CN1174270C - 利用组合光纤获得位相共轭光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用组合光纤获得位相共轭光的方法。它包括以下步骤：使用不同芯径的光纤组合，组合方式可以是包括拉制、熔合或光学元件耦合等不同方法。将激光耦合到组合光纤中。利用光纤中的SBS效应，获得后向SBS散射相位共轭光。将不同芯径光纤组合，激光进入大芯径光纤后尚未达到SBS阈值，继续前向传播。经过组合部分到达小芯径光纤。当光强达到小芯径光纤SBS阈值后，产生后向SBS散射。后向散射光反向进入大芯径光纤，与后续的入射激光共同产生低阈值的后向强迫SBS效应，使得从组合光纤反射出足够强的与入射光相位共轭的光。从而达到补偿光路中的相位畸变，达到改善光束质量的目的。

Description

利用组合光纤获得位相共轭光的方法

                          技术领域

本发明涉及一种利用组合光纤获得位相共轭光的方法。

                          背景技术

受激布里渊后向散射(SBS)是一种有效产生相位共轭的方法，当具有相位畸变的光束经过组合光纤SBS后向散射，反射后光波的相位具有与入射光相位共轭的特性。此位相共軛光反向传播，再次经过引起畸变的光路后，可以使畸变得到矫正或部分矫正。这一技术对于提高激光器的光束质量有着重要的意义。

目前对于SBS位相共轭采用的介质有液体，如丙酮、F113、四氯化碳等。气体如SF6作为SBS介质。也可以采用光纤作为位相共轭材料。光纤由于具有非常小的横截面积和较大的作用长度，可以大幅度降低SBS阈值并获得较高的反射率。但小的芯径又带来了光纤损伤阈值的降低。因此单一芯径的光纤，会产生SBS阈值与光纤损伤阈值的矛盾。

                          发明内容

本发明的目的是为克服由单一芯径的光纤带来的SBS阈值与光纤损伤阈值矛盾的不足之处，提供一种利用组合光纤获得位相共轭光的方法。

它使用了一种组合光纤，使得激光进入组合光纤后产生SBS位相共轭反射光波，其步骤为：1)将激光耦合进入组合光纤，激光束首先进入大芯径光纤，使得其光功率密度未达到SBS阈值，继续前向传播，经过组合部分到达小芯径光纤，使得其功率密度超过小芯径光纤中的SBS阈值时，产生后向SBS散射；2)后向SBS散射光反向进入大芯径光纤，与入射激光的后续部分光干涉，共同产生强迫SBS效应；3)大芯径光纤中的SBS反射光强逐渐增大，从而产生具有与入射光相位共轭特征的相位共軛光；组合光纤为使用了不同芯径的光纤组合。

本发明优点是：

1)采用芯径大小不同的光纤相结合的办法，在小芯径光纤中，由于芯径变小使得泵浦光功率密度迅速增加，SBS阈值降低，容易产生斯托克斯光振荡；而在前段的光纤芯径较大，入射光功率密度较低，不易损伤，斯托克斯光振荡在大芯径光纤中得到放大并输出。这样的组合光纤克服了由单一芯径光纤带来的SBS阈值与光纤损伤阈值相矛盾的不足之处。

2)由上述组合型光纤中的受激布里渊散射(SBS)可以获得相位共轭反射光。反射后光波的相位具有与入射光相位共轭的特性。此位相共轭光反向传播，再次经过引起畸变的光路后，可以使畸变得到矫正或部分矫正，从而提高了激光器的光束质量。

3)组合光纤位相共轭镜具有无毒、无环境污染、体积小、重量轻以及使用方便等优点。

                          附图说明

图1是组合光纤示意图，图中a)拉制或熔合法组合光纤b)耦合法组合光纤；

图2是组合光纤中的SBS反射率随泵浦光能量的变化图，图中点代表试验值，实线代表拟合线，虚线代表理论计算值；

图3是泵浦光、Stokes光和声场在光纤中的分布图，图中实线代表泵浦光，虚线代表Stokes光，点线代表声波；

图4是应用组合光纤位相共軛器的Nd：YAG双程激光振荡—放大系统(MOPA)示意图。

                        具体实施方式

利用组合光纤获得位相共轭光的方法的步骤以下：

1)在激光耦合进入组合光纤后，激光进入大芯径光纤后使得其光功率密度尚未达到SBS阈值，继续前向传播，经过组合部分到达小芯径光纤，使得其功率密度超过小芯径光纤中的SBS阈值时，产生后向SBS散射；

