CN112729773A - 一种微纳光纤色散测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微纳光纤色散测量方法。本发明利用拉锥光纤的非线性系数和色散与拉锥光纤的芯径相关，从而增益系数由拉锥光纤的芯径以及泵浦光的波长确定的原理，采用显微镜测量得到的拉锥光纤的芯径作为待测量的拉锥光纤的芯径的预估值，拉锥光纤的芯径的预估值与真实值的误差通常在百nm，这样的误差对拉锥光纤的非线性系数影响不大，在计算时固定非线性系数为芯径的预估值下的值，通过调整二阶色散的值，使得在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线与实验数据相一致，从而精确获得待测量的拉锥光纤的色散值；进一步获得拉锥光纤的芯径的真实值。

Description

一种微纳光纤色散测量方法
技术领域
本发明涉及激光领域，具体涉及一种微纳光纤色散测量方法。
背景技术
光纤是传输光的低损耗媒介，是人类的伟大发明之一。光纤制备是将较粗的预制棒拉细到常规直径光纤。而光纤的拉锥则是将常规的光纤进一步加热拉细，拉锥是一种重要的光纤后处理技术。拉锥技术可以改变普通光纤传输光线的直径，从而调节光纤的群速度色散、非线性系数等光学关键参数。由于光纤进一步的拉细，减小了光纤中传输光的横截面积，因此可以增大光纤中的光强，增强非线性效应，从而大大缩短了所需的光纤长度，这对非线性的研究具有重要意义。
拉锥技术产生的光纤称之为非线性光纤，非线性光纤的芯径大小是改光纤的重要参数，芯径不仅决定了光纤的非线性系数，而且还决定了光纤的色散。目前常用的方法是将制备好的非线性光纤放在显微镜下进行测试，由于非线性光纤是通过加热光纤芯径拉伸制备，该光纤是裸纤，没有任何的保护层，非常脆弱，放在显微镜下观察会直接损坏该光纤。因此目前测试方法是利用可控的拉锥方法制备好非线性光线后，经过显微镜测量光纤芯径，然后再用相同的拉锥方法制备光纤，新制备好的光纤认为和之前制备光纤芯径相同。由于拉锥过程总会有些差异，因此不能保证每次拉锥出来的芯径是完全相同的，这种测量存在一定的误差。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种微纳光纤色散测量方法。
本发明的微纳光纤色散测量方法，包括以下步骤：
1)利用可控的拉锥方法制备好拉锥光纤后，经过显微镜测量拉锥光纤的芯径a，然后再用相同的拉锥方法制备得到待测量的拉锥光纤，以显微镜测量得到的拉锥光纤的芯径作为待测量的拉锥光纤的芯径的预估值；
2)在待测量的拉锥光纤的输入端同时输入信号光和设定波长的泵浦光，在待测量的拉锥光纤的输出端测量信号光的增益；
3)在泵浦光的设定波长处，测量得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率变化的实验数据；
4)将步骤1)得到的待测量的拉锥光纤的芯径的预估值，代入非线性系数的计算公式，计算非线性系数γ：
Figure BDA0002938902170000021
Figure BDA0002938902170000022
其中，d为拉锥光纤的直径，d＝2a，n2为光纤非线性折射率系数，n1为包层折射率，k0＝2π/λ为真空中的传播常数，V为非线性系数的中间参数，λ为波长；
拉锥方法制备的非线性的拉锥光纤的色散β满足以下方程：
Figure BDA0002938902170000023
Figure BDA0002938902170000024
Figure BDA0002938902170000025
其中，U为色散的第一中间参数，W为色散的第二中间参数，Jv为第v阶第一类贝塞尔函数，Kv为第v阶第二类修正贝塞尔函数，v为激光模式，求解色散方程，获得拉锥光纤的色散β，在获得拉锥光纤的色散β的情况下，根据色散的定义获得二阶色散β2：
Figure BDA0002938902170000026
ω＝2πc/λ
其中，ω为角频率，c为光速，根据二阶色散β2获得光纤色散系数D，D是实际工程应用中常用的参数：
Figure BDA0002938902170000027
由此得到在泵浦光的设定波长处的非线性系数γ和二阶色散β2；
5)将步骤4)计算得到的在泵浦光的设定波长处的非线性系数γ和二阶色散β2，代入增益公式，计算信号光的增益G：
Figure BDA0002938902170000029
Figure BDA00029389021700000210
Δκ＝β2(ω0-ω-0)2+2γP-0
