高非线性光子晶体光纤中飞秒脉冲的传输特性和超连续谱产生机制的实验研究及模拟分析

用实验和数值模拟两种方法研究了高非线性光子晶体光纤中飞秒激光脉冲的传输特性和超连续谱的产生机理，给出了抽运脉冲在三种不同中心波长情况下输出光谱展宽并形成超连续谱的实际测量及理论模拟结果.研究表明：在零色散波长抽运时，光谱展宽以自相位调制为主，同时三阶色散的影响明显，传输脉冲在时域内出现振荡次峰.而在反常色散区抽运时，光谱展宽的初期以自相位调制为主，随后根据抽运功率的不同孤子自频移、高阶光孤子的裂变和四波混频效应会逐渐增强，进而成为光谱展宽的主要原因.与此相应，在时域中能明显看到孤子的形成和红移，飞秒传输脉 关键词： 光子晶体光纤 高非线性光子晶体光纤 飞秒脉冲激光 超连续谱     

飞秒脉冲在硅波导中产生超连续谱的研究

利用非线性薛定谔方程对飞秒脉冲在硅波导中的传输以及超连续谱的产生进行了研究,计算和分析了色散参量及非线性损耗在超连续谱的产生过程中的影响.结果表明,孤子分裂是飞秒脉冲在硅波导中产生超连续谱的主要机理.飞秒脉冲中心波长与波导零色散点的相对位置对超连续谱的产生有极大影响.当中心波长位于近零色散点的反常色散区时,孤子分裂现象最明显,谱宽远大于在零色散波长及正常色散处入射时的情况,并且达到稳定展宽所需波导长度最短.其次,高阶色散的大小也会影响光谱展宽,三阶色散绝对值较小时,能够获得较大的展宽.另外,由于双光子吸收效应带来大量损耗,限制了谱宽,并且随着初始脉冲功率的逐渐增大,展宽出现饱和现象. 关键词： 超连续谱 孤子分裂 色散 硅波导     

飞秒激光脉冲在高非线性光子晶体光纤中产生超连续谱的实验研究

使用钛宝石激光器抽运一根长1m的高非线性光子晶体光纤,获得的超连续谱波长覆盖范围为420—1700nm,输出功率为170mW,转换效率在20%以上;对实验结果给出了详细的分析,并与理论模拟结果相比较,认为超连续谱产生的主要原因是高阶孤子的分裂和四波混频效应.同时研究了不同抽运功率和不同抽运波长下超连续谱产生的情况,发现对同一根光纤,抽运功率由小到大变化时,可将输出的光谱分为初始展宽,剧烈展宽和饱和展宽三个阶段,当输出的光谱处于初始展宽和饱和展宽阶段时,都会存在一定的抽运残留,当输出的光谱处于剧烈展宽时,转 关键词： 光子晶体光纤 超连续谱 高阶孤子 反常色散区     

反常色散平坦光纤产生平坦宽带超连续谱的数值研究

通过数值计算，对反常色散平坦光纤中高阶孤子压缩效应产生超连续谱进行了系统、深入的研究. 结果表明，反常色散平坦光纤的色散参量二阶微分常量、峰值色散参量及抽运脉冲的脉宽、孤子阶数对该种光纤中平坦超连续谱的形成及所需光纤长度的选取都有着非常重要的影响；进一步研究表明，超连续谱的展宽机理主要来自脉冲的自相位调制效应和群速度色散的共同作用,高阶非线性效应对超连续谱的产生不起决定性作用，在计算中完全可以忽略. 关键词： 反常色散平坦光纤 超连续谱 自相位调制效应 群速度色散     

光子晶体光纤反常色散区抽运产生超连续谱的相干特性分析

使用复互相干度的定义对超连续谱的相干性进行了数值计算,得到了不同功率抽运情况下的脉冲谱展宽以及超连续谱相干性的变化.结果表明孤子自频移以及色散波辐射是抽运波长位于光纤反常色散区情况下超连续谱展宽的主要物理机理,而超连续谱的相干性则主要受到调制不稳定性的影响.调制不稳定性放大抽运脉冲自身携带的随机噪声,使得非线性效应产生的光谱成分具有随机的相位与幅度,引起超连续谱相干性的下降. 抽运功率越高, 调制不稳定性增益越高,噪声对超连续谱产生的作用越强, 超连续谱的相干性越差.要获得高相干的超连续谱, 需采用峰值功率较小的脉冲进行抽运.要获得大谱宽高相干的超连续谱, 则需要合理选择抽运脉冲功率.     

