烧孔效应的研究与应用

烧孔效应的研究与应用余伟亚（通信与信息工程学院电子科学与技术陕西西安710068）摘要：光学烧孔效应是六十年代以来人们就开始大量研究的一类物理现象。光学烧孔理论在光谱分析和光学存储方面均有着重要的应用。目前，人们还在不断深入研究各种新的材料和介质的光学烧孔现象，并取得了许多成就。由于光通讯的飞速发展以及光存储在其中的重要地位，所以人们正在投入更多的精力在这一研究方向上开展工作。超强激光的等离子体烧孔效应，Rb原子相干烧孔效应的实验研究，用增益钳制法观察烧孔效应，基于多模光纤偏振烧孔效应的双波长掺铒光纤激光器等很多的研究。关键词：烧孔效应等离子体烧孔效应用增益钳制法观察烧孔效应双波长掺铒光纤激光器引言人们对光学烧孔效应的研究始于上世纪60年代初。当一束强的单频激光}s通过一非均加宽介质时，它可以选择性地将一群与共振频率相对应的原子激发至饱和状态，这时若有另一束频率扫描的弱探测光勿*通过该介质，则在它的吸收光谱的相应位置上将出现一个凹陷，这就是所谓光学烧孔，通常也称兰姆凹陷。在图1-5中，虚线对应于饱和场不存在时的粒子数分布，实线则对应于饱和场存在时的粒子数分布。图1-6给出了传统烧孔效应的能级图。可见，饱和场将一群特殊原子选择性地由基态…1)激发到了激发态…2)o基于光学烧孔效应的消多普勒的饱和光谱技术使得人们能够在多普勒加宽的介质中分辨出原子的精细能级、超精细能级以及分子的转动能级。如果非均匀加宽介质的吸收谱线足够宽，而饱和光和探测光的线宽足够窄，那么在该介质的一个非均匀加宽的谱线内就可以烧出大量的孔。在一些特定的介质中，这些烧孔可以永久保留或随时擦去，从而使光学烧孔在光学存储中具有重要的价值。一、超强激光的等离子体烧孔效应超强激光的等离子体烧孔效应重点是激光的渗透及渗透区的等离了体密度分布。当l}z10‘8W(um)Z/cmz(l,}为激光强度与波长)时，等离了体中的电了在激光驱动下的振荡具有明显相对论特征。目前用于实验的激光强度已达到I}Z一10‘9W(um)Z/cmz量级，并可望在近期达到I}Z一10z}W(um)Z/cmz，而快速点火方案所需的点火激光正是这种超强激光。因而有必要针对超强激光进一步研究等离了体烧孔效应。在文献[4]中，最早提出烧孔效应的Wilk、指出:在超强激光打靶中，湘当一部分能量以驱动向等离了体内传播的激波的形式被离了吸收”。本文将结合烧孔效应对这种新的激光吸收机制作定量研究。当脉宽为T的平顶激光脉冲(flat}oppedlaserpulse)垂直辐照到固体平面靶，立即在靶内形成一个热波，其温度轮廓及时问发展可由Rosen提出的白相似解[5]T(x，t)=T(o,t)[1一x/L(t)]2/5(1)描述，其中L(t)=Ott'/9(cm),T(0,，)=尽z/9(keV)(2)为热波穿透深度及靶面温度，它们都随时问增大，(2)式中的常数。=1.8X10'5Z-'(1广lnfIn厂)9，乃=4(1zIn!1/nf)嗜其中，I。为被吸收的激光能流以wcm_zWcm为单位，no为靶离了密度以cm_3cm为单位，f描写电离过程取为2,In!1=5。由(1)式出发可以求出热波向靶内传播速度dl/dt=0.78at-z/9(〔m/a}(3)在激光辐照的初始阶段，热波传播速度远大于离了声速、=1.5X10'厅t9(〔m/a}(4)激光生成等离了体可视为静止不动的。随着被加热的物质增多，热波的传播变慢，而离了声速则随时问递增，直至t=to时热波传播速度降至声速量级，等离了体开始流动。由(1)一(4)式可求出，。=1X1023(I,}/In!1n犷2Z3\(sec)(5)时，等离了体中出现激波并迅速达到稳态。此后，激波取代热波成为主导机制。在激光光压超过等离了体热压时，激光压迫等离了体沿着光压梯度向内流动并直接驱动的激波，这就是所谓等离了体烧孔效应。在实验中，临界点附近的等离了体流动速度及方向可以由反射光的多普勒频移测定。二、用增益钳制法观察烧孔效应在玻璃基质中，由于玻璃结构的无序性，各个激活离了处于不等价的配位场中的格点上，不同格点上饵离了的吸收和发射谱线的线形、中心频率等都是随机变化的，从而引起了谱线的非均匀加宽。