其中，L为拉锥光纤的长度，g为增益参数，Δk为相位失陪量，P-0为泵浦光在基频角频率ω-0处的峰值功率，从而得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线；
6)将步骤5)计算得到的在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线，与步骤3)测量得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率变化的实验数据相比较，二者如果不符合，进入步骤7)，如果符合，进入步骤9)；
7)在当前得到的二阶色散β2的基础上，按照设定的步长，调整二阶色散β2的数值，利用步骤4)得到的非线性系数γ，以及调整后的二阶色散β2的数值，计算在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线；
8)利用步骤7)调整后的二阶色散β2的数值计算得到的在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线，与步骤3)测量得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率变化的实验数据相比较，二者如果不符合，返回步骤7)，如果符合，记录下此时的二阶色散β2的数值和相应的泵浦光的波长，进入步骤9)；
9)改变泵浦光的波长，重复步骤1)～8)，直到泵浦光的波长变化范围超出泵浦激光器提供的能力，从而获得多组二阶色散β2的数值和相应的泵浦光的波长，获得待测量的拉锥光纤的二阶色散β2，由二阶色散β2进一步获得光纤色散常数D。
进一步，利用色散方程和二阶色散的计算公式，以拉锥光纤的芯径的预估值为初始点，按照设定的步长调整拉锥光纤的芯径，计算在泵浦光的设定波长处的二阶色散，与步骤8)获得的二阶色散的数值比较，通过调整拉锥光纤的芯径，使计算结果与步骤8)获得的二阶色散的数值一致，由此获得拉锥光纤的芯径的真实值。调整拉锥光纤的芯径的步长为0.05～0.15μm。
其中，在步骤7)中，调整二阶色散β2的步长为-1.5～1.5。
在步骤1)中，可控的拉锥方法采用利用可编程的方法进行拉锥。
本发明的优点：
本发明利用拉锥光纤的非线性系数和色散与拉锥光纤的芯径相关，从而增益系数由拉锥光纤的芯径以及泵浦光的波长确定的原理，采用显微镜测量得到的拉锥光纤的芯径作为待测量的拉锥光纤的芯径的预估值，拉锥光纤的芯径的预估值与真实值的误差通常在百nm，这样的误差对拉锥光纤的非线性系数影响不大，在计算时固定非线性系数为芯径的预估值下的值，通过调整二阶色散的值，使得在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线与实验数据相一致，从而精确获得待测量的拉锥光纤的色散值；进一步获得拉锥光纤的芯径的真实值。
附图说明
图1为本发明的微纳光纤色散测量方法的一个实施例的测量原理图；
图2为根据本发明的微纳光纤色散测量方法得到不同泵浦光波长下的信号光的增益随泵浦光的功率变化的曲线和实验数据的示意图；
图3为根据本发明的微纳光纤色散测量方法得到非线性系数γ随光纤芯径D以及随波长的变化曲线图，其中，(a)为非线性系数γ随光纤芯径D变化曲线图，(b)为非线性系数γ随波长的变化曲线图；
图4为根据本发明的微纳光纤色散测量方法的一个实施例得到的色散结果图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
本实施例的微纳光纤色散测量方法，包括以下步骤：
1)利用可控的拉锥方法制备好拉锥光纤后，经过显微镜测量拉锥光纤的芯径a，然后再用相同的拉锥方法制备得到待测量的拉锥光纤，以显微镜测量得到的拉锥光纤的芯径作为待测量的拉锥光纤的芯径的预估值；
2)如图1所示，在待测量的拉锥光纤的输入端同时输入信号光和设定波长的泵浦光，在待测量的拉锥光纤的输出端测量信号光的增益；
3)在泵浦光的设定波长处，测量得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率变化的实验数据，如图2所示；
4)将步骤1)得到的待测量的拉锥光纤的芯径的预估值，代入非线性系数的计算公式，计算非线性系数γ：
Figure BDA0002938902170000041
Figure BDA0002938902170000042
其中，d为拉锥光纤的直径，d＝2a，n2为光纤非线性折射率系数，n1为包层折射率，k0＝2π/λ为真空中的传播常数，V为非线性系数的中间参数，λ为波长；
拉锥方法制备的非线性的拉锥光纤的色散β满足以下方程：
Figure BDA0002938902170000043
