（光学专业论文）icf激光驱动器前端系统脉冲整形技术研究.pdf

摘要 摘要 惯性约束聚变( i n e r t i ac o n f i n e m e n tf u s i o n ，i c f ) 驱动源技术中，高功率固体激 光装置是目前较为理想的一种驱动器。全光纤前端系统的脉冲整形能力是衡量装 置性能的关键因素之一，整形脉冲的时域和频域及传输特性都极大的影响了该装 置的脉冲输出特性。前端系统要求输出具有适当宽度或形状，并具有一定能量、 光谱带宽、高信噪比和高光束质量的激光脉冲，而脉冲在光纤中传输时，偏振、 色散以及自相位调制等效应均会影响整形脉冲的特性。 论文针对两种脉冲整形技术方案，研究了系统关键器件的性能以及整形脉冲 的传输等问题，主要包括以下内容： 一、研究了调制型前端系统的脉冲特性，主要针对法国l m j 装置前端光纤注 入系统，分析了光纤放大器的增益窄化以及光纤中的色散效应对相位调制脉冲的 影响，通过定义f m a m 转换因子对影响结果进行量化，并分析了相位调制脉冲 在保偏光纤中的传输。 研究结果表明，光纤连接器的偏振消光比、相位调制脉冲的调制度和调制频 率，以及光纤中两偏振分量之间的群时延差都会影响f m - a m 因子，在系统设计 中，可通过优化这些参量来降低脉冲的强度调制。 二、基于全光纤脉冲堆积型前端系统，研究了系统关键器件的工作原理及性 能，从实际应用出发，采用传输矩阵研究方法重点分析研究了啁啾光纤布拉格光 栅对脉冲的色散展宽问题，并探讨了啁啾堆积脉冲的时频特性。 研究结果表明，通过改变光纤光栅的啁啾因子可改变脉冲的展宽量。 堆积技术方案中获得的整形脉冲时域波形和功率谱均发生调制，而各路子脉 冲的初始啁啾和时延决定了调制周期的大小，通过对上述两参量设计合理的控制 方案，可使脉冲时间调制周期小于靶物理要求的调制周期，达到总体的设计要求。 三、采用非线性薛定谔方程，研究了光纤中的线性色散和自相位调制对对啁 啾堆积脉冲的影响。 研究结果表明，各路子脉冲的初始啁啾、峰值功率以及时延都会影响堆积脉 冲传输后的时域和频域特性。 关键词：脉冲整形，相位调制，啁啾光纤布拉格光栅，传输矩阵，脉冲堆积 a b s t r a ( x a b s t r a c t h i 曲p o w e rs o l i dl a s e rf a c i l i t yi so n eo ft h ep e r f e c td r i v e r sa m o n gt h ed r i v i n g t e c h n o l o g yo fi n e r t i ac o n f i n e m e n tf u s i o n n ea b i l i t yo fp u l s es h a p i n gi so n eo ft h e k e yf a c t o r si nt h ea l l - f i b e rf r o n t - e n ds y s t e mo f t h ef a c i l i t y t h et e m p o r a la n d f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o p a g a t i o np r o p e r t i e so fs h a p i n gp u l s ei m p a c tg r e a t l yo nt h e o u t p u tp u l s e t h el a s e rp u l s ew i t l la p p r o p r i a t ep a r a m e t e r , s u c ha sp u l s ew i d t h ，s h a p e , e n e r g ya n ds p e c t r u mw i d t hs h o u l dh a v eh i g hs i g n a l t o n o i s er a t i oa n db e a mq u a l i t yi n t h ef r o n t - e n ds y s t e m d u r i n gt h ep r o p a g a t i o no ft h es h a p i n gp d s ei nt h ef i b e r , p o l a r i z a t i o n , d i s p e r s i o na n ds e l f - p h a s em o d u l a t i o nw o u l di n f l u e n c et h ec h a r a c t e r i s t i c s o fi t t h ea r t i c l es t u d i e dt h et w op u l s e - s h a p i n gt e c h n o l o g i e s ，t h ec a p a b i l i t i e so ft h ek e y s u b a s s e m b l i e sa n dt h ep r o