1 引 言
多模光纤基于大芯径、高数值孔径(NA)的特点,在光纤传能方面具有迅速对准、低损耗等优势,广泛应用于激光加工[1-2]、激光医疗、激光点火[3]、大气通信[4]等领域。齐晓玲等[5]测量了LED经过多模光纤传输后的出射光束的光强分布,并分析指出这种光强分布有利于提高光耦合效率,可应用于全光交换系统。吴丽双等[6]以半导体激光器(LD)作光源,研究其经过D形多模光纤的输出光场,证明了非圆柱型多模光纤更有利于模式混合,输出光斑的均匀性更佳,更适宜用作大气激光通信系统中的光源。Kuhn等[7]以多模光源作为测试源,实验研究了大芯径多模光纤的芯径及弯曲曲率半径对出射光的光束质量及能量分布的影响,用于指导激光加工领域中传能光纤的选择。然而,鲜有单模激光经大芯径多模光纤传输后,对其出射光束特性的系统性研究。本实验则以氦氖激光作为测试源,比较分析了多模光纤的芯径以及传输长度对其出射光束特性的影响。实验结果表明:单模激光在多模光纤中不能保持其基模特性;经多模光纤传输后的出射光束为准均匀光束;且随着光纤芯径及传输长度的增加,匀化效果增强。
整形加工可用来优化激光源的光束性质,包括改变光斑形状、匀化光斑能量分布等,因而备受关注。针对一些特殊的加工应用,高斯强度分布的激光束并非是加工的最优选择。例如,在薄膜型电子与光伏器件的制造中,使用强度均匀分布的激光对其进行划片切割,可显著提高切割速度与边缘切割质量[8]。现有的一些激光束整形技术包括利用光阑法可以选择得到光束中心近平顶部分,但是此时会产生很高的能量损耗[9];衍射型或折射型光学元件[10]也可以改变光束强度分布,但其需要制作精细结构,且其要求对入射光进行高精度准直,具有高成本、操作复杂的缺点。为了克服以上技术的劣势,基于光纤的匀化研究已有包括卤化银光纤探针[11]、凹面光纤探针[12]、大数值孔径的微结构多模光纤[13]、空芯多模光纤[14]、拉锥光纤[15]及长周期光纤布拉格光栅[16]的匀化实验。这些整形技术是基于一些特种光纤或精细的光纤加工工艺。相较于以上的整形方法且据本文的实验结果,普通大芯径多模光纤的匀化作用可为单模光源提供一种简单、有效的整形方案,以此改善与拓宽单模光源的应用。
2 单模激光在多模光纤中的传输原理
单模激光在多模光纤中的传输是模式激发与模式叠加的过程。单模光在多模光纤的入射端面上激发了高阶模式,描述如下:
式中 Ein(x,y,z = 0) 表示入射光场,eMN(x,y,z = 0) 是在入射端面处被激发的各阶传导模式。MN是在多模光纤内被激发的总模式数,CMN 是模式扩展系数,可表示为
所有的被激发模式在多模光纤中独立传播,在多模光纤输出端面上的场 Eout(x,y,L) 是各激发模式的叠加,描述如下:
其中 βmn 是在多模光纤中被激发的第mn阶模式的传输常量。根据(3)式,可得到经多模光纤传输后,出射端面的光场由光纤长度L、模式扩展系数 CMN 、传输常量 βmn 共同决定。其中模式扩展系数 CMN 与多模光纤的芯径有关,传输常量 βmn 与传输波长有关。因此,出射光束特性与光纤长度L、多模光纤的芯径以及传输波长都相关。本文主要研究光纤长度L及多模光纤的芯径对出射光束特性的影响。
3 实 验
实验装置如图1所示。所用单模光源是北京大学JDW-3型氦氖激光器,波长为632.8 nm。采用单透镜将激光耦合入多模光纤,该耦合透镜焦距f为125 mm。经透镜会聚后的出射光束腰斑直径为200 mm,远场发散角为4.2 mrad。所用多模光纤输入端固定于五维光纤调整架上,且输入端处于耦合透镜出射光束的焦点附近。利用光束分析仪(Ophir Spiricon)观察经多模光纤传输后的出射光束光斑。在上述实验装置下,进行了以下对比实验:使用相同长度为2 m、不同芯径为200、400、600 mm的多模光纤,研究芯径对输出光斑能量分布及出射光束质量的影响;使用不同长度的芯径为400 mm的多模光纤,研究单模光束在多模光纤中的传输演化过程。实验所用多模光纤折射率均为阶跃型分布,纤芯数值孔径均为 0.22,使用光纤切割机(Vytran)处理输入及输出端面,盘绕直径均为30 cm可以消除宏观弯曲造成光纤传输过程中附加的能量损耗和激光模式耦合[17]。
4 结果分析与讨论
4.1 不同芯径多模光纤出射光束特性
采用CCD光束分析仪测量了入纤前及经过多模光纤传输后的激光光束截面能量分布情况,如图2、图3所示。图2中显示测试光源为基模强度分布,中心能量最高,能量的径向梯度明显。图3(a)~(c)分别为芯径2a为600、400、200 mm的多模光纤的输出端的能量分布,3个光斑的放大倍率相同。
