一种液芯光纤的光信号放大性能检测方法及其检测装置与流程

本发明涉及光学领域，尤其涉及液芯光纤的光信号放大性能检测方法及其检测装置。
背景技术：
：为使光纤放大器有效的工作，需要采用大功率的激光器作为泵浦光源，其产生的热量有可能使聚合物光纤融化，为解决这一问题向光纤内填充稀土掺杂液(液芯光纤)是一个有效地解决方案，液芯光纤具有良好的导热性，可以避免聚合物光纤因泵浦能量过高产生发热融化，因此利用稀土掺杂液体灌入空芯光纤就有望制得稀土掺杂的液芯光纤放大器，并得到广泛应用。光纤放大器是实现光纤长距离传输的关键器件，线路中的光功率放大对系统性能起着非常重要的作用，稀土离子很早便开始被掺杂到石英光纤、聚合物光纤中制备为光纤放大器件。目前在石英光纤领域，早已经开发出掺杂铒离子的光纤放大器，并进入实用，然而当光纤中稀土掺杂浓度高到一定程度时，稀土离子将发生团簇现象，造成浓度淬灭，反而会降低器件的性能，石英光纤中，稀土离子的溶解度极其有限，较低的浓度就会发生团簇现象，在稀土螯合物中，有机配体的存在起到了隔离稀土离子的作用，稀土离子可以达到很高的掺杂浓度而不会有明显的团簇现象产生，而且有机配体通常具有大的吸收截面，通常是稀土离子的100～1000倍，因此掺杂稀土螯合物的聚合物光纤能达到很高的泵浦效率。液芯光纤是由折射率高的透明液体填充到空芯光纤的纤芯中，光线可以约束在光纤芯层内向前传输，它不同于石英光纤和聚合物光纤，有其独特性能，当液芯光纤弯曲时，由于纤芯内部是由流动的液体所填充的，液体受到的应力会很快向周围释放，因此不会像上述光纤弯曲造成的较大的弯曲损耗，具有很大的弯曲半径，并且液芯光纤散热性能优异，能够传输数百瓦的光功率而不被损坏，由于液芯光纤具有不同于传统光纤的特殊结构，使其具有许多独有的特性：大芯径、大数值孔径、光谱宽、传输效率高和使用寿命长等。近年来，通过向空芯光纤里灌装各种液体，例如稀土离子、染料、偶氮等来制取各种功能性液芯光纤已获得广泛关注，如何快速检测这些含有不同液体的液芯光纤对于光信号放大性能是一个非常迫切的需要。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种液芯光纤的光信号放大性能的检测方法及其检测装置，能够根据不同的液芯光纤的光谱特性进行少量的参数调节，从而快速的检测和显示不同填充物的液芯光纤对于光信号的放大效果，上述光信号放大性能包括不限于线性区间宽度，线性放大系数，饱和光强倍数等等。本发明采取如下技术方案：一种液芯光纤的光信号放大性能检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)将掺杂具备放大特性的液体材料制作而成的溶液灌注至空芯光纤中，得到用于检测的液芯光纤；2)通过测量液芯光纤的吸收光谱和荧光光谱，获取液芯光纤的吸收波长λ1和发射波长λ2；3)调节倍频激光器，使染料激光器发出波长为λ2的激光作为信号光；4)通过可调节滤光镜，使泵浦光路中光的波长等于液芯光纤的吸收波长λ1，作为泵浦光；5)通过合束镜将信号光路中波长为λ1的信号光和泵浦光路中波长为λ2的泵浦光合成一束，并利用聚焦透镜聚焦；6)调整聚焦镜的焦点，将光束的焦点和液芯光纤的轴心对齐后从液芯光纤一端入射；7)调节紫外衰减器的衰减因子α，利用光强测量仪记录液芯光纤输出端的光强，同时将记录结果输出至光强记录仪，根据光强对于衰减因子α波动的程度制作成该液芯光纤对于光信号的放大性能图。更换掺杂具备放大特性的液体材料制作而成的溶液，重复步骤1至7，得到新的液芯光纤的光信号放大性能图，通过得到的多个光信号放大性能图进行对比，从而检测出性能优异的填充液体材料。