p a g a t i o no ft h es h a p i n gp u l s e t h em a i nc o n t e n t sc a l lb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ep u l s ec h a r a c t e r i s t i c si nt h em o d u l a t e df r o n t - e n ds y s t e mw e r es t u d i e d i n a l l u s i o nt ot h ef i b e rl a s e r si n t e g r a t i o nf o rt h ef r o n t e n do fl m j ，t h ep h a s e - m o d u l a t e d p u l s ew a sa f f e c t e db yt h ee f f e c t s ，s u c ha sg a i nn a r r o w i n gi nt h ef i b e ra m p l i f i e ra n d d i s p e r s i o ni nt h ef i b e r t h ei n f l u e n c ew a sq u a n t i f i e da c c o r d i n gt od e f i n et h ef m a m f a c t o r t h ep r o p a g a t i o no ft h ep h a s e - m o d u l a t e dp u l s ei nt h ep o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n g f i b e r ( p m f ) w a sa n a l y z e d t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h ef m - a mf a c t o rw a sa f f e c t e db yp o l a r i z a t i o n e x t i n c t i o nr a t i o ( p e r ) d e g r a d a t i o no ff i b e rc o n n e c t o r s ，m o d u l a t i o ni n d e x ，m o d u l a t i o n f r e q u e n c ya n dd i f f e r e n t i a lg r o u pd e l a yb e t w e e nb o t ha x e so ft h ep m e t od e c r e a s et h e i n t e n s i t ym o d u l 撕o nw o u l db er e a l i z e db yo p t i m i z i n gt h e s ep a r a m e t e r si ns y s t e m d e s i g n 2 b a s e do nt h ep u l s e - s h a p i n gs y s t e mo fa l l f i b e rp u l s es t a c k i n g , t h ew o r k p r i n c i p l ea n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p o r t a n ta s s e m b l i e sw a ss t u d i e d t h e p u l s e - s p r e a d i n gi n d u c e db yd i s p e r s i o no fc h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ( c f b g ) w a s a n a l y z e db yu s i n gt h et r a n s f e rm a t r i x 。t h et e m p o r a la n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so f c h i r p e ds t a c k i n gp u l s ew e r ed i s e a s e d t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h es p r e a d i n gq u a n t i t yv a r i e dw i t ht h ec h i r p e df a c t o r i i a b s t r a c t o ft h ef i b e rg r a t i n g ，a n dt h et e m p o r a lp r o f i l ea n dp o w