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。     

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。     

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。     

基于全正色散光子晶体光纤的超连续谱光源

利用预估校正分步傅里叶法数值求解非线性薛定谔方程, 模拟超短激光脉冲在全正色散光子晶体光纤中传输时的演化情况, 分析了不同脉宽和能量的脉冲对产生的超连续谱的影响. 结果表明: 无啁啾高斯脉冲在此全正色散光子晶体光纤中传输时, 始终保持单个脉冲特性, 提高脉冲峰值功率可进一步展宽获得的超连续谱.模拟结果同时表明, 利用中心波长为1060 nm, 脉宽和能量分别为50 fs, 15 nJ的脉冲抽运此光纤, 当传输12 cm 后便可获得具有较好的光谱连续性和光谱平坦度的超连续谱. 进一步模拟结果表明, 采用棱镜对对其进行脉冲压缩, 可获得脉宽约15 fs, 谱宽约700 nm的理想超连续谱光源. 关键词： 超连续谱 光子晶体光纤 全正色散     

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。     

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.     

凹形色散分布光纤中超连续谱特性分析

比较了在不同色散分布的色散渐减光纤中超连续（SC）谱的产生。结果表明,当光纤的色散值关于中心波长对称、且随着传输距离增加,经由反常色散区过渡到正常色散区的、凹形色散分布的色散渐减光纤更有利于产生平坦、带宽的超连续谱。从频域的全场方程出发,模拟了脉冲在光纤中的传输情形,发现脉冲在凹形色散分布的光纤中传输时,不仅在反常色散区能更大程度被压缩,在正常色散区由于存在零色散波长点,还能更进一步展宽,从而得到更宽、更平坦的超连续谱。在谱强为-27dB时,谱宽可达到298nm,比相同情况下的凸形色散的光纤中超连续谱增宽97nm。结果显示,凹形色散分布的光纤比凸形色散分布的光纤在超连续谱的产生上有更明显的优势,可以得到更宽的超连续谱。     

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     

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.     

类矩形芯光子晶体光纤的色散与偏振特性

应用全矢量模型分析类矩形芯光子晶体光纤的色散和偏振特性，讨论了光纤结构参数对光纤特性的影响.研究表明：类矩形芯光子晶体光纤的模式双折射比普通椭圆保偏光纤至少高一个数量级.增大光纤的相对孔径，可获得更高的双折射.零走离点对应的波长也比普通椭圆保偏光纤长，随着孔距的增大，走离曲线将向长波长方向产生移位，零走离点发生红移，零走离点所对应的波长与孔距成正比.零走离点的出现，将有效地抑制一阶偏振模色散.通过调整光纤的结构参数，可以获得灵活的色散特性，在孔距Λ=2μm, 相对孔径d/Λ=03时，在波长155μm附近，获得近400nm的超平坦色散区.该光纤在偏振控制、色散控制和管理方面具有广泛的应用前景. 关键词： 导波光学 光子晶体光纤 类矩形芯 全矢量     

Zero dispersion wavelength and dispersion slope control of hollow-core photonic bandgap fibres

This paper investigates the zero dispersion wavelength and dispersion slope control of hollow-core photonic bandgap fibres (PBGFs) by using a full-vector finite element method. By simulation we found that theoretically the zero dispersion wavelength can be tailored by respectively changing the rounded diameter of air holes, pitch, refractive index, normalized thickness of core rings, and hole diameter to pitch ratio. At the same time the tailoring of dispersion slope can also be realized by changing the rounded diameter of air holes or pitch or normalized thickness of core rings. To illustrate the reasonability of fibre designs, this paper also gives the variance of normalized interface field intensity which measures the scattering loss relatively versus wavelength for different designs. From the viewpoint of loss, varying the rounded diameter and the thickness of core ring could shift zero wavelength but it is difficult to get the required parameters within so tiny range in practical drawing of PBGFs, on the other hand, it is possible in practice to respectively alter the pitch and refractive index to shift zero wavelength. But varying hole diameter to pitch ratio is not worthwhile because they each induce large increase of loss and narrowness of transmission bandwidth. The zero dispersion wavelength can be engineered by respectively varying the rounded diameter of air holes, pitch, refractive index, and normalized thickness of core rings without incurring large loss penalties.     

