高功率光隔離器關鍵技術

與常見的光纖通信係統中使用的較低功率光隔離器相比,在較高的激光功率下,光隔離器的設計及製作也呈現出一些不同之處,這也是在高功率器件的設計研發中需要解決的主要問題。

  (1) 光學元件在高功率密度激光輻射作用下的損傷問題。這個問題不僅在高功率光隔離器中存在,就是在其他高功率光器件的設計製作過程中也同樣要麵對。為了解決此問題。

  首先需要在產品的製作及測試過程中保證良好的環境潔淨度並選用損傷閾值較高的光學器件及光學薄膜,當然這也受到產品成本的製約。因為空氣中的微小顆粒如果粘附在光學表麵將極大降低光學表麵的激光損傷閾值,這些微小顆粒對激光的吸收比較大,容易導致顆粒附近能量集中,從而導致光學表麵薄膜損傷甚至麵損傷,在元件表麵出現麻點甚至小坑而使器件失效。

  其次,由於在通常情況下光學元件內部的損傷閾值要比其表麵的激光損傷閾值高很多,所以元件表麵的激光功率密度也就決定了整個器件抗激光損傷的能力,尤其在脈衝工作的情況下更是如此。這時可以通過光學變換的方法設法使光學元件表麵的光斑麵積擴大的方法來提高損傷閾值,例如擴芯光纖方法以及擴束透鏡光纖方法等就是利用這個原理工作的,或者通過激光脈衝展寬的方法變相地降低激光功率密度,通過避免激光能量在空間和時間上的集中能夠有效地提高產品的抗激光損傷性能。

  (2) 高功率器件的熱影響及散熱設計。因為高功率器件工作在較高的功率下,與低功率器件相比,更容易發熱,不可避免地會受到溫度上升的影響,所以器件的性能受到材料熱特性以及散熱設計的影響比較嚴重。通常旋光晶體的旋光特性容易受到溫度的影響,如果在器件工作時由於所吸收激光能量的積累而導致內部溫度出現較大上升,就會使得旋光晶體對光偏振麵的旋轉角度偏離正常值而導致性能明顯下降,嚴重時甚至會導致器件損壞;

  另外,永磁體在高溫下工作也更容易發生磁場減弱和退磁現象,甚至出現磁場的不可逆損失,所以高溫對永磁體的穩定工作也是不利的;而且,在特高光功率的情況下,光學元件的溫度會出現較大上升,由於熱量從內部向表麵傳遞,其內部的溫度必然高於其表麵的溫度,這樣就會在光學元件內部出現溫度梯度和熱應力,導致光束橫截麵內部中心的折射率和邊緣的折射率變化幅度不同,從而出現折射率差,也就是出現了類透鏡效應,這將會改變光束的傳播特性,導致光束質量嚴重下降,嚴重影響器件正常工作甚至導致損壞。

  因此,必須采取有效的措施減少對激光的吸收並有效散熱。減少對激光的吸收要求選用吸收係數較小的光學材料、減小光在元件內部傳輸的距離、設計合理的結構,有效散熱就要求在熱量可能出現積累的地方提供有效的傳熱路徑並散熱,根據功率的大小可以采取被動散熱或者主動散熱的方法。報道中的萬瓦級光隔離設計中就采用板條形狀的旋光晶體以提高器件的散熱控溫能力。

  (3) 高功率隔離器的磁場設計。高功率光隔離器設計中的另一個關鍵是磁場及磁體的設計及選擇。一般情況下,光隔離器都是利用磁致旋光效應工作的,所以必須在旋光晶體上加合適的磁場。為了節能以及方便使用,一般都采用強永磁材料來產生所需的磁場,這時磁場及磁體的選擇和設計就非常重要,對器件的性能和成本影響很大。通常情況下都要求在旋光晶體的空間內提供較強的均勻磁場,這樣就能夠減小旋光晶體的尺寸,獲得較高的性能價格比,所以就要求在不明顯增加器件體積的情況下設計選擇合適的磁體以獲得較強的均勻磁場。具體設計中可通過選擇磁性能較強的磁體,並采用合適的形狀及體積,獲得所需磁場。

  (4) 高功率隔離器的裝配工藝。高功率光隔離器要求能夠長期穩定工作在惡劣的環境下,這就對器件的結構以及裝配等工藝提出了很高的要求。設計良好的結構及裝配工藝能夠有效減小光學元器件內部的應力,從而提高產品的性能及穩定性,使得器件能夠長期穩定可靠工作。隔離器結構設計中主要需要解決兩個問題:

  首先是光學元器件的裝配,要求穩定可靠,能夠有效散熱控溫;

  其次需要牢固可靠裝配強永磁鐵,隨著磁體設計製造能力的提高,器件中可能采用較複雜形狀的多塊磁體組合來提供較強的均勻磁場,而磁體之間較強的磁力就要求設計合適的裝配工藝方法來可靠裝配磁體,並要求在裝配過程中不會導致磁體損壞或者退磁。這些都需要在實踐中積累並提高。 

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