e rs p e c t r u mo ft h es t a c k i n gp u l s e w e r em o d u l a t e d ，a n dt h em o d u l a t i o nd e g r e ew a sd e t e r m i n e db yt h ec h i r pp a r a m e t e r a n dt h ed e l a yb e t w e e nt h es u b p u l s e s t h et e m p o r a lm o d u l a t i o np e r i o do ft h es t a c k i n g p u l s ew o u l db es m a l l e rt h a nt h a to ft h et a r g e tp h y s i c sr e q u i r e m e n ti ft h et w o p a r a m e t e r sw e r ec o n t r o l l e dc a r e f u l l y 3 t h ei n f l u e n c eo fl i n e a rd i s p e r s i o na n ds e l f - p h a s em o d u l a t i o no nt h ec h i 印e d s t a c k i n gp u l s ew a ss t u d i e db yu s i n gt h en o n l i n e a rs c h r s d i n g e re q u a t i o n t h er e s u l t s h a v es h o w nt h a tt h ei n i t i a l c h i r pp a r a m e t e r , p e a l ( p o w e ra n dd d a yb e t w e e nt h e s u b - p u l s e sw o u l di m p a c tt h et e m p o r a la n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fs t a c k i n gp u l s e d u r i n gp r o p a g a t i o ni nt h ef i b e r t h et h e o r e t i c a lm e t h o d sa n dr e s u l t sw o u l db eu s e f u lf o rt h eo p t i m a ld e s i g no ft h e f r o n t - e n ds y s t e mo f h i g hp o w e rs o l i dl a s e rf a c i l i t y k e y w o r d s ：p u l s es h a p i n g , p h a s em o d u l a t i o n , c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ，t r a n s f e r m a t r i x ，p u l s es t a c k i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 口罟年妇哆日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：立粒导师签名：壅堕聋一 日期：7 孑年妇彳日 第一章引言 1 1 惯性约束聚变的概念 第一章引言 核聚变是一种能够提供巨大能量，而且也被认为是一种安全而干净能源的重 要方式。众所周知，氘和氚的混合物是最适合于聚变的燃料。实现聚变过程的基 本步骤是：将氘和氚的离子加热到足够高的温度并保持此温度达相当长的时间以 实现从这些离子的聚变中获得足够的能量增益。在每次聚变反应中一个氘离子和 一个氚离子产生一个a 粒子和一个中子，同时释放出1 7 6 兆电子伏特的能量。由 于氘和氚可以大量地从海水中提取，因此氘氚离子之间的聚变反应几乎能够为人 们提供一种取之不尽、用之不竭的能源【l 】。 在激光器诞生后不久，核物理学家和激光物理学家联合提出了惯性约束核聚 变的理论。惯性约束是用高功率脉冲能量加热高温、高密度等离子体，并压缩加 热。由于惯性，等离子在尚未膨胀和扩散期间就产生核聚变反应，不断重复这个 过程，就能连续产生能量，由于惯性约束聚变所用的驱动器迄今都是激光器，因 而又称激光核聚变【2 j 。 i c f 的基本思想在于，一束激光或单个激光脉冲在控制下分裂成强度完全相同 的几束光束，把分裂后的光束能量加以放大并增强，然后再通过反射镜和透镜系 统从不同方向聚焦在一个极小的区域内。一定量的氘和氚作为燃料被封闭在一个 用塑料、玻璃或其它材料制成的直径只有几毫米的小球内部，我们称其为燃料靶 丸。将制成的燃料靶丸放置于激光光束的会聚处，使靶丸发生爆聚。