Модуль расширения спектра

1. Принцип

Согласно квантовой теории поля, процесс вынужденного рассеяния Бриллюэна можно рассматривать как процесс когерентного рассеяния между полем фотона и полем фонона.Так называемый фонон представляет собой квантованную частицу поля акустической волны.В течение всего ВРМБ процесс, падающий фотон, рассеянные фотоны и фононы удовлетворяют соотношениям сохранения энергии и сохранения импульса.Рассеянный свет с частотой меньшей частоты падающего света называется стоксовым светом, а рассеянный свет с частотой большей частоты падающего света называется антистоксовым светом (антистоксовым светом). Процесс генерации стоксово рассеянного света представляет собой аннигиляцию падающего фотона более высокой частоты, а индуцированный фонон и стоксов свет более низкой частоты генерируются в оптическом волокне посредством электрострикционного механизма; процесс антистоксового рассеяния света Одновременная аннигиляция падающего света фотон более низкой частоты, а фонон порождает антистоксов фотон. Поскольку звуковые волны в среде ослабляются, стоксов свет на самом деле не является одночастотным светом. Существует форма спектральной линии. Ее ширина линии называется шириной линии Бриллюэна Γ _B , а ее значение — время жизни фонона. обратная величина τ _p . Коэффициент усиления Бриллюэна g _B является важным параметром в уравнении вынужденной связи Бриллюэна, которое обычно аппроксимируется с использованием типа линии Лоренца:

Ω представляет частоту фонона, а Ω _B представляет сдвиг частоты Бриллюэна.

Среди них υ — скорость звука, c — скорость света, n — показатель преломления среды, γ _e представляет собой константу электрострикции оптического волокна, ρ ₀ представляет собой плотность оптического волокна, а ω представляет собой частота падающего фотона.

Разность частот между рассеянным и падающим светом называется сдвигом частоты Бриллюэна.Если учитывать только обратное рассеяние в оптическом волокне, обратный сдвиг частоты Бриллюэна равен:

Когда мощность падающего света в оптическом волокне достигает определенного высокого порога, падающий свет и рассеянный Бриллюэном свет снова будут взаимодействовать друг с другом, вызывая резкие изменения электрического поля в оптическом волокне, что приводит к изменениям напряжения в оптическом волокне. оптическое волокно, что является так называемым электрострикционным эффектом. Это приведет к дальнейшему усилению звукового поля, а улучшенное звуковое поле будет обратной связью с рассеянием Бриллюэна, вызывая рассеивание большего количества света, образуя положительную обратную связь, которая вызовет обратно рассеянный свет резко увеличивается. Обычно наблюдается, что обратно рассеянный свет увеличивается с увеличением падающей мощности. Увеличение демонстрирует экспоненциальный рост, а порог P _th  обычно определяется по следующей формуле:

Среди них L _eff представляет собой эффективную длину волокна, которая определяется потерями в волокне и фактической длиной; A _eff  представляет собой эффективную модовую площадь волокна, которая тесно связана с типом волокна; это выражение это просто общая простая форма, и учитываются другие факторы, такие как поляризация.Когда факторы будут, будет больше параметров. Направление вынужденного рассеяния Бриллюэна в волокне противоположно направлению падающего света, а это означает, что в системе усилителя большой мощности, если генерируется рассеянный свет эффекта вынужденного Бриллюэна, больший отраженный свет будет генерироваться в системное волокно и ввести корреляцию в противоположном направлении. Поломка инструмента в прецизионном устройстве приведет к ненормальной работе всей системы. Поэтому можно сказать, что, как только в мощной системе происходит вынужденное рассеяние Бриллюэна, воздействие на система будет фатальной.

Стимулированный эффект Бриллюэна приведет к экспоненциальному росту отраженного света вместе с падающим светом.Только за счет увеличения порога ВРМБ общая мощность системы может быть выше. Обычные методы подавления SBS можно грубо разделить на два типа. спектр спектра.Этот метод еще больше увеличивает мощность в оптическом волокне. Манипулируя спектром для изменения частотного распределения входного света, формы спектральной линии и других параметров исходного света, можно эффективно подавить вынужденное рассеяние Бриллюэна в оптическом волокне.Модуль расширения спектра расширяет спектр за счет фазовой модуляции, тем самым подавляя вынужденное рассеяние Бриллюэна в оптическом волокне. рассеяние в оптическом волокне. С точки зрения частотной области, метод фазовой модуляции расширяет одночастотный лазер затравочного источника и может рассеивать первоначально сконцентрированную спектральную мощность сигнала в очень узком (уровень МГц) до более широкого (уровень ГГц) частотном распределении. мощность каждой частотной составляющей, увеличивает ширину линии, соответствующую спектру усиления Бриллюэна, и тем самым увеличивает порог ВРМБ. Сигналы возбуждения модуляции имеют множество выражений.Анализ конкретных теоретических формул фазовой модуляции любого сигнала очень сложен.Проанализируем ситуацию униполярной фазовой модуляции одночастотного входного света из самого основного сигнала одночастотной модуляции.

