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     

超材料中高阶效应影响下飞秒准亮孤子解及其特性

基于描述超材料中超短脉冲传输的高阶非线性薛定谔方程,采用行波法得到一种精确的飞秒准亮孤子解及其存在条件。研究发现,在群速度色散、三阶色散、三次-五次非线性、自陡峭和二阶非线性色散效应的精确平衡下,超材料中可存在该飞秒准孤子;当三阶色散和二阶非线性色散不存在时,该准孤子无法存在。基于Drude模型,详细讨论了不同非线性超材料中该飞秒准亮孤子存在的不同折射区域。结果表明,该飞秒准孤子可存在于自散焦非线性超材料的负折射区和自聚焦非线性超材料的正折射区,而且在不同区域具有不同的脉冲强度和宽度。这意味着,通过选择不同非线性超材料和输入电磁波的频率,使其位于相应的存在区域,可以实现对孤子特性的调控。     

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。     

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。     

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。     

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。     

色散渐减光纤中超连续谱产生的数值模拟及优化

从脉冲在光纤中传输所遵循的广义非线性薛定谔方程出发,通过数值模拟对色散渐减光纤产生超连续谱(SC)进行了研究.结果表明:色散渐减光纤的色散斜率k、色散参量D0、参量L0和R及脉冲的峰值功率、脉冲宽度对SC谱的产生有着极其重要影响;在色散渐减光纤产生超连续谱的过程中,三、四阶群速度色散甚至更高阶群速度色散对超连续谱的影响完全可以忽略,但高阶非线性效应对SC谱的产生影响很小;计算表明对光纤和脉冲的各参量进行优化选择后,可以获得宽而平坦的超连续谱.     

超短激光脉冲在不同色散参量光子晶体光纤中传输的数值模拟

为了使得数值模拟更为精确,采用广义非线性薛定谔方程(GNSE)描述超短激光脉冲在光子晶体光纤中的传输演化过程,并利用二阶分步傅里叶方法通过求解方程,数值计算了相同脉宽和能量的超短脉冲在不同色散参量的光子晶体光纤中非线性传输和超连续谱的产生。比较了超短脉冲在光纤不同色散区传输时,高阶色散和非线性效应对超连续谱的产生以及对脉冲波形演化的影响。结果表明,相对于超短脉冲中心波长位于光子晶体光纤的正常和反常色散区,可以相应获得短波波段和长波波段的超连续谱输出,当超短脉冲中心波长位于零色散波长点时,通过色散和非线性效应的联合作用,更易于产生全波长段的平坦超连续谱。     

Supercontinuum generation in visible to mid-infrared region in square-lattice photonic crystal fiber made from highly nonlinear glasses

Square-lattice microstructure geometry of photonic crystal fibers made with high nonlinearity non-silica glass composition material as well as fused silica glass are studied here for modal propagation, dispersion analysis and supercontinuum generation. Our investigation of nonlinear propagation of low threshold power femtosecond pulse aims at generating supercontinuum in the near and mid infrared region using these highly nonlinear fibers. We performed a series of analyses through varying parameters of square-lattice geometry to map a desired broadband window. We also demonstrate a compact high power broadband source in visible region generated within few centimeter length of the fused silica square-lattice microstructure.     

纳米光纤中超连续谱的研究

利用分步傅里叶变换法对飞秒激光脉冲在纳米光纤中产生超连续谱的过程进行了数值模拟,分析了纳米光纤直径、输入脉冲的峰值功率以及脉冲宽度等对纳米光纤中超连续谱产生的影响。通过模拟分析发现：输入脉冲脉宽越窄,光谱展宽越为明显;输入脉冲峰值功率越高,超连续谱(SC)过程越明显;当输入脉冲一定时,纳米光纤的直径与超连续谱的产生有着至关重要的作用：超连续谱的产生与光纤半径并不成线性关系,当输入脉冲的中心波长与纳米光纤的直径相匹配时,超连续谱产生最为明显。以上结论对进一步研究和利用纳米光纤中的超连续谱有着非常重要的意义。     

