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     

光子晶体光纤非线性光谱特性的理论与实验研究

光子晶体光纤具有特殊的导光机制和结构可调性,可以产生奇异的色散特性及高非线性,为非线性光纤光学领域的研究提供了新的条件。受多种非线性光学效应的共同作用,在不同泵浦光脉冲参数条件下,不同结构参数及传输特性的光子晶体光纤能产生丰富的非线性光谱。利用分步傅里叶方法求解非线性薛定谔方程,模拟飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输过程,获得输出光谱与入射光脉冲参数(泵浦光峰值功率P、泵浦光波长λ、光脉冲形状、光脉冲宽度T_FWHM)、光纤结构参数(孔间距Λ、空气填充比d/Λ、光纤长度z)、传输特性(色散、非线性系数)的关系,分析拉曼孤子、色散波、自相位调制等非线性效应产生的光谱特性。利用光子晶体光纤包层节区进行非线性光学实验研究,获得了孤子波和色散波的宽带光谱输出。理论分析与实验测量的光谱中都包括了波长0.5 μm附近可见光波段的蓝移色散波、0.82 μm波段的剩余泵浦光、1.1 μm波段的孤子波、2 μm附近的红移宽带色散波。理论分析与实验测量结果一致,阐明光子晶体光纤中非线性光谱产生的物理原理,实现了对宽带光谱的可控输出,为高非线性光子晶体光纤的结构设计、制备及非线性光谱的应用研究奠定基础。     

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     

孤子光脉冲的产生及其应用研究

利用非线性偏振旋转技术实现自起振被动锁模.在掺铒光纤环形腔激光器中产生了中心波长为1563.3 nm、重复频率为12.5 MHz、脉冲宽度为352.0 fs、3 dB光谱宽度为7.8 nm的孤子光脉冲.采用该孤子光脉冲作为抽运光源，经掺铒光纤放大器放大后，输入到101 m长的高非线性光子晶体光纤中，获得了20 dB带宽约为240 nm的超连续激光光谱.实验详细观测了光脉冲随抽运功率的变化及超连续激光光谱的形成过程，分析了其形成机理.研究表明：当抽运功率较低时，光谱加宽主要由高阶孤子的分裂引起；随着抽运功率的增加，高阶孤子分裂成基本孤子的数目逐渐增大，光谱进一步加宽；当抽运功率增加到受激拉曼散射的阈值时，受激拉曼散射成为光谱展宽的主要原因；抽运功率进一步增加时，受激拉曼散射、参量四波混频等非线性的共同作用将使光谱进一步加宽且变得光滑. 关键词： 孤子光纤激光器 超连续 光子晶体光纤     

光子晶体光纤超连续谱产生过程中色散波的孤子俘获研究

基于光子晶体光纤中脉冲演化遵循的非线性薛定谔方程, 用数值模拟的方法分别研究了飞秒脉冲在单零色散点和双零色散点光子晶体光纤中超连续谱的产生和色散波的孤子俘获现象. 结果表明: 与单零色散点光子晶体光纤相比, 双零色散点光子晶体光纤产生的超连续谱既包含了蓝移色散波, 又包含了红移色散波, 且当满足群速度匹配时, 孤子通过四波混频不仅能俘获蓝移色散波, 而且能俘获红移色散波, 从而产生新的俘获波频谱成分. 为了清楚地观察脉冲传输的时频特性, 通过模拟交叉相关频率分辨光学开关技术, 得到了孤子俘获色散波的演化过程. 关键词： 超连续谱 色散波 孤子俘获 光子晶体光纤     

基于光子晶体光纤和拉锥式单模光纤的超连续光谱产生的实验研究

本文使用重复频率为250 MHz、脉冲宽度为135 fs、最大功率为2.2 W的锁模掺镱光纤激光作为种子源,利用光子晶体光纤和自制的拉锥式单模光纤两种高非线性光纤研究了超连续光谱的产生特性,通过对比两种光纤的结构、色散等特性,分析了拉曼孤子、色散波及其他非线性效应对产生的超连续谱形状的影响,并均得到了大于一个倍频程的超连续光谱,特别是拉锥式单模光纤产生的超连续光谱,耦合效率达到60%,这为众多研究领域,尤其是光学频率梳的建立提供了实用的超连续光源.     

