（光学工程专业论文）光纤光栅的研制及中空光纤内的非线性过程.pdf

a b s t r a c t t h ew o r ko f s e u i n gu pt h ef i b e rg r a t i n gf a b r i c a t i o ns y s t e mi nz h c j i a n gu n i v e r s i t ) i sd e s c r i b e dw e f a b r i c a t e df i h e rg r a t i n g su s i n ga ne x c i m e rl a s e r ( k r fl a s e r ) a t2 4 8 n m b r a g gf i b e rg r a t i n g sa n d l o n gp e r i o dg r a t i n g sh a v eb e e nf a b r i c a t e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w nt h a to h f a b r i c a t i o ns y s t e mi sv e r ys t a b l e c o m p l e xg r a t i n gs t r u c t u r e sc a nb ef a b r i c a t e db ) 1t h es a r n es y s t e m i nn e a rf u j t t i r e 第一章光纤光栅的制作 第一节前言 光纤光栅是光纤纤芯中折射率周期性变化的结构( 见图1 - 1 ) ，芯层折射率的周j t o j 娈化 造成光纤波导条件改变和模式耦合，从而产生相应的透射和反射特性1 。光纤光栅具自汁多 优点，如制作简单、体积小、性能稳定可靠、易于系统及其他光纤器件连接等。光纤光栅是 一种频谱选择元件可以构成多种全光器件，如光纤激光器、光纤调制器、光纤滤波器、光 纤波分复用器、光纤分插复用器、色散补偿控制器件和e d f a 的增益平坦器件等。由 ：光纤 光栅的反射和透射特性对温度、应力等因素非常敏感，光纤光栅住传感器方面有着j 。阀的麻 用前景被用于压力传感器、温度传感器、湿度传感器、速度传感器以及浓度传感器等二。 因此，研制光纤光栅有着重大而深远的意义，其研制工作在国内外已经广泛而深入的开展， 并取得了不少重要结果。我在浙江大学博士后期问的工作主要是搭建制作光纤光栅的实验平 台，摸索制作光纤光栅的实验条件等。 f i b e l b r a g gg r a t i n g c f b g ) l o n gp e r i o dg r a t i n g ( l p g ) 手蝠 原理 图1 1 光纤光栅结构示意图 s l a n t e df b g 可5 一 = 刁乃牢= 一， 光纤光栅从本质上讲是一种光学衍射光栅( 图2 ) 其特性可用光栅方程来描述， ：i | j 心n 铲”s i n o t + m 妻 式中0 。、0 2 分别为入射和衍射光与法线的夹角，月为介质折射率，五是波长，a 是光栅 的周期，m 为衍射级次，通常一级衍射是主要的。 图1 - 2 光纤光栅衍射原理图3 按a 的人小，光纤光栅分为两类，一类是短周期光栅即通常所称的光纤布拉格光栅， 能量耦合发生在两个反向传输的模场中，是反射型光栅；另一类是长周期光栅，能苗耦台发 生在两个同向传输的模场中是传输性光栅。 光纤中模场的传播常数为= 2 册彬丑，其中”彬是有效折射率。令m = 一1 ，故写上 式为 p , - 肛等 、 此式为光纤光栅的相位匹配条件，届为入射模的纵向传播常数，照为m = - i 的级 衍射形成的模式纵向传播常数。对于短周期光栅，只有卢和晟必须符号相反才能满足相位 匹配条件。单模光纤中t 导模经过光栅后耦合到反向传输的同一导模中，即：= 一。相 位匹配条件变为 五= 2 珂耐a 满足上式的波长为布拉格波长五8 ，这时同一导模的正反向传播模式之间耦合，形成布 拉格反射。 对于长周期光栅卢。和磊的符号相同，且反 1 | 卫一l f oc一。一li口c=q300 esoco=cajoljoo 第三节非线性过程 利用充惰性气体的中空光纤内的非线性产生超短脉冲的原理如图所示 图2 ，7 利用充惰性气体的中空光纤内的非线性产生超短脉冲的胀理图 从飞秒放大器( 一般用的都是3 0 或者 3 0 f s 的放大器) 出来的脉冲被聚焦到充惰性气体 的中空光纤端面，脉冲在光纤内传播时，由于s p m 效应，脉冲的光谱不断展宽，而非线性效 应和色散引起的啁啾随后补偿如果色散补偿的很好，就可以得到接近付里叶变换极限脉冲。 由上述可知，输出脉冲的光谱宽度决定了最后得到的脉冲宽度。