專利名稱：一種測量光纖色散的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖損耗測量領(lǐng)域，特指ー種測量光纖色散的方法，適用于任何類型光纖色散的測量。
背景技術(shù)：
眾所周知，光通信的發(fā)展離不開光電子器件的發(fā)展，光通信中的許多傳輸器件要求具有良好的色散特性，光纖的高階色散導(dǎo)致的啁啾直接影響到光脈沖的傳輸，同時(shí)也影響到光孤子的形成以及光脈沖的壓縮。此外，全球業(yè)務(wù)量的飛速增長促使光纖通信容量和速率都需大幅度提高，這就要求對光纖的色散進(jìn)行控制。因?yàn)橛捎谏⒌拇嬖?，不僅會使輸出激光光脈沖發(fā)生展寬，特別是在ROF光通信中，會引起輸出光幅度隨光纖長度的變化而周期性變化，造成輸出能量不穩(wěn)定，輸出誤碼率的増加。通常采用光纖光柵，波導(dǎo)微環(huán)諧振器等色散補(bǔ)償器件來補(bǔ)償光纖的色散。因此隨著對光纖研究的日益深入和廣泛的實(shí)用化，對光纖相關(guān)參數(shù)的測試已經(jīng)成為急需解決的技術(shù)問題。而激光的出現(xiàn)，尤其是飛秒激光的出現(xiàn)，為各種測試技術(shù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的工具。飛秒激光具有超快時(shí)間響應(yīng)和超高峰值的特性，一方面可以從根本上避免光在光纖中傳輸時(shí)熱擴(kuò)散的存在和影響，另ー方面，使激光與物質(zhì)的非線性相互作用占主導(dǎo)地位，因此飛秒激光具有高精度，三維方向的可控性等特點(diǎn)。飛秒激光與物質(zhì)作用后，載流子的激發(fā)和弛豫都是超快過程，飛秒波譜技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是超短脈沖激光與物質(zhì)的瞬態(tài)相干作用效應(yīng)，利用它可以探測信號光場的振幅、位相和波矢，也可以測量物質(zhì)與激光瞬態(tài)相干作用的其他信息，如激發(fā)態(tài)布居數(shù)的變化、電子運(yùn)動以及原子核振動等方面的信息。發(fā)明專利“一種光纖光學(xué)器件色散測量裝置與方法”(中國專利，專利申請?zhí)?01110268543. 8)提供了一種基于微波光電子學(xué)方法的光纖光學(xué)色散測試系統(tǒng)和方法，使用的測試方法是基于光波干渉，主要是使光波信號經(jīng)過具有色散的光纖光學(xué)器件，并在傳輸過程獲得一定的光程差，經(jīng)探測器后兩個(gè)微波信號發(fā)生干渉，通過干涉信號與色散的關(guān)系來判斷色散的大小。本發(fā)明利用飛秒激光作為測量用光源，提供了ー種無 需進(jìn)行干渉的全新的色散測量方法，操作方便，數(shù)據(jù)處理簡單，能夠測量各種類型光纖的色散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出了一種基于飛秒激光泵浦探測技術(shù)的測量光纖色散的方法。利用飛秒激光超快能量密度和超快時(shí)間響應(yīng)的特點(diǎn)，結(jié)合泵浦探測技木，能夠準(zhǔn)確的測量出光纖的色散。這種方法原理簡單，操作方便，可重復(fù)性好，能測量各種類型光纖的色散，應(yīng)用范圍非常廣泛。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，提供了一種測量光纖色散的方法，用泵浦光激發(fā)樣品，樣品內(nèi)的電子吸收到激光能量后，產(chǎn)生電子的非平衡弛豫，表現(xiàn)為探測光瞬態(tài)發(fā)射率的發(fā)生突變。探測光用于表征樣品表面的發(fā)射光的變化。通過探測器，鎖相放大器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對樣品表面瞬態(tài)反射率信號進(jìn)行采集、消噪、處理，繪制出了瞬態(tài)反射率變化(AR/R)曲線，根據(jù)AR/R值發(fā)生突變對應(yīng)的步長計(jì)算出光纖的色散。本發(fā)明提出的基于飛秒激光泵浦探測技術(shù)的測量光纖色散的方法主要包括以下內(nèi)容