从图3可以看出,单模光经过不同芯径的多模光纤传输后,其共同特征为输出光斑充满相应传输光纤的芯区,能量分布趋向均匀化,变成准均匀光束。这是由于多模光纤相较于单模光纤,其可传导模数量增大;且二者存在模场失配,使得光纤中的高阶模式被激发[18],导致能量在基模与各高阶模式中重新分配,最终光纤出射的光束能量分布是各阶模式的叠加结果[19],能量由中心沿径向流动扩散。此外,实验中所使用的CCD分析软件显示的一维强度曲线表现出横向展宽,其宽度同传输光纤芯径呈正相关关系,传输光纤的芯径越大,强度分布曲线的展宽越大,且该一维强度曲线还呈现出多个尖峰结构。这是由于激光的相干性导致了干涉散斑,造成光纤强度分布不平滑[20]。
值得注意的是,比较图3(a)、(b)与(c)可见,600 mm芯径多模光纤输出光斑的红色强度区域的离散度高,红色强度与黄色强度区域的混合度也高。光纤芯径2a与可传导模式数量M之间的关系描述如下:
式中V是光纤的归一化频率,n1、n2分别是光纤芯区与包层的折射率,可以得到传输光纤芯径越大,可支持的模式数量则越多。并且多模光纤芯径与光纤端面的入射光斑直径的比值越大,在多模光纤内激发的模式数量就越多[21-22]。所以,在相同传输长度及激励条件下,芯径越大的多模光纤可以激发出更多的模式,导致匀化效果就愈加明显,因而出现了上述强度分布上的差异。同时,实验中发现,对光纤的任意部分施加干扰或者压力,比如弯折、振动等,输出光斑会变大变暗,匀化效果增强。这是因为引入一种扰模机制,导致更多高阶模式激发,并使各模式之间产生强烈耦合[11],但不可避免会引入传输能量的损耗而导致光斑变暗。
实验中对不同芯径多模光纤的输出光束质量进行了测量(见表1)。由表1可见,光束质量的恶化与使用多模光纤参数相关。多模光纤的芯径越大,输出光束质量下降得越多。
4.2 单模光源在多模光纤中的传输演化过程
如图4所示,单模光束经不同长度多模光纤的远场光斑图,可以看出传输长度对出射光束特性有很大的影响。图4(a)~(c)分别对应长度为10 cm、30 cm、2 m的多模光纤,芯径均为400 mm。实验结果表现为:经过10 cm的多模光纤传输后,出射光束呈现出类似无衍射贝塞尔光束的光强分布特征。当传输长度为30 cm时,出射光束的同心圆环特性减弱。
当传输长度为2 m时,已能显现出能量分布朝着匀化的趋势发展,观察到无规则分布的亮暗斑点,表现出激光散斑特性。实验中2 m长的光纤被盘绕,打破了波导的圆柱对称结构,激发了非共轴模式;且随着传输长度的加大以及弯曲作用,模式数量增加,且各阶模式之间的耦合更充分,导致模式间的能量分布趋于均衡,相较于10 cm及30 cm的多模光纤传输结果,出射光斑的均匀度提高。光在多模光纤中传输是一个多模干涉的过程。10 cm和 30 cm的多模光纤在实验中处于平直放置状态,基于对称共轴激发以及模式正交特性,LP0n模式优先被激发[22]。当模式数量较少且主要为共轴模式时,各模式之间以相干叠加为主,出射光斑相干度高,呈现圆环条纹。随着传输光纤加长,传导模式数量增加。
由于各模式的传输常量差异大,所以各模式之间发生非相干叠加,出射光斑相干度退化,呈现散斑特性。各模式在光纤轴向不同横截面处产生随机的相位差,导致多模干涉的结果与传输距离相关,从而获得随长度变化的出射光斑[23]。实验中增加了一组长度为9.5 m、芯径为400 mm的多模光纤传输实验,出射光斑如图5所示。将其与图3(b)中经长度为2 m、芯径为400 mm的多模光纤后的输出光斑进行比较,可看出匀化度上升。
根据以上实验结果,芯径和传输长度同模式数量的增加以及各模式之间的耦合程度呈正相关关系。实验中使用长度为9.5 m、芯径为800 mm的多模光纤获得了较好的匀化效果,如图6所示。
5 结 论
采用CCD光束分析仪研究单模光束经过不同芯径的多模光纤后出射的光束特性。单模光束在大芯径多模光纤中的传输过程包括了多个模式的激发与多模干涉效应,由于这两者与大芯径多模光纤的芯径及传输长度密切相关,导致出射光束特性存在差异,即出射光束可通过芯径与长度这两个变量实现可控。此外,实验获得的输出光斑强度曲线顶部呈现“毛刺”。这种现象是由于入射光光束质量好,为非完全填充状态激励,被激发的高阶模式有限,且为低级次的高阶模式,所以出射光束具有相干性,产生了干涉散斑,导致平滑度变差。若要求改善整形效果,可通过改变大芯径多模光纤的结构,例如纤芯截面的形状、光纤拉锥等来实现。
参 考 文 献
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