激光技术-第八章.ppt

8.4单模光纤的偏振和双折射,8.4.1单模光纤的偏振特性8.4.2单模光纤的双折射8.4.3偏振型单模光纤,8.4.1单模光纤的偏振特性,理想单模光纤的模式是HE11模，它是线偏振的，偏振方向为光纤的径向。在光纤截面上建立x-y直角坐标后，任一径向的偏振可用两个独立的偏振分量HEx11和HEy11来表示。在理想条件下，这两个偏振分量的传播常量相等，即=x-y=0。在传播中两个分量始终保持同向，始终合成为原来的径向偏振状态。也就是说，HEx11和HEy11模是简并的，如图8.4-1所示。由于两个模是独立的，所以互不影响。例如，在光纤端面只沿x轴激励HEx11模时，光纤中不会出现HEy11模，反之亦然。如果沿轴之间的方向激励HE11模，则光纤中始终存在着HEx11和HEy11模，它们的幅值比沿光纤不变。,对任何实际光纤，理想条件（圆截面、笔直和无缺陷）很难存在。为便于说明问题，研究呈椭圆形截面的均匀笔直光纤，如图8.4-2所示。在这种情况下，将有两个优先的偏振方向：一个是椭圆截面的长轴方向，另一个是短轴方向，在图中分别由a轴和b轴表示。显然，除了沿x轴或y轴注入光纤的线偏振光以外，按其他角度方向注入的线偏振光，都将以HEx11模和HEy11模传播。由于ab，这两个模的传播常数不再相同，沿z传播过程中不再保持同相，从而产生了合成模的偏振状态变化。即=x-y0，产生了合成模的偏振演变，简并状态消失。,我们知道，两个正交分量合成的偏振态由它们的相位差决定。HEx11和HEy11正是两个正交分量，显然，合成模（合振动）的偏振状态由传播相位=l(8.4-1)决定，当=0时，为线偏振光；当=/2且二分量振幅相等时，则为圆偏振光；当=时，变为线偏振光，但偏振方向转过/2角度；当=3/2时,又变为旋转方向相反的椭圆偏振光.当=2时,恢复到原线偏振状态,如图8.4-3（a）（e）所示。在沿光纤保持不变，即均匀双折射条件下，上述偏振演变过程将周期重复下去。显然这个重复周期反映了椭圆截面光纤的固有特性。,在偏振的一个重复演变周期内,模式传输所走过的距离定义为单模光纤的拍长=2/（8.4-2）从式可见，愈小，则愈大。如果光纤中的光强足够强，以致在暗室内也能用肉眼看到纤芯-包层的散射光的话，那么就能观察到这种散射光光强沿光纤长度的明显周期性变化，如图8.4-3右边图形所示，在=0或2是时，为暗区；当=时，为亮区。暗区之间的距离就是拍长。根据电磁理论中电偶极子的辐射图可以说明这一现象：在偏振方向上（等效为电振动偶极子方向）辐射最小，垂直于偏振方向的方向上辐射最强，所以，在=0或2处最暗，而在=处最亮。,结论：以上是认定为常数是单模光纤偏振演变的情况。在实际问题上不一定为常数，下面讨论产生随机变化的原因，然后给出控制的方法和特殊光纤的概念。,8.4.2单模光纤的双折射,光的偏振与光的双折射是介质光学各向异性的两种表现。简单地说，单模光纤的双折射是指两个本来简并的模式的传播常数出现差异的现象。双折射的表示方法有多种，最简单的方法是用或B参数（归一化双折射系数）表示，即B/av=(nx-ny)/nav(8.4-3)式中nav表示单模光纤的平均折射率。如果用B表示拍长，则=2/=2/（avB）（8.4-4）通常拍长在10cm2m之间，这给实际应用带来了困难。,产生双折射的主要因素有：（1）单模光纤截面椭圆度。