CN102636337A - 一种测量光纤色散的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量光纤色散的方法，涉及光纤损耗测量领域。本发明基于飞秒激光泵浦探测技术，通过飞秒激光系统、分束镜、反射镜、时间延迟线、斩波器、光电探测器、锁相放大器、光纤、样品，以及计算机系统来实现。用光电探测器分别探测加载光纤前后，样品表面瞬态反射光的变化情况，得出两种情况下瞬态反射率变化发生突变的时刻，计算得到光纤的色散。本发明适用于不同材料的光纤色散的测量，装置结构简单，重复性好。
Description
技术领域
本发明涉及光纤损耗测量领域，特指一种测量光纤色散的方法，适用于任何类型光纤色散的测量。
背景技术
众所周知，光通信的发展离不开光电子器件的发展，光通信中的许多传输器件要求具有良好的色散特性，光纤的高阶色散导致的啁啾直接影响到光脉冲的传输，同时也影响到光孤子的形成以及光脉冲的压缩。此外，全球业务量的飞速增长促使光纤通信容量和速率都需大幅度提高，这就要求对光纤的色散进行控制。因为由于色散的存在，不仅会使输出激光光脉冲发生展宽，特别是在ROF光通信中，会引起输出光幅度随光纤长度的变化而周期性变化，造成输出能量不稳定，输出误码率的增加。通常采用光纤光栅，波导微环谐振器等色散补偿器件来补偿光纤的色散。因此随着对光纤研究的日益深入和广泛的实用化，对光纤相关参数的测试已经成为急需解决的技术问题。而激光的出现，尤其是飞秒激光的出现，为各种测试技术发展提供了强有力的工具。飞秒激光具有超快时间响应和超高峰值的特性，一方面可以从根本上避免光在光纤中传输时热扩散的存在和影响，另一方面，使激光与物质的非线性相互作用占主导地位，因此飞秒激光具有高精度，三维方向的可控性等特点。飞秒激光与物质作用后，载流子的激发和弛豫都是超快过程，飞秒波谱技术的出发点是超短脉冲激光与物质的瞬态相干作用效应，利用它可以探测信号光场的振幅、位相和波矢，也可以测量物质与激光瞬态相干作用的其他信息，如激发态布居数的变化、电子运动以及原子核振动等方面的信息。发明专利“一种光纤光学器件色散测量装置与方法”（中国专利，专利申请号：201110268543.8）提供了一种基于微波光电子学方法的光纤光学色散测试系统和方法，使用的测试方法是基于光波干涉，主要是使光波信号经过具有色散的光纤光学器件，并在传输过程获得一定的光程差，经探测器后两个微波信号发生干涉，通过干涉信号与色散的关系来判断色散的大小。本发明利用飞秒激光作为测量用光源，提供了一种无需进行干涉的全新的色散测量方法，操作方便，数据处理简单，能够测量各种类型光纤的色散。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出了一种基于飞秒激光泵浦探测技术的测量光纤色散的方法。利用飞秒激光超快能量密度和超快时间响应的特点，结合泵浦探测技术，能够准确的测量出光纤的色散。这种方法原理简单,操作方便，可重复性好,能测量各种类型光纤的色散，应用范围非常广泛。
本发明所采用的技术方案是，提供了一种测量光纤色散的方法，用泵浦光激发样品，样品内的电子吸收到激光能量后，产生电子的非平衡弛豫，表现为探测光瞬态发射率的发生突变。探测光用于表征样品表面的发射光的变化。通过探测器，锁相放大器和计算机系统对样品表面瞬态反射率信号进行采集、消噪、处理，绘制出了瞬态反射率变化（△R/R）曲线，根据△R/R值发生突变对应的步长计算出光纤的色散。
本发明提出的基于飞秒激光泵浦探测技术的测量光纤色散的方法主要包括以下内容：
（1） 钛宝石飞秒激光系统发出的飞秒激光脉冲经过分束镜后被分成泵浦光和探测光两束，两者的能量密度比控制在10:1左右，泵浦光进入泵浦光传输通道，探测光进入探测光传输通道。
（2） 在泵浦光传输通道中将连续的泵浦光由斩波器调制成断续方波序列脉冲。若测量的是加载光纤前的瞬态反射信号，则断续的方波泵浦光脉冲直接传输至聚焦透镜。若测量的是加载光纤后的瞬态反射信号，则从斩波器中输出的泵浦光脉冲先通过聚焦透镜聚焦入光纤传输，从光纤中出射后传输至聚焦透镜。
（3） 将探测光经由一个直角反射镜后，进入到时间延迟光路，主要是通过步进电机控制探测光的延迟时间，以使泵浦光和探测光之间形成一个光程差。
（4） 泵浦光和探测光分别从各自的传输通道出射后经聚焦透镜会聚到样品表面同一点，表面反射光被探测器接收，进入锁相放大器和计算机系统。
（5） 通过计算机软件绘制薄膜瞬态反射率变化曲线，并根据曲线中反射率突变时刻对应的步长计算得出光纤的色散。
该方法将灵敏度高，抗干扰能力强的飞秒激光泵浦探测技术用于对光纤的色散进行测试，将光纤色散测量系统置于实验室普通环境下，对材料样品表面（通常是金属薄膜，如铬、镍等）的超快反射率变化过程进行探测研究，从而计算出待测光纤的色散。通过这种技术得到实验数据精确度高、可靠性强，且测试方法简便，重复性好，适用于各种类型光纤色散的测量。
