激光二极管与单模光纤的自动耦合技术

激光焊接的工作原理及其主要工艺参数(精)

激光焊接的工作原理及其主要工艺参数目前常用的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、钎焊、电子束焊等。电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。但上述各种焊接方法都有各自的缺点，比如空间限制，对于精细器件不易操作等，而激光焊接不但不具有上述缺点，而且能进行精确的能量控制，可以实现精密微型器件的焊接。并且它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。激光指在能量相应与两个能级能量差的光子作用下，诱导高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、单色性好、光脉冲窄等优点。激光焊接是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接，这种焊接通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近半个世纪的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、造船等领域。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵、一次性投资大、技术要求高的问题，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线。 2. 激光焊接原理 2.1激光产生的基本原理和方法光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子。微观粒子都具有一套特定的能级，任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态，物质与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h。爱因斯坦认为光和原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。我们考虑原子的两个能级E1和E2，处于两个能级的原子数密度分别为N1和N2。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ，并有E2 -E1=hν。 2.1.自发辐射处于激发态的原子如果存在可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态上的一致，是非相干光。 2.2.受激辐射除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。 2.3.受激吸收受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级E1的一个原子，在频率为的辐射场作用下吸收一个能量为hν的光子，并跃迁至高能级E2，这种过程称为受激吸收。自发辐射是不相干的，受激辐射是相干的。由受激辐射和自发辐射的相干性可知，相干辐射的光子简并度很大。普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。如果能够创造这样一种情况：使得腔内某一特定模式的ρ很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度，使相干

光纤跳线、尾纤、连接器、法兰盘、耦合器1

光纤主要分为两类：按光在光纤中的传输模式可将光纤分为单模光纤和多模光纤两种。单模光纤(Single-mode Fiber)：一般光纤跳线用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。多模光纤(Multi-mode Fiber)：一般光纤跳线用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传输距离较短。 l 多模光纤(MMF，Multi Mode Fiber)，纤芯较粗，可传多种模式的光。但其模间色散较大，且随传输距离的增加模间色散情况会逐渐加重。多模光纤的传输距离还与其传输速率、芯径、模式带宽有关，具体关系请参见表1-2。表1-2多模光纤规格表光纤模式传输速率（bit/s）芯径模式带宽（MHz*km）传输距离多模光纤千兆 62.5/125μm-< 275 m 50/125μm-< 550 m 10G 62.5/125μm 160< 26 m 200< 33 m 50/125μm 400< 66 m 500< 100 m 2000< 300 m l 单模光纤(SMF，Single Mode Fiber)，纤芯较细，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯。 2.光纤直径光纤直径一般采用纤芯直径/包层直径的表示方法，单位μm。例如：9/125μm表示光纤中心纤芯直径为9μm，光纤包层直径为125μm。 H3C低端系列以太网交换机推荐使用的光纤直径如下： l G.652常规单模光纤：9/125μm l 常规多模光纤：62.5/125μm l G.651多模光纤：50/125μm（多模VCSEL激光器选用） 1.2.6接口连接器类型接口连接器用于连接可插拔模块及相应的传输媒质。H3C低端系列以太网交换机支持的光模块所采用的光纤连接器有两种：SC连接器和LC连接器。 1. SC连接器 SC（Subscriber Connector Standard Connector，标准光纤连接器），外观图如图1-1所示。

导体激光器与单模光纤耦合效率的分析

导体激光器与单模光纤耦合效率的分析fH,w ` [ dx#i/Ka# 一、引言] 7% CL.2Q 随着光纤加工工艺和制造技术的日益提高，在光纤通讯与光纤传感中的传输损耗已经降低到了0.154dB/km的极限程度。而光源与光纤的耦合损耗问题越来越显得突出。在光纤通讯中，由于在多模光纤中各传输模的群延迟不同，所以限制了它的应用场合［1］；而在光纤传感中，多模光纤与光源的耦合相对单模光纤来说容易得多，但由于单模光纤具有较高的横向分辨力，在一些特殊的传感测试场合，还必须使用单模光纤［2］。所以，改善和提高半导体激光光源与单模光纤的耦合效率成为国内外研究的焦点。npT(iP`") 由于单模光纤的芯径只有多模光纤的十分之一，即5～10μm左右，加上激光器在垂直于结平面方向有较大的发散光束角，所以，简单的套筒式耦合无法获得较高的耦合效率［3］。况且，激光器与光纤轴线的对中容许误差只有1μm，增大了SLD-SMF光耦合的难度。为了减小SLD-SMF间的光耦合损耗，激光器的模场半径（光点尺寸）应与光纤的模场半径相互匹配起来，也就是说，使激光器的椭圆形模场转换为光纤的圆形模场，这可以通过在SLD-SMF间使用透镜来实现［4］。迄今为止，已有许多种用不同形状的透镜进行模式匹配的方法，如柱状透镜法、半球透镜法、四角锥形半椭圆透镜法、共焦透镜法及柱状透镜与自聚焦透镜组合法等［5，6］；也可以用一些特种加工技术，如通过拉伸被加热的光纤端头使其形成尖锥状或在研磨后熔融光纤的末梢以及用光刻技术［7～11］直接在光纤的端头处加工出各种形状的微透镜。2d"@g* 本文将对一些典型的SLD-SMF光耦合方式进行理论上的分析，并给出一些具有实用价值的数据。并从耦合效率与成本双重角度给出了适合于实际工程应用的几种耦合方式的优选率。2-v?T6<2 i*DP:$c 二、耦合特性的理论分析1 ]_!4{f 当单模光纤的归一化频率V在1.9≤V≤2.4范围内时，对在单模光纤内光能量分布采用高斯场近似，误差在1%以内。所以，采用高斯光束模场分布来分析计算和比较各种耦合方式的耦合效率及实用性是完全可行的。SLD-SMF直接耦合原理如图1所示。图中w0为单模光纤的模场半宽，其值在理论上在计算过程中相当烦琐，在工程实际中常由下式近似［12］：jS9 ,Z" (1) h,34JYq0 (z=0,w∥1=2μm) ^NXQ>Arg b>*'C3!LF 图3耦合效率与两轴相错角度和距离的关系'O(4mysc