（2）单模光纤弯曲。光纤弯曲的三种效应：a.轴线弯曲；b.弯曲引起纤芯椭圆度；c.光弹效应产生的应力双折射。（3）单模光纤的扭转。（4）单模光纤电（磁）光效应。,结论：产生光纤双折射的原因很多，这对于光纤用于敏感元件时既有利也有害。例如，在相位干涉型传感器中，希望偏振保持不变，不希望产生双折射效应，在偏振型光纤传感器中，希望双折射效应明显，不希望光纤内双折射产生干扰，于是出现了偏振型单模光纤技术。,8.4.3偏振型单模光纤,下面是两种不同特性的偏振型单模光纤：1.低双折射单模光纤如果设法改善工艺水平，使纤芯椭圆度和内应力减少到最低限度，那么应力双折射和几何双折射都将降到很低水平，相应的拍长将达到百米以上，称之为低双折射光纤。a.理想圆对称光纤。b.旋转光纤。,2.高双折射单模光纤这里与低双折射单模光纤正好相反，需要尽可能高的双折射。因为线偏振态传输模基本不变，高双折射单模光纤又称为偏振保持光纤，简称保偏光纤。a.利用非轴对称产生高的双折射，如椭圆芯光纤、边坑、边隧道型光纤，如图8.4-4（a）、（c）、（g）、（h）所示b.利用各向异性分布产生的应力双折射，如椭圆包层型、熊猫型、领结型、扁平包层型光纤等，如图8.4-4（b）、（d）、（e）、（f）所示,8.5光纤中的非线性效应光纤孤子,8.5.1光学孤子的物理概念8.5.2色散介质中的双曲方程8.5.3非线性薛定谔方程,8.5.1光学孤子的物理概念,光孤子的物理概念：孤子在早期称为孤立波。简单的说，光孤子是能量或物质的特定的一种传播形式，是一种特殊的电磁波，可以长距离地无畸变传输，而且互相碰撞之后各自保持独立。光纤中光孤子产生的机理：光纤色散与光纤自相位调制（SPM）两种因素制约的结果。色散效应使一个脉冲波形散开，该波形的不同频率分量的传播速度不同；而光纤的非线性效应又使脉冲的前沿变慢、后沿变快。二者相互制约，就可能使脉冲波形保持不变的传播，形成光学孤子。,现考虑一个脉冲在光纤中的传播，如图8.5-1（a）所示。由于非线性光学克尔效应，光纤的折射率可写成n=n1+n2I（8.5-1）式中I为光强，n2约为3.210-16cm2/W。虽然n2值很小，但是由于光纤中的光波约束在极小截面的纤芯中传播，因而光场相当强，而且因光纤很长经传播距离L后产生非线性光学效应，称为光波在光纤中的“自相位调制”。附加相位移为=（2/0）n2IL（8.5-1）可见，不同强度的脉冲分量其相速不同，相位偏移不同。显然脉冲部分红移-频率降低；而脉冲后沿部分蓝移-频率增高，即脉冲频域加宽。图8.5-1（b）表示发生的频率偏移。,现在再考虑色散的影响。当光纤具有负色散时，（即群速随频率的升高而大），频率较高的脉冲后部将超前，而频率较低的脉冲前部将迟后，将导致脉冲变窄，如图8.5-1（c）所示。结论：上述模型虽然能定性解释简单的脉冲变窄现象，但不足以说明奇异的脉冲成形过程及光学孤子。还必须写出并求解描述脉冲包络形状演变的非线性微分方程。,8.5.2色散介质中的双曲方程,首先考虑单色平面波在单模光纤中的传播。单模光纤中存在互相正交的线偏振模HEx11和HEy11，实际的传播模式的偏振性质由输入激发光所决定。假设输入激发光的模式是x向偏振的，其空间关系可写为Ex=a（z）E（x，y）（8.5-3）式中，E（x，y）为功率归一化的本征模场分布；a（z）为其相位振幅系数，写作a（z）=Ae-j（）z（8.5-4）传播常数是光波频率的函数，于是，可以写出关于a（z）的微分方程a/z=-ja（8.5-5）,现在再考虑一个光脉冲在单模光纤中的传播。