爆聚将氘氚 混和燃料压缩至高密度，降低点火温度，同时依靠材料本身的惯性将这一状态维 持一段时间，在靶丸的中心区点火，实现聚变反应。 为了实现中心点火，发展出了以下两种驱动方式【3 】： ( 1 ) 直接驱动【4 】：激光束直接照射氘氚靶丸表面( 如图1 1 ) 。这种方式有较 高的效率，但是为了达到高倍率的压缩，要求驱动光束在4 兀立体角内均匀照射靶 面。 电子科技人学硕士学位论文 t h ei n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o nc o n c e p t “黛fe n e r g y 8 b u 婚挂 舞湍嚣茹删 海鬻毒鹱和 b u c n t2 1 9r w fb o r n l p ，怕d lr 唰埔，l i r m j g ht t w c 俩岬卅h _ r 删n g 州y i i 忡# 晰e p e n e r 蚰 图1 1 直接驱动原理示意图 ( 2 ) 间接驱动 5 , 6 1 ：采用激光束照射高原子序数元素制成的靶腔，这样可将光 束能量的7 0 - - 8 0 转化为x 光辐射，x 光经输运热化后再加热氘氚靶丸表面( 如 图1 2 ) 。由于放宽了光束能量沉积的均匀性，减弱了对流体力学不稳定性的敏感 程度，美国i c f 研究从1 9 7 6 年开始便将大部分力量投入到这种方案的研究中。 i 鞘骥豢一? 。狯f ”“墉矗磊箩夺 ；r d 博口t r i v er 懈 “a d ；“；mf 埘m l 。m n # t c 舯c a 怖 辨辩。# “ 歌o n 图1 - 2 间接驱动原理示意图 近年来又提出了一种新的点火方案，将内爆压缩和点火分开进行，被称为快 点火模型 7 1 。方法是先用激光压缩氘氚到极高密度，然后外加一束超短超强光脉冲， 产生大量超热电子( 1 m e v 以上) ，在极高密度氘氚边缘内部形成热斑点火，然后 扩展到整个靶丸。理论研究表明，把中心点火改为快点火，可大幅度降低对驱动 能量的要求。 图1 - 3 快点火原理示意图 o 第一章引言 1 2 高功率激光器前端系统及其发展 前端系统作为高功率激光聚变驱动器的“种子脉冲，【8 引，其主要功能是为后 续系统提供一个或数个波长为1 0 5 3 n m 、具有适当脉冲宽度或者形状，并具有一定 能量、光谱带宽、高信噪比和高光束质量的激光脉冲，精确时间脉冲整形是i c f 前端系统中非常重要的一部分【l o 】。 目前主要有基于集成光学调制器的脉冲调制技术和基于光纤脉冲堆积器的脉 冲组合技术进行脉冲整形两种方案。 1 2 1 国外概况 1 2 1 1 基于集成光学调制器的脉冲调制技术 利用集成光学方法进行激光脉冲整形是9 0 年代初由美国首先提出和付诸实施 的。在高功率固体激光器的发展中，美国劳伦斯里弗莫尔实验室的研究一直走在世 界的前列。7 0 年代建成s h i v a 系统【l ，它采用主动式锁模技术，并根据7 0 年代末 期对激光聚变物理的研究结果，为了取得i c f 实验最合适的激光脉冲宽度( 1 - 一5 n s ) ， 在s h i v a 装置上安装了一台长脉冲的单纵模调q 激光器，在该长脉冲系统中，为得 到符合要求的激光脉冲，又采用了稳频、选模和p o c k e l s 削波技术。随着i c f 的发展， 要求单纵模调q 激光振荡器的输出长脉冲不仅仅是简单的削波，还要求其具有复 杂的激光脉冲整形能力。1 9 8 4 年建成的n o v a 系统，基本达到了这一要求，长脉冲 激光器的单纵模输出经过高压p o c k e l s 盒和电光调制器的整形，其宽度可以在0 5 5 n s 之间可调，且由篱柱形脉冲、压缩脉冲及整形脉冲可以组合成形状复杂的激光 脉冲【1 6 1 。b e a m l e t 系统是美国于9 0 年代初提出并于19 9 4 年试运行成功n 7 1 。克服 了n o v a 系统稳定性差、信噪比低的缺点。 在b e a m l e t 系统基础上，随着光纤技术的飞速发展，利弗莫尔国家实验室建造 了国家点火装置( n i f ) 。整个n 系统的种子光来自主振室( m o r ) 中光纤激光 器产生的低功率激光脉冲。连续运转掺镱光纤主振荡器输出中心波长为1 0 5 3 n m 的 脉冲，通过声光调制器削波，脉冲宽度为l o o n s ，重复率为9 6 0 h z 。为了抑制受激 布里渊散射( s b s ) 对光学元件的损伤，采用调制频率为3 g h z 的相位调制，脉冲 谱宽增加为3 0 g i - i z 。如果调制不足以抑制s b s 时，可靠的自动防故障装置可以保 证主振荡器不会输出脉冲。另一个调制频率为1 7 g h z 的调制器能提供超过1 5 0 g h z 的带宽，可以对基频光采用谱色散技术进行束匀滑。激光脉冲通过功率放大之后 3 电子科技大学硕士学位论文 分为4 8 路，单端输出能量l n j 。每个输出脉冲进入振幅调制器( a m c ) 整形后 注入预放模块( p a m ) ，系统中共有4 8 个振幅调制器，每个a m c 分别提供一路脉 冲来驱动相应的预放模块，数字示波器记录脉冲形状【1 8 】。 