(I)鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)發(fā)出的飛秒激光脈沖經(jīng)過分束鏡后被分成泵浦光和探測光兩束，兩者的能量密度比控制在10:1左右，泵浦光進(jìn)入泵浦光傳輸通道，探測光進(jìn)入探測光傳輸通道。(2)在泵浦光傳輸通道中將連續(xù)的泵浦光由斬波器調(diào)制成斷續(xù)方波序列脈沖。若測量的是加載光纖前的瞬態(tài)反射信號，則斷續(xù)的方波泵浦光脈沖直接傳輸至聚焦透鏡。若測量的是加載光纖后的瞬態(tài)反射信號，則從斬波器中輸出的泵浦光脈沖先通過聚焦透鏡聚焦入光纖傳輸，從光纖中出射后傳輸至聚焦透鏡。(3)將探測光經(jīng)由一個(gè)直角反射鏡后，進(jìn)入到時(shí)間延遲光路，主要是通過步進(jìn)電機(jī)控制探測光的延遲時(shí)間，以使泵浦光和探測光之間形成一個(gè)光程差。(4)泵浦光和探測光分別從各自的傳輸通道出射后經(jīng)聚焦透鏡會聚到樣品表面同一點(diǎn)，表面反射光被探測器接收，進(jìn)入鎖相放大器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。(5)通過計(jì)算機(jī)軟件繪制薄膜瞬態(tài)反射率變化曲線，并根據(jù)曲線中反射率突變時(shí)刻對應(yīng)的步長計(jì)算得出光纖的色散。該方法將靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)的飛秒激光泵浦探測技術(shù)用于對光纖的色散進(jìn)行測試，將光纖色散測量系統(tǒng)置于實(shí)驗(yàn)室普通環(huán)境下，對材料樣品表面(通常是金屬薄膜，如鉻、鎳等)的超快反射率變化過程進(jìn)行探測研究，從而計(jì)算出待測光纖的色散。通過這種技術(shù)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度高、可靠性強(qiáng)，且測試方法簡便，重復(fù)性好，適用于各種類型光纖色散的測量。


本發(fā)明具體實(shí)施的結(jié)構(gòu)框圖及

如下
圖I光纖色散測量系統(tǒng)示意 圖2栗浦光傳輸通路不意 圖3探測光傳輸通路示意 圖4飛秒激光作用下的樣品表面瞬態(tài)反射率變化曲線；
圖中，I.鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)2.分束鏡3.泵浦光傳輸通路4.聚焦透鏡5.樣品6.反射鏡7.探測光傳輸通路8.計(jì)算機(jī)9.鎖相放大器10.探測器11.斬波器12.聚焦鏡13.光纖14.時(shí)間延遲線15.反射鏡16.反射鏡。
具體實(shí)施例方式I、采用最大輸出功率為5W的Vedi CW激光器作為鈦寶石激光器的泵浦源，其工作波長為532nm，經(jīng)鎖模后得到的鈦寶石飛秒激光的中心波長為800nm，重復(fù)頻率為82 MHz,單脈沖寬度30fS，輸出激光能量控制在330mW左右。2、飛秒激光系統(tǒng)I發(fā)出的飛秒激光束經(jīng)過分束鏡2后被分成泵浦光和探測光兩束，泵浦光的光功率約300mW，能量較高，主要用于激發(fā)樣品；探測光光功率約30mW，主要用于探測被激樣品表面瞬態(tài)反射率的變化信號。
3、泵浦光首先經(jīng)過斬波器11，對泵浦光以頻率為2000 Hz進(jìn)行調(diào)制，將連續(xù)的泵浦光調(diào)制成占空比為1:1的斷續(xù)方波序列脈沖，然后將泵浦脈沖經(jīng)聚焦透鏡12后聚焦進(jìn)入光纖13傳輸,從光纖13出射后經(jīng)透鏡4匯聚后作用于樣品5表面。4、探測光首先經(jīng)過反射鏡6和反射鏡15，然后進(jìn)入時(shí)間延遲線14，時(shí)間延遲線主要由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成，運(yùn)動精度I歩，每步為lOym，換算成時(shí)間分辨率為66. 7fs，探測光經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)后再經(jīng)ー個(gè)反射鏡16出射，然后同樣經(jīng)透鏡4會聚后作用于樣品5表面。
5、樣品5表面的泵浦光會聚光斑和探測光會聚光斑兩者必須重疊在一起,光斑越小越好。6、用探測器10探測樣品5上的瞬態(tài)反射信號，并將它轉(zhuǎn)換為電信號，然后輸入鎖相放大器9進(jìn)行消噪處理，最后輸入到計(jì)算機(jī)8，用計(jì)算機(jī)專用軟件繪制樣品表面的瞬態(tài)反射率(AR/R)變化曲線。7、計(jì)算待測光纖的色散值。光纖色散，即光脈沖通過光纖后產(chǎn)生的時(shí)間延遲，用 表示。在樣品表面瞬態(tài)反射率變化曲線中，曲線的橫坐標(biāo)表示探測光發(fā)生瞬態(tài)反射時(shí)對