附图说明
本发明具体实施的结构框图及附图说明如下：
图1光纤色散测量系统示意图；
图2 泵浦光传输通路示意图；
图3探测光传输通路示意图；
图4 飞秒激光作用下的样品表面瞬态反射率变化曲线；
图中，1.钛宝石飞秒激光系统2.分束镜3.泵浦光传输通路4.聚焦透镜5.样品6.反射镜7.探测光传输通路8.计算机9.锁相放大器10.探测器11.斩波器12.聚焦镜13.光纤14.时间延迟线15.反射镜16.反射镜。
具体实施方式
1、采用最大输出功率为5W的Vedi CW激光器作为钛宝石激光器的泵浦源，其工作波长为532nm，经锁模后得到的钛宝石飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为82 MHz，单脉冲宽度30fs，输出激光能量控制在330mW左右。
2、飞秒激光系统1发出的飞秒激光束经过分束镜2后被分成泵浦光和探测光两束，泵浦光的光功率约300mW，能量较高，主要用于激发样品；探测光光功率约30mW，主要用于探测被激样品表面瞬态反射率的变化信号。
3、泵浦光首先经过斩波器11，对泵浦光以频率为2000 Hz进行调制，将连续的泵浦光调制成占空比为1:1的断续方波序列脉冲，然后将泵浦脉冲经聚焦透镜12后聚焦进入光纤13传输，从光纤13出射后经透镜4汇聚后作用于样品5表面。
4、探测光首先经过反射镜6和反射镜15，然后进入时间延迟线14，时间延迟线主要由一个步进电机组成，运动精度1步，每步为10μm, 换算成时间分辨率为66.7fs，探测光经过步进电机后再经一个反射镜16出射，然后同样经透镜4会聚后作用于样品5表面。
5、样品5表面的泵浦光会聚光斑和探测光会聚光斑两者必须重叠在一起，光斑越小越好。
6、用探测器10探测样品5上的瞬态反射信号，并将它转换为电信号，然后输入锁相放大器9进行消噪处理，最后输入到计算机8，用计算机专用软件绘制样品表面的瞬态反射率(ΔR/R) 变化曲线。
7、计算待测光纤的色散值。光纤色散，即光脉冲通过光纤后产生的时间延迟，用 
表示。在样品表面瞬态反射率变化曲线中，曲线的横坐标表示探测光发生瞬态反射时对应的具体时刻，用步长（step）表示，1步长等于66.7飞秒。测量泵浦光传输通道中不加光纤前样品表面瞬态反射率变化发生突变时对应的步长
，以及泵浦光传输通道中加载光纤后样品表面瞬态反射率发生突变时对应的步长
，光纤色散引起的时间延迟用步长表示即为：。根据色散定义：，即可求出光纤的色散
。
Claims (3)
1.一种测量光纤色散的方法，其特征在于，具体步骤如下：
A、采用最大输出功率为5W的Vedi CW激光器作为钛宝石激光器的泵浦源，其工作波长为532nm，经锁模后得到的钛宝石飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为82 MHz，单脉冲宽度30fs，输出激光能量控制在330mW左右；
B、飞秒激光系统（1）发出的飞秒激光束经过分束镜（2）后被分成泵浦光和探测光两束，泵浦光的光功率300mW，用于激发样品；探测光光功率30mW，用于探测被激样品表面瞬态反射率的变化信号；
C、泵浦光首先经过斩波器（11），对泵浦光以频率为2000 Hz进行调制，将连续的泵浦光调制成占空比为1:1的断续方波序列脉冲，然后将泵浦脉冲经聚焦透镜（12）后聚焦进入光纤（13）传输，从光纤（13）出射后经透镜（4）汇聚后作用于样品（5）表面；
D、探测光首先经过反射镜（6）和反射镜（15），然后进入时间延迟线（14），时间延迟线主要由一个步进电机组成，运动精度1步，每步为10μm, 换算成时间分辨率为66.7fs，探测光经过步进电机后再经一个反射镜（16）出射，然后同样经透镜（4）会聚后作用于样品（5）表面；
E、样品（5）表面的泵浦光会聚光斑和探测光会聚光斑两者重叠在一起；
F、用探测器（10）探测样品（5）上的瞬态反射信号，并将它转换为电信号，然后输入锁相放大器（9）进行消噪处理，最后输入到计算机（8），用计算机专用软件绘制样品表面的瞬态反射率(ΔR/R) 变化曲线；
G、计算待测光纤的色散值，光纤色散，即光脉冲通过光纤后产生的时间延迟，用 
表示，测量泵浦光传输通道中不加光纤前样品表面瞬态反射率变化发生突变时对应的步长，以及泵浦光传输通道中加载光纤后样品表面瞬态反射率发生突变时对应的步长，光纤色散引起的时间延迟用步长表示即为：。
2.根据权利要求1所述的一种测量光纤色散的方法，其特征在于，计算待测光纤的色散值，在样品表面瞬态反射率变化曲线中，曲线的横坐标表示探测光发生瞬态反射时对应的具体时刻，用步长（step）表示，1步长等于66.7飞秒。
3.根据权利要求2所述的一种测量光纤色散的方法，其特征在于，光纤的色散
。
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