克尔材料中广义外差干涉测量技术的非线性相位特性研究及其在脉冲表征中的应用

这篇综述创新性地将外差干涉测量技术（Heterodyne Interferometry）与克尔非线性效应（Kerr Nonlinearity）相结合，系统研究了激光脉冲在非线性介质传播中的相位演化规律。文章揭示了在低功率下非线性折射率（n2）的线性测量机制，同时发现高功率时脉冲形状和色散（β2）会导致干涉图案振幅（R）的非线性振荡现象，为光学脉冲表征提供了新思路。

　　

1 引言

外差探测技术自1960年代从无线电领域延伸至光学频段后，已成为测量光信号相位和振幅的核心手段。本研究通过马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer）结合声光调制器（AOM），创新性地将自外差技术应用于克尔介质非线性相位的精确测量。相较于Z扫描（Z-scan）和四波混频（Four-Wave-Mixing）等传统方法，该技术具有灵敏度高、所需输入功率低的优势，特别适用于测量克尔系数（γ）这一长期存在争议的参数。

2 非线性脉冲演化

通过非线性薛定谔方程（NLSE）建模发现：当非线性长度（L_NL）和色散长度（L_D）远大于传播距离时，克尔效应仅引入瞬时相位偏移φ_NL=γP_inL_eff|E(t)|²。但高功率下，脉冲形状会因非线性与色散（β₂）的耦合作用发生畸变，导致传统近似失效。

3 自外差与克尔非线性

实验装置采用重复频率80MHz、脉宽3ps的锁模激光器，通过电光调制器（EOM）实现1kHz功率扫描。平衡光电探测器（BPD）捕获的干涉信号经锁相放大器解调后，在低功率区呈现相位θ∝P_in的线性响应，斜率因子κ取决于脉冲形状（高斯脉冲κ=0.88，双曲正割脉冲κ=0.94）。

4 解析与数值分析

数值模拟显示：当φ_NL>π时，振幅R会出现振荡现象，且脉冲边缘陡峭度直接影响振荡深度。反常色散（Anomalous Dispersion）条件下，脉冲分裂会导致R曲线出现归零点，对应θ发生π/2跳变。这种特性使得干涉仪可作为"非线性标尺"反推输入脉冲轮廓。

5 实验验证

采用50米高非线性光纤（HNLF，γ≈11 W^-1km^-1）验证时：正常色散（D=-1.2 ps/nm/km）下测得γ=10.6±1.0 W^-1km^-1，与厂商数据吻合；反常色散（D=1.0 ps/nm/km）区则观察到脉冲分裂引起的R振荡现象。通过频率分辨光学门（FROG）校准脉冲轮廓后，拟合误差<2%。

6 结论

该研究不仅为克尔系数测量提供了新范式，更意外发现干涉振幅振荡与脉冲轮廓的强关联性。未来或可通过已知非线性特性的波导，逆向开发全光纤脉冲表征系统。平台建设获法国国家研究署（ANR）和欧洲地平线计划（NEUROPULS项目）支持。