1040nm泵浦的光子晶体光纤超连续光谱产生性能退化研究

光子晶体光纤已经被广泛应用于由飞秒脉冲激光源产生超连续光谱。当激光源的重复频率较低时,由光子晶体光纤产生的超连续光谱随时间的变化过程较为缓慢,通常不被注意到。而在天文光谱仪定标等应用中,需要使用GHz至几十GHz量级的高重复频率激光源。此时,可观察到光子晶体光纤的超连续光谱产生性能在有限时间内产生显著的退化。在1 040 nm飞秒激光泵浦条件下,通过测试三种不同气孔占空比的光子晶体光纤的超连续光谱产生性能演化,发现超连续光谱的退化进程随光纤气孔占空比的增大而加速。观察发生光谱退化后的光子晶体光纤样品,发现在光纤上超连续光被产生的区段出现多个不同颜色的亮点,呈现有方向性的光泄露现象。针对光泄露现象,通过测量光纤的吸收光谱线,证实了实验中超连续光谱退化的主因并非是光纤熔融石英材料中大量非桥氧色心产生。针对光泄露具有方向性这一特征,提出了经由多光子吸收作用在光纤纤芯中形成长周期光栅的理论。为探究影响光子晶体光纤超连续光谱产生性能的退化的因素,以达到光谱退化抑制的目的,首先通过改变了光纤的拉锥参数,期望增强光纤熔融石英材料的光子耐受性。实验结果证实了该方法的有效性较为有限。其次,从保持激光源的平均功率,降低激光脉冲的峰值功率和保持激光脉冲的峰值功率,降低激光源平均功率两个方面入手,对激光源进行调制。实验结果证明,光纤单位时间内接受的高峰值功率脉冲总量是影响其超连续光谱产生性能的最重要因素。在天文光谱仪定标的应用中,对超连续光谱光功率的需求并不高,使用斩波器降低光子晶体光纤入射光的平均功率是减缓超连续光谱产生性能退化过程的有效且简单可行的方法。     

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.     

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。     

Experimental evidence for supercontinuum generation by fission of higher-order solitons in photonic fibers

We report on an experimental study of supercontinuum generation in photonic crystal fibers with low-intensity femtosecond pulses, which provides evidence for a novel spectral broadening mechanism. The observed results agree with our theoretical calculations carried out without making the slowly varying envelope approximation. Peculiarities of the measured spectra and their theoretical explanation demonstrate that the reason for the white-light generation in photonic crystal fibers is fission of higher-order solitons into redshifted fundamental solitons and blueshifted nonsolitonic radiation.     

Optical poling in germanium-doped microstructured optical fiber for visible supercontinuum generation

We report visible supercontinuum generation initiated by the second harmonic generation obtained in a germanium-doped microstructured optical fiber after optical poling processing. The visible spectral broadening is due to a cross-phase modulation effect between the generated IR solitons and the second harmonic (532 nm) of the 1064 nm pump wave. The 400-650 nm white-light emission is obtained on the fundamental propagation mode of the fiber.     

Blue light and infrared continuum generation by soliton fission in a microstructured fiber

The nonlinear propagation of ultrashort pulses in a microstructured fiber is experimentally investigated. By working around 800 nm, in the anomalous dispersion region, clear evidence of pulse break-up and soliton propagation is obtained. This is consistent with the recently suggested mechanism of spectral broadening based upon the fission of higher order solitons into red-shifted fundamental solitons and blue-shifted dispersion waves. When 190-fs pulses at high input intensities are used, the output spectrum is made of a broad infrared supercontinuum coexisting with a sharp and very intense blue peak that takes up to 24% of the input power. We tentatively propose an explanation of this effect by invoking pulse-trapping phenomena controlled by the group-velocity matching of infrared and visible pulses. PACS 42.65.Tg; 42.81.Dp     

Extended path-averaged soliton regime in highly dispersive fibers

It is shown that solitons can survive the large temporal broadening induced by a propagation over many dispersion lengths. The propagation requires large excess power and specific conditions of the dispersion map.     

Parametrically excited water surface ripples as ensembles of oscillons

We show that ripples on the surface of deep water which are driven parametrically by monochromatic vertical vibration represent ensembles of oscillating solitons, or quasiparticles, rather than waves. The horizontal mobility of oscillons determines the broadening of spectral lines and transitions from chaos to regular patterns. It is found that microscopic additions of proteins to water dramatically affect the oscillon mobility and drive transitions from chaos to order. The shape of the oscillons in physical space determines the shape of the frequency spectra of the surface ripple.     

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。     

贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性

 对等衍射长度贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性作了研究，结果表明，通过选择适当的空间参数，贝塞尔-高斯脉冲光束沿轴上传输时，脉冲宽度不变。传输距离小于无衍射长度时，随衍射角增加，功率谱形状未变，脉冲波形保持不变；传输距离大于无衍射长度时，随衍射角增加，光谱由蓝移变为红移，脉冲展宽。     

Accurate time delay determination for femtosecond X-ray diffraction experiments

Intensity correlations and noise reduction are observed and characterized in the broadband supercontinuum generated by spatio-temporal solitons propagating in air, i.e., in filamentation of ultrashort laser pulses. Large correlations and reduction of the laser noise are observed already at the first steps of the filamentation process, while further propagation results in cascaded χ⁽³⁾ broadening processes and yield complex correlation maps. The spectral range yielding an optimal laser noise reduction of 3.6 dB is found to cover 10 nm around the fundamental wavelength. PACS 42.65.Jx; 42.65.Tg; 42.65.Ky; 42.50.Lc     

Slow-light switching in nonlinear Bragg-grating couplers

We study propagation and switching of slow-light pulses in nonlinear couplers with phase-shifted Bragg gratings. We demonstrate that power-controlled nonlinear self-action of light can be used to compensate for dispersion-induced broadening of pulses through the formation of gap solitons, to control pulse switching in the coupler, and to tune the propagation velocity.