第11卷　第3期强激光与粒子束V o l.11,N o.3 1999年6月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S Jun.,1999　文章编号:　1001—4322(1999)03—0284—05激光脉冲在阶跃型多模光纤中的传输Ξ夏彦文1,　叶金祥1,　刘　华1,　苏春燕1　汤伟中2,　孔　梅2(1　中国工程物理研究院核物理与化学研究所,成都525信箱80分箱,610003)(2　浙江大学电信系,310027) 摘　要:　对紫外激光脉冲在阶跃型多模光纤中的传输特性,包括材料色散、模式色散、非线性效应、耦合方式、光纤功率支撑能力等方面进行了理论分析和实验研究。

结果表明,该光纤对p s量级脉冲的功率支撑能力有限,而对于n s量级的紫外脉冲,是一种较好的传输介质。

关键词:　紫外皮秒;　阶跃型多模光纤;　传输特性 中图分类号:　TN241 文献标识码:　A 激光脉冲时间特性是高功率激光装置功率平衡和精密物理实验不可缺少的一个重要参量,当前观测的主要手段是采用紫外条纹相机。

由于未来的惯性约束聚变驱动器将实行多光束打靶,将几十束取样光在空气路径中折返延时后同时耦合进条纹相机已不现实,况且取样光经反射镜多次折返传输后会产生一些不规则的干涉条纹,这将直接影响脉冲时间波形的测量精度,因此选用光纤作传输介质已势在必行[1,2]。

为了提高耦合效率,我们采用了多模光纤,因此模式色散对脉冲的延时失真和展宽作用不可忽略。

同时紫外脉冲在光纤中的模场分布将直接关系到光纤对脉冲功率的支撑能力,可能产生一些不希望的非线性效应。

基于以上考虑,我们首先从理论上对光纤传输色散因素进行了分析,在实验中采用比较激光脉冲经等光程的光纤和空气路径传输后波形差异的方法,分别在皮秒级和纳秒级激光器上开展了超短3Ξ激光脉冲在多模紫外光纤传输中的色散延时、时间展宽和相关的非线性效应实验。

1　光纤的色散分析 光脉冲在光纤中传输,将经历材料色散、波导色散和模式色散。

对于紫外脉冲,材料色散和模式色散是主要的。

实验选用国产纯熔石英紫外多模光纤,其芯径2a=540Λm,数值孔径N A =0.13,纤芯折射率n1=1.4769。

在上述参数下,计算出光纤的归一化频率Μ=2ΠaN A Κ=46. 68。

按模式数的近似计算公式[3],可得在光纤中可能传输的总模式数M=Π2(2Μ Π)2 8=1089。

设入射脉冲的频谱和时间波形均为高斯型,其1 e全谱宽为1TH z,1 e时间宽度为t0,其时间波形可表示为5(t)=50exp[-(2t t0)2](1) 1.1　材料色散 1TH z的谱宽对应的波长范围为∃Κ=4.086×10-4Λm,。

在0135Λm波长处d2n dΚ2= 11575 Λm2,远远大于1Λm波长处的0101 Λm2,所以预期此时的材料色散将较大。

按材料色散Ξ中国工程物理研究院院内基金资助课题1999年3月8日收到原稿,1997年5月12日收到修改稿。

夏彦文,男,1972年3月出生,研究实习员的计算公式[3],可知单位长度光纤带来的材料色散展宽约为0.75p s m ,当光纤长度l 为20米时,∃t =15p s (∃t 为脉冲响应时间半宽度)。

由于脉冲谱为高斯型,则由谱宽带来的材料色散对应的脉冲响应也是高斯型的,故经材料色散后的脉冲波形为<(t )=<0exp -2t t 20+(∃t )22(2)1.2　模式色散 模式间群时延展宽可近似表示为[3]∃t d =l c n 1-n 2n 1n 2-Κd n 2d Κ1-ΠV (3)式中,n1为纤芯折射率;n 2为包层折射率,可知单位长度的光纤对应的时延为16.94p s m ,当光纤长度为20m 时,∃t d =339p s 。

F ig .1　Pulse response of m ulti m ode fiber 图1　多模光纤的脉冲响应F ig .2　L aser pulse shape changing th rough a 12m 2long anda 202m 2long m ulti m ode step 2index fibers图2　紫外脉冲经2m 和20m 光纤后的脉冲形状 假设所有可能存在的模式被均匀激励,各个模式在光纤中经历相同的损耗,且不存在模式间的能量耦合,Gloge [4,5]说明模式间的相对延迟正比于由归一化截止频率Μ确定的模式次序m ,于是代表模式色散的脉冲响应曲线平坦,近似为一矩形函数,如图1。

将其与经历了材料色散的脉冲函数卷积,从图2的卷积结果可见,1p s 的脉冲经2m 长的光纤后,输出一宽度约为30p s 的平顶脉冲,经20m 长的光纤后,卷积结果为一宽度约为300p s 的平顶脉冲。

当脉冲宽度为100p s 时,经2m 光纤的卷积结果仍近似为一高斯脉冲,宽度仍近似为100p s 。

对于20m 长的光纤,输出一宽度仍约为300p s 的平顶脉冲,可见尽管紫外脉冲在光纤中经历较大的材料色散,但模式色散的程度仍远远大于材料色散,对光脉冲的影响非常严重。

