教育研究与实验 2006年12月 激光原理课程指导本科毕业设计的实践 杜戈果王新匡正张敏 摘要]在指导本科毕业设计“国产掺P2O5石英光纤受激喇曼散射研究”的过程中,启发学 生运用激光原理知识对实验方案先进行分析,理论预测了改进的实验方案可行后,然后进行具体实验 研究,并且理论分析与实验测量值基本吻合。学生一方面顺利完成了毕业设计任务,另一方面锻炼了 分析问题、解决问题的能力,达到了学以致用的目的。 [关键词]本科毕业设计激光原理受激喇曼散射阈值谐振腔 王新与匡正是深圳大学原工程技术学院(现电 子科学与技术学院)2001级光信息科学与技术专业 的学生。在指导他们毕业设计“国产掺P2O3石英光 纤受激喇曼散射研究”的过程中,启发他们先分析 8a-- 实验条件,在实验条件不满足的情况下,改进实验 L81 1,4B 装置,理论预测可行后,然后进行具体实验研究 Wavelength/mm 既完成了毕业设计任务,同时也加深了对所学激光 图1摻P2O5石英光纤的损耗曲线 原理知识的理解。 实验分析 、实验条件 受激喇曼散射产生的散射光具有受激的性质, 泵浦源为中心波长103m的光纤激光器,最明显的阈值性,即只有当入射激光束的光强或功 大输出功率20W。功率稳定性为<4%,输出光束近率密度超过一定激励阈值后,才能产生受激喇曼散 似衍射极限,M为1.1。测量用的光谱仪为AD 射效应。喇曼阈值定义为在光纤的输出端,散射 VANTEST公司的Q8384型光谱仪,波长测量范围般为斯托克斯散射)光功率与泵浦功率相等时的 06-17μm,最小分辨率001nno 入射泵浦功率,可由下式来估算 实验所用的工作物质为电子工业部第46研究所 PLe/Aa≈16 拉制的掺P2O3石英光纤,采用改进的化学汽相沉积 其中,是喇曼增益峰值,Ad是有效作用面 法制备预制棒。P2O3的掺杂浓度达14mo%,光纤积,一般认为是有效芯面积。Id是光纤的有效长度, 总长500m。数值孔径大约0158,截止波长978m,由下式计算 模场直径579m。此光纤在1.06、124和148 L e=[1-exp(a L)lap m处的损耗分别是30、2.02和1.97dB/km。图1 其中an代表光纤在泵浦波长处的损耗。尽管 是光纤的损耗曲线。 实验中泵浦波长是1073m,我们取1064mm作为泵 105
浦波长进行估算。在1064m波长泵浦下,喇曼增益(954%),对产生的一级喇曼散射光有高的反射率 在124以m处的值为g=68B(kmW)(对摻PQ3(透过率仅0.024%),腔镜M2对散射光也有较高的 石英光纤,在1064m激光泵浦下,一级斯托克斯散 反射(透过率仅059%)(由于时间和经费的原因 射光的波长大致为124(m)。将a=310JB/m、L=0.我们没有对腔镜2进行专门的镀膜设计,只是利用 5km、glA=6.8dB/(kmW)代人方程(1)和(2),了实验室现有的镜片,因此对散射光的透过率不是 我们得到喇曼阈值为243W。这个阈值是如此之高,最佳的。)实验初始,我们测量了光学系统对泵浦光 以至于我们不能观察到甚至第一级的喇曼散射现象。的透过率为90%,能将泵浦光耦合进光纤的能力即 由激光原理知识可知,两个平行平面腔可以构耦合效率为20%。 成一个谐振腔,它可以提供正反馈,大大降低阈值。 掺PO石英光纤 因此我们考虑在光纤两端加入腔镜,这时的阈值条 泵浦源 光谱仪 件可改写为 G=exp(8R im Len -2a, L)=Loss (3) 图2实验装置示意图 其中,a,代表掺PO3光纤中一级散射光的吸收 图3为观察到的受激喇曼散射光谱随泵浦功率 系数,Los是除吸收损耗外腔的总损耗,以dB为单增加的变化情况。当泵浦功率增加到25W时,在 位。