1 引言

1972年,Stolen首次在光纤中观察到受激拉曼散射(SRS)现象。此后,光纤中非线性效应的研究受到了广泛关注^[1-5]。SRS^[6-7]和四波混频效应(FWM)^[8-10]是石英单模光纤(SMF)中两种非常重要的三阶非线性效应。

SRS效应具有明显的能量动力学传递特征,随着斯托克斯光级数的增加,这种能量传递的能力会逐级递减,低级的斯托克斯光能量应该大于高级的斯托克斯能量^[11]。在实验过程中,抽运光能量具有一定的波动性,SRS效应具有明显的阈值特性,由于受到FWM效应的影响,某一级的斯托克斯光能量会高于前一级的斯托克斯能量,甚至会出现高于抽运光能量的现象^[12]。

为此,本文对石英SMF中的SRS和FWM效应的相互影响及其光斑传输模式进行了实验研究。结果表明,SRS和FWM效应传输的光斑模式是不同的,SRS效应是以HE₁₁模式传播,FWM效应是以HE₁₂模式传播。实验发现,改变抽运光的峰值功率,受激光谱谱线失去明显的SRS谱线特征,随着抽运光峰值功率的逐渐增加,受激光谱谱线逐渐呈现出FWM效应的谱线特征,说明SRS效应受到FWM影响比较严重,低阶谱线中相继出现了能量强度很高的附加峰,高阶谱线则发生了不同程度的光谱展宽效应,对应级数的斯托克斯光产生了较大的波长漂移。

2 实验装置

实验方案如图1所示。采用电光调Q脉冲Nd³⁺∶YAG固体激光器作为抽运光源,输出中心波长为531.81 nm±0.2 nm,重复频率为1~20 Hz,脉冲宽度约为12 ns,最大峰值功率小于等于50 MW。利用偏振片控制输出单脉冲能量,利用Φ1.5 mm的小孔光阑选择近似为基模的抽运光输出模式,通过焦距为24 mm的聚焦透镜聚焦,耦合进入光纤的一端。

图 1. 单模光纤SRS实验装置图

Fig. 1. Diagram of single mode fiber SRS experiment

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实验所用的工作介质为YOFC公司生产的G.652D型石英SMF,光纤内芯层直径为8~10 μm,外包层直径为125 μm,截止波长为1310 nm,归一化频率可表示为

V=2πλan12-n22,(1)

式中:a为光纤的纤芯半径;λ为光纤的工作波长;n₁为光纤纤芯的折射率;n₂为光纤外包层的折射率。从(1)式中可以看出,在光纤的纤芯半径不变时,光纤的归一化频率与波长成反比,在λ=531.81 nm处的归一化频率要大于λ=1310 nm处的归一化截止频率。根据光纤传输理论,只有当归一化频率小于归一化截止频率,才能实现单模传输。因此在实验过程中,光纤的输出模式并非是单模输出。光束输出端放置一个使用硫酸纸制作的简易光屏,使用光纤将光屏上的光斑传输进入Ocean Optics的USB2000+光纤光谱仪,采集受激非线性光谱。

抽运光的峰值功率为220.6 kW,通过调节聚焦透镜、光纤法兰盘来调节耦合进入SMF的峰值功率,随着抽运光峰值功率的改变,观察并分别测量了实验过程中SRS和FWM效应的瞬时光谱以及光斑模式,能够明显地观察到光纤中的非线性效应从SRS向FWM演变的过程。

3 实验结果与分析

500 m的SMF的9阶SRS光谱及其光斑模式如图2所示。

图 2. 500 m单模光纤9阶SRS及其光斑模式

Fig. 2. Spectrum of 9 order SRS and its spot mode in 500 m SMF

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从图2可以看出,在抽运条件稳定时,SMF中产生了较为明显的9级斯托克斯效应。1级斯托克斯光545.06 nm谱线的辐射能量低于抽运光531.81 nm谱线能量,符合SRS效应的能量传递规律,然而二级斯托克斯光556.16 nm谱线却出现了明显的能量激升现象,并且要高于抽运光531.81 nm和1级斯托克斯光545.06 nm谱线的能量。之后的3级斯托克斯光570.66 nm、4级斯托克斯光585.42 nm和5级斯托克斯光600.09 nm谱线的能量逐级降低,呈现出比较规律的能量动力学传递特征。随着SRS效应级数的继续增加,6级斯托克斯光616.02 nm和7级斯托克斯光632.52 nm谱线出现了随着SRS效应级数的增加,斯托克斯光的能量升高的反常现象。8级斯托克斯光649.56 nm和9级斯托克斯光667.13 nm谱线的能量依次降低,与7级斯托克斯 632.52 nm谱线呈现出比较规则的能量动力学传递特征,与SRS效应的能量传递理论相符。

出现上述能量分布规律现象的主要原因有:1) 因为SRS效应具有明显的阈值特性,各级斯托克斯光的Raman增益不同,不同的增益条件使能量的传递量不同;2) 由于FWM效应的存在,低级的斯托克斯光和相邻一级的斯托克斯光会发生相互耦合作用,产生符合能量递增的相位匹配条件,能量激增的斯托克斯光具有一定程度上的模式竞争优势,因此会发生某一斯托克斯光的能量突然激升的现象。基于上述原因,可以说明2, 6, 7级的斯托克斯光不仅Raman增益较大,而且明显受到了FWM效应的影响。