Supercontinuum generation in short tellurite microstructured fibers pumped by a quasi-cw laser

We investigate supercontinuum (SC) generation in highly nonlinear tellurite microstructured fibers pumped by a continuous wave (cw)/quasi-cw laser. We investigate two types of tellurite fibers. One type has the constant core diameter, and the other type has a longitudinally varying core diameter. For the fibers with a constant core diameter, when pumped in the anomalous dispersion region, the SC is symmetric in a fiber that has a zero dispersion wavelength close to the pump wavelength. For the fibers with a longitudinally varying diameter, the calculated phase-matching conditions show that they have a broad wavelength range of dispersive waves, and therefore the measured SC spectrum can be broader than one octave. In this work, the fiber lengths are as short as several tens of centimeters, and the pump power is in the watt level.     

An efficient method for supercontinuum generation in dispersion-tailored Lead-silicate fiber taper

In this paper we theoretically study the broadband mid-IR supercontinuum generation (SCG) in a lead-silicate microstructured fiber (the glass for simulation is SF57). The total dispersion of the fiber can be tailored by changing the core diameter of the fiber so that dispersion profiles with two zero dispersion wavelengths (ZDWs) can be obtained. Numerical simulations of the SCG process in a 4 cm long SF57 fiber/fiber taper seeded by femto-second pulses at telecommunications wavelength of 1.55 µm are presented. The results show that a fiber taper features a continuous shift of the longer zero dispersion wavelength. This extends the generated continuum to a longer wavelength region compared to fibers with fixed ZDWs. The phase-matching condition (PMC) is continuously modified in the fiber taper and the bandwidth of the generated dispersive waves (DWs) is significantly broadened.     

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。     

Soliton and rogue wave statistics in supercontinuum generation in photonic crystal fibre with two zero dispersion wavelengths

Stochastic numerical simulations are used to study the statistical properties of supercontinuum spectra generated in photonic crystal fibre with two zero dispersion wavelengths. For picosecond pulse excitation, we examine how the statistical properties of solitons generated on the long wavelength edge of the supercontinuum (``optical rogue waves") are modified by energy transfer to dispersive waves across the second zero dispersion wavelength. The soliton statistics (characterized in terms of peak power, wavelength and pulse duration) are shown to be strongly modified by the mechanism of dispersive wave generation, with the detailed form of the probability distribution depending strongly on input pulse energy.     

C6v对称TIR-PCF结构参数对基模零色散点的调节数值研究

用多极方法数值研究构成六重对称全内反射型光子晶体光纤各种结构参数对基模零色散点的调节.数值结果表明,在相对孔径较大时,包层空气孔柱层数不影响零色散点,在其它结构参数相同的条件下,空气孔直径越大,零色散点波长越短,而在其它结构参数相同的条件下,空气孔孔距越大,零色散点波长越长,当空气孔直径与空气孔孔距都很小时,零色散点出现在长波区域,当空气孔直径与空气孔孔距大到一定程度时,色散曲线在零色散线出现振荡特性,并出现多个零色散点,在包层空气柱层数一定的条件下,中央纤芯缺省空气孔层数对零色散点的调节范围大.     

Spectral broadening of a few-cycle laser pulse propagating in fused quartz

Results of theoretical study of nonlinear propagation of a few-cycle laser pulse in a fused quartz are presented. With use of the finite-difference technique we have integrated numerically the system of the nonlinear Maxwell equations describing the propagation of a linearly polarized pulse at the central wavelength in the range of zero dispersion (λ₀ = 1.27 μm) and duration 20 fs. The evolution of the laser pulse spectrum is calculated and the dependences of the shift of the spectral peak on both the strength of electric field and medium length are obtained.     

反常色散锥形微结构光纤中高效率脉冲压缩研究

设计了一种沿光纤轴向线性变化的锥形微结构光纤,该光纤在1.55 μm波长处具有反常色散.利用自适应分步傅里叶方法求解非线性薛定谔方程,对中心波长为1.55 μm、初始脉宽为1 ps的脉冲在锥形微结构光纤中的传输进行了模拟,利用1 m长的锥形微结构光纤实现了光脉冲的高效压缩,获得了压缩因子为56.9、品质因子为27的脉冲压缩效果.从脉冲在光纤中的演化发现,在反常色散区基于非线性渐增、色散渐减的锥形微结构光纤有利于实现脉冲的高效率压缩.与普通非线性光子晶体光纤相比,锥形微结构光纤粗端具有较大的有效模式面积,这