这时,方程可进一步改写为 1251m处出现P2O3的一级斯托克斯谱线,如图 L=-2a、L+26 (a),这意味着P2O3的喇曼频移为1326cm。同时 A 考虑到腔镜M1对泵浦光的透过率为954%,计算出 其中,δ是由两个腔镜反射不完全引起的损产生一级斯托克斯散射光所需的泵浦阈值为043W 耗,由下式决定 (与理论值相比,偏大。是因为理论分析时只考虑了 6=-lnRR2=-ln(1-71)(1-72)(5) 腔镜反射不完全所引起的损耗,没有考虑其它损 耗)。随着泵浦功率的逐渐增加,我们看到在1133 根据表1的数值,将T=0.024%和T2=059%代 um和1.18m处出现两条谱线,分别为石英(主 入,我们得到此时的泵浦阈值约360mW。 要成分是S0O2)的一级斯托克斯谱线和二级斯托克 通过以上分析,我们认为在光纤两端加入合适 斯谱线,而且1251m这条谱线没有明显的增强,如 的腔镜,可以大大降低受激喇曼散射的阈值,实验图()、(G)和(d)所示。随着泵浦光的进一步 条件能够满足要求,应该能观察到受激喇曼散射现增加,石英的第四级斯托克斯谱线即1331mm波长的 象。 光被激发出来,且强度逐渐增加,超过了125nm谱 表1腔镜的透过率 线,如(e)和(所示。即使在最大泵浦功率下 波长 相应波长处的透过率 (相应的入射的泵浦功率为34W),没有观察到石英 的第五级斯托克斯谱线和PO3的第二级斯托克斯谱 MI 线,意味着光纤在这些波段受激散射阈值较高。 1.07ym 954% 0.99% 对 1.13m 1.54% 0.12% 18 u m 0.11% 1.25um 0.024% 0.59% 33 u m 0.047% 87% 三、实验研究 实验装置如图2所示。泵浦光经过光学系统聚 焦到掺PO3石英光纤,光纤两端放置两个平面腔镜, 其中M1为双色镜,对泵浦光有高的透过率
达到了学以致用、融会贯通的目的,不但使学生顺 (e) ( 利完成毕业设计任务,而且使他们加深了对激光原 理知识的掌握。其中王新同学的论文最后被评为校 优秀论文 参考文献 图3在不同泵浦功率下摻P2O3石英光纤的 [1]G.P.Agaw非线性光纤光学,胡国绛、黄超 受激喇曼散射光谱 译,天津:天津大学出版社,1992 掺P2O3石英光纤成分中既包含PDO3,也包含 [2] Dianov E M, Bufetov I A, Bubnov MM, et al. SiO2,因此我们在实验中不仅观察到了P2O3的受激 Three-cascaded1407- nm Raman phosphorus-doped silica fiber []. Opt. 2000,25(6 喇曼散射,其喇曼频移量为1326cm-;而且也观察 402-404 到了SiO2的受激喇曼散射,这与以往的实验报道是 [3] Du GG, Zhang M, Li H W, et al. Studies on all-fiber 相符的。并且看到PO3的一级斯托克斯谱线刚好是 Raman fiber lasers with domestic Bragg gratings []. Chinese SiO2的第三级斯托克斯谱线。由于实验中使用的腔 Optics Letters, Vol3spe7279 镜M1和M2对1251m的光具有高的反射率,所以腔 4]杜戈果,阮双琛,苏红新等.单模石英光纤中受 内此波长的光强较强,作为泵浦,激发了SO2的第激喇曼散射的研究门光子学报,20,33(8) 四级斯托克斯谱线;而且M2对1331mm的光有较高 的透过率(透过率为87%),所以在实验中观察到 作者单位:深圳大学电子科学与技术学院 1331nm谱线比1251nm谱线强度大。 邮编:518060 四、小结 将激光原理知识运用到毕业设计的方案论证中
