光纤光栅为什么会发热

我们知道在高功率光纤激光器中有一类failure是光栅烧损。为了减少这种情况，一般光栅器件厂家在生产检测时是通过使用高功率的Pump光进行通光检测的。检测办法也很简单，主要是看高功率通光之后光纤栅区的温度，只要其数值低于规定的上限即可。有些同学能疑惑，作为传输光纤的部分，光纤光栅的本质是光纤纤芯中周期性的折射率调制。但仅是折射率不同而已，并不像增益光纤那样内部有稀土离子对泵浦光进行吸收，为什么也会有热量产生呢？

下面尝试来定性分析一下，对错与否供大家讨论：

首先，我们在实际使用的过程中确实观察到了热量的产生，且随着功率的提升有一定的线性关系。既然有热量产生，中学物理告诉我们这里必然存在着能量转化：部分传输的光能转化成了光纤的内能（热能），而光纤内能是由组成它的分子能量（势能+动能）组成的。这就好理解了，我们大胆推测一下：由于光子与光纤中物质的相互作用产生了能量转化。

那我们再讨论一下为什么光子会和光纤物质产生相互作用？由于光子有粒子的特性，它在传输的过程中难免会和光纤中的微粒产生碰撞（散射），尤其是与布拉格波长不完全匹配的光。又是初中物理告诉我们：散射可分为弹性散射和非弹性散射：

弹性散射只改变光子方向不改变能量->如瑞利散射，此散射不改变光子的波长，不直接产生能量损耗。但是虽然光子能量没有发生变化，但由于速度方向发生了变化，部分会从纤芯中溢出到包层甚至外部的涂覆层（包层模、辐射模）。涂覆层通常是丙烯酸酯、聚酰亚胺等高分子材料，这些材料对光纤激光器的工作波长（如 1064nm, 1080nm）有很强的吸收。因此最终也会产生热量。

非弹性散射既改变光子方向也改变能量->如拉曼散射、布里渊散射，这类散射会改变光子的波长（光谱上产生新的波长）。一般光子损失了能量波长会往长波方向漂移，损失的这部分能量直接转移给光纤物质（产生声子/分子振动），这部分能量最终也产生热能。

另外这里也大胆猜测一下：包层（石英）本身对工作波长的吸收虽然很低，但由于可能存在的杂质（如Fe²⁺, Cu²⁺, OH⁻）或其它缺陷等并非绝对为零，长时间高功率下也会有贡献。

再说纤芯部分，由于光栅的栅区本身就是因激光刻蚀产生的周期性折射率调制，因而在激光写入的过程中可能引入缺陷和应力，这些局部的缺陷也可能吸收光子的能量进而转化为晶格的振动（热能）。

本文内容转载自，公众号“Laser R&D”《光纤光栅为什么会发热》，版权归原作者所有，仅用于学习、交流用途。如涉及版权问题或侵权内容，请及时联系我们（手机|微信：13697356016），我们将第一时间处理或删除。