假如输入激发光具有一窄的谱宽，其中心频率为c，则可将传播常数（）在=c附近展开为则式写成a（z，）a（z，）a（z，）的时空关系由傅立叶变换得到，为,如果a（z，）的频谱很窄，则可方便地将其表示成（-c）的函数，并引进一个快变的空间相位因子e-j（c）z，写成其中A（z，-c）是波的复包络，它是z的缓变函数。取式（8.5-9）的傅立叶变换即可得到时空关系的包络函数A（z，t），即,利用式（8.5-10）定义的复包络A（z，-c），从式（8.5-7）得到再利用傅立叶变换关系式的到式的反傅立叶变换式中，是群速的倒数。,结论：如果式（8.5-13）右边项为零，包络A（z，t）将以群速vg传播而不发生畸变；而若这一项不为零（即d2/d20），由于它是虚数，将影响波的传播相位，使脉冲产生畸变。式（8.5-13）即为著名的双曲方程，这是研究光脉冲在色散介质中传输的基本方程。依据这一方程，可解释超短脉冲在传播中的脉冲展宽或压缩问题。,8.5.3非线性薛定谔方程,现假设单模光纤的介电常量受到某种扰动，使纤芯折射率n1变为n=n1+n，则传导模式的传播常数将相应地改变。在远离截止条件下，k0n1则因此，传播常数的展开式（8.5-6）中应加进这一项，即得,这里我们将代换为c，将（）代换为（c）。仿照式（8.5-6）（8.5-13）的推导，引进包络函数A（z，-c），并利用式（8.5-12）进行傅立叶变换，得到非线性方程在上述推导过程中，并没有指明折射率的扰动是怎样产生的。现假设n是由于脉冲通过光学克尔效应引起的，即,则式（8.5-17）变为,再做变量代换,则式（8.5-19）变为标准的非线性薛定谔方程：,式中第二项为色散项，第三项为非线性项。,在负色散即（d2/d2）0条件下，式（8.5-21）的允许解可以是稳定的双曲正切型脉冲，称为暗孤子。暗是指背景是亮的，有一个“黑暗”的脉冲以特定形式传播。相对而言，负色散条件下的光孤子称为“亮孤子”，即背景是暗的，有一个亮的光脉冲以特定形状传播。,8.6光纤连接耦合技术,8.6.1光纤的处理与连接8.6.2光纤的光耦合8.6.3光纤的分光与合光装置,8.6.1光纤的处理和连接,(1)光纤的切断方法光纤与光源或探测器耦合时,为了提高效率,光纤端面应该抛光成镜面,且垂直于纤芯端面切割的简便方法是使用光纤切割刀具,如图8.6-1所示。,（2）光纤与光纤的连接光纤之间的连接分为永久性连接和活动性连接两种。永久性连接，一般分为粘接剂连接和热融连接两种方式。不管哪一种方式，都需用V型槽或精密套管，将两光纤轴心对准，再加进粘接剂并使之固化；或用二氧化碳激光器，电弧放电等热源熔融光纤对接部，冷却后光纤就可连接起来，如图8.6-2所示，这种接头损耗已达到0.1dB水平。顺便指出，在光纤连接中，出现图8.6-3中所示的任何一种连接偏差，都会引起连接损耗。图中（a）、（c）、（f）、（g）引入的插入损耗最大。在有关书籍或资料中可查到有关计算公式或实验数据。,图8.6-3光纤连接可能出现偏差（a）轴偏离；（b）端面间隙；（c）轴夹角；（d）端面倾斜；（e）端弯曲；（f）芯径偏差；（g）折射率不匹配；（h）端面粗糙,8.6.2光纤的光耦合,所谓光纤的光耦合是指把光源发出的光功率最大限度地输送进光纤中去。