Предположим, что световое поле одночастотного сигнала равно:

В формуле E ₀ представляет собой амплитуду светового поля, а υ ₀  — частоту света. Если сигнал модуляции представляет собой синусоидальный одночастотный сигнал, предположим, что его выражение имеет вид:

_ψ0 , ν _m и φ ₀  соответственно представляют собой амплитуду, частоту и начальную фазу одночастотного сигнала.

После того как амплитуда модулированного сигнала посредством электрического разряда усиливается в А раз, он поступает в электрооптический модулятор. В электрооптическом модуляторе имеется полуволновое напряжение V _π . Согласно соответствующей теории фазовых модуляторов, модулированный оптический сигнал можно получить как:

Представляет собой глубину фазовой модуляции, которая, как видно, напрямую связана с амплитудой сигнала, поступающего в модулятор, и полуволновым напряжением V _π самого модулятора .

Приведенную выше формулу можно получить путем расширения функции Бесселя:

Среди них n является целым числом, а J _n (δ ₁ ) представляет собой значение n-го порядка коэффициента функции Бесселя первого рода при δ ₁ .

После одночастотной синусоидальной фазовой модуляции одночастотный сигнал будет получать выходной спектр нескольких частот.В соответствии с характеристиками функции Бесселя, с увеличением n J _n (δ ₁ ) становится все меньше и меньше и приближается к нулю, то есть основной мощность результатов модуляции высшего порядка очень мала и ею можно пренебречь, в случае младшего порядка амплитуда соответствующей частоты определяется глубиной модуляции δ ₁ и частотой модуляции V _m . Переход от одночастотной фазовой модуляции к модуляции общих периодических сигналов можно рассматривать с точки зрения рядов Фурье.Разложение в ряд Фурье общих периодических сигналов позволяет получить суперпозицию ряда синусоидальных сигналов, где суперпозиция преобразуется электрооптическим фазовым модулятором в суперпозицию ряда синусоидальных сигналов по фазе света, но форма его разложения очень сложна и содержит многоуровневые суммирования.

2. Определение

1. Вынужденное рассеяние Бриллюэна: из-за взаимодействия между фотонами и молекулами, когда падающий свет слишком силен, кварцевая решетка оптического волокна вызывает рассеяние света, образуя рассеянную волну со сдвигом по частоте и часть энергии падающего света. свет преобразуется в обратнорассеянный свет. Большая часть входной оптической мощности преобразуется в обратно рассеянные стоксовы световые волны.Этот нелинейный процесс называется вынужденным рассеянием Бриллюэна (ВРМБ).

2. Спектр усиления Бриллюэна. Функциональную связь между усилением Бриллюэна и частотой можно также выразить как изменение усиления Бриллюэна в зависимости от длины волны.

3. Ширина линии: ширина спектра одной продольной моды.

4. Спектральная ширина: ширина спектра нескольких продольных мод.

3. Приложение

1. Расширение спектра оптического сигнала с узкой шириной линии.

2. Оптоволоконная система подавления SBS.

3. Система усиления лазера высокой мощности.

4. Мощная лазерная система когерентного синтеза.

5. Мощная лазерная система спектрального синтеза.

Лазер, в котором в качестве лазерной среды используется оптическое волокно, является волоконным лазером. Волоконные усилители с узкой шириной линии имеют важное прикладное значение в специальных областях, таких как оптоволоконный зондирование, когерентный лидар, мощный когерентный синтез, нелинейное преобразование частоты, когерентная оптическая связь, оптические атомные часы и обнаружение гравитационных волн. Для мощных волоконных лазерных усилителей с узкой шириной линии большое расстояние взаимодействия, небольшая площадь поперечного сечения сердечника и высокая мощность передачи легко вызывают различные нелинейные эффекты в волокне, в основном включая вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS), четырехволновое смешение (FWM), Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и автофазовая модуляция (СФМ) и т. д. . Среди этих нелинейных эффектов вынужденное рассеяние Бриллюэна (ВРМБ) с наибольшей вероятностью достигает порога мощности и становится одним из основных факторов, ограничивающих мощность мощных волоконных усилителей с узкой шириной линии. Модуль расширения спектра достигает цели подавления эффекта SBS за счет интеллектуального регулирования спектра, увеличения порога SBS системы и улучшения выходной мощности мощного волоконного лазерного усилителя с узкой шириной линии.

Модули расширения спектра часто используются в системах усиления лазеров большой мощности, и типичным примером является структура усилителя мощности задающего генератора (MOPA). Техническое решение MOPA заключается в использовании одночастотного лазера с небольшой мощностью, узкой шириной линии и низким коэффициентом шума в качестве источника затравки и вводе его в последующий волоконный усилитель для достижения конечного выходного луча высокой мощности и высокого качества луча; общие источники затравки Выходная мощность будет низкой (порядка нескольких мВт), поэтому в большинстве последующих случаев для достижения эффектов многокаскадного усиления будут использоваться несколько каскадно-оптических усилителей. Последующий каскадно-волоконный усилитель включает в себя многокаскадный каскад предварительного усиления и каскад основного усилителя. Лазер-источник затравки подается на вход модуля расширения, а модуль расширения выводится на систему пост-усиления.