摘 要: 仿真和实验研究了一种控制Nd:YAG脉冲激光能量通断的光纤直接连接型光开关。建立光纤耦合模型,分析了光纤对准误差中对耦合效率的影响,其中横向偏移的影响最显著。采用微机电系统V型槽固定光纤,微小型凸轮作为制动器,步进电机驱动凸轮旋转,微小型凸轮与移动光纤相切,带动光纤移动,实现两光纤的错开和对准。制造了这种高功率直接连接型光纤光开关原理样机,并进行了主要性能测试。测试结果表明,这种光开关能够满足激光点火系统的大容量、高隔离度的要求。
激光点火/起爆是利用激光能量点燃/起爆含能材料。激光能量利用光纤传输,提高了系统的实用性和集成性。在激光点火/起爆系统的传能光路中加入光开关,可以增加系统的安全性、有利于系统的小型化,实现多模寻址点火。在信息光子学领域,光开关作为光通信的重要部件得到研究者的普遍重视,研究广泛。其特点是激光功率低,只有mW量级;响应时间快,在ns~μs之间。而在能量光子学领域,光开关作为控制功率激光能量通断的件的研究报道还较少。美国马里兰大学的Cochran等人报道了两种应用于水下武器的保险与解除保险装置中控激光能量通断的微小型光纤光开关,采用微机械制造技术。其中一种为反射镜型光纤光开关,传输最大功率为1 W,光学传输效率为50%[1]。另一种为光纤直接连接型光纤光开关,由热执行器、悬臂梁、光纤夹持机构、两根能量光纤组成,激光功率容量达5.280 W,光开关的光学传输效率为88%。设定导通状态后,热执行器驱动悬臂梁,使附着其上的一根能量光纤与另一根固定的能量光纤逐渐对准,激光能量得以耦合到输出光纤端。其结构特点是未使用反射镜,光学传输效率较高[2]。因此为满足激光起爆应用,光纤光开关应具备以下特征:(1)“ON”状态下高的耦合效率;(2)光纤芯径较大(数百μm)且为了提高安全隔离度(“ON”,“OFF”状态切换快,“OFF”状态下能量尽可能隔离),需要大位移、大力矩的致动器;(3)环境适应性强,如抗振动、冲击等。本文针对激光点火/起爆系统应用特点,设计了一种高功率大位移光纤直接连接型光开关,满足激光点火/起爆系统的实用化发展需求。
1 设 计
根据激光点火/起爆系统需求,工作波长选择1 064 nm,脉宽15 ns,光纤芯径400~600μm,数值孔径0.22。传能光纤在1 064 nm波段具有很高的透过率(99.5%)。光纤端面经过精密机械抛光,可以承受很高的激光功率密度。
设计的这种新型高功率光纤光开关结构如图1所示。它是通过步进电机带动微小型凸轮旋转,从而控制光纤的移动,实现光纤的对准或者错开。这里使用的是一种新型的永磁式单相单拍运行步进电机(外形尺寸20 mm×25 mm),它能在单极性电脉冲(电压12 V,电流1 A)的控制下实现连续的起动和步进运动,转动扭矩可达3.5 mN·m,电机绕组通电和断电时各转动一个90°步进角。微小型凸轮是光纤光开关的关键部件,它的外部轮廓决定光纤轴向位移量,它的加工精度影响光纤对准精度。
2 仿 真
光纤光开关设计的核心内容是光纤与光纤的对准。光纤与光纤对准误差包括:轴向误差(x)、横向误差(y)和角度误差(θ)。减少光纤对准误差是光纤光开关设计的关键,它与光纤特性、执行器设计及步进电机稳定性等都有关系。我们建立了光纤光开关的光学模型和执行器的等效模型,并对其进行了仿真和数值计算,获得了主要的设计参数和指标。
2.1 光学模型
采用ZEMAX软件的非序列光纤追迹功能,可以建立光纤的物理模型,并且比较真实地模拟光纤的反射、散射、透射和衍射。同样,它还可以仿真激光与光纤的耦合特性。光纤光开关物理模型,如图3所示。模型中主要考虑了横向误差、角度误差、激光在空气-介质界面处的菲涅耳反射对耦合效率的影响。
2.2 光学分析
光纤光开关的光学损耗主要来自于光纤对准误差(图2)和菲涅耳反射损耗(图3)。对于菲涅耳反射损耗,计算式为
式中:nr是光纤材料的折射率;n为空气折射率。对于石英光纤,nr=1.458,计算得出光纤芯与空气界面由于菲涅耳反射而引起的损耗为3.47%,光纤与光纤对准的最大耦合效率为93.2%。
光纤机械对准误差对光纤光开关耦合效率的影响结果如图4所示。由图4(a)可知,光纤间距对耦合效率的影响不敏感。光纤与光纤的距离,一般可以做到小于100μm,因此纵向间距误差可以忽略。由图4(b)可知,耦合效率与横向位错误差有较强的依赖关系,误差越大耦合损耗越严重。经过严格的设计和工艺,光纤对准误差可以达到小于20μm,因此此类耦合损耗可以控制在2%以内。由图4(c)中仿真分析和实验测试可知,当角度误差小于2°时,几乎不产生耦合损耗。