图1 - 4n i f 主振荡室光路示意图 法国l m j 装置建造计划开始于2 0 0 3 年，其光纤注入系统呈树状结构分布，单 模振荡器产生种子光，串联的掺镱光纤放大器对脉冲多次放大，整个系统全部用 光纤连接，高性能的保偏光纤保证输出2 4 0 束同步脉冲，每束光注入预放模块。 目前的设计中有6 0 个独立的时域整形系统，每4 束光与一个整形系统相连【19 1 。 圉巨萤 图1 - 5 树状结构的光纤注入系统 l m j 中通过时域和频域对种子脉冲进行整形。光纤注入系统能分别产生3 0 路或者6 0 路脉冲，单模振荡器产生初始脉冲，为了抑制s b s 以及对光束进行匀滑， 系统采用了两个相位调制器。一次相位调制之后放置了s b s 诊断模块，通过测量 4 第一章引言 带宽是否大于o 1 5 n m 来判断抑制的效果。由于在放大链路中，偏振态是非常重要 的因素，因此采用了保偏光纤。l m j 中通过采用调制度m 为7 和5 ，调制频率为 2 g h z 以及1 4 2 5 g h z 的正弦相位调制脉冲来展宽频谱，以达到抑制s b s 和进行束 匀滑的目的。 t t l t e t ：_ _ h _ i l 一_ _ _ ” t! 竺! 竺竺竺， 单模振荡器( o s e s m ) ，振幅调制器( 妯旧，相位调制器0 a h m s l a s ，p h m s s d ) ，色散补偿( c ) ，放大器 ( g ) ，隔离器( d ，保偏光纤分束器( 1 分4 ) ，受激布里渊散射( s b s ) 诊断，以及延迟线( 1 0 图1 - 6l m j 中光纤注入系统( f i s ) 结构 1 2 1 2 基于光纤脉冲堆积器的脉冲组合技术 光纤脉冲堆积器首先由日本大阪大学激光工程研究所在上世纪9 0 年代研制 g e k k o x i i 升级装置时提出并研制了样机2 1 2 2 1 ，在该系统中，采用部分相干啁啾 脉冲，克服了脉冲相干叠加问题。 r 蛔伽h 毒d o p 图l - 7 采用部分相干光源进行脉冲整形的前端系统 g e k k o - x i i 装置上采用的整形系统，其整形过程为：由n d ：y l f 锁模激光器 5 电子科技大学硕士学位论文 输出的激光脉冲经过单脉冲选出开关后，选出脉冲宽度为l o o p s 的单脉冲，通过单 模光纤啁啾调制和光栅对压缩后，脉冲的宽度变为1 5 p s ；在此基础上，利用光栅 对1 5 p s 的光脉冲进行频谱修整和延时展宽，输出脉冲宽度为5 0 p s 的平顶脉冲；将 得到的平顶脉冲输入到光纤中进行脉冲堆积，通过光纤脉冲堆积器后产生所需的 激光整形脉冲。光纤脉冲堆积器是由单模保偏光纤、光纤光束分光器、列阵可变 衰减器和光纤光束合成器构成的。输入的5 0 p s 方波平顶激光脉冲由多级光纤光束 分光器分光后变成多个激光脉冲，各个激光脉冲之间的延时通过光纤的长度来控 制。每个激光脉冲的强度通过列阵衰减器来调节，最后再通过光纤光束合成器来 将不同时间不同强度的激光脉冲合成一个满足物理实验要求的复杂形状的激光脉 冲，作为整形脉冲的基底预脉冲。从整形过程来看，g e k k o x i i 装置在以往脉冲 堆积的基础上进一步发展了光纤脉冲堆积技术，但整个系统造价昂贵，且损耗较 大，输出的整形脉冲较弱，需要高性能的放大器。图l 一8 是一个典型的光纤脉冲堆 积器。它首先将s o p s 的激光脉冲通过分光、延时和衰减调节、合成，最后得到符 合要求的整形激光脉冲。 1 2 2 国内概况 图1 - 8 光纤脉冲堆积器 我国新一代高功率激光装置的前端系统将采用全光纤光波导的全固化系统方 案【1 0 】。前期前端系统采用掺镱光纤单纵模激光器作为前端系统的主光源，经波导 相位调制器展宽频谱和波导振幅调制器在任意波形电脉冲发生器的驱动下调制产 生任意可编程整形脉冲，再经过掺镱光纤放大器获得瓦级脉冲输出，用单偏振光 纤传输至预放系统。正式前端系统于2 0 0 3 年开始建造，其总体技术方案是利用 1 0 5 3 n m 亚皮秒超短脉冲锁模掺镱光纤激光器作为系统的脉冲种子光源，利用窄带 光谱滤波或者色散展宽获得稳定的、且与超短脉冲同步良好的l o o p s 宽度的子脉 6 第章引言 冲，再利用这个子脉冲进行可编程脉冲堆积，以获得可任意编程整形的宽度为数 船的整形脉冲。该整形脉冲可以获得小于l o o p s 的上升前沿和下降后沿，同时具 有小于l o o p s 的整形调整精度。该整形脉冲还同时具有与亚皮秒超短脉冲的绝对同 步关系。前端系统能够方便地在输出窄频带和宽频带整形脉冲之间做出选择。 1 3 论文研究内容 前端系统是为整个放大链路提供初始脉冲的关键单元，它决定了到达靶面的 时域波形、波长以及谱宽，因此，精确的时间整形是对前端系统的关键要求。对 高功率激光器前端系统的物理问题进行预言和模拟可以验证前端系统的技术可行 性，为前端系统的研制提供重要的指导意见，验证和优化系统设计。本文的研究 的内容包括： 一、针对不同类型的前端技术方案，详细分析不同整形脉冲的时频特性，为 满足靶物理要求选择合适的脉冲参数。 