一种液芯光纤放大性能检测装置，其特征在于，包括：倍频激光器，信号光路的起点，用于泵浦染料激光器；染料激光器，经所述倍频激光器泵浦后，发射波长λ2的信号光；反射镜，反射信号光路中波长λ2的光波至合束镜；紫外激光器，泵浦光路的起点，产生紫外光至可调节滤光镜；可调节滤光镜，对所述紫外激光器产生的光波进行过滤，并通过调节实现仅能通过波长为λ1的泵浦光；紫外衰减器，通过调节衰减因子α从而调整泵浦光路中波长λ1的泵浦光的光强；合束镜，将泵浦光路中波长为λ1的泵浦光和信号光路波长为λ2的信号光合成一束，并入射至聚焦透镜；聚焦透镜，对合束镜输出的光波进行聚焦，将光波焦点和液芯光纤的轴心对齐；光强测量仪，用于测量衰减因子α0-αn时液芯光纤输出端光波的光强；光强记录仪，用于显示光强测量仪获得的光波强度，并绘制液芯光纤的放大拟合曲线。本发明的技术效果在于，提供一种液芯光纤的光信号放大性能检测方法及其检测装置，能够利用液芯光纤的光信号放大性能检测装置，并根据不同的液芯光纤的光谱特性进行少量的参数调节，就能快速的检测和显示不同填充物的液芯光纤对于光信号的放大效果，从而高效的测定液芯光纤填充物的放大性能，进而快速识别和检测出性能优异的液芯光纤填充材料。附图说明图1为本发明的检测装置结构示意图；图2为实施例中eu(tta)3phen聚合物液芯光纤端面图；图3为实施例中eu(tta)3phen吸收光谱；图4为实施例中eu(tta)3phen发射光谱；图5为实施例中输出光强随泵浦功率的变化曲线图；图6为实施例中放大增益随泵浦功率的变化曲线图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。液芯光纤是通过向空芯光纤里面灌入各种液体制备而成，制备过程主要分为灌注，端面研磨两部分，首先将空芯光纤的两端通过模具固定，一端放入到液体溶液中，控制合适的压强和时间，将溶液灌入到空芯光纤中，并通过显微镜检测灌芯是否成功，当溶液成功灌入空芯光纤后，再利用光学胶将光纤两端密封处理，将光纤端面经过研磨后就得到了可用于测试的液芯光纤。通过以上方法制备的光纤可与普通光纤仪器之间连接，便于测试与应用，整个制作过程简单易于控制，并且只需更换溶液种类就可以制作多种不同特性的液芯光纤。记录通过不同波长的荧光照射液芯光纤后得到的光强，取得液芯光纤的吸收波长λ1(光强最弱)和反射波长λ2(光强峰值)，所述的荧光指的是一种特制的光源，光谱覆盖整个可见光范围(350nm-800nm)，光强在整个光谱上是均匀分布的，由于浸润特定液体的光纤对于不同波长的光谱有着不同的反应，有些光谱会被吸收衰减，有些光谱会被泵浦增强，所以采用荧光照射材料能够很好的检测材料的光学特性，为最终计算光纤放大系数(增益db)做铺垫。取得泵浦光波长λ1与信号光波长λ2的值的作用主要是为获取偏微分方程组的一组最重要的需要实验测量的参数，该偏微分方程组的目的就是求解光纤在特定条件下的增益系数(db)，其原理：例如稀土离子在纤芯溶液中分布均匀，根据半经典激光理论可知，泵浦光和信号光沿光纤传输方向z的功率变化的传输方程可由下式表示：其中αs和αp分别为未掺杂光纤在泵浦光波长和信号光波长的吸收系数(即损耗)，归一化求解功率可得其中分别为信号光和泵浦光的饱和光功率，是一个常数值，仅仅和光纤以及填充材料相关。饱和意味着再加大照射功率也不再有放大效应，这两个参数用于估算激光光源的范围，同时也是输出曲线的线性区域和饱和区域的分水岭。