Figure BDA0002938902170000044
Figure BDA0002938902170000051
其中，U为色散的第一中间参数，W为色散的第二中间参数，Jv为第v阶第一类贝塞尔函数，Kv为第v阶第二类修正贝塞尔函数，v为激光模式，对于基膜v＝1，k0＝2π/λ，n1＝1.45，n2＝1，将上述参数代入色散方程，获得拉锥光纤的色散β，在获得拉锥光纤的色散β的情况下，根据色散的定义获得二阶色散β2：
Figure BDA0002938902170000052
ω＝2πc/λ
其中，ω为角频率，c为光速，根据二阶色散β2获得光纤色散系数D，D是实际工程应用中常用的参数：
Figure BDA0002938902170000053
由此得到在泵浦光的设定波长处的非线性系数γ和二阶色散β2；
5)将步骤4)计算得到的在泵浦光的设定波长处的非线性系数γ和二阶色散β2，代入增益公式，计算信号光的增益G：
Figure BDA0002938902170000054
Figure BDA0002938902170000055
Δκ＝β2(ω0-ω-0)2+2γP-0
其中，L为拉锥光纤的长度，g为增益参数，Δk为相位失陪量，P-0为泵浦光在基频角频率ω-0的峰值功率，从而得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线；
计算出的光纤芯径对应的零色散波长如下表，λ0为零色散波长：
d/μm λ<sub>0</sub>/nm d/μm λ<sub>0</sub>/nm d/μm λ<sub>0</sub>/nm d/μm λ<sub>0</sub>/nm d/μm λ<sub>0</sub>/nm
· · 1.0 542 2.0 705 3.0 820 4.0 905
· · 1.1 561 2.1 718 3.1 829 4.1 912
· · 1.2 580 2.2 731 3.2 839 4.2 919
· · 1.3 598 2.3 743 3.3 848 4.3 926
· · 1.4 615 2.4 755 3.4 857 4.4 933
0.5 453 1.5 631 2.5 767 3.5 865 4.5 939
0.6 462 1.6 647 2.6 778 3.6 874 5 969
0.7 481 1.7 662 2.7 789 3.7 882 6 1018
0.8 502 1.8 677 2.8 800 3.8 890 7 1055
0.9 522 1.9 691 2.9 810 3.9 897 …… ……
6)将步骤5)计算得到的在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线，与步骤3)测量得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率变化的实验数据相比较，二者如果不符合，进入步骤7)，如果符合，进入步骤9)；
7)在当前得到的二阶色散β2的基础上，按照步长1调整二阶色散β2的数值，调整二阶色散β2的数值，利用步骤4)得到的非线性系数γ，以及调整后的二阶色散β2的数值，计算在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线；
8)利用步骤7)调整后的二阶色散β2的数值计算得到的在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线，与步骤3)测量得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率变化的实验数据相比较，二者如果不符合，返回步骤7)，如果符合，记录下此时的二阶色散β2的数值和相应的泵浦光的波长，进入步骤9)；
9)改变泵浦光的波长，重复步骤1)～8)，直到泵浦光的波长变化范围超出泵浦激光器提供的能力，从而获得多组二阶色散β2的数值和相应的泵浦光的波长，获得待测量的拉锥光纤的二阶色散β2，由二阶色散β2进一步获得光纤色散常数D。
进一步，利用色散方程和二阶色散的计算公式，以拉锥光纤的芯径的预估值为初始点，按照步长0.1μm调整拉锥光纤的芯径，计算在泵浦光的设定波长处的二阶色散，与步骤8)获得的二阶色散的数值比较，调整拉锥光纤的芯径，使计算结果与步骤8)获得的二阶色散的数值一致，由此获得拉锥光纤的芯径的真实值。色散结果如图4所示。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种微纳光纤色散测量方法，其特征在于，所述微纳光纤色散测量方法，包括以下步骤：
