非线性脉冲畸变

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定义:由于光纤非线性效应的存在引起光脉冲空间、时间或者光谱性质的畸变。


光脉冲(尤其是脉冲长度为皮秒或飞秒的超短脉冲)即使脉冲能量(例如,毫焦量级)适中,也会具有很高的峰值功率峰值强度。因此,脉冲在透明介质中传播过程中会受非线性影响很大,例如,在激光晶体中传播,尤其是在光纤中。非线性引起各种类型的畸变:

  1. 如果在各向同性介质中(例如,体晶体)传播,其空间性质会受影响。其中一个例子为自聚焦效应,极限情况下会引起激光诱导击穿。非极端情况下,存在像差和时间相关的透镜效应。
  2. 自相位调制会引起强的光谱畸变,即光谱被强烈调制以及展宽。
  3. 脉冲的时间形状也会发生畸变:脉冲可能会被展宽,或者变得不对称等。极限情况下,一个脉冲会分裂成多个脉冲。另一个例子是在超连续谱产生过程中得到高阶孤子分裂。一个相关的现象是波破裂。大多数情况下,时间谱畸变不是非线性直接影响的,而是来自于非线性展宽光谱的脉冲受色散的影响的结果。例如,自相位调制(不包括自变抖效应)或者拉曼散射并不是直接影响时间形状,而是改变光谱,然后脉冲更容易受到色散效应的影响。

在放大器中,增益饱和效应会引起很强的脉冲时间形状上的畸变,然后产生的侧翼会经过放大,而后面的部分不会被放大很多,因为增益已经达到饱和。

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图1:飞秒脉冲的时间形状,在光纤中传播时形状已经发生了畸变。


非线性脉冲畸变与具体情况密切相关,即非线性的类型和强度,以及其它效应,例如色散或波导效应等。可以利用脉冲传播模型进行计算和分析。


也有很多方法可以减小非线性脉冲畸变,例如在放大器超短脉冲的畸变。例如,采用薄的(高掺杂)放大器晶体啁啾脉冲放大分脉冲放大


参阅:非线性克尔效应脉冲传播模型啁啾脉冲放大