从图2还可以看出,SRS效应的光斑能量分布整体近似高斯分布,中心能量高,边缘能量低,呈现环状分布,为典型的HE₁₁模式。同时,在抽运光531.81 nm和1级斯托克斯光545.06 nm谱线之间还能发现一个较为隐蔽的附加峰谱线536 nm。从谱线位置上来看,536 nm附加峰谱线距离抽运光531.81 nm谱线更近一些,但是531.81 nm谱线作为抽运光,具有良好的单色性,不可能出现其他波长的谱线,而且光谱仪分辨率为±2.06 nm,小于抽运光波长与这个附加峰波长的差值,可以排除这个附加峰是由实验测量工具误差产生的可能性。所以,根据非线性光学理论分析可知,出现这种情况可能有3种原因:1) 附加峰应属于1级斯托克斯光545.06 nm谱线,但是在能量传递过程中,这个传递时间在频谱范围内相对于1级斯托克斯光更贴近抽运光。2) SMF中存在自发布里渊散射,自发布里渊散射光沿着抽运光的反方向传播,当抽运光达到一定程度时,反向传输的斯托克斯光和抽运光将发生相互干涉,形成较强的干涉条纹,使光纤局部折射率大大增加。这样基于电致伸缩效应,就会产生一个声波,声波的产生激发出更多的布里渊散射光,激发出来的散射光又加强声波,如此相互作用,产生很强的受激布里渊散射,从而形成了新的散射光。3) 从SRS光谱中可以看出,很多斯托克斯光的能量强度已经超过或是与抽运光耦合进入SMF中的能量持平,536 nm附加峰很有可能是由抽运光、1级、2级甚至更高级的斯托克斯光相互耦合产生了更为复杂的非线性效应,进而激发出新的受激散射光。

500 m石英SMF的SRS效应向FWM效应演化过程光谱及其光斑模式如图3所示。

图 3. 500 m单模光纤SRS效应向FWM效应演化过程光谱及其光斑模式

Fig. 3. Spectrum of evolution process from SRS to FWM and its spot mode in 500 m SMF fiber

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从图3可以看出,前4级的斯托克斯光的能量随着斯托克斯级数的增加而增加,其中3级斯托克斯光573.76 nm谱线能量略有降低,但是整体趋势与SRS的能量传递规律不符。5级斯托克斯光660.51 nm谱线后的其他高级斯托克斯光的能量逐渐降低。抽运光531.81 nm谱线附近依然出现了如图2中的536.35 nn的附加峰谱线。1级斯托克斯光545.75 nm和2级斯托克斯光556.51 nm谱线分别产生了附加峰549.92 nm和559.28 nm谱线。而4级的斯托克斯光585.76 nm谱线不仅产生了附加峰591.23 nm谱线,而且作为4级斯托克斯光的附加峰还产生了波长为599.07 nm的附加峰谱线,并且两个附加峰谱线的能量逐渐降低,4级斯托克斯光的能量达到了所有斯托克斯光的最大值,出现了能量探测饱和的现象。3级斯托克斯光573.76 nm谱线没有出现附加峰,很有可能是由于自身的能量过低所致。5级斯托克斯光660.51 nm能量很低,但是和图2中的5级斯托克斯光600.09 nm相比,波长漂移达到60.42 nm。7~12级斯托克斯光出现了较为规律的SRS能量传递过程,但是波长漂移现象十分严重,而且和图2中的斯托克斯光相比,各级斯托克斯光谱线均出现了一定的展宽现象。从传输光斑的能量分布可以看出,光斑中心能量低、边缘能量高,为典型的HE₁₂模式。通过图2和图3的对比分析,发现随着抽运光峰值功率的改变,SMF光纤中的SRS效应逐渐向FWM效应演化,并且受FWM效应的影响,低阶SRS效应的能量传递规律被破坏,多级斯托克斯光出现了附加峰谱线,高阶SRS效应的能量传递规律虽然呈现逐级降低的趋势,但是均出现一定程度的展宽,这种现象说明FWM效应对光谱展宽也有一定的促进作用。

4 结论

研究了531.81 nm激光抽运500 m石英SMF的SRS和FWM效应的产生机制、影响及其光斑模式的特征。在抽运光输出峰值功率为220.6 kW时,SMF光纤中能够产生明显的9阶SRS效应,并且最终以HE₁₁模式传输,受到Raman增益条件和FWM效应的影响,各级斯托克斯光的能量分布出现忽高忽低的现象。改变抽运光的峰值功率,SMF中出现了较为明显的FWM效应,各级的斯托克斯效应受到FWM效应和非相位匹配SRS效应的影响,出现能量逐级递增的反常现象,并且低阶斯托克斯效应出现了明显的附加峰谱线,甚至附加峰谱线也出现了附加峰谱线,表明SMF中产生了较为明显的模式竞争和相位失配的现象。高阶斯托克斯效应又出现了不用程度的谱线展宽现象,FWM效应光斑传输模式为HE₁₂,这种现象为可见光范围内的光谱展宽效应提供了一定的参考价值。