1)利用可控的拉锥方法制备好拉锥光纤后，经过显微镜测量拉锥光纤的芯径a，然后再用相同的拉锥方法制备得到待测量的拉锥光纤，以显微镜测量得到的拉锥光纤的芯径作为待测量的拉锥光纤的芯径的预估值；
2)在待测量的拉锥光纤的输入端同时输入信号光和设定波长的泵浦光，在待测量的拉锥光纤的输出端测量信号光的增益；
3)在泵浦光的设定波长处，测量得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率变化的实验数据；
4)将步骤1)得到的待测量的拉锥光纤的芯径的预估值，代入非线性系数的计算公式，计算非线性系数γ：
Figure FDA0002938902160000011
Figure FDA0002938902160000012
其中，d为拉锥光纤的直径，d＝2a，n2为光纤非线性折射率系数，n1为包层折射率，k0＝2π/λ为真空中的传播常数，V为非线性系数的中间参数，λ为波长；
拉锥方法制备的非线性的拉锥光纤的色散β满足以下方程：
Figure FDA0002938902160000013
Figure FDA0002938902160000014
Figure FDA0002938902160000015
其中，U为色散的第一中间参数，W为色散的第二中间参数，Jv为第v阶第一类贝塞尔函数，Kv为第v阶第二类修正贝塞尔函数，ν为激光模式，求解色散方程，获得拉锥光纤的色散β，在获得拉锥光纤的色散β的情况下，根据色散的定义获得二阶色散β2：
Figure FDA0002938902160000016
ω＝2πc/λ
其中，ω为角频率，c为光速，根据二阶色散β2获得光纤色散系数D，D是实际工程应用中常用的参数：
Figure FDA0002938902160000017
由此得到在泵浦光的设定波长处的非线性系数γ和二阶色散β2；
5)将步骤4)计算得到的在泵浦光的设定波长处的非线性系数γ和二阶色散β2，代入增益公式，计算信号光的增益G：
Figure FDA0002938902160000021
Figure FDA0002938902160000022
Δκ＝β2(ω0-ω-0)2+2γP-0
其中，L为拉锥光纤的长度，g为增益参数，Δk为相位失陪量，P-0为泵浦光在基频角频率ω-0处的峰值功率，从而得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线；
6)将步骤5)计算得到的在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线，与步骤3)测量得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率变化的实验数据相比较，二者如果不符合，进入步骤7)，如果符合，进入步骤9)；
7)在当前得到的二阶色散β2的基础上，按照设定的步长，调整二阶色散β2的数值，利用步骤4)得到的非线性系数γ，以及调整后的二阶色散β2的数值，计算在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线；
8)利用步骤7)调整后的二阶色散β2的数值计算得到的在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率的变化曲线，与步骤3)测量得到在泵浦光的设定波长处的信号光的增益随泵浦光的功率变化的实验数据相比较，二者如果不符合，返回步骤7)，如果符合，记录下此时的二阶色散β2的数值和相应的泵浦光的波长，进入步骤9)；
9)改变泵浦光的波长，重复步骤1)～8)，直到泵浦光的波长变化范围超出泵浦激光器提供的能力，从而获得多组二阶色散β2的数值和相应的泵浦光的波长，获得待测量的拉锥光纤的二阶色散β2，由二阶色散β2进一步获得光纤色散常数D。
2.如权利要求1所述的微纳光纤色散测量方法，其特征在于，进一步，利用色散方程和二阶色散的计算公式，以拉锥光纤的芯径的预估值为初始点，按照设定的步长调整拉锥光纤的芯径，计算在泵浦光的设定波长处的二阶色散，与步骤8)获得的二阶色散的数值比较，通过调整拉锥光纤的芯径，使计算结果与步骤8)获得的二阶色散的数值一致，由此获得拉锥光纤的芯径的真实值。
3.如权利要求2所述的微纳光纤色散测量方法，其特征在于，调整拉锥光纤的芯径的步长为0.05～0.15μm。
4.如权利要求1所述的微纳光纤色散测量方法，其特征在于，步骤7)中，调整二阶色散β2的步长为-1.5～1.5。
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