飞秒脉冲抽运掺镱微结构光纤产生超连续谱的实验研究

本文利用钛蓝宝石飞秒激光器抽运自制的掺镱微结构光纤,对微结构光纤中的非线性效应及超连续谱产生机理进行了实验研究.研究发现,当抽运光偏离Yb~(3+)吸收最高峰85 nm时,仍具有较高的发光效率.在飞秒脉冲抽运下,位于反常色散区的发射光首先被位于正常色散区的抽运光激发、放大并俘获,然后演化为超短脉冲,随后在微结构光纤中产生非线性效应.微结构光纤1发射光位于零色散波长附近,产生基阶孤子并在拉曼作用下红移,微结构光纤2发射光位于距离零色散波长较远的反常色散区,产生高阶孤子分裂效应形成超连续谱,但是1380 nm处的OH-吸收限制了超连续谱的进一步展宽.忽略抽运光耦合效率、微结构光纤损耗等因素的影响,输出光谱中超连续谱的产生效率最高可以达到98%以上,意味着几乎所有的残余抽运光和发射光均展宽为超连续谱.在0.50 m长的微结构光纤中,获得了较高的波长转换效率和较宽的超连续谱.通过拉锥处理,零色散波长发生蓝移,最终产生的超连续谱相在短波处范围展宽,而在长波处范围缩短.因此利用钛蓝宝石飞秒激光器抽运Yb~(3+)掺杂微结构光纤,可以获得可调谐的超连续谱.     

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     

不同零色散点光子晶体光纤的超连续谱产生

本文实验研究了飞秒脉冲在不同零色散点光子晶体光纤中传输时产生超连续谱的现象。首先,我们通过非线性薛定谔方程理论计算了激光脉冲分别在正、负色散光子晶体光纤中传输时产生的超连续谱;计算结果表明在正色散光子晶体光纤产生的超连续谱远远大于在负色散中产生的超连续谱。其次,在实验上采用零色散点分别为800 nm、1 060 nm和2 000 nm的光子晶体光纤,将脉宽为130 fs,中心波长800 nm,脉冲重复频率为80 MHz的脉冲输入这些光纤中产生超连续谱并研究其特性,实验结果表明光子晶体光纤的零色散点越小,在其中产生的超连续谱越宽越平坦。同时产生的超连续谱也与激光脉冲的能量和中心波长相关。     

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.     

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.     

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。     

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.     

纳米光纤的色散特性及其超连续谱产生

通过数值计算,分析了纳米光纤的色散特性,并比较了纳米光纤中不同直径和不同材料的色散特性.结果表明：二氧化硅纳米光纤有两个零色散波长,随光纤直径的增大,其色散曲线趋于平坦,零色散波长也随之发生改变;硅光纤只有一个零色散波长,且随着直径的增大,零色散波长向长波方向移动.采用广义非线性薛定谔方程来描述超短激光脉冲在纳米光纤中的传输演化过程,利用分步傅里叶方法求解方程.比较了超短脉冲在光纤不同色散区传输时,色散对超连续谱产生的影响以及脉冲波形的演化.在正常色散区,超连续谱谱宽很窄,而在零色散区和反常色散区则可产生 关键词： 色散 超连续谱产生 非线性光学 纳米光纤     

色散平坦渐减光纤中超连续谱的产生

对双正交偏振光脉冲在色散平坦渐减光纤中传输时超连续谱的产生进行了计算和分析。结果表明，由于交叉相位调制效应的作用，双光脉冲可以产生比单光脉冲明显展宽且更为平坦的超连续谱。对于双基孤子脉冲，可以得到-20dB谱宽达388nm的平坦宽带超连续谱，比单基孤子脉冲产生的超连续谱谱宽增加72nm，交叉相位调制效应对超连续谱的产生起到增强的效果。当输入脉冲的抽运功率较低时，交叉相位调制效应对超连续谱的产生的增强效果更为显著，它极大地提高了超连续谱的产生的效率。数值计算的结果还表明，与其他高阶非线性效应相比，拉曼自频率移效应对超连续谱产生的影响更为明显。     

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

采用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非线性传输和超连续谱的产生. 计算和分析了高阶色散和非线性效应对超连续谱形状和带宽的影响. 结果表明在光子晶体光纤中产生了孤子自频移现象. 同时也发现脉冲内拉曼散射和自相位调制的联合作用导致了超连续谱中精细结构的出现. 另外，还发现高阶色散和初始光脉冲的峰值功率对超连续谱的带宽和平滑也有直接影响. 关键词： 光子晶体光纤 孤子自频移 超连续谱     

飞秒脉冲在熔石英玻璃中超连续谱产生的研究

从非线性薛定谔方程出发,利用分步傅里叶方法,研究了时空耦合飞秒脉冲在熔石英玻璃中传输时,传输距离、入射激光脉冲峰值功率、衍射、色散和非线性等因素对超连续谱产生的影响。结果表明,飞秒脉冲在熔石英玻璃中传输时,超连续谱的产生主要分为两阶段：由材料的自聚焦等三阶非线性效应引起的脉冲压缩阶段及由自相位调制和材料群速度色散引起脉冲分裂阶段。当高峰值功率的飞秒脉冲在熔石英玻璃中传输时,材料的三阶非线性效应抑制衍射效应,引起脉冲压缩,从而产生子脉冲,由此引入新的频率成分。同时,还研究了同一脉冲不同横向空间位置处的超连续谱的变化规律,在中心频率两侧均有新频率产生。最后,通过实验证实了超连续谱的产生。     

