一种可补偿偏振模色散的多自由度光谱滤波器的制作方法

本发明涉及光谱滤波装置领域,具体是一种可补偿偏振模色散的多自由度光谱滤波器。

背景技术：

在激光领域，特别是高功率激光领域，为了控制非线性效应的产生以及为实现焦斑匀滑而采用的光谱色散平滑技术，需要利用相位调制器将单频激光进行频谱展宽。然而，激光系统中的保偏器件及保偏光纤中存在的偏振模色散(包括差分群时延及低的偏振消光比)，会产生偏振滤波效应，从而使得展宽后的光谱中不同的光谱成分透射率不均匀，到达输出端时，会导致激光的频率调制部分转换为幅度调制，这种现象被称为高功率激光器中的幅频调制效应。幅频调制不仅会导致光信号波形失真，更严重的是会增加光学元件的损伤风险并降低物理实验的有效性。因此有必要对其进行补偿。在高功率激光系统中，偏振模色散对脉冲的影响是随时间随机变化的。这是由于光脉冲在保偏光纤中传输时，当保偏光纤周围环境变化(温度变化或受到外界压力)，会对传输脉冲产生复杂且随机的影响，这会导致输出端脉冲的幅频调制也表现为时变特性，因此很难对其进行补偿。此外，根据高功率激光系统实验需求的不同，前端系统中保偏光纤的长度也会随之调整，这会导致偏振滤波效应产生的滤波函数的自由光谱区产生变化，从而对光脉冲的影响发生改变。

目前已有的偏振模色散补偿方法主要是使用不同种类的偏振控制器，如：二分之一波片和四分之一波片的组合、液晶等。但二分之一波片和四分之一波片的组合调节灵活度较低，自由光谱区不易改变；而液晶系统控制系统较为复杂，并且需要根据使用需求专门设计制作液晶器件，成本较高。另一个很有效的补偿方式是，将两段等长的保偏光纤光轴旋转90°后熔接，这一方法虽然能补偿光纤的差分群时延，但无法补偿随机相移造成的影响，并且灵活度不高。考虑到偏振模色散主要会引起系统滤波函数的峰值波长及调制深度随时间改变；而激光系统中所使用的保偏光纤长度不同，又会造成其滤波函数的自由光谱范围改变。因此，设计一套可自适应调节的多自由度偏振模色散补偿系统是很有必要的。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可补偿偏振模色散的多自由度光谱滤波器，用于解决现有偏振模色散补偿装置自由光谱区调整困难、自适应控制系统复杂的问题。具体而言，本发明的目的是提供一种多自由度光谱滤波器，其峰值波长、调制深度及自由光谱范围可根据需要调节。本发明的另一个目的是提供一种装置和方法，所述方法能通过提供一种可闭环控制的多自由度光谱滤波器对偏振器件及保偏光纤中的偏振模色散进行实时补偿，能通过监测脉冲时域波形，可对所述补偿装置进行实时反馈控制，以抑制系统中偏振模色散引起的幅频调制效应。

本发明所采用的技术如下：

一种可补偿偏振模色散的多自由度光谱滤波器，包括第一光纤准直器、安装在旋转调整架上的薄膜偏振片、配有液晶控制器的相位型液晶、第二光纤准直器、附加保偏光纤、光轴旋转的保偏光纤及光纤检偏器；所述第一光纤准直器的尾纤与输入光纤连接，经第一光纤准直器准直输出后的光经所述薄膜偏振片后，变成线偏振光，通过旋转所述薄膜偏振片，使所述线偏振光的偏振方向与所述相位型液晶的液晶光轴呈一定角度入射到相位型液晶上，经过由液晶控制器加载交流电压的相位型液晶后，与液晶光轴方向平行及垂直的两偏振分量产生一定的相位延迟，再经第二光纤准直器耦合进光纤，第二光纤准直器的尾纤与附加保偏光纤连接，附加保偏光纤的另一端口与光轴旋转的保偏光纤连接，光轴旋转的保偏光纤的输出端与光纤检偏器的输入端相连，经光纤检偏器的检偏后，从光纤检偏器的输出端输出并进入输出光纤继续传输。