2)后向SBS散射光进入大芯径光纤，与入射激光的后续部分光干涉，共同产生强迫SBS效应；

3)SBS反射光强逐渐增大，从而产生具有与入射光相位共轭特征的相位共軛光。

所说的组合光纤为使用了不同芯径的光纤组合，组合光纤是采用拉制、熔合或光学元件耦合等方法所构成。

本发明指出组合光纤中的SBS过程是一种泵浦光场、斯托克斯光(Stokes)光场以及声场之间的相互耦合作用的非线性过程，采用大小芯径不同的光纤结合的办法，在小芯径光纤中产生斯托克斯光振荡，在大芯径光纤中得到放大并输出。

上述组合型光纤中的受激布里渊散射(SBS)获得相位共轭光的方法可以分为以下三个阶段：

第一阶段，泵浦光进入大芯径光纤。在泵浦光的前沿，由于光功率比较弱而且前段光纤的芯径较大，不能形成足够强的声场进行斯托克斯光(Stokes)反射，所以泵浦光可以几乎无损耗地通过前段光纤。

第二阶段，泵浦光通过过渡段或光纤间耦合器件进入小芯径光纤。当泵浦光进入后段光纤时，芯径变小使得泵浦光功率密度迅速增加，因此很快就能在小芯径光纤的后端内建立起强的声场并超过其SBS阈值，形成一个较小的后向反射的Stokes光，即产生Stokes光振荡。

第三阶段，后向反射的斯托克斯光反向通过过渡段或耦合器件，反向进入大芯径光纤，与后续泵浦光干涉形成声场光栅，泵浦光在此基础上继续后向反射，如此循环耦合致使在前段光纤内Stokes光放大，甚至达到接近泵浦光的功率，形成SBS位相共轭光。

本发明的机理如下：

光纤中的SBS过程是一种泵浦光场、Stokes光场以及声场之间的相互耦合作用的非线性过程，可以用光场的耦合方程组以及Navie-Stokes方程来描述。经过对该方程组的一系列简化，用光纤内的功率替代光强、并考虑到在达到SBS过程前的噪声声场对于Stokes光的贡献的基础上，得到了光纤中的光场和声场的耦合方程：

$\frac{{\∂P}_L(z,t)}{\∂z}=-S(z,t)[P_L(z,t)(P_{S0}(z,t)+P_{\mathrm{SS}}(z,t)){]}^{\frac{1}{2}}$

$\frac{{\∂P}_S(z,t)}{\∂z}=-S(z,t)[P_L(z,t)(P_{S0}(z,t)+P_{\mathrm{SS}}(z,t)){]}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

$\frac{\∂S(z,t)}{\∂t}=\frac{1}{{2\mathrm{\τ}}_B}\{g\frac{[P_L(z,t)(P_{S0}(z,t)+P_{\mathrm{SS}}(z,t)){]}^{\frac{1}{2}}}{A\left(z\right)}-S(z,t)\}$

其中P_L为泵浦光的光功率，而Stokes光被分解为P_S0和P_SS两个部分的组合，其中P_S0(z，t)＝r₀P_L(z，t)是考虑到光纤内自发后向散射对于Stokes光的贡献，r₀是一特定常数，它的值虽然很小，但是将直接影响到SBS阈值的大小^[7]；P_SS是声场和泵浦光耦合产生的受激散射部分的Stokes光。s是代表声场强度的物理量，单位是m^-1。g是光场对声场的增益系数，τ_B为光纤的声子寿命。而A(z)为泵浦光束和Stokes光束在z处的有效截面积，在光纤中它等于z处的光纤截面面积。在图1所示的组合光纤中由于前后两段光纤的芯径的不同，而影响了SBS过程的特性。

同时考虑到泵浦光从大芯径光纤到小芯径光纤耦合时会产生耦合损耗，由波导理论得知，光束穿过两段芯径不同的光纤必然会发生模式转换，因此引入前向传输的泵浦光从大芯径光纤到小芯径光纤耦合时在过渡区产生的单位长度的耦合损耗α(z)，可以将式(1)中的第一式改写为：