Supercontinuum generation based on nanofiber

Supercontinuum generation (SCG) using a femtosecond Ti:Sapphire laser as a pump source and a nanofiber as a nonlinear element is investigated by numerical modeling. Many parameters are taken into account involving input pulse duration, peak power and diameter of the nanofiber. The results show that the narrower the input pulse is, the easier the SCG could be observed. The relation between the spectrum broadening and the diameter of nanofiber is not a direct proportion. According to our simulation, the dimension of the nanofiber plays an important role in effecting the dispersion and then the generation of supercontinuum.     

高非线性光纤正常色散区产生超连续谱的数值研究

基于广义非线性薛定谔方程,通过数值计算对高非线性光纤正常色散区产生超连续谱进行了研究.结果表明,抽运脉冲的峰值功率、脉冲宽度以及脉冲初始啁啾对该光纤正常色散区超连续谱的形成有极其重要的影响;在高非线性光纤正常色散区产生超连续谱的过程中,三、四阶群速度色散甚至更高阶群速度色散对超连续谱的影响完全可以忽略,但与其他高非线性效应相比,自陡峭效应对超连续谱产生的影响更为明显.高功率超短光脉冲在高非线性光纤正常色散区,得到了没有泵浦成份残余、－20 dB谱宽达400 nm以上而频谱强度起伏小于10 dB的超宽而平坦超连续谱.     

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     

飞秒平顶光束经微透镜阵列在熔融石英中的成丝及其超连续辐射

实验研究了平顶激光光束经微透镜阵列在熔融石英中成丝的演化以及超连续辐射的产生,并进一步与高斯光束的成丝和超连续辐射进行了对比研究.分别对这两种光束的多丝传输进行了横向和纵向成像.结果表明,使用平顶光束可以获得更为均匀的多丝分布,成丝的起点也更为一致;尤其重要的是,相对于高斯光束,平顶光束可以使用更高的入射激光脉冲能量而不会造成介质的损伤,从而可以获得更高脉冲能量和更高转换效率的超连续辐射.     

新型全光纤高能量飞秒光脉冲源的数值模拟

数值模拟了自相似脉冲的产生与压缩,得到一种产生高能量飞秒光脉冲的新方法.结果表明:利用掺铒光纤对光脉冲进行自相似传输,可得到含线性频率啁啾的高能量自相似光脉冲;自相似光脉冲经过空芯光子带隙光纤的一级线性压缩和高非线性光纤的二级非线性压缩,可获得高峰值功率的飞秒光脉冲;压缩过程中存在最佳光纤长度;喇曼自频移和自陡效应对脉冲压缩产生不利影响.     

Supercontinuum generation with femtosecond optical pulse compression in silicon photonic crystal fibers at 2500 nm

In this paper, femtosecond optical pulses compression and supercontinuum generation in a triangular silicon photonic crystal fiber at 2500 nm are investigated. A region of large minimum anomalous group velocity dispersion, negligible higher order dispersions and unique nonlinearity of silicon are used to demonstrate compression of 100 fs initial input optical pulses to 2.5 fs and ultra-broadband supercontinuum generation with very low input pulse energy over short distances of the fiber.     

Interference model of femtosecond laser pulse conical emission in dispersive medium

A simple interference model is proposed for conical emission frequency-angular spectrum formation during the filamentation of femtosecond laser pulse in a nonlinear dispersive medium. The model allows to obtain analytical expressions for frequency-angular distributions of the supercontinuum spectral components of pulses at different wavelengths in media with arbitrary material dispersion law. The model reproduces the supercontinuum frequency-angular spectrum transformation for the case of laser pulse splitting into several subpulses and for multiple refocusing of the light field in filament. Frequency-angular spectra analytically calculated from the proposed interference model are in good agreement with the results of numerical simulations performed for the filamentation of femtosecond laser pulses in fused silica.