因此,可以预测:当光纤间距50μm、横向位错20μm、角度误差小于5°时,可以获得光开关的耦合效率为91.3%。理论上,光纤直接连接型光开关的插入损耗小于0.5 dB、隔离度大于13 dB,回波损耗大于20 dB,就能满足激光点火/起爆的安全性要求。
3 加 工
器件的初始结构主要包括永磁步进电机、微小型凸轮、基板、“V”型槽、光纤和支架等部件。关闭状态如图5(a)所示,光纤错开630μm。开启状态如图所示5(b),光纤对准横向误差±10μm,纵向误差40~50μm,角度误差小于3°。
为了提高光纤光开关的传输容量,光纤去掉涂覆层长度5~10 mm,光纤端面精密机械抛光,如图6所示光纤固定在硅“V”型槽内,有利于光纤的固定和对准。“V”型槽采用微机电系统湿法刻蚀工艺在硅片上刻蚀而成。KOH溶液对硅片的化学刻蚀是各向异性的,通过改变刻蚀液中KOH的浓度以及适当加入刻蚀速率缓冲剂异丙醇,可以在硅的(100)衬底面获得与其成夹角为45°的(110)晶面,即是所谓的“V”型沟槽,它们具有形状一致性好、精度高的优点,如图7所示。
4 测 试
采用波长1.064μm的Nd:YAG激光器作为光源,激光脉宽15 ns,光束质量因子M2=1.3;单透镜聚焦激光注入方式;聚焦透镜焦距250 mm,单根光纤长度1 m,芯径600μm,数值孔径0.22。光纤光开关主要特性测试结果如表1所示。
由表1可以看出光开关耦合效率高达91%,几乎达到光纤与光纤耦合效率极限(无增透膜或匹配液)。光纤光开关的最大传输激光容量是其重要指标之一。大芯径石英光纤、精密的光纤端面抛光、精密的光学对准可以获得较大的功率传输能量。实验研究表明在激光点火/起爆系统用光纤光开关的最大传输激光能力是由光纤损伤阈值决定的,而激光诱导光纤损伤的主要部位是光纤端面,它是由光纤端面电场击穿和空气击穿引起的[4-5]。实验测试测得光纤光开关的传输容量可达30 mJ(入射激光能量为37 mJ)。
5 结 论
研究了一种用于高功率转换的光纤直接连接型光开关。它应用在激光点火/起爆系统中作为控制激光能量通断的安保装置。这种光纤光开关采用步进电机结合微小型凸轮带动光纤偏转实现光纤与光纤的连接和断开,结构精巧、可靠、具有较好的应用前景。设计了初步的原理样机,采用Nd:YAG脉冲激光作为光源,注入芯径600μm的石英光纤,可以实现最大激光功率达2 MW的激光通断控制。光纤端面损伤,限制了激光功率的进一步提高。光纤光开关的插入损耗低于0.5 dB,隔离度20 dB,开关速度为50 ms,电源电压12~15 V,该器件能够满足激光点火/起爆系统的光学性能要求。原理样机体积还较大,后期的工作主要集中在减小体积和系统可靠性方面。
参考文献:
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[2] Cochran K R, Fan L, DeVoe D L. High-power optical microswitch based on direct fiber actuation[J].Sens Actuators A: Phys,2005,119
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[3] Herding M, Somogyi G, Mescheder U, et al. A new micromachined optical fiber switch for instrumentation purposes[C]//Proc of SPIE.
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[5] 赵兴海,高杨,徐美健,等.纳秒激光诱导石英光纤端面损伤特性研究[J].物理学报,2008,57(8): 5027-5034.(Zhao Xinghai, Gao Yang, Xu
Meijian, et al. Studies on nanosecond laser induced damage to silica fibers.Acta Physica SiNIca,2008,57(8): 5027-5034)
本文作者：赵兴海, 杨 波, 单光存, 高 杨, 杨 晴, 吴嘉丽,谭 刚, 苏 伟, 袁明权, 张茜梅, 屈明山