通过旋转所述薄膜偏振片，调节所述相位型液晶的电压及所述附加保偏光纤的长度，可分别实现对滤波器的调制深度、峰值波长及自由光谱范围的解耦调节。

所述第二光纤准直器的尾纤需采用保偏光纤。

所述薄膜偏振片的法线方向与光束传播方向平行。

所述附加保偏光纤的长度根据实际需求进行选择。

所述光轴旋转的保偏光纤对轴角度选为45°最佳。

所述的液晶控制器和所述的旋转调整架分别与电脑相连，该电脑与示波器相连，以实现对偏振模色散的实时补偿，从而实现对脉冲幅频调制的远程闭环控制。

本发明的特点和优点：

本发明克服了现有补偿方法调节自由度少，控制系统较为复杂的缺点，可实现对滤波器峰值波长、调制深度及自由光谱范围的解耦调节，并且具有与光纤系统兼容的特性。其中，峰值波长的调谐与液晶相位的电压变换特性趋势相同，调制深度的变化与波片旋转角度呈简单的抛物线关系，因此容易实现对滤波器的高度可控调节。由于其高度可控性及灵活性，所述的多自由度光谱滤波器可用于对高功率激光装置中由偏振器件及保偏光纤引起的偏振模色散进行实时补偿，能通过监测脉冲时域波形，对所述补偿装置进行实时反馈控制，从而抑制系统中偏振模色散引起的幅频调制效应。

附图说明

图1是本发明可补偿偏振模色散的多自由度光谱滤波器的结构示意图。

图中，1-第一光纤准直器、2-薄膜偏振片、3-相位型液晶、4-第二光纤准直器、5-附加保偏光纤、6-光轴旋转的保偏光纤、7-光纤检偏器。

图2为滤波器调制深度随薄膜偏振片旋转角度的变化示意图。图2(a)为滤波函数随薄膜偏振片旋转的变化；图2(b)为调制深度与薄膜偏振片旋转角度的关系曲线。

图3为滤波器峰值波长随液晶电压的变化示意图。图3(a)为峰值波长及峰值功率的变化曲线；图3(b)为液晶延迟性能随所加电压的变化曲线。

图4为滤波器自由光谱范围随附加保偏光纤长度改变的变化示意图。图4(a)为附加保偏光纤长度为0m；图4(b)为附加保偏光纤长度为1.5m；图4(c)为附加保偏光纤长度为3m；图4(d)为附加保偏光纤长度为5m。

图5是本发明可补偿偏振模色散的多自由度光谱滤波器的另一实施例的结构示意图。图中，8-电脑，9-示波器。

图6为使用该滤波器对高功率激光系统偏振模色散引起的幅频调制进行补偿的效果图。图6(a)为示波器采集到的未补偿时的光脉冲信号；图6(b)为示波器采集到的经过本发明的补偿装置后的光脉冲信号；图6(c)为使用本发明进行自动反馈补偿后3小时中脉冲幅频调制的变化情况。

具体实施方式

下面结合附图和实例作进一步详细的说明。

实施例1：如附图1所示，一种可补偿偏振模色散的多自由度光谱滤波器，包括中心波长1053nm的光纤准直器1、透射波长为550～1500nm的薄膜偏振片2、通光孔径透射波长为1050～1700nm的半波相位型液晶3、尾纤为1053nm保偏光纤的第二光纤准直器4、传输波长为1053nm的附加保偏光纤5、光轴旋转45°后熔接的保偏光纤6、尾纤为1053nm保偏光纤的光纤检偏器7。

当不考虑光纤引入的群速度色散及损耗时，所述滤波器的系统滤波函数可用琼斯矩阵表示为

Hout(f)＝MILP·MCON·MPM-R-PM·MCON·MPM·MLC·MP·Hin(f)，

式中Hin(f)为输入光光谱函数，MP为薄膜偏振片传输矩阵，MLC为液晶传输矩阵，MPM为附加保偏光纤传输矩阵，MCON为法兰传输矩阵，MPM-R-PM为转轴45°保偏光纤传输矩阵，MILP为光纤检偏器的传输矩阵。各光学元件的传输矩阵形式如下：ρ为经起偏器后线偏光偏振方向与液晶光轴的夹角；

η为液晶对慢轴光(设快轴无损耗)引入的相对偏振损耗，为液晶对慢轴传输的光信号引入的相对相移(相对于快轴)；

l为保偏光纤长度，ε为保偏光纤偏振模色散常量，通常保偏光纤为1.5～2ps/m，为保偏光纤引入的随机相移；

θc与法兰消光比有关；

l1,l2分别为转轴对接的两段保偏光纤长度；

l3为薄膜偏振片注入端保偏光纤长度。

使用谱宽为40nm的荧光源作为注入光，经第一光纤准直器准直输出的光经所述薄膜偏振片后，变成线偏振光，该线偏光偏振方向与液晶光轴呈一定角度入射到相位型液晶上，经加交流电压的相位型液晶后，与液晶光轴方向平行及垂直的两偏振分量产生一定的相位延迟，再经第二光纤准直器耦合进光纤，第二光纤准直器的尾纤与附加保偏光纤连接，附加保偏光纤的另一端口与光轴旋转的保偏光纤连接，光轴旋转的保偏光纤的输出端与光纤检偏器的输入端相连，经光纤检偏器的检偏后，从光纤检偏器的输出端输出并进入输出光纤继续传输。

