光纤非线性系数和非线性折射率系数原位测量装置及方法

摘要

本发明属于光学参数测量技术领域，并具体公开了一种光纤非线性系数和非线性折射率系数原位测量装置及方法。所述装置包括可调激光器模块，用于输出功率、调幅和调频调制深度可调的激光；分光片，用于将激光分成两路，其中一路激光到达功率计，另一路激光到达光谱仪；处理器，用于接收测量结果，并在可调激光器模块将激光光谱压缩至最窄时，获取光纤的非线性系数和非线性折射率系数测量值。所述方法包括：仪器校准，以获取光谱被压缩至最窄时的调频调制深度；测量：接入待测光纤，调节可调激光器模块至光谱被压缩至最窄，并根据测量的参数计算非线性系数和非线性折射率系数。本发明可实现对光纤非线性系数和非线性折射率系数的原位测量。

说明书

技术领域

本发明属于光学参数测量技术领域，更具体地，涉及一种光纤非线性系数和非线性折射率系数原位测量装置及方法。

背景技术

当高强度光脉冲在介质中传输时，由于非线性效应，介质折射率会随光强变化。随着高功率脉冲光纤激光器的发展，光纤中的非线性折射率效应日益受到人们的关注，成为许多光纤传感器的基础。目前，应用最为广泛的测量介质非线性折射率系数的方法是Z扫描法。但Z扫描法只适用于厚度较薄的介质，对于厚度较厚的介质，其数据分析往往十分困难，结果也存在较大误差。因此，Z扫描法无法对处于细长状态下光纤的非线性折射率和非线性系数进行原位测量。特别是对于光子晶体光纤等新型光纤，其非线性折射率和非线性系数很大程度上受到光纤内部结构的影响，无法用介质的非线性折射率系数进行准确描述。

基于上述缺陷和不足，对光纤的非线性系数和非线性折射率进行原位测量就显得十分重要。现有的基于Mach-Zehnder干涉仪的测量装置大都制作困难，结构复杂，而且很难测量高功率下的非线性系数和非线性折射率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤非线性系数和非线性折射率系数的原位测量装置及方法，通过将激光进行分束后别到达功率计和光谱仪，通过调节所述可调激光器模块的调频调制深度，使光谱压缩到最窄，由处理器计算得到光纤的非线性系数和非线性折射率系数，具有结构简单，操作方便，可高精度测量高功率下的非线性系数和非线性折射率的特点。可在不同激光功率、激光波长、偏振等情况下实现对光纤非线性系数和非线性折射率系数的原位测量，并且适用于光子晶体光纤等特种光纤。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种光纤非线性系数和非线性折射率系数原位测量装置，包括：

可调激光器模块，用于输出功率、调幅和调频调制深度可调的激光；

分光片，用于将所述激光分成两路，其中一路激光到达功率计，另一路激光到达光谱仪；

处理器，用于接收所述功率计和光谱仪的测量结果，并在所述可调激光器模块将激光光谱压缩至最窄时，获取光纤的非线性系数和非线性折射率系数测量值。

作为进一步优选的，所述可调激光器模块包括依次连接的激光器、电光晶体、射频源和衰减放大器，其中，所述射频源通过所述电光晶体对所述激光器输出的激光进行同步的幅度调制和频率调制，然后通过衰减放大器实现对调幅和调频调制深度的独立调节，并将所述激光器的输出功率、强度和频率调制深度数据实时传送至处理器，由所述显示器显示。

作为进一步优选的，所述功率计通过测量分光片的反射光线生成功率信号，并将功率信号传送至所述处理器，所述处理器根据所述功率信号计算待测光纤输出端的功率值。

作为进一步优选的，所述光谱仪测量分光片透射光线的光谱，并将光谱传送至所述处理器，由所述显示器显示。

作为进一步优选的，所述处理器根据以下公式计算待测光纤的非线性系数：

其中，P

作为进一步优选的，所述处理器根据以下公式计算光纤的非线性折射率系数：

其中，A

按照本发明的另一个方面，还提供了一种光纤非线性系数和非线性折射率系数原位测量方法，包括以下步骤：

将可调激光器模块输出的激光分成两路，其中一路激光到达功率计，另一路激光到达光谱仪；

固定所述可调激光器模块的调幅调制深度为m，在未接入待测光纤时，逐步调节所述可调激光器模块的调频调制深度使所述显示器观察到的光谱被压缩至最窄，记录此时的调频调制深度β