如果要得到小于1 个光学j 土j 期的脉冲，就需要将脉冲的光谱展宽到一个倍频程，并且能够实现在这么宣的光谱地i i j i 内的 色散补偿。色散补偿主要基于啁瞅镜技术、液晶调制器技术的发展和实时相位测景技术的发 展。 剧前提出的实验方案有以下几种：其一，利用一根细的中空光纤，一次将2 0 3 0 f sn 脉冲 光谱展宽到可以支持一个光学周期的脉冲，然后压缩。这种方法已经获得了最短3 4 f s ( 吱测) 的脉冲光谱划廊的宽度为3 f s 只包含了1 5 个光学周期。其二。利用鱼彳争变化晌中空光纤 展宽光谱。其三，利用分段的方案，将脉冲先展宽一定范田后，压缩，然后再展宽。冈为中 空光纤具有比较大的损耗，因此输出随长度指数的衰减。如果利用一根光纤一次性展宽一压缩 只可能用细的短光纤或者长的大尺寸光纤所以损耗极大。虽然利用这个方案已经得到了非 常短的脉冲，但是由于光纤的损耗很大，效率却很低。因此，第三种分段的方案成为今后发 展的趋势。k e l l e r 领导的小组已经通过两次展宽压缩获得了晟短3 8 f s 的脉冲。 补偿光谱范围这么宽的脉冲的色散，即使是精心设计的啁啾镜也不足以实现也敞的完全 补偿，a _ l f j 提出利用s l m ( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ，见图2 8 ) 在脉冲的谱平面上完成最厉的色 散补偿。 2 0 s lm ， i c _ 二)矜l s m匕g i g s l 【曩 _ 图2 - 8s l m ( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ) 原理圈。g 是光栅，s m 足球血镜 列于小于l o t s 的脉冲，怙统的自相关测量方法已经不再适用，目前最常见的是f r o g 和 s p i d e r 两种技术，通过测量位相和光谱来确定脉冲的宽度。因为s p i d e r 测量脉冲的州候需 要的脉冲能量小，且算法简单快捷可以实现实时监测和反馈，所以一般用s p i d e r 的方法来 测量压缩后的脉冲宽度。 充惰性气体的中空光纤内的非线性过程主要包括s p m 效应、拉曼效应、损耗和色敞等闻 素各个参数互相影响。增加了此过程的复杂性。首先研究一下描述这个过程所麻该应用的 方程。由于光谱宽度最终会展宽到小于两个光学周期，所以色散的泰勒展开近似和慢变振幅 近似等都不十分适合描述这一过程的最佳方程应该是前向麦克斯韦方程8 其在延迟坐标系 情况下的形式为： 掣= 小争南小脚南削呲脚) 考虑场的形式可以写为五g ，y ，：，0 9 ) = 户g ，y ，甜征0 ，甜) 。其中户满足下面的方稗 户+ 七0 ) 2 f = 夕0 ) 2 户 白) 是具有复数形式的传播常数。 2 5 2 6 奉义主要是在忽略自聚焦和高阶模式耦舍情况下对基模进行求解和分析。考虑到a r 的电 离能和自聚焦闽值比较高。分析主要以a r 为主。从上面的分析可以看到，“1 脉冲被聚焦到光 纤直径2 3 的大小时耩合效率最高。这也是实际实验的耩合参数。理论上大约9 8 的能帚会 进入光纤当光纤直径比较大的时候。也可以认为实际进入光纤的能最为9 8 。但是“1 光纤 、 直径比较小的时候，计算一般会设定实际进入光纤的能量为9 0 。 s p m 引起的光谱展宽是对称的，因此光谱的明显不对称性来源子自陡峭的影响在没有 自陡峭的情况下即使对于直径很小损耗极大的光纤。光谱在长波长方向的展宽总是h j j 显大 2 l 于考虑自陡峭影响的情况。 w a v l l e n g t h ( p m ) 匿2 - 9 自陡峭使得光谱展宽变得极为不对称 其次，研究一下使用变直径的中空光纤是否具有显著的优越性。如图2 1 0 所示，i r l 为损 耗和色散的双重影响，脉冲的峰值功率会随传播距离增加而降低，如果采用锥形光纤( t a p e r e d f i b e r ) 直径的缩小使得脉冲的峰值功率随传播距离的增加而增加补偿了色散和损耗引起的 峰值功率的降低，因此脉冲被展宽的宽度比起直光纤来说有着明显的增加。因此，锥形光纤 的使用提高了脉冲光谱展宽的效率。但是锥形光纤会在输出端引起额外的发散。 ”i e n g 廿l 岬】 图2 1 0 锥形光纤( 入射端直径5 0 0 微米，出射端直径3 0 0 镑i 米) 与直光纤的比较 如果用一段光纤光谱展宽压缩得到小于5 f s 的脉冲。必须采用比较细的光纤和比较短n 勺 脉冲细光纤的损耗必然很大。因此分段光谱展宽一压缩是最好的途径。分段光谱展宽爪缩如 一3粤参5芑一 一)一备甚c芒一 果从1 3 0 f s 开始分两段或者三段光谱展宽，压缩就意味着一般的商用c p a 也可以作为小于 5 f s 的脉冲源，这极大拓宽了这技术的应用和科研前景。