考察滤波器的调制深度解耦调谐能力。液晶不加电压，附加保偏光纤长度为3m。设置薄膜偏振片调整架初始角度对准1°刻度线，再以1°为步长逆时针旋转调整架至15°，滤波器调制深度随薄膜偏振片旋转角度的变化如附图2所示。由图可见，在调节中，滤波器峰值波长及自由光谱范围几乎没有变化，说明实现了调制深度的解耦调谐。图2(a)为滤波函数随薄膜偏振片旋转的变化曲线，实线对应由1°转动至11°时调制深度的变化，虚线对应由12°转动至15°时调制深度的变化。1°时对应调制深度最大的情况，随着偏振片的旋转，调制深度逐渐减低，旋转至11°时调制深度最小，此时继续转动，由虚线可见，调制深度又随着旋转角度的增大而增大。图2(b)为旋转角度为1°至11°时调制深度与薄膜偏振片旋转角度的关系曲线，近似为抛物线型。

实施例2：考察滤波器的峰值波长解耦调谐能力。实施条件与实施例1相同，但保持薄膜偏振片角度不变，附加保偏光纤长度为3m。逐渐增大对液晶所加的电压值，得到滤波器峰值波长及峰值功率随液晶电压的变化示意图如附图3所示。由图可见，在调节中，滤波器峰值功率几乎没有变化，说明调制深度未随液晶电压改变，也即实现了峰值波长的解耦调谐。图3(a)为峰值波长及峰值功率随液晶加压的变化曲线；图3(b)为液晶延迟性能随所加电压的变化曲线。对比两曲线可见，峰值波长的调谐与液晶相位的电压变换特性完全对应，因此可以方便地对峰值波长进行高重复性、高可控性地调节。此外，由于本系统中使用的是半波液晶相位延迟器，因此可调谐波长范围为0.8nm，若使用相位延迟能力更高的液晶，可调谐范围可进一步增大。

实施例3：考察滤波器自由光谱范围随附加保偏光纤长度改变的变化情况。实施条件与实施例1相同，但保持薄膜偏振片角度及液晶所加的电压值不变，更换不同的附加保偏光纤长度，得到滤波器峰值波长及峰值功率随液晶电压的变化示意图如附图4所示。所需的附加保偏光纤长度可根据所需的自由光谱范围，根据公式计算得到：Δν＝1/εl，而自由光谱范围用频率和波长表述时转换关系满足：使用中，需要注意，公式中的l是第二准直器尾纤、附加保偏光纤及转轴保偏光纤前半段光纤的总长度之和。图4(a)为附加保偏光纤长度为0m的情况，对应自由光谱范围为1.6nm；图4(b)为附加保偏光纤长度为1.5m的情况，对应自由光谱范围为0.7nm；图4(c)为附加保偏光纤长度为3m的情况，对应自由光谱范围为0.55nm；图4(d)为附加保偏光纤长度为5m的情况，对应自由光谱范围为0.36nm。对于实施例中所使用的保偏光纤，其偏振模色散常量为1.6ps/m，而第二准直器尾纤为1m，转轴保偏光纤前半段光纤长度为0.5m，因此通过公式计算的到附加保偏光纤长度为0、1.5、3m和5m时，自由光谱范围分别为1.54,0.76,0.51nm and0.36nm，与本例中是一致的。

实施例4：针对中心波长1053.1020nm，展宽量为0.38nm的宽谱光，经过高功率激光前端系统内偏振元件(内有双折射晶体)、多段低消光比保偏光纤段输出，再由10m保偏光纤传输后，接入本发明所述的滤波器，滤波器中的薄膜偏振片调整架及相位型液晶的液晶控制器均与电脑相连，以实现自动控制，而电脑另一接口与示波器相连，以接收示波器采集的实时脉冲波形，该实施例的结构示意图如图5所示。图6为使用该滤波器对高功率激光系统偏振模色散引起的幅频调制进行补偿的效果图。为衡量幅频调制量的大小，常定义波形扭曲因子Pmax和Pmin分别为示波器上脉冲的最大和最小峰值电压。图6(a)为示波器采集到的未补偿时的光脉冲信号，可见到波形平顶区出现严重的幅频调制，α≈18％，由于外界环境的不确定影响，该幅频调制量会随着时间发生改变，α可由2％变化至超过20％；图6(b)为示波器采集到的经过本发明的补偿装置后的光脉冲信号，可见幅频调制量可被补偿至很小的量级，α≈3.2％，脉冲顶部接近平顶；图6(c)为使用本发明进行自动反馈补偿后3小时中脉冲幅频调制的变化情况，由图可见，经本发明所述的装置进行自动反馈补偿后，脉冲的幅频调制量可被控制在2～6.5％之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。