接入待测光纤后，再次逐步调节所述可调激光器模块的调频调制深度使所述显示器观察到的光谱被压缩至最窄，记录此时的调频调制深度β

处理器计算待测光纤的非线性系数和非线性折射率系数。

作为进一步优选的，所述处理器根据以下公式计算待测光纤的非线性系数：

其中，P

作为进一步优选的，所述处理器根据以下公式计算光纤的非线性折射率系数：

其中，A

作为进一步优选的，所述功率计通过测量分光片的反射光线生成功率信号，并将功率信号传送至所述处理器，所述处理器根据所述功率信号计算待测光纤输出端的功率值；

所述光谱仪测量分光片透射光线的光谱，并将光谱传送至所述处理器，由所述显示器显示。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明可在不同激光功率、激光波长、偏振等情况下实现对光纤非线性系数和非线性折射率系数的原位测量，并且适用于光子晶体光纤等特种光纤。

2.本发明通过将激光进行分束后别到达功率计和光谱仪，通过调节所述可调激光器模块的调频调制深度，使光谱压缩到最窄，由处理器计算得到光纤的非线性系数和非线性折射率系数，具有结构简单，操作方便，可高精度测量高功率下的非线性系数和非线性折射率的特点。

3.本发明结构简单，操作方便。与Z扫描等测量非线性折射率方法相比，能够在不同激光功率、激光波长、偏振等情况下实现对光纤非线性系数和非线性折射率系数的原位测量，并且适用于光子晶体光纤等特种光纤。本发明装置和方法不同于基于Mach-Zehnder干涉仪的测量方法，可在极高功率下实现对光纤非线性系数和非线性折射率系数的准确测量。因此，该装置和方法在高功率激光领域具有更加广泛的应用前景。

4.本发明提供了两种判断光谱最窄的方法，其中第一种方法通过光谱仪直接实时观察光谱随调频调制深度的变化，适合粗略确定最窄光谱对应的调频调制深度范围，高效快速。第二种方法通过寻找归一化中心功率最大值确定，可避免人为因素产生的误差，具有较高的测量精度。

附图说明

图1是本发明优选实施例涉及的一种光纤非线性系数和非线性折射率系数原位测量装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施例涉及的一种光纤非线性系数和非线性折射率系数原位测量方法中涉及的三种光谱示意图；

图3是本发明优选实施例涉及的一种光纤非线性系数和非线性折射率系数原位测量方法中涉及的归一化中心功率确定光谱最窄所对应β的示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-可调激光器模块、2-待测光纤、3-分光片、4-功率计、5-光谱仪、6-处理器，7-显示器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种光纤非线性系数和非线性折射率系数的原位测量装置，该装置包括调激光器模块、待测光纤、分光片、功率计、光谱仪、处理器及显示器。其中，所述可调激光器模块包括激光器、电光晶体、射频源和衰减放大器。射频源通过电光晶体对输出激光进行同步的幅度调制和频率调制，通过衰减放大器实现对调幅和调频调制深度的独立调节。并将激光器模块输出功率、强度和频率调制深度数据实时传送至所述处理器，由所述显示器显示。更具体的，上述实施例中，装置需要先进行校准，即调激光器模块与分光片之间不接入待测光纤，固定所述可调激光器模块的调幅调制深度为m，逐步调节所述可调激光器模块的调频调制深度使所述显示器观察到的光谱被压缩至最窄，记录此时的调频调制深度β

在上述实施例中，可调激光器模块用于提供功率、调幅和调频调制深度可调的激光输出。

在上述实施例中，可调激光器模块的激光输出经待测光纤后由分光片分别到达功率计和光谱仪。

在上述实施例中，功率计通过测量分光片的反射光线生成功率信号，并将功率信号传送至处理器，处理器根据所述功率信号计算待测光纤输出端的功率值。光谱仪测量分光片透射光线的光谱，并将光谱传送至所述处理器，由所述显示器显示。

在本发明的一个实施例中，通过调节所述可调激光器模块的调频调制深度，观察显示器光谱变化，直至光谱压缩至最窄时，此时所述显示器所显示结果即为光纤的非线性系数和非线性折射率系数测量值。

