光纤熔丝损伤研究进展 |《中国激光·光耀清华》
光纤熔丝损伤自1987年首次报道至今，已在几乎所有类型的光纤中被观察到。它具有类似燃烧的导火索的外观，可以在条件合适时自发发生，并沿着光纤正在传光的反方向快速传播至整个系统，不可逆地毁坏其经过的光纤组件，因而对光纤系统，特别是高功率光纤激光器，构成严重威胁。
清华大学肖起榕教授研究团队结合对于光纤熔丝损伤效应十余年的观测和研究，全面回顾了有关光纤熔丝损伤效应的历史和最新研究进展，介绍了光纤熔丝损伤关键物理过程、预防和阻断方法，以及光纤熔丝损伤本身的应用，并展望了未来重点研究方向。。
光纤熔丝损伤物理
光纤熔丝损伤的理论研究目标是揭示光纤熔丝损伤的微观层面物理作用机制,并发现潜在的物理现象。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。
图1 光纤熔丝损伤的自发发生条件。（a）实验装置，将去除涂覆层、无损伤的光纤放入管式炉，通以恒定激光功率，均匀加热至光纤熔丝损伤触发。（b）数据分析可见量纲为eV、因光纤而异的能量参数决定了光纤熔丝损伤自发发生临界温度与临界功率之间的关系。（c）不同光纤中测得的临界温度与临界功率数据。（d）光纤熔丝损伤自发发生起始点处的光纤内空洞。
研究团队定量测量了光纤熔丝损伤自发发生（无机械损伤干预）的触发条件。通过设计实验装置（图1a）精确控制触发环境条件，测量了光纤熔丝损伤的触发临界温度条件与临界功率条件（图1c），其中临界功率条件考虑了实验条件对实际作用于熔丝损伤的光功率的影响。发现临界温度在约800℃至1200℃的大范围内变化（而非过往研究猜测的固定数值），并且发现了临界温度与临界功率之间的数学关系（图1b）。
分析显示，不同光纤的特征能量u0为0.6 eV至1.7 eV不等，表示光纤熔丝损伤与微量的氧在石英介质中的扩散过程高度相关，而与早前认为的掺杂元素（如锗、铝等）本身的晶格缺陷能（2～5 eV）不相符。实验在预测光纤熔丝损伤自发发生条件上迈出了重要一步。
光纤熔丝损伤的应用
光纤熔丝损伤在造成重大损失之余，其作为一种改变光纤内部结构的物理效应，还具有自身独特的应用价值。
团队研究人员首次通过光纤熔丝损伤，“一步到位”地产生直接可用、可自由组合排列的光纤内球形微腔。图2a对比了传统的光纤内微结构制造工艺（1）、过往研究中切开并重新熔接光纤熔丝损伤产生的空洞的工艺（2）以及近期进展的“一步到位”微结构生产工艺（3）。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（图2b），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（图2c），实现了一步到位的微腔制造。
图2 受控触发光纤熔丝损伤一步到位制造高品质因数（Q）的光纤内微腔。（a）对比传统的光纤内微腔制造工序（1）、将光纤熔丝损伤作为中间步骤获得光纤端面凹陷从而整合进传统光纤内微腔制造方法的工序（2），以及用光纤熔丝损伤的受控触发一步到位制造光纤内微腔的工序（3）。（b）实现一步到位制造光纤内微腔的实验。（c）显微镜下观察一步到位制造的高Q光纤内微腔。（d）测试上述光纤内微腔的实验。（e）上述方法制造的光纤内微腔透射光谱、应力传感效果以及每个谐振峰的F-P谐振的Q因子结果。
实验（图2d）还验证了微腔透射谱中存在F-P干涉谐振图样（图2e），演示了应力传感应用；光纤内微腔产生的F-P谐振品质因数（Q值）可达104量级，已达到传统的光纤内F-P微腔干涉的较高水平，说明利用光纤熔丝损伤在实验光纤中产生的空洞微腔结构确实具有光滑平整的内壁。理论上，高Q因数的微腔不仅可以用于F-P谐振，还可以用于回音壁模式（whispering gallery mode, WGM）谐振；在这一点上，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工艺复杂和可重复性差的难题，而且相比于其它腔形具有极大的性能优势。
结论和展望
光纤熔丝损伤的未来研究充满机遇。事实上，若有关光纤熔丝损伤的物理机制研究能够取得突破，就有可能将目前各种光纤系统中自发发生的光纤熔丝损伤与光纤中进行的各种已知光物理过程定量联系起来，从而可以精确地设计系统以避免光纤熔丝损伤。另外，利用光纤熔丝损伤的特性来加工光纤内微结构的技术已经崭露头角，但这只是光纤熔丝损伤开发利用的起点，更多的潜在方向还有待未来研究逐一揭开，而这依赖于我们更深入地认识光纤熔丝损伤的过程以及它带给光纤材料和结构的改变。
论文信息：
田佳丁, 肖起榕, 李丹, 张政, 尹皓玉, 闫平, 巩马理. 光纤激光中光纤熔丝损伤研究进展[J]. 中国激光, 2021, 48(15): 1501005编辑 | 张新蕾
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