则传输方程可写成：其中σe为发射截面，σp为吸收截面，nt为粒子总数，即掺杂浓度，通常为常数(由掺入材料属性决定)。通过求解式(3)就可以得到泵浦光功率pp和信号光功率ps随着光纤传输方向z的变化，我们定义信号增益gk(db)为先利用公式组1建立传输方程状态表达式，之后利用功率归一化得到公式3，理论上知道公式3可以知道任何想要的结果，但是我们着重强调的是信号传输的放大效应，所以利用公式3就可以定义公式4的结果，那么如果想要完整求解公式3这个偏微分状态方程组，需要知道以下参数。表1液芯光纤数值的相关参数参数数值参数数值掺杂浓度nt0.8wt.％发射截面σe3.693×10-21cm2泵浦光波长λ1355nm吸收截面σp2.08×10-21cm2信号光波长λ2613nm泵浦光损耗αp20db/m信号光损耗αs10db/m以上参数是从材料方面来说对于最终的放大结果有着直接的影响，那么最关键的两个参数就是泵浦光波长λ1与信号光波长λ2这两个“光谱点”所对应的吸收系数，这两个参数需要用实验测得(频谱仪分析)，即方法步骤中的步骤2测量所得到。然后我们的方案就把这两个(λ1与λ2)实际上是从分析得到的两束特定频率的光等效成了直接设计好的激光源照射(直接调节到这两个频率)，作为我们设备仪器的发生装置。如图1所示，调节倍频激光器，使染料激光器发出波长为λ2的激光作为信号光；通过可调节滤光镜，使泵浦光路中光的波长等于液芯光纤的吸收波长λ1，作为泵浦光；通过合束镜将信号光路中波长为λ1的信号光和泵浦光路中波长为λ2的泵浦光合成一束，并利用聚焦透镜聚焦；调整聚焦镜的焦点，将光束的焦点和液芯光纤的轴心对齐后从液芯光纤一端入射；调节紫外衰减器不同的衰减因子α，利用光强测量仪记录液芯光纤另一端的光强，同时将记录结果输出至光强记录仪，并且根据光强对于衰减因子α波动的程度制作成该液芯光纤对于光信号的放大性能图，至此，该装置完成了其设计目的和功能。更换掺杂具备放大特性的液体材料制作而成的溶液，重复步骤1至7，得到新的液芯光纤的光信号放大性能图，通过得到的多个光信号放大性能图进行对比，从而检测出性能优异的填充液体材料，比较指标性能可以是但不局限于放大系数，最大放大增益，线性放大区间等。以下采用铕掺杂聚合物eu(tta)3phen作为填充介质来说明装置工作过程：首先将eu(tta)3phen注入光纤制成液芯光纤,端面如图2所示；测试eu(tta)3phen的光学特性(吸收和发射光谱)；如图3、图4所示，通过光谱分析可得吸收光谱λ1为355nm，发射光谱为λ2为613nm；调节倍频激光器的激发光强，从而使染料激光器发出波长等于液芯光纤反射波长λ2＝613nm；通过可调节滤光镜的调节，使得泵浦光路的波长等于λ1＝355nm；将泵浦光路和信号光路合成在合束镜上；利用聚焦镜将光路焦点和液芯光纤的轴心对齐；调节紫外衰减器的衰减系数，利用光强测量仪记录液芯光纤输出端的光强，同时将记录结果输出至光强记录仪，显示结果如图5所示，得到图5后，利用输出结果除以对应的发射功率然后取对数乘以10(公式4)得到图6的结果，图6即eu(tta)3phen的液芯光纤对于光信号的放大特性。测量增益就是通过滑动这个衰减因子α大范围的调整输入输出，然后通过输入输出特性来判定增益，从而确定线性放大区和饱和区。本发明不局限于上述实施例，任何对于材料的液芯光纤都可以利用该装置按照上述步骤检测光学放大特性，从而能够实现一种装置对多种材料的光学放大特性检测(线性区间宽度，线性放大系数，饱和光强倍数等)，对于液芯光纤的材料探索实验有着重大的意义。当前第1页1 2 3