飞秒光脉冲在光子晶体光纤不同色散区产生超连续谱的数值分析

采用预测校正分步傅里叶方法数值模拟了飞秒光脉冲在光子晶体光纤中的非线性传输和超连续谱产生,分析了初始光脉冲的中心波长、峰值功率和光纤长度在光子晶体光纤正、反常色散区对超连续谱形状和带宽的影响。结果表明,当初始光脉冲的中心波长在光纤的反常色散区时,产生的超连续谱宽要远宽于正常色散区,但是光谱的平坦性较差;当光脉冲中心波长在靠近零色散波长的反常色散区且其他脉冲参数不变的情况下,存在一个产生宽且平坦的超连续谱的最佳峰值功率和最佳光纤长度。对于超连续谱系统的优化设计与实际应用具有参考意义。     

多孔微结构光纤中飞秒激光脉冲超连续谱的产生

报道了利用800nm飞秒激光脉冲在多孔微结构光纤中产生超连续谱展宽的现象，连续谱展宽范围为440—890nm.基于标量波近似理论对微结构光纤包层的有效折射率和基模的有效面积以及光纤的色散特性进行了计算，发现微结构光纤具有特殊的控制色散和波导特性的能力，对超连续谱展宽的机理进行了初步解释.本文的理论分析和实验结果有较好的一致性，认为即使包层由无序填充气线组成的多孔微结构光纤也可以出现超连续谱展宽效应. 关键词： 多孔微结构光纤 超连续谱 有效折射率 色散     

三个零色散波长光子晶体光纤及相位匹配特性

利用多极法对光子晶体光纤的色散特性进行了模拟,通过结构参数的精确设计,得到了具有三个零色散波长的单模光纤,获得了色散值极低的超平坦色散曲线。对三个零色散波长光子晶体光纤特殊的相位匹配特性进行了研究,在不同光纤结构参数下,得到了相位匹配波长随抽运波长及抽运功率的变化规律,分析了不同色散曲线对应的相位匹配波长特点。三个零色散波长光纤能实现两个反常色散区之间光孤子的高效波长变换,可以获得6个新的四波混频相位匹配波长,产生更多光子对,为高效、多波长四波混频的产生及超连续谱的研究提供了新的物理环境。     

色散位移光纤反常色散区平坦超宽超连续谱的产生

采用一种在色散位移光纤反常色散区产生平坦超宽超连续谱的方法。利用数值计算对色散位移光纤反常色散区高阶孤子压缩效应产生超连续谱展开了全面、深入的研究。结果表明,在色散位移光纤的反常色散区色散斜率(三阶色散)对超连续谱的形成起着决定性的作用;进一步研究表明,抽运脉冲的峰值功率及脉宽对超连续谱的谱宽和平坦度都有着重要影响,而高阶非线性效应对超连续谱产生没有显著影响。综合考虑以上因素,超续谱的谱宽和平坦度可以获得最大的优化。     

超短光脉冲在双折射光子晶体光纤中产生超连续谱的偏振特性数值分析

采用矢量耦合非线性薛定谔方程描述了超短光脉冲在双折射光子晶体光纤中的传输过程,并利用分步傅里叶方法求解该方程。数值模拟了中心波长为1550nm的超短光脉冲在不同色散参量的双折射光子晶体光纤中超连续谱的产生及其偏振特性。分析了光纤在不同色散区时,高阶色散和非线性效应对超连续谱及其偏振态的影响。结果表明,当超短光脉冲波长位于近光纤零色散点的反常色散区时,比其在光纤正常色散区和远离光纤零色散点的反常色散区更容易产生宽且平坦的超连续谱,所得到的光谱显示出了复杂的偏振态特性。     

双零色散光子晶体光纤中超连续谱的产生及控制

通过数值模拟飞秒脉冲在具有双零色散波长的光子晶体光纤中的传输过程,详细分析了超连续谱的产生和控制机制.结果表明:中心波长处于反常色散区的泵浦脉冲在高阶非线性和高阶色散等作用的调制下,将演化为基孤子和正常色散区的两个色散波;该色散波进而经与之相位匹配的基孤子相干加强而使频谱展宽形成超连续谱,同时两个色散波上出现了干涉引起的振荡现象.进一步对比三种结构的光子晶体光纤中超连续谱的特点,定量分析了两色散波对超连续谱的限制作用,阐述了结构参量对超连续谱的影响.基于上述结论,结合对色散波的中心波长与光子晶体光纤的色散曲线、结构参量之间关系的分析,提出了设计光子晶体光纤的结构来控制超连续谱的方法.作为例证,通过优化光子晶体光纤结构理论上实现了频谱分量覆盖可见光区的平坦超连续谱.     