我们设计和优化的实验参数是按照 这一目标进行的。我们预计，第一段将脉冲压缩到2 5 f s 左右，第= 段。将脉冲压缩 l j 5 f s ： 或者第一段将脉冲压缩到4 0 5 0 f s 左右第二段，将脉冲压缩到1 0 1 5 f s ，第三段，将脉冲 压缩n 5 f s 。关键是最后一段的参数，但是选择台适的参数使得前两段光谱展宽后能够通过啁 啾镜压缩到付里叶变换极限脉冲也是十分必要的。此外，除了光纤的损耗外，每次压缩n 0 损 耗也是必须考虑的。因此。色散补偿元件必须选用宽带啁啾镜，除了可以设计也敞曲线史好 地补偿色敞“i 缩脉冲外，啁啾镜的损耗很小( 小于1 ) 也是最大的优点之。s l m 的损j c 很 大，但是可以补偿啁嗷镜也不能补偿的残余色散，做为最后精确补偿也散的元件也是必小_ j 少的。下面的例予是分两段获得小于5 f s 脉冲的例子。第一段获得2 5 f s 的脉冲，第段获得小 于5 f s 的脉冲。自陡峭引起的脉冲波形变化在图2 1 2 中可以很明显地看到。 w a v e l e n g 仇( m ) t i m e f 悔) 圈l i 第一段。脉冲被展宽压缩到2 5 f s 伸j o ，j oo：，j ；导害nc一 w a v e l e n g t h ( p r o ) w a v e l e n g t h ( 1 m ) 图1 2 第二段，脉冲被展宽压缩至- e j s f s 还可以分二次来压缩脉冲，但是最主要的是最后一段的脉冲n 勺参数选取。冈此，我们需 要研究一下中空光纤石英玻璃窗口的色散对光谱展宽的影响。如果入射脉冲的脉宽是2 0 f s ，如 图，o 5 m m 和l m m 的石英玻璃窗口的色散对光谱展宽的影响很小，几乎可以忽略。这个结果 在实验中已经得到证明，对于3 0 f s 的脉冲，引入一定的负色散补偿石英玻璃窗口与_ i 引入的 时候相比，展宽的光谱没有变化。但是如果采用分段展宽压缩方案，晟后段的输入脉冲的 宽度一般只有l o f s 或者更短，此时石英玻璃窗口的色散的影响就不能忽略。如图2 】4 刈于 l o t s 的脉冲1 m m 的石英玻璃窗口的色散已经带来显著的变化，对于小于1 0 f s 的脉冲，1 1 1 1 1 1 1 的石英玻璃窗口的色散足以使得脉冲光谱展宽的宽度减小到无法接受的程度，冈而预先补偿 色散是必需的。 ” 佃 o o _ ： 一ee-s口c2l 一)一x=mc芒一 w a v e l e n g t h ( m ) 图1 3 入射脉冲2 5 f s 时石英玻璃窗口色散的影响 w a v e l e n g t h ( m ) 图1 4 入射脉冲l o t s 时石英玻璃窗口色散的影响 第四节展望 目前通过中空光纤得到的最短脉冲为2 8 f s ，进一步的目标就是获得小于一个光学剧期的 脉冲，然而。列于得到小于一个光学周期的脉冲。对入射脉冲还有一个特别的要求，就是要 求入射脉冲的载波包络相位( c a r r i e r - e n v e l o p e - p h a s e c e p ，定义如图2 - 15 ) 是恒定的。振荡 器输出的脉冲的载波包络相位恒定技术已经相列成熟，而放大器输出的脉冲的载波包络相化 恒定技术还在探讨和发展中。飞秒超短超强脉冲的发展趋势就是c e p 恒定的小于5 f s 的毫焦 级脉冲。 2 5 _rr日一i!sc卫e 习b)jiclu 图1 5 载波包络相位定义。脉冲强度包络用虚线表示载波电场用实线表示。西是电场峰值与脉冲包绗峤值 之间的相位。 第五节总结 本论文理论分析了通过充惰性气体的中空光纤展宽脉冲光谱获得超短脉冲的非线性过 挥。论文从光纤参数和非线性过程两方面分析了各种参数对撮后得到的超短脉冲的影口吼汁 算表明，t a p e r 的光纤有利于补偿损耗和色散带来的峰值功率的降低，从而得到比较宽的光谱。 如果采用分段光谱展宽压缩的方法，由于最后一段的输入脉冲很短。只有十几飞秒甚至于几 7 p 飞秒，光纤参数的选择甚为重要，预补偿石英玻璃窗口的色散甚至于空气的色散是1 分必 要的。计算表明利用分段光谱展宽压缩的方法，可以使得一般的商用c p a 成为理赳! n 小于 5 飞秒的超短脉冲源。 