当然，在本发明的另一个实施例中，还可通过判断光谱对应的归一化中心功率确定，即归一化中心功率取最大值时的光谱最窄，其中，归一化中心功率定义为：

式中，A(ω)为光谱幅值，w为光谱中心功率窗口半宽度。

在上述实施例中，所述处理器根据以下公式计算待测光纤的非线性系数：

其中，P

在上述实施例中，所述处理器根据以下公式计算光纤的非线性折射率系数：

其中，A

当然了，本发明还提供了一种光纤非线性系数和非线性折射率系数原位测量方法，包括以下步骤：

步骤1、仪器连接：将可调激光器模块输出的激光分成两路，其中一路激光到达功率计，另一路激光到达光谱仪；

步骤2、仪器校准：固定可调激光器模块1的调幅调制深度为m，在未接入待测光纤时，逐步调节可调激光器模块1的调频调制深度使显示器7观察到的光谱被压缩至最窄，记录此时的调频调制深度β

步骤3、测量：将待测光纤2与可调激光器模块1的输出端连接，再次逐步调节可调激光器模块1的调频调制深度使显示器7观察到的光谱被压缩至最窄，记录此时的调频调制深度β

其中，L为待测光纤长度。上述计算公式考虑了光纤的损耗。通过调节可调激光器模块的功率，可在不同功率下对待测光纤2的非线性系数进行测量。光纤的非线性折射率系数通过下式计算：

其中，A

本发明通过调节所述可调激光器模块的调频调制深度，使光谱压缩到最窄，由处理器计算得到光纤的非线性系数和非线性折射率系数。该装置结构简单，操作方便，该测量方法可在不同激光功率、激光波长、偏振等情况下实现对光纤非线性系数和非线性折射率系数的原位测量，并且适用于光子晶体光纤等特种光纤。

实施例1

本发明实施例提供了一种光纤非线性系数和非线性折射率的原位测量装置，图1展示了一种光纤非线性系数和非线性折射率的原位测量装置结构示意图。包括：可调激光器模块1、待测光纤2、分光片3、功率计4、光谱仪5、处理器6和显示器7。

可调激光器模块1由激光器、电光晶体、射频源和衰减放大器组成。射频源通过电光晶体对输出激光进行同步的幅度调制和频率调制，通过衰减放大器实现对调幅和调频调制深度的独立调节。并将激光器模块输出功率、强度和频率调制深度数据实时传送至处理器6，由显示器7显示。

可调激光器模块1用于提供功率、调幅和调频调制深度可调的激光输出。激光输出经待测光纤2后由分光片3分别到达功率计4和光谱仪5。

功率计4通过测量分光片3的反射光线生成功率信号，并将功率信号传送至处理器6，处理器6根据功率信号计算待测光纤输出端的功率值。

光谱仪5测量分光片3透射光线的光谱，并将光谱传送至处理器6，由显示器7显示。

处理器6，基于获得的数据计算光纤的非线性系数和非线性折射率系数，并将结果传送至显示器7显示。

本发明实施例提供了一种光纤非线性系数和非线性折射率的原位测量方法，其流程分为两步：

步骤1、仪器校准：固定可调激光器模块1的调幅调制深度为m，在未接入待测光纤时，逐步调节可调激光器模块1的调频调制深度使显示器7观察到的光谱被压缩至最窄，记录此时的调频调制深度β

步骤2、测量：将待测光纤2与可调激光器模块1的输出端连接，再次逐步调节可调激光器模块1的调频调制深度使显示器7观察到的光谱被压缩至最窄，记录此时的调频调制深度β

其中，L为待测光纤长度。上述计算公式考虑了光纤的损耗。通过调节可调激光器模块的功率，可在不同功率下对待测光纤2的非线性系数进行测量。光纤的非线性折射率系数通过下式计算：

其中，A

本发明实施例还提供了两种判断光谱最窄的方法。第一种方法如图2所示，直接通过光谱形状判断，图中β＝1.25所对应的光谱最窄。第二种方法如图3所示，当归一化中心功率取最大值时的光谱最窄。其中，归一化中心功率定义为：

A(ω)为光谱幅值，w为光谱中心功率窗口半宽度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。