长脉冲抽运光子晶体光纤四波混频和超连续谱的理论研究

本文数值研究了长脉冲抽运光子晶体光纤四波混频和超连续谱的产生.依据准连续波近似下的相位匹配条件和能量守恒定律,能够理论上确定在光子晶体光纤正常色散区抽运时,四波混频效应产生的信号光和空闲光波长;以及在光纤反常色散区抽运时,调制不稳现象产生的两个对称旁瓣波长.利用自适应分步傅里叶法,定量地模拟了利用波长为1064 nm的亚纳秒激光器抽运两种不同色散特性的光子晶体光纤四波混频效应和超连续谱的产生,模拟结果与实验结果符合非常好. 关键词： 光子晶体光纤 超连续谱 四波混频 自适应分步傅里叶法     

双零色散光子晶体光纤中超连续谱的产生及控制

 通过数值模拟飞秒脉冲在具有双零色散波长的光子晶体光纤中的传输过程,详细分析了超连续谱的产生和控制机制.结果表明：中心波长处于反常色散区的泵浦脉冲在高阶非线性和高阶色散等作用的调制下,将演化为基孤子和正常色散区的两个色散波|该色散波进而经与之相位匹配的基孤子相干加强而使频谱展宽形成超连续谱,同时两个色散波上出现了干涉引起的振荡现象.进一步对比三种结构的光子晶体光纤中超连续谱的特点,定量分析了两色散波对超连续谱的限制作用,阐述了结构参量对超连续谱的影响.基于上述结论,结合对色散波的中心波长与光子晶体光纤的色散曲线、结构参量之间关系的分析,提出了设计光子晶体光纤的结构来控制超连续谱的方法.作为例证,通过优化光子晶体光纤结构理论上实现了频谱分量覆盖可见光区的平坦超连续谱.     

双折射光子晶体光纤中基于孤子分裂的超连续光谱产生

利用亚纳焦量级、脉冲宽度为100 fs的激光脉冲在双折射光子晶体光纤中获得了450—1050 nm 的超连续光谱,且超连续光谱具有明显的分立峰状结构.分析了光谱中分立峰状结构产生的物理机制,抽运光波长处于接近零色散波长的反常色散区,形成高阶光孤子,由于高阶非线性和高阶色散的影响,高阶孤子分裂成多个基孤子,使初始光谱上演化出红移的光孤子成分和蓝移的色散波成分.理论模拟了飞秒激光脉冲在光纤中的色散特性和传输特性,较好地解释了实验结果. 关键词： 光子晶体光纤 超连续光谱产生 孤子分裂 脉冲俘获     

噪音对飞秒脉冲在光子晶体光纤中传输特性的影响

从非线性薛定谔方程出发,采用线性稳定性的分析理论和分布傅里叶的数值模拟方法,研究了噪音对飞秒脉冲在两个零色散波长光子晶体光纤中传输特性的影响和超连续谱的产生. 研究结果表明,在传输的初始阶段,无论有无噪音,频谱展宽的主要机制都是自相位调制;但噪音加快了脉冲的分裂,产生色散波所经历的传输距离比没有噪音时要短. 在传输的后续阶段,高阶孤子分裂产生基态孤子,与没有加入噪音时相比,噪音不仅减弱了孤子走离效应,而且还抑制了孤子自频移效应,使得从反常色散区转移至长波长处的能量变少.     

双零色散光子晶体光纤中可见光超连续谱的产生

在掺镱锁模光纤激光器发出的皮秒脉冲的抽运下,本文报道了双零色散的多芯光子晶体光纤中可见光超连续谱的产生.这种光子晶体光纤的类似同轴双芯结构提供了相隔很近的双零色散点.第二个零色散波长的存在阻止了反常色散区内的由脉冲内拉曼散射引起的孤子的频移,形成了稳态孤子,在短波长和长波长方向上的正常色散区均产生了可观的色散波.在2 W的平均功率下得到了550 nm到1700 nm的超连续谱.此外,光纤的同轴双芯特性也导致了入射脉冲的模式转换.实验结果和数值计算十分符合.     

