模式耦合

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定义:描述和计算光在某些情况下传播的概念,例如,传播时存在非线性相互作用时。


模式耦合的概念通常用来描述光在有些波导或光学中传播时受到一些附加效应的影响,例如,外界干扰或者非线性相互作用。耦合模式理论的基本思想是将传播光分解成不受干扰装置中的模式,然后计算这些模式在附加效应存在时如何相互影响的。这种方法通常在技术和概念上都非常方便,例如,比直接计算实际情况下的传播模式更加方便。


一些模式耦合的例子如下:

  • 光纤保持为直线时,其中可能具有多个传播模式。如果光纤被弯曲的程度很大,会引入耦合,例如从基模耦合到高阶模式中(甚至包层模式中),或者在不同偏振态之间耦合。弯曲损耗可以理解为耦合到非导模中。
  • 波导中的非线性相互作用也会使模式之间相互耦合(可计算低光强的情况)。这一图像可用来描述波导中的倍频效应,其中非线性耦合机制将泵浦模式的光强转移到频率二倍于它的光中。
  • 在高功率光纤放大器中,基模会耦合进高阶模式[10]。这一机制来自于Kramas-Kronig效应或者热畸变引起折射率分布改变。当光功率大于某一值时,会引起光束质量显著下降。
  • 光学谐振腔中也会发生各种模式耦合现象。例如,固态体激光器增益介质中的热透镜畸变会耦合激光器谐振腔模式。但是,这种情况下并不是所有耦合的模式都能同时振荡。这表示每一次往返一周后从基模耦合到某一高阶谐振腔模式的振幅都具有不同的相位。这种耦合的非谐振性质表明耦合产生的效应较小,但是对于高光束质量的激光器就影响较大,否则畸变会激发高阶模式,具有更高的光束参量乘积。在特定情况下会发生强烈的谐振耦合,涉及到谐振腔模式的频率简并。文献[9]中有更多细节知识。


技术上来说,模式耦合方法通常用于所有耦合模式振幅的耦合微分方程中。这些方程包含耦合系数,可以通过交叠积分计算出来,涉及到两个模式方程和耦合引起的干扰。常用的方法为,首先计算给定输入光情况下的模式振幅,然后这些振幅以如上所述的耦合微分方程传播,最后结合模场得到计算的场分布。


这一相干模式耦合现象中一个很重要的物理概念就是两模式间转移的光功率与两模式本来的振幅相关。其结果是通过强烈衰减模式B,可以得到从模式A向模式B的能量转移非常小。因此,如果通过降低模式B的强度从而使其从模式A中提取很少的光强,那么模式A存在很少的损耗。


参考文献

[1] A. W. Snyder, “Coupled-mode theory for optical fibers”, J. Opt. Soc. Am. 62 (11), 1267 (1972)

[2] H. Kogelnik and C. V. Shank, “Coupled-wave theory of distributed feedback lasers”, J. Appl. Phys. 43 (5), 2327 (1972)

[3] A. Yariv, “Coupled-mode theory for guided-wave optics”, IEEE J. Quantum Electron. QE-9, 919 (1973)

[4] H. Haus et al., “Coupled-mode theory of optical waveguides”, J. Lightwave Technol. 5 (1), 16 (1987)

[5] W. P. Huang et al., “Optical wavelength filter with tapered couplers”, IEEE Photon. Technol. Lett. 3 (9), 812 (1991)

[6] R. Paschotta et al., “Nonlinear mode coupling in doubly-resonant frequency doublers”, Appl. Phys. B 58, 117 (1994)

[7] W.-P. Huang, “Coupled-mode theory for coupled optical waveguides: an overview”, J. Opt. Soc. Am. A 11 (3), 963 (1994)

[8] N. Matuschek et al., “Exact coupled-mode theories for multilayer interference coatings with arbitrarily strong index modulations”,IEEE J. Quantum Electron. 33 (3), 295 (1997)

[9] R. Paschotta, “Beam quality deterioration of lasers caused by intracavity beam distortions”, Opt. Express 14 (13), 6069 (2006)

[10] A. V. Smith and J. J. Smith, “Mode instability in high power fiber amplifiers”, Opt. Express 19 (11), 10180 (2011)

[11] A. W. Snyder and J. D. Love, Optical Waveguide Theory, Chapman and Hall, London (1983)


参阅:模式光纤波导