第六节参考文献 1 a n d r i u sb a l t u k a t a k a of u j i 、t a k a y o s h ik o b a y a s h i ，v i s i b l ep u l s ec o m p r e s s i o nt o4 f sb yo p t i c a l p a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o na n dp r o g r a m m a b l ed i s p e r s i o nc o n t r o l ”o p t l e n v o l 2 7 ，p 3 0 6 ，( 2 0 0 2 ) 2 m n i s o l i s d es i l v e r s t r i ，o s v e l t o ，a p p l p h y s l e t t ，v 0 1 6 8 ，2 7 9 3 ( 1 9 9 6 ) 3 k y a m a n e zz h a n g ，as u g u r o ，r m o r i t aa n dm y a m a s h i t a ，o p tl e f t2 8 ，p p 2 2 5 8 ( 2 0 0 3 ) 4 k e i s a k uy a r n a n e ，t o s h i h i k ok i t o ，r y u j im o r i t aa n dm i k i oy a m a s h i t a ，”2 8 - f st r a n s f o r m - l i m i t e d o p t i c a l - p u l s eg e n e r a t i o ni nt h em o n o c y c l er e g i o n ”，c l e 0 2 0 0 4 5 b s c h e n k e l jb i e g e a a n du k e l l e r ，c v o z z i m n i s o l i ，g s a n s o n e ，s s t a g i r a ，s d es i l v e s t r i a n do s v e l t o ”g e n e r n i o no f 3 8 f sp u l s e sf r o ma d a p t i v ec o m p r e s s i o no f ac a s c a d e dh o l l o , a f i b e r s u p e r c o n t i n u u m ”。o p t l e t t 2 8 ，p p 1 9 8 7 ( 2 0 0 3 ) ， 6 e a j m a r c a t i l i r a s c h m e l t z e r , b e l ls y s t t e c h j4 3 ，p 1 7 8 3 ( 1 9 6 4 ) 7 m j a d a m s ，“a ni n t r o d u c t i o nt oo p t i c a lw a v e g u i d e s ”( c h i c h e s t e re d w i l e y i9 81 ) 8 a v h u s a k o ua n djh e r r m a n n 。s u p e r c o n t i n u u mg e n e m t i o no fh i g h e r - o r d e rs o l i l o n sb yf i s s i o ni n p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ”，p h y s r e v 1 e t t ，v o l ，8 7 ，p 2 0 3 9 0 1 ( 2 0 0 1 ) 致谢 感谢合作教授何赛灵教授在我博士后期间所给予的支持和帮助何赛灵教授积极丌拓、 乐观向上的精神时时刻刻鼓励着我在学术上不断进取，虽然我在浙江大学光电系光与电 融波 中心这两年来的工作还远远不够深入，但是这两年的经历给了我许多历练，刈我的学术生湃 有着深远的影响和促进。 感蹦中心的张i 坷平博士、陈洪璎副教授、沈林放副教授、马养武教授、童利民浏教授、 土静环副教授、胡鑫松技术员，以及物理系陆璇辉教授、上光所邱建荣研究员的指甘和? ! i t u j ， 感谢办公室的陈素贞、陈海波的帮助，感谢信息学院研究生科王秀萍老师和校博1 ：后办公宅 彭玉生老师的帮助。 感谢黄雯、丁金妃、严金华、管祖光、陈学文、宋健飞、俞钢、韩一石、范传亮、金梦 笔、柬军、朱凝、肖三水、何金龙、强则煊、余俊等同学的帮助。 感谢中心所有的老师、博士后和同学在平目所给予的点点滴滴的帮助，这里i i 能列 举，感谢大家! 博士后期间发表的学术论文清单 廑釜直，朱车，何赛灵“刻蚀衍射光栅解复用器的偏振色散分析”半导体学报，t 已 录用) 2 j u n s o n g ，d o n g q i n gp a n g ，s a i l i n gh e ，“ap l a n a r