飞秒激光脉冲在高非线性光子晶体光纤中产生超连续谱的实验研究

使用钛宝石激光器抽运一根长1m的高非线性光子晶体光纤，获得的超连续谱波长覆盖范围为420—1700nm，输出功率为170mW，转换效率在20%以上；对实验结果给出了详细的分析，并与理论模拟结果相比较，认为超连续谱产生的主要原因是高阶孤子的分裂和四波混频效应.同时研究了不同抽运功率和不同抽运波长下超连续谱产生的情况，发现对同一根光纤，抽运功率由小到大变化时，可将输出的光谱分为初始展宽，剧烈展宽和饱和展宽三个阶段，当输出的光谱处于初始展宽和饱和展宽阶段时，都会存在一定的抽运残留，当输出的光谱处于剧烈展宽时，转     

高非线性光子晶体光纤深紫外超连续谱的研究

光子晶体光纤作为光学非线性良好介质,对超连续谱产生具有重要作用。深紫外超连续谱光源在许多应用中有急切的需求,然而由于实验条件和光纤参数等方面的影响,利用高非线性光子晶体光纤产生深紫外(<280 nm)超连续谱的报道较少。通过理论和实验研究了高非线性光子晶体光纤在深紫外区的频率变换,并分析其产生的物理机理。使用钛宝石飞秒激光器将实验室自制的光子晶体光纤在反常色散区泵浦,研究了不同泵浦功率和泵浦波长对深紫外区超连续谱的影响,结果表明：泵浦波长固定为860 nm时,深紫外频率光谱展宽范围随泵浦功率的增加而逐渐展宽;泵浦功率固定为0.4 W时,泵浦波长的增加不仅展宽超连续谱范围而且极大的提高了深紫外区光谱的转换效率。当泵浦波长为870 nm,泵浦功率为0.4 W,实验所用光子晶体光纤长度为1.45 m,零色散波长为825 nm时,光子与色散波的交叉相位调制使深紫外基模超连续谱扩展到最短波长212 nm。     

飞秒泵浦不同锥长微结构光纤超连续谱的产生

对飞秒脉冲泵浦下,不同锥长及锥腰直径的微结构光纤的超连续谱产生进行了实验研究。采用“快速低温拉锥方法”,在保持d/Λ不变的情况下,对实验室自制的空气孔间距Λ=6.53 μm,归一化孔径d/Λ=0.79的微结构光纤进行了拉锥,分别得到6,8,10 mm等不同锥长微结构光纤。理论计算表明,随着锥长变长,锥腰直径变小,锥腰处零色散波长向短波移动：未拉锥及6,8和10 mm锥微结构光纤锥腰处零色散波长分别为1 129,885,806和637 nm。利用中心波长为810 nm,重复频率76 MHz,脉宽120 fs的钛蓝宝石飞秒激光器对拉锥后微结构光纤进行了实验研究：锥长为6 mm时,泵浦光中心波长位于整根光纤的正常色散区,锥腰的零色散点附近,内脉冲拉曼散射和级联四波混频是光谱初始展宽的主要因素。泵浦功率达到450 mW时,在可见波段390～461 nm及红外波段1 134～1 512 nm形成-5 dB的平坦宽带连续光谱。泵浦功率达到500 mW时,出现366～2 450 nm覆盖紫外、可见、近红外、中红外的超连续谱,其光谱红蓝移边缘已经接近实验用微结构光纤的传输带宽。锥长为8 mm、泵浦功率为450 mW时,在群速度匹配和群加速度失配的共同影响下,连续谱蓝移边缘达到366 nm,比6 mm锥时蓝移9 nm;锥长为10 mm时,由于锥腰处零色散点移动到可见光区域,可见区光谱仍能满足相位匹配条件。通过级联四波混频效应,在可见区域实现了频率上转换及光谱蓝移。泵浦光功率达到500 mW时,在382～412 nm得到谱宽仅为30 nm,转换效率达到27.7%的频率上转换。     

基于预啁啾控制的极宽带光参量放大

在以飞秒钛宝石放大系统的倍频光为抽运光和超连续白光为信号光的光参量放大中，针对抽运光的宽带特点，分析了一种新的极宽带相位匹配方法.结果表明，10nm的抽运光带宽可得到近400nm的相位匹配带宽，若抽运光带宽达到20nm,相位匹配带宽就能达到近600nm.零色散波长为800nm的光子晶体光纤产生的超连续谱经光纤传输后为二次啁啾，宽带抽运光经棱镜对展宽具有线性啁啾，满足了极宽带相位匹配方法所需要的光谱分布.理论计算了对输入脉冲进行预啁啾控制应选择的光纤长度和棱镜对在光路中的插入量，为实现极宽带光参量放大提供了