二、研究系统中关键器件的工作原理及性能，并根据实际应用选择器件参数， 为系统优化提供理论基础。 三、分析不同整形方案中整形脉冲在光纤中的传输特性，了解影响脉冲的因 素，从而为后续系统提供具有良好特性的脉冲。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章脉冲调制型前端系统 n i f 和l m j 前端系统中通过脉冲调制技术从长脉冲中产生短脉冲从而实现脉 冲削波。对单纵模振荡器中产生的光脉冲进行相位调制，主要是为了抑制受激布 里渊散射( s b s ) 对大型光学元件的损伤以及匀滑焦斑。本章从相位调制脉冲的特 性出发，主要针对l m j 装置前端光纤注入系统，研究了光纤放大器的增益窄化效 应以及光纤中的色散效应对相位调制脉冲的影响，通过定义f m a m 转换因子对影 响结果进行量化，并分析了相位调制脉冲在一段两端均带有光纤连接器的保偏光 纤中的传输。 2 1 相位调制脉冲特性 将信息加载于激光的过程称为调制， 某一参量，使其按调制信号的规律变化， 如果能够利用某种物理方法改变光波的 那么激光就受到了信号的调制。实现激 光调制的方法可以分为内调制和外调制两种。内调制是指加载调制信号是在激光 振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出 特性以实现调制。还有一种内调制方法是在激光谐振腔内放置调制元件，用调制 信号控制元件物理特性的变化，以改变谐振腔的参数。外调制是指激光形成之后， 在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通 过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。外调制的调整方便，而且对激光器 没有影响。相位调制是指光载波的相位随着调制信号的变化规律而改变。 相位调制脉冲： a o ( f ) = e x p 川2 a f o t + m s i i l ( 2 万厶f ) + i ( 2 - 1 ) 4 ( 厂) = 以( m ) 8 ( ：- k 厶- 2 , r f o ) e x p ( i q ，o ) ( 2 2 ) k = - - 其中，如是信号中心频率，厶是调制频率，m 为调制度，痧。是脉冲初始相位； j k ( ，1 ) 是七阶贝塞尔函数，带宽m = 鲈鬈c = 2 ( m + 1 ) 厶碍知中集中了9 8 的 信号能量。 第二章脉冲调制型前端系统 为了抑制受激布里渊散射对元件的损伤，l m j 装置前端系统中采用调制频率 厶为2 g h z ，调制度m 为7 ，中心波长为1 0 5 3 n m 的相位调制脉冲，谱宽九为 0 1 2 n m 。 ll。! 图2 1 抑制s b s 的相位调制脉冲频谱 要对焦斑进行匀滑，l m j 采用厶为1 4 2 5 g h z ，调制度m 为5 ，中，t l , 波长如 为1 0 5 3 r i m 的相位调制脉冲，谱宽九为0 6 4 n m 。 ： ： l， w 孙爿g m r 图2 - 2 匀滑焦斑的相位调制脉冲频谱 当同时采用两种相位调制时，其频谱是两个频谱的卷积，谱宽为0 7 5 n m 。 二次相位调制脉冲： 9 电子科技大学硕士学位论文 口l o 焉戮= 篙涮戮篙搿楣p 3 ，= e x p f 2 万厶h - m s i n ( 2 万厶f ) + 力s i n ( 2 万z f ) + + 鲲 、 4 ( 厂) = 以( 川) 8 ( f - k f - 2 ，r f o ) e x p ( i e o ) 扣： ( 2 4 ) o 以( n ) - 万( s - k ) e x p ( i g i ) k = - - 其中，f m 是第一次相位调制的调制频率，m 为调制度，西。是脉冲初始相位；五 是第二次相位调制的调制频率，l 为调制度，咖，是二次相位调制脉冲的初始相位； 2 2f m - a m 转换因子 图2 - 3 二次相位调制脉冲频谱 在l m j 装置光纤注入系统中，光纤放大器的增益窄化效应以及在光纤中的色散 效应都会影响相位调制脉冲的振幅或者相位，使得相位调制转换为强度调制，这 一过程称为“f m a m 转换”，通常用f m a m 转换因子n 作为失真度判据。其定义为： 口：2 d m a x - - 2 d m i n ( 2 - 5 ) p 眦+ 其中，p m 戤和p i i i j n 分别为一个调制周期内脉冲强度的最大值和最小值。a 的范围 为0 - - 2 0 0 ，其理想值为0 ，此时无强度变化。 1 0 2 3 传递函数 为了具体的描述l m j 光纤注入系统中的主要元件如光纤放大器、色散补偿器以 及光纤对a 的影响，定义两个传递函数： 强度传递函数( 由于光纤放大器中的高增益引起的频谱窄化) 聃( ，一学h 一 a 2 忍4 式( 2 - 6 ) 中，为滤波器带宽， 为滤波器中心频率 ! 一、0 一j 一“j _ u p 曰j u h 瞻偈址y 一一一p一一p一一一一f - h f l o l 一一l 一一l 一一l - 一 。一一广一一r 一一r 一一r t 一一1 一一1 一一1 一一。 