$\frac{{\∂P}_L(z,t)}{\∂z}=-S(z,t)[P_L(z,t)(P_{S0}(z,t)+P_{\mathrm{SS}}(z,t)){]}^{\frac{1}{2}}-\mathrm{\α}\left(z\right)P_L(z,t)---\left(2\right)$

通过对改写后的耦合方程组进行数值求解就可以得到在泵浦光作用时间内整个光纤中的泵浦光、Stokes光和声场分布，由此求得SBS反射率、SBS阈值以及Stokes光时间分布等重要特性参数，并进而分析组合光纤中的SBS过程及其特性。

本发明产生的位相共軛反射光具有如下特性

1)反射率特性及SBS阈值特性

采用组合光纤总长为1m的情况下，其中两段光纤的芯径分别为100μm和20μm，长度为0.45cm和0.5cm，中间的锥形过渡区长0.05cm。

计算求解表明，可以将SBS的阈值降低到18μJ，最高反射率达到95％，而且即使对于比较小的入射能量，如25μJ，也可以得到高达82％的反射率。可见，和同等长度的100μm的单一芯径光纤比较起来，SBS阈值可以大幅度降低，同等泵浦能量下的反射率也大大提高了。

2)泵浦光、Stokes光和声场在光纤中的分布特性及反射光时间特性

求解计算表明，由于SBS过程的阈值作用，反射光脉冲宽度将比入射光减少。在泵浦光的前沿，由于光功率比较弱而且前段光纤的芯径较大，不能形成足够强的声场进行Stokes反射，所以泵浦光可以几乎无损耗地通过前段光纤。而当泵浦光进入后段光纤时，芯径变小使得泵浦光功率密度迅速增加，因此很快就能在小芯径光纤的后端内建立起强的声场并超过其SBS阈值，形成一个较小的后向反射的Stokes光尖峰。当Stokes光传播到入射面上时，Stokes光的瞬时功率将远大于泵浦光。当Stokes光在前段光纤中传播时，它和泵浦光的耦合作用将促使声场逐步增强，当声场的强度足够大的时候，前段光纤就能够自己形成Stokes反射，强耦合作用将主要集中在前段光纤的最前端部分的小范围内，而后段光纤的作用是对从前段光纤透射的比较微弱的泵浦光进行再反射。

本发明可以应用于各类双程或多程激光振荡一放大系统(MOPA)。例如由脉冲氙灯泵浦的Nd：YAG板条激光振荡—放大系统(MOPA)，或激光二极管(LD)泵浦的Nd：YAG板条激光振荡—放大系统(MOPA)。

图4表示了一种应用于Nd：YAG双程激光振荡—放大系统(MOPA)示意图。其工作原理如下：

由振荡级发出的激光经过法拉第磁光隔离器及快轴22.5°放置的1/2波片后进入放大级放大后，由透镜耦合到组合光纤位相共軛器。在组合光纤中激发的SBS后向散射光反向进入放大级，进行第二程放大后从偏振片P2输出。由放大级引起的热透镜效应及其他相位畸变，在光束第二次通过后得到消除。从而使输出光获得光束质量的提高。

Claims (2)

1.一种利用组合光纤获得位相共轭光的方法，其特征在于：使用了一种组合光纤，使得激光进入组合光纤后产生SBS位相共轭反射光波，它的步骤为：1)将激光耦合进入组合光纤，激光束首先进入大芯径光纤，使得其光功率密度未达到SBS阈值，继续前向传播，经过组合部分到达小芯径光纤，使得其功率密度超过小芯径光纤中的SBS阈值时，产生后向SBS散射；2)后向SBS散射光反向进入大芯径光纤，与入射激光的后续部分光干涉，共同产生强迫SBS效应；3)大芯径光纤中的SBS反射光强逐渐增大，从而产生具有与入射光相位共轭特征的相位共軛光；组合光纤为使用了不同芯径的光纤组合。

2.根据权利要求1所述的一种利用组合光纤获得位相共轭光的方法，其特征在于所说的组合光纤是由拉制、熔合或光学元件耦合方法制成。

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