一种通过光纤传输的多线纳秒光源，适用于单次光谱偏振散射测量

《Advanced Optical Technologies》：A fiber-delivered, multi-line nanosecond source for single-shot spectro-polarimetric scattering measurements

基于100米长大芯GRIN光纤，本研究开发了一种保留部分线偏振的多线纳秒激光源，发射线在473-600 nm范围内以440 cm?1间隔分布。通过非线性自清洁效应，尽管多模传播，输出仍接近高斯分布。应用方面实现了单次多波长光谱偏振测量，并揭示了偏振保留与光纤弯曲、入射角的关系。

　　这项研究描述了一种基于纳米秒脉冲激光的多波长光源，其能够在通过100米长的大型芯梯度折射率（GRIN）光纤传输后保持部分线性偏振特性。该系统利用了受激拉曼散射（SRS）的原理，通过将Q开关的473纳米泵浦激光耦合进GRIN光纤，产生了在473至600纳米波段内、以硅的拉曼频移（约440厘米?1）为间隔的窄发射谱线。这些发射谱线不仅具有良好的空间质量，还表现出与波长相关的偏振保持特性，为生物医学领域提供了新的研究工具。

在GRIN光纤中，由于其特殊的折射率分布，光在传播过程中会经历不同的模式耦合。通常情况下，这种多模式传播会导致偏振状态的破坏，使得输入的偏振光在输出端变得无序。然而，这项研究发现，当拉曼级联效应发生时，GRIN光纤能够自然地保持一定比例的线性偏振。具体而言，各发射谱线的偏振度（DoLP）范围在0.1至0.6之间，这表明尽管光纤内部存在多模式传播，但在拉曼级联过程中，非线性效应如Kerr效应能够促进光束的“自清洁”，使得光束逐渐演化为接近高斯分布的形态，并且部分保留其初始偏振特性。这种现象在100米长的大型芯GRIN光纤中是首次被观察到。

研究还展示了该光源在生物医学应用中的潜力。通过使用内脂悬浮液作为散射样品，研究人员实现了单次拍摄的多波长光谱偏振反射测量。这种测量方法不仅能够捕捉不同波长下的偏振信息，还能够反映散射体的强度和表面敏感性。实验结果表明，随着散射体浓度的增加，偏振度会下降，这与湍流介质中的偏振记忆理论一致。此外，某些特定波长的偏振度出现了异常变化，这可能与局部模式耦合和双折射效应有关。这些发现进一步揭示了非线性效应在光纤内部传播过程中的作用，以及它们对偏振特性的影响。

为了验证这些结果，研究人员采用了一系列实验方法。首先，他们通过调节泵浦激光的平均功率，观察到了拉曼级联效应的起始点。当平均功率达到约2.1毫瓦时，第一级拉曼线开始出现，表明拉曼增益与输入功率之间存在依赖关系。随后，他们使用偏振相机和光谱仪对输出光束进行了分析，以确定其偏振特性。在测量过程中，研究人员发现，尽管光纤的多模式传播可能导致光束的随机耦合，但通过拉曼级联过程，光束能够在输出端保持一定的偏振状态。

此外，研究人员还探讨了光纤弯曲半径和入射角度对偏振保持能力的影响。实验结果表明，弯曲光纤会降低偏振度，而入射角度的变化则会影响不同级次拉曼线的强度和偏振特性。这些因素表明，拉曼级联过程中的偏振保持并非完全稳定，而是受到光纤结构和外部条件的共同影响。通过进一步分析，研究人员发现某些特定波长的偏振度会因模式耦合而发生反转或减弱，这为理解非线性光学在多模光纤中的行为提供了新的视角。

该研究的另一个重要发现是，拉曼级联过程中的非线性效应不仅影响光束的强度分布，还塑造了其时间特性。通过高速光电探测器和示波器的组合，研究人员测量了输出光束的脉冲宽度，并发现其存在负啁啾现象。这意味着光束在传播过程中，其频率随时间的变化呈现特定的规律，这可能与光纤中的自相位调制（SPM）和群速度色散（GVD）有关。这些非线性效应在光纤中累积，导致拉曼级联光束的脉冲宽度比泵浦光束更短，且呈现出一定的时间演化特征。

为了实现多波长的光谱偏振测量，研究人员设计了一种创新的实验装置。他们将光纤输出的光束通过一个非偏振分束器（BS）进行分束，并将其中一部分光通过透射光栅（DG）进行光谱分离，随后送入偏振相机以记录偏振信息。另一部分光则用于照射样品，并通过反射路径返回，经过偏振分束器（PBS）后被分为共偏振和交叉偏振两个通道。这两个通道通过相同的光学路径进入积分球，最终被光谱仪记录。这种设计确保了在不同波长下对偏振信息的准确捕捉，并且能够实现单次拍摄的多波长光谱偏振反射测量。

实验结果进一步表明，该系统具有高度的可调性和适用性。通过改变泵浦激光的入射角度和光纤的弯曲半径，研究人员能够控制不同级次拉曼线的强度和偏振特性。这为未来的光纤激光系统在生物医学、材料科学和光学传感等领域的应用提供了新的思路。特别是，该光源能够以紧凑的形式实现多波长、偏振敏感的测量，为需要高空间质量和时间分辨率的实验提供了强有力的支持。

研究还指出，尽管非线性效应在光纤中发挥了重要作用，但其作用机制仍然复杂。拉曼增益决定了光束的中心频率和级联间距，而自相位调制和群速度色散则影响了光束的宽度和时间演化。因此，光纤内部的非线性相互作用不仅决定了光束的频率特性，还塑造了其空间和时间行为。这种多因素共同作用的机制使得拉曼级联光源在保持偏振的同时，能够产生具有特定光谱结构的多波长输出。

在实际应用中，该系统能够用于研究生物组织中的散射特性。通过分析不同波长下的偏振度变化，研究人员可以推断出散射体的分布情况和表面特性。这为生物医学成像和诊断提供了新的方法，特别是在需要深度分辨和偏振敏感信息的场景中。此外，该光源的紧凑性和光纤传输能力也使其适用于移动设备和现场测量，这在某些需要便携性的应用场景中具有重要意义。

综上所述，这项研究通过实验和理论分析，揭示了在大型芯GRIN光纤中实现多波长、偏振保持的拉曼级联光源的可能性。研究不仅展示了该光源在空间和时间特性上的优势，还验证了其在多波长光谱偏振测量中的应用潜力。这些发现为未来的光纤激光技术发展提供了重要的参考，并可能推动相关领域的技术创新。同时，该研究也为理解非线性光学在多模光纤中的行为提供了新的视角，拓展了传统光纤光学的研究边界。