。一一l一一ll一一l_ - 一一一一一j 一一j 一一 一+ 广+ 一厂一r 一一r 1 _ - 一t 一一t 一一1 一一1 一一 一一一一i - 一一 一一4 - - - i_ _一4 - 一一+ 一一一一一一- u l 一一j 一一 rt一一t一1一一1一一。一一r一一r一一r一r ( 2 6 ) 一0 一“ r “一、k - wo p ，l u h 岫啮j t v 1t j k h 咖r 一广厂 貅 绷 一j ： 。1 一一1 一一。 _ 1捌mj犯一一 _ 0 删i j - j i 一 ： 耕 _ ，1 ( a )嘞 ( a ) 强度滤波器函数和一次相位调制脉冲频谱( 上) 和增益窄化引入强度调制( 下) ( b ) 强度滤波器函数和二次相位调制脉冲频谱( 上) 和增益窄化引入强度调制( 下) 图2 - 4 增益窄化引入脉冲强度调制 电子科技大学硕士学位论文 模拟中，我们取光纤放大器带宽为1 2 n m ，中心波长为1 0 5 3 n m 。当仅考虑抑制 受激布里渊散射时，采用调制度为7 ，调制频率为2 g h z 的相位调制脉冲，由于放大 过程中各个频率成分增益不均匀，输出脉冲的强度发生调制，f m a m 转换因子a 为0 2 ；当同时考虑抑制s b s 和焦斑匀滑时，由于入射脉冲谱宽较一次相位调制 脉冲频谱更宽，增益窄化效应更为严重，因此，输出脉冲的强度调制增大至7 2 。 相位传递函数( 由于光纤中的色散) h ( f ) = e x p ( - i z c 碍d f 2 z c ) 式( 2 7 ) 中，色散参量d = a ( 1 y g ) 务五l a ：厶p s ( n m 。k m ) ，心 ! l i n p u t s 呻加ni ? 一r 1p h 笛e一一 ! t r a n s f e r f u n c t i o nf 一1一一 ； - 一一 一一 ! i i i 一一l l i -一一- 一一j 一一j ；一j 一一 t l 、 1 一t 一一t 一一一一。1 i t f 、 一一一一一p 之一i 卜+ 一一+ - 产_ 一一。一一一 、i i 一一l 一且 ji k l 、 f 7 一i j j i 一i ? 气 “” _ 、制“ ( 2 - 7 ) 是群速度。 ( a )( b ) ( a ) 一次相位调制脉冲频谱、相位滤波函数( 上) 和引入的强度调制( 下) ( b ) 二次相位调制脉冲频谱、相位滤波函数( 上) 和引入的强度调制( 下) 图2 5 色散引入脉冲强度调制 1 2 第二章脉冲调制型前端系统 模拟计算中，我们取d = 5 5 p s ( n m * k m ) ，光纤长度为1 0 0 m 。光纤中的色散作用， 改变了入射脉冲各个频率成分的相位，使得输出脉冲发生畸变，强度出现调制。 对于一次相位调制脉冲，即仅考虑抑制s b s 时，出射脉冲的强度调制仅为0 7 ； 当两种因素均要考虑时，f m - a m 转换因子高达2 6 。可以通过光纤布拉格光栅来 补偿色散引起的脉冲失真。 2 4 相位调制脉冲在保偏光纤中传输引入的f m - a m 问题 在高功率激光器前端系统中采用保偏光纤( p m f ，p o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n g f i b e r s ) 来传输光信号，以维持其偏振态( s o p ，s t a t eo f p o l a r i z a t i o n ) 。 2 4 1 保偏光纤 单模光纤从严格地意义上来讲，并不是真正地单模传输，因为其中的基模实际 上含有两个相互正交的偏振模，可以分为沿x 方向的线偏振模和沿y 方向的线偏振 模，也可以分为沿左旋方向的圆偏振模和沿右旋方向的圆偏振模。 在光纤的形状为严格的圆柱形、材料为各向同性的理想条件下，基模含有的两 个偏振模具有相同的传播常数，x 方向偏振态的模式不会与正交的y 方向偏振态的 模式耦合，其合成光场是一个方向不随时间变化的偏振场、然而，由于光纤的实 际形状略偏离圆柱形以及材料各向异性的微小起伏，破坏了模式兼并，导致了两 个偏振态的耦合。 若入射脉冲激发两种偏振成分，由于群速度色散，这两种成分以不同的速率在 光纤中传输，因此脉冲在光纤输出端变宽，这种现象称为偏振模色散( p m d ) 。p m d 在时间上表示为同一脉冲的两个偏振态， 差，即群时延差d g d 。d g d 的单位为p s ； 在光纤内传输到同一位置处所用的时间 d g d 对多个波长测量的平均值即为单模 光纤的偏振模色散即p m d ，也称为一阶偏振模色散。引入偏振模色散系数，该系 数表示一个单位的光纤所对应的p m d 。在短距离的单模光纤中，由于模式间耦合 效应很小，光纤的p m d 系数为d g d l ，单位是p s k m 。在长距离的单模光纤中，由 于模式间耦合效应很强，偏振模色散系数表示为d g d ( l ) 1 2 单位是p s ( 1 r 血) 。在 l m j 及n i f 系统中，所采用的保偏光纤较短，因此光纤的p m d 系数定义为d g d l ， 单位茭t j p s k m 。 