔丝损伤，“一步到位”产生直接可用的光纤内微结构，将会真正地把光纤熔丝损伤应用起来。

Kashyap曾展望利用光纤熔丝损伤产生的光纤内微结构进行高Q因数的谐振，从而制造受激拉曼微型激光器。清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室课题对此进行了深度研究。他们通过研究光纤熔丝损伤的触发定量条件，发现临界温度与临界功率之间存在的数学关系。通过精确控制熔丝损伤的触发条件，实现了无后续传播的光纤熔丝损伤无接触触发启动。通过这种新方式触发的光纤熔丝损伤，一次触发只会在光纤中留下一个微腔，无需进行其他侵入式操作；微腔的位置可以自由排布，微腔尺寸与光纤熔丝损伤的触发条件直接相关，实现了一步到位的微腔制造。

这样的微腔制造方法，因为光纤熔丝损伤产生的微腔具有天然的微泡（micro-bubble）腔形，不仅避开了传统制造微泡腔的工艺复杂和可重复性差等难题，大幅简化了传统的光纤内微腔制造工艺，还大幅提升了制造的可重复性和经济性。特别是，由于光纤中微腔位置完全可控且不影响周围光纤结构，这样极便于实现多个微腔沿光纤内部的特定位置组合集成，这一特性对于需要多个微腔集成的潜在应用将非常有利。