Influence of the initial chirp on the supercontinuum generation in silicon-on-insulator waveguide

We propose a practical method to broaden the bandwidth of supercontinuum generated in silicon-on-insulator (SOI) waveguide by controlling the initial chirp of inputting femtosecond pulses, which has the main impact on the initial stage of the spectral broadening caused by the self-phase modulation (SPM) effect. The numerical results show that the bandwidth and flatness of the supercontinuum generated in SOI waveguide are sensitive to the initial chirp of inputting femtosecond pulses, the supercontinuum bandwidth can be remarkably enhanced by inputting positive chirp femtosecond pulses with a decreased propagation distance required by soliton fission, and the maximum bandwidth of supercontinuum can be increased to 1500 nm.     

Generation of mid-infrared supercontinuum by designing circular photonic crystal fiber

A circular photonic crystal fiber (C-PCF) based on As₂Se₃ is designed, which has three zero dispersion wavelengths and flat dispersion. Using this fiber, a wide mid-infrared supercontinuum (MIR-SC) can be generated by launching a femtosecond pulse in the first anomalous dispersion region. The simulation results show that the MIR-SC is formed by soliton self-frequency shift and direct soliton spectrum tunneling on the long wavelength side and self-phase modulation, soliton fission on the short wavelength side. Further, optical shocking and four-wave mixing (FWM) are not conducive to the long-wavelength extension of MIR-SC, while the number and intensity of fundamental solitons have a greater effect on the short-wavelength extension of MIR-SC. The generation of optical shocking waves, FWM waves and fundamental solitons can be obviously affected by changing the fiber length and input pulse parameters, so that the spectrum range and flatness can be adjusted with great freedom. Finally, under the conditions of 4000 W pulse peak power, 30 fs pulse width, 47 mm fiber length, and 0 initial chirp, a wide MIR-SC with a coverage range of 2.535 μm-16.6 μm is obtained. These numerical results are encouraging because they demonstrate that the spread of MIR-SC towards the red and blue ends can be manipulated by choosing the appropriate incident pulse and designing optimized fiber parameters, which contributes to applications in such diverse areas as spectroscopy, metrology and tomography.     

双折射光子晶体光纤中超连续谱产生的实验研究

研究了30 fs激光在双折射光子晶体光纤中传输时,泵浦光功率和偏振态对超连续谱产生的影响。实验结果表明:随着泵浦光功率增加,光谱宽度显著增加,出现红移的光孤子和蓝移的色散波;当泵浦光的偏振态分别平行于光子晶体光纤长轴和短轴时,二者都有红移的光孤子和蓝移的色散波,但前者色散波波长更短;当泵浦光偏振态介于长轴与短轴之间,可能在色散波之外出现了交叉相位波,产生的超连续谱最强,且其近场光斑最大且最亮。     

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     

光子晶体光纤中超连续谱产生的理论与实验研究

研究了光子晶体光纤中超连续激光光源的产生机理.利用非线性偏振旋转技术产生的中心波长为1 556.0 nm的飞秒光脉冲作为泵浦光源,在69 m长的高非线性光子晶体光纤中,得到了20 dB带宽约为140 nm的超连续谱;采用实验和数值模拟方法,研究了不同泵浦功率下超连续谱形成的过程.结果表明,在不同的泵浦功率下,超连续谱的形成机理不同,在各种非线性效应的共同作用下,泵浦光脉冲的峰值功率越高,得到超连续谱的带宽越宽,实验与数值模拟结果一致.另外,要想获得平坦的宽带超连续谱,必须选择合适的光纤长度.     

Role of dispersion profile in controlling emission of dispersive waves by solitons in supercontinuum generation

We study the supercontinuum process in optical fibers numerically for a variety of dispersion profiles to investigate how a specific dispersion profile controls the emission of dispersive waves. We conclude that the number of zero-dispersion points in the dispersion profile of a fiber is an excellent predictor of the dispersive-wave peaks when it is pumped with femtosecond pulses in the anomalous dispersion regime. Our study reveals that two or more such peaks can form on the same side of the input wavelength in specially designed and practically achievable dispersion profiles. We show that dispersive waves are emitted even in the case of normal dispersion where soliton fission does not occur. We suggest that a phenomenon related to soliton spectral tunneling is responsible for this radiation. Distinct dispersive peaks may also appear when an optical pulse, launched in the normal dispersion region, later begins to propagate in the anomalous dispersion regime because of its spectral broadening. Several dispersion profiles are numerically employed to show how the soliton fission process creates non-solitonic radiation even under normal dispersion pumping. A time-domain picture clearly shows this radiation when the conventional phase matching condition is satisfied. We also propose a realistic photonic crystal fiber with a dispersion profile that supports dispersive-wave generation in the normal-dispersion region. Our study should prove useful for experiments designed to control the generation of blue light by launching femtosecond pulses into optical fibers.     

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