当脉冲宽度为3n s 时,经5m 、10m 光纤后的卷积结果仍近似为高斯脉冲,宽度仍为3n s 。

以上是针对均匀激励且模式间无耦合的情况下进行的,在实际情况中,入射光激发的模式数量、低阶模向高阶模的扩散、模式间的随机耦合及自聚焦等非线性效应几乎不能定量描述,只有通过实验测定。

2　皮秒和纳秒量级3Ξ激光在光纤中的传输模拟实验 本实验采用将光纤传输的取样光与空气传输的取样光经等光程传输后同时引入条纹相机进行分窗测量的方法。

实验排布见图3,系统包括两台YA G 激光器,其输出脉宽分别为20～40p s 和约3n s 。

582第3期夏彦文等:激光脉冲在阶跃型多模光纤中的传输F ig .3　T he schem atic diagram of experi m ental arrangem ent图3　实验排布示意图 1Ξ光脉冲从激光器出来,经倍频器后产生3Ξ光。

为消除谐波转换后的2Ξ光和剩余基频光,采用了一块棱镜分光,其中一束3Ξ光经透镜聚焦后引入传输光纤,另一束经等光程的空气延时后同光纤输出的3Ξ光一并送入条纹相机。

为保证两束光功率一致,分别在两束光路上放置了不同的衰减片进行衰减。

实验采用日本C 1587201型紫外条纹相机探测,所用光纤为国产阶跃型纯熔石英多模光纤,选用了5、10、20、30、50m 等不同长度的光纤。

实验时逐步增大光纤注入光的光强,改变光纤的入射角度,光纤的弯曲度等耦合方式以观测这些因素对脉冲传输的影响,并且用OM A 4光学多道分析仪观测激光脉冲经光纤传输后的光谱变化。

3　实验结果及分析 由于影响实验结果的因素很多,如光纤长度、耦合方式以及入射激光强度、入射激光脉宽等都会对实验产生影响。

因此测试了不同条件下的脉冲时间特性。

图4为光纤长度分别为5、10、20、30m 的部分测试结果,图中横坐标为经空气传输后测得的脉冲半宽度(FW HM ),纵坐F ig .4　P ico second laser pulse broadening th rough 5,10,20,302m 2long step 2index m ulti m odem eter fibers .‘■’stands fo r theo retical values ,and ‘◆’stands fo r experi m ental data图4　p s 脉冲经5m (a )、10m (b )、20m (c )、30m (d )光纤传输后的脉宽展宽(N A =0.13)682强激光与粒子束第11卷标为经过等光程光纤传输后的脉冲全宽度。

当注入光强度<1MW c m 2,同时不断改变光纤的注入角度,这时经光纤传输后的脉冲波形宽度随光纤长度的增大而显著增加,图5为对应的典型脉冲波形。

当光纤较短时,脉冲响应近似为矩形函数,随着长度的增加,脉冲响应的前沿变陡而后沿较缓。

这主要是由于光纤的损耗带来的,因该光纤的高阶模数量多,低阶模比高阶模经过的光程短,这些高阶模比低阶模更容易从纤芯中损耗掉;又由于是弱光入射,模式间几乎不发生耦合,模式被均匀激励,当光纤长度较短时,尽管某些高阶模由于光纤的弯曲等原因损失较大,但仍能被条纹相机所探测,随着长度的增加,某些高阶模由于损耗太大而不能被条纹相机探测,因此就表现为输出波形的前沿比后沿陡。

同时由于光纤的耦合偏差,实际上经光纤传输的模式数要比理论值低得多,所以测得的脉宽值与理论值相比相差较大。

F ig .5　P ico second laser broadening in 5,10,20,302m 2long fibers .p lo t (1)responds to the output pulseafter a p ropagati on th rough fibers ,p lo t (2)responds to the output pulse after a p ropagati on th rough atmo sphere图5　脉冲波形图(其中(a )、(b )、(c )分别为激光经5、20、30m 光纤及等光程空气传输后的脉宽值)F ig .6　N ano second laser pulse p rofile th rougha 202m 2long step 2index m ulti m ode fiber图6　纳秒激光经20m 光纤传输后的波形(其中(1)为经空气传输后的波形;(2)为经光纤传输后的波形) 光纤长度不变,改变入射到光纤上的光强,实验观测到当注入光强度>102MW c m 2时,经光纤传输后的脉冲宽度不但未展宽,反而被压缩,表明该种光纤的功率支撑能力有限。

实验发现,皮秒量级的激光脉冲经光纤传输后的展宽量与注入脉冲宽度密切相关,脉宽较小的激光脉冲经光纤传输后脉宽的展宽量要严重。

对于纳秒级300脉冲光经20m 光纤传输后的脉宽,实验表明,这时光纤传输特性对激光入射角度、光强等耦合方式不敏感,经光纤传输后激光波形变化在2%以内,可以认为输出脉冲没有展宽,图6为典型的波形图。

表明对纳秒级3Ξ激光脉冲,该光纤可作为较好的测量用传输介质。

在实验中还发现,不管光纤输出的光强度如何,总是伴随有新频率的光。

用OM A 4测量频谱(图7)发现,除主频谱外,还附带有一个很宽(0.35～0.50Λm )的连续谱,呈不对称分布,其强度有时达到可与激光相比拟的程度。

产生这种情况的机理很复杂,是受激喇曼散射、自相位调制、互相位调制等非线性效应及模变换和散射等共同作用的结果。