應(yīng)的具體時(shí)刻，用步長(step)表示，I步長等于66. 7飛秒。測量泵浦光傳輸通道中不加光纖前樣品表面瞬態(tài)反射率變化發(fā)生突變時(shí)對應(yīng)的步長3|，以及泵浦光傳輸通道中加載光
纖后樣品表面瞬態(tài)反射率發(fā)生突變時(shí)對應(yīng)的步長み，光纖色散引起的時(shí)間延遲用步長表
示即為:らん。根據(jù)色散定義，g阿求出光纖的色散Δτ。
權(quán)利要求
1.一種測量光纖色散的方法，其特征在于，具體步驟如下 A、采用最大輸出功率為5W的VediCW激光器作為鈦寶石激光器的泵浦源，其工作波長為532nm，經(jīng)鎖模后得到的鈦寶石飛秒激光的中心波長為800nm，重復(fù)頻率為82 MHz，單脈沖寬度30fs，輸出激光能量控制在330mW左右； B、飛秒激光系統(tǒng)(I)發(fā)出的飛秒激光束經(jīng)過分束鏡(2)后被分成泵浦光和探測光兩束，泵浦光的光功率300mW，用于激發(fā)樣品；探測光光功率30mW，用于探測被激樣品表面瞬態(tài)反射率的變化信號； C、泵浦光首先經(jīng)過斬波器(11)，對泵浦光以頻率為2000Hz進(jìn)行調(diào)制，將連續(xù)的泵浦光調(diào)制成占空比為1:1的斷續(xù)方波序列脈沖，然后將泵浦脈沖經(jīng)聚焦透鏡(12)后聚焦進(jìn)入光纖(13)傳輸,從光纖(13)出射后經(jīng)透鏡(4)匯聚后作用于樣品(5)表面； D、探測光首先經(jīng)過反射鏡(6)和反射鏡(15)，然后進(jìn)入時(shí)間延遲線(14)，時(shí)間延遲線主要由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成，運(yùn)動精度I步，每步為IOy m，換算成時(shí)間分辨率為66. 7fs，探測光經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)后再經(jīng)一個(gè)反射鏡(16)出射，然后同樣經(jīng)透鏡(4)會聚后作用于樣品(5)表面； E、樣品(5)表面的泵浦光會聚光斑和探測光會聚光斑兩者重疊在一起； F、用探測器(10)探測樣品(5)上的瞬態(tài)反射信號，并將它轉(zhuǎn)換為電信號，然后輸入鎖相放大器(9)進(jìn)行消噪處理，最后輸入到計(jì)算機(jī)(8)，用計(jì)算機(jī)專用軟件繪制樣品表面的瞬態(tài)反射率(AR/R)變化曲線； G、計(jì)算待測光纖的色散值，光纖色散，即光脈沖通過光纖后產(chǎn)生的時(shí)間延遲，用Ar表示，測量泵浦光傳輸通道中不加光纖前樣品表面瞬態(tài)反射率變化發(fā)生突變時(shí)對應(yīng)的步長,以及泵浦光傳輸通道中加載光纖后樣品表面瞬態(tài)反射率發(fā)生突變時(shí)對應(yīng)的步長^ ,光纖色散引起的時(shí)間延遲用步長表示即為。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量光纖色散的方法，其特征在于，計(jì)算待測光纖的色散值，在樣品表面瞬態(tài)反射率變化曲線中，曲線的橫坐標(biāo)表示探測光發(fā)生瞬態(tài)反射時(shí)對應(yīng)的具體時(shí)刻，用步長(step)表示，I步長等于66. 7飛秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種測量光纖色散的方法，其特征在于，光纖的色散AHV%h6.7fs。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量光纖色散的方法，涉及光纖損耗測量領(lǐng)域。本發(fā)明基于飛秒激光泵浦探測技術(shù)，通過飛秒激光系統(tǒng)、分束鏡、反射鏡、時(shí)間延遲線、斬波器、光電探測器、鎖相放大器、光纖、樣品，以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。用光電探測器分別探測加載光纖前后，樣品表面瞬態(tài)反射光的變化情況，得出兩種情況下瞬態(tài)反射率變化發(fā)生突變的時(shí)刻，計(jì)算得到光纖的色散。本發(fā)明適用于不同材料的光纖色散的測量，裝置結(jié)構(gòu)簡單，重復(fù)性好。
文檔編號G01M11/02GK102636337SQ201210125118
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者任乃飛, 呂柳, 周明, 李宏剛, 許孝芳, 高永鋒 申請人:江蘇大學(xué)