这是一个比较复杂的问题，涉及光源辐射空间分布、光源发光面积以及光纤收光特性和传输特性等等。这里仅介绍一些耦合方法及其实用性技术，光纤耦合的方法有三种，分别是直接耦合，透镜耦合，光纤全息耦合。,（1）直接耦合就是把一根端面为平面的光纤直接靠近光源发光面放置，如图8.6-4所示。在光纤一定的情况下，耦合效率与光源种类关系密切。直接耦合效率低，为了提高耦合效率，一种办法是在光源与光纤端面之间插入一个透镜，称为透镜耦合,（2）透镜耦合对于朗伯型光源（例如发光二极管），不管中间加什么样的光学系统，它的耦合效率不会超过一个极大值：max=a（Sf/Se）（NA）2（8.6-2）式中a为系数。上式表明，当发光面积Se大于光纤接收面积Sf时，加任何光学系统都没有用，最大耦合效率可以用直接耦合的方法得到。当发光面积Se小于光纤接收面积Sf时，加上光学系统是有用的，可以提高耦合效率，而且发光面积愈小，耦合效率提高愈多。,在以上这个准则下，有如下一些透镜耦合方式。a.光纤端面球透镜耦合。b.柱透镜耦合。c.凸透镜耦合。d.自聚焦透镜耦合。e.圆锥形透镜耦合。（3）光纤全息耦合由于光全息片可以将光的波前互相变换，因此可以用来作为一种光纤耦合器。,图8.6-10全息透镜耦合（a）制作过程、（b）耦合作用,图8.6-11使用全息耦合器的光纤传感器（a）马赫-曾德干涉仪；（b）Sagnac干涉仪,8.6.3光纤的分光与合光装置,光纤将光束由一束变为两束或由两束变为一束，起这种作用的装置称为分光器或合光装置。光纤分光与合光装置有助于光学系统的初步集成化。图8.6-12所示为近期开发的一些光纤分光、合光装置。图8.6-12（a）、（b）所示是光束聚焦型，合光损耗在3dB左右；图8.6-12（c）、（d）所示为半透半反型，损耗在3.7dB左右；图8.6-12（e）、（f）所示为波导耦合型，损耗在5dB左右；图8.6-12（g）所示为分布耦合型，损耗在3.7dB左右，图8.6-12（h）、（i）所示为部分反射型，损耗在4.7dB左右。,8.7激光大气和水下传输,8.7.1大气衰减8.7.2大气湍流及非线性传播效应8.7.3激光水下传输特性,8.7.1大气衰减,激光辐射通过大气时，由于大气中存在着的各种气体和微粒，如灰尘，烟雾等，以及刮风，下雨等气象变化，使部分光辐射能量被吸收而转变成其他形式的能量（如热能）；部分光辐射能量则被散射而偏离原来的传播方向（即辐射方向重新分配）。吸收和散射的总效果使传输的光辐射强度受到衰件，这就是所谓的大气衰减。设强度为I的单色光辐射，通过大气中厚度为dl的薄层，如图8.7-1所示。在出现非线性效应之前，其衰减量dI正比于I及dl，即dI/I=（I-I）/I=-dl。积分后得T=I/I0=exp（-L0dl）（8.7-1）,假定上式可简化为T=exp（-l）（8.7-2）式中，T为传输距离L上的大气透过率（%）；I0与I分别为通过距离L前、后的光强；为大气衰减系数（1/km）。此即描述大气衰减的朗伯定律，表明光强随传输光程的增加呈指数规律衰减。因为衰减系数包含吸收和散射两种独立的物理过程，所以，可表示=km+m+ka+a（8.7-3）式中，km和m分别为大气分子的吸收和散射系数；ka和a分别为大气溶胶吸收和散射系数。故对大气衰减的研究显然可归结为对上述四个基本衰