当在光纤中故意引入大量双折射，因而微小的、随机的双折射起伏不会影响光 的偏振，这种光纤称为保偏光纠2 3 掣】。n i f 和l m j 中采用保偏光纤是希望脉冲在光 电子科技大学硕七学位论文 纤中传输时，其偏振态不被改变。使用保偏光纤时，在线偏振光进入光纤以前， 需要鉴别光纤的快慢轴。若入射光的偏振方向与光纤的快轴或慢轴一致，则光在 传输过程中其偏振态保持不变；相反，若入射光的偏振轴与光纤的快慢轴成一夹 角，则在传输过程中，它将以偏振拍长为周期，连续的周期性地改变其偏振态。 保偏光纤以及光纤连接器的保偏能力是衡量其性能的关键参数，一般用偏振消 光比( p e r ，p o l a r i z a t i o ne x t i n c t i o nr a t i o ) 来描述。其定义为 p e r - g 毒 陋8 ， 其中，p 为信号在某一偏振态的功率，p 上为分布在垂直偏振态上的功率。 2 4 2 相位调制脉冲在保偏光纤中的传输 考虑相位调制脉冲在一段两端均有光纤连接器的保偏光纤中的传输。 偏振消光比的劣化除了光纤自身弯曲等原因之外，更重要的影响因素是光纤连 接器和光纤端面的劣化。实际上，光纤的偏振消光比通常超过5 0 d b ，但是光纤连 接器的偏振消光比仅为2 0 d b - - 2 3 d b 。2 0 d b 意味着信号1 的能量( 振幅的l o ) 在 另一光轴上传输，我们把这部分信号称为“鬼点”。偏振消光比的降低不仅会降 低光功率，而且会引起信号严重失真。由于保偏光纤中的d g d ，信号和“鬼点” 以不同的速度到达光纤的另一端。当两个偏振分量进入第二个光纤连接器时，偏 振消光比的劣化使得两个偏振态发生耦合。过程如图2 6 所示。 图2 - 6 相位调制脉冲在保偏光纤中的传输模型 1 4 第二章脉冲调制型前端系统 线偏振的相位调制脉冲首先进入光纤连接器，由于光纤连接器中偏振消光比较 低，则有一部分能量会分配至另一偏振分量( 这里忽略了光纤中存在的偏振消光 比问题，假设在光纤中传输时无偏振态之间的耦合) 。保偏光纤中的偏振模色散使 得两个偏振分量以不同的速度到达光纤另一端，然后进入第二个光纤连接器，存 在时延差的两个偏振分量又分别进行能量再分配，通过线性偏振片，x 偏振方向上 出现干涉。 光纤连接器以及保偏光纤对信号的作用可用传递函数来描述【2 5 1 日( ) = 1 + 志e x p 卜( 2 万弘f + 枷( 2 - 9 ) 其中，p e r = x p e r l - p e r 2 ，p e r l 、p e r 2 分别为两个光纤连接器的偏振消光比， t 为保偏光纤的群时延差，币为快慢轴之间的相位差，与环境温度、光纤所受的 压力、以及弯曲程度有关。 则输出脉冲为 叫f ) - 一彳( n h ( n e x p ( 勘) 矽 ( 2 - 1 0 ) = 口( f ) + f 主页- at 一f ) 。e x p ( 一f 缈) 对于一次相位调制脉冲，将式( 2 1 ) 带入式( 2 9 ) 得： ( f ) = e x p 0 砥h m 咖( 2 石厶f ) + v - a l l + 志唧心砒( t 一f ) + 妞( 2 矾( 卜f ) ) + 一伊 ) q d d 乙( f ) = 口( f ) 口t ) = l + 面1 + 面2 娜 2 万r o a r + r e s i n ( 2 万厶f ) 一m s i n ( 2 石厶。一f ) ) + 伊 ( 2 1 2 ) 讲丽1 + 试2c 0 6 2 硝a r + 2 m - s m ( 哗扣 2 矾( ，一耕田 考虑最简单情况，假设相位调制脉冲初始相位为0 ，保偏光纤两光轴之间的位 相差为0 ，两个光纤连接器的偏振消光比为最差情况且相等。且厶 五。则 l ( f ) = + 壶+ 去c o s 2 m 如( 万五f ) c o s 2 万厶( 卜等) ) ( 2 都) 由式( 2 1 3 ) 可以看出，影响输出脉冲强度的因素主要是光纤连接器的偏振消光 1 5 电子科技大学硕士学位论文 比、调制度、调制频率，以及群时延差。 当f a r 为整数时，k = k ，则此时口兰0 ； 当厶f 为其它值时，a 随光纤长度增加不断增加，当超过一定长度时，达到理 论极限值c l 一。 图2 7 相位调制脉冲的强度调制随光纤长度的变化曲线 k 小去+ 面2 ，2 m s i n ( 咄小十厶( r 一等) ：0 ，幼 小去一志，2 m - s i n ( 邢小o s b ( r 一等肛 则 = 2 e z 一- 瓦z 2 雨4 p e 丽r ( 2 - 1 4 ) 当光纤连接器的偏振消光比为最差2 0 d b 时，= 4 。司以通过提高偏振消光 比来降低出射脉冲的强度调制。 对于二次相位调制脉冲，将式( 2 3 ) 带入式( 2 - 9 ) 得 a , , a ( t ) = e x p i 2 ，r f o t + m s i n ( 2 n f t ) + n s i n ( 2 r r f , t ) + + 仍 l m 万五( 卜f ) 栅s i n ( 2