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1、第11卷 第3期强激光与粒子束Vol.11,No.31999年6月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJun.,1999文章编号:1001—4322(1999)03—0284—05X激光脉冲在阶跃型多模光纤中的传输111122夏彦文, 叶金祥, 刘 华, 苏春燕 汤伟中, 孔 梅(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
2、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ps量级脉冲的功率支撑能力有限,而对于ns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
3、冲时间波形的测量精[1,2]度,因此选用光纤作传输介质已势在必行。 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3X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
4、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=540Lm,数值孔径NA=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M=2PaNAöK=46.[3]2268。按模式数的近似计算公式,可得在光纤中可能传输的总模式数M=P(2MöP)ö8=1089。设入射脉冲的频谱和时间波形均为高斯型,其1öe全谱宽为1THz,1öe时间宽度为t0,其时间波形可表示为25(t)=50exp[-(2töt0)](1)1.1 材料色
5、散-4221THz的谱宽对应的波长范围为$K=4.086×10Lm,。在0135Lm波长处dnödK=2211575öLm,远远大于1Lm波长处的0101öLm,所以预期此时的材料色散将较大。按材料色散X中国工程物理研究院院内基金资助课题1999年3月8日收到原稿,1997年5月12日收到修改稿。夏彦文,男,1972年3月出生,研究实习员©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第3期夏彦文等:激光脉冲在阶跃型多模光纤中的传输285[3]的计算
6、公式,可知单位长度光纤带来的材料色散展宽约为0.75psöm,当光纤长度l为20米时,$t=15ps($t为脉冲响应时间半宽度)。 由于脉冲谱为高斯型,则由谱宽带来的材料色散对应的脉冲响应也是高斯型的,故经材料色散后的脉冲波形为22t<(t)=<0exp-(2)22t0+($t)1.2 模式色散[3] 模式间群时延展宽可近似表示为ln1-n2dn2P$td=n2-K1-(3)cn1dKV式中,n1为纤芯折射率;n2为包层折射率,可知单位长度的光纤对应的时延为16.94psöm,当光纤长度为20m时,$td=339ps。Fi
7、g.2Laserpulseshapechangingthrougha12m2longandFig.1Pulseresponseofmultimodefibera202m2longmultimodestep2indexfibers图1 多模光纤的脉冲响应图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[4,5]间的能量耦合,Gloge说明模式间的相对延迟正比于由归一化截止频率M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
8、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,1ps的脉冲经2m长的光纤后,输出一宽度约为30ps的平顶脉冲,经20m长的光纤后,卷积结果为一宽度约为300ps的平顶脉冲。当脉冲宽度为100ps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100ps