在EDFA掺饵光纤放大器中，由于非均匀加宽作用，饱和信号光除了消耗公共的上能级粒了(属于均匀加宽部分的)使得所有波长的增益下降外，还会消耗只属于白身波长的粒了，从而引起该波长的增益微小下降，这种现象称为烧孔效应。烧孔效应使得放大器增益不平坦。一个放大器的烧孔效应一般小于0.4dB，可以忽略。但在远距离光传输中，光信号将经过多个放大器，这时烧孔效应将对传输系统的性能产生极大的影响。在用泵浦调节法的放大器增益钳制控制中，EDFA内部的监测电路通过监测信号或放大的白发辐射(ASE)功率来控制泵浦激光器的偏置电流，从而调节放大器泵浦功率的大小，最终达到稳定增益的目的。在增益不变的情况下，有无饱和信号下放大器增益的变化，就是烧孔效应的作用结果。三、双波长掺铒光纤激光器基于多模光纤(MMF)引入的偏振烧孔(PHB)效应,研制了一种环形双波长掺铒光纤(EDF)激光器。单模光纤(SMF)�MMF�SMF组成的结构使MMF不同偏振方向的反射模在波长上分开,利用PHB效应实现双波长的输出,输出波长间隔可通过改变MMF的长度改变。实验对比了1.6m和3.0m长的MMF输出波谱特性,结果表明,通过增加MMF的长度,不但可以使输出波长的波长间隔变小,而且输出功率也会有一定的提高。通过PHB效应以及偏振相关隔离器(PDI)和偏振控制器(PC)的影响,在常温下实现了消光比为55dB、边模抑制比为53dB以及输出功率为-2dBm的两个连续波长的稳定输出。结论在过去的几十年中人们在有关光学烧孔的研究中投入了大量的精力，并取得了很多令人瞩目的成绩。目前，在这一领域的研究早己进入技术应用阶段，但对新材料、新技术和新方法的探讨仍在不断深入。由于光通讯的飞速发展以及光存储在其中的重要地位，人们正在投入更多的精力在这一研究方向上开展工作。TheresearchandapplicationofholeburningeffectYuWeiyaCommunicationandinformationengineeringinstituteElectronicscienceandtechnologyprofessionalShanXiXiAN710068）Abstract:Opticalholeburningeffectstartedtoresearchsincethe60sofphysicalphenomena.Holeburningtheoryinopticalspectralanalysisandopticalstorageallhaveimportantapplications.Atpresent,peopleareconstantlyin-depthstudyofnewmaterialsanddielectricopticalholeburningphenomenon,andhasobtainedmanyachievements.Duetotherapiddevelopmentofopticalcommunicationandopticalstorageinoneoftheimportantposition,sopeoplearespendmoreenergytoworkinthisresearchdirection.SuperlaserplasmaholeburningeffectofRbatomiccoherentholeburningeffectoftheexperimentalstudy,observationholeburningeffectwiththegaincontrollingmethod,basedonthemultimodeopticalfiberpolarizationholeburningeffectofdoublewavelengtherbium-dopedfiberlaserisalotofresearch.Antistop:hole-burningeffectPlasmaholeburningeffectGainsuchmethodDoublewavelengtherbium-dopedfiberlaser