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     

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     

具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲

从麦克斯韦方程组出发 ,推导出了具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲在非线性光纤中传输的方程和非线性光纤的折射率。给出了描述具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲在非线性光纤中传输方程的解。研究了在非线性光纤中自相位调制导致具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲频谱展宽 (脉宽压缩 )的详细物理过程。研究了非线性光纤中飞秒光孤子产生的条件     

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.     

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。     

全固态光子带隙光纤中实现光谱可控的大功率超连续谱输出

目前产生超连续谱大多采用全内反射光子晶体光纤,光谱宽度达两个倍频程,但无法对其位置和宽度进行主动控制。全固态光子带隙光纤的带隙效应具有光谱滤波功能,通过设计全固态光子带隙光纤的带隙和带隙内色散特性,可产生特定范围内的超连续谱输出,同时色散特性受纤芯直径影响很小,有利于光谱可控的大功率超连续谱产生。根据1.064μm的抽运脉冲激光的需要,设计了全固态光子带隙光纤,并计算了第一带隙内的色散、损耗及非线性系数等参数。通过与波长有关的损耗将带隙效应引入到广义非线性薛定谔方程中,模拟了飞秒脉冲在全固态光子带隙光纤中传输的时域和频谱演化,得到带隙内超连续谱输出。比较了在有无带隙的情况下,飞秒脉冲的时域和频谱在带隙光纤中随传输距离的演化,分析了带隙效应对超连续谱产生的影响。     

基于光子晶体光纤光脉冲压缩的理论研究

从理论上研究了单根光子晶体光纤的光脉冲压缩,利用较短的具有高非线性系数的光子晶体光纤可以实现较高质量的光脉冲压缩。针对单根光子晶体光纤压缩光脉冲的限制,提出了一种基于光子晶体光纤非线性环路镜中交叉相位调制效应的脉冲压缩方法。理论研究表明,这种脉冲压缩方式可以压缩自身功率较低的信号脉冲,相比于单根光子晶体光纤的方法,可以得到更高压缩质量的脉冲,通过合理选择控制光脉冲的参数,可以有效地抑制基座。     

亚百飞秒高功率掺镱大模面积光子晶体光纤飞秒激光放大器的实验研究

实验研究了掺镱双包层保偏大模面积光子晶体光纤飞秒激光放大器. 获得了平均功率达16W的飞秒激光放大输出,在50MHz重复频率下,对应的单脉冲能量达到320nJ. 增益光纤长3.5m,由于自相位调制效应,种子光脉冲光谱在放大过程中同时展宽,从而支持更窄的脉冲宽度. 经过光栅后,脉冲宽度压缩到了85fs. 系统中的振荡器和放大器基于同一种具有偏振结构的大模面积光子晶体光纤,具有很好的环境稳定性和进一步集成的可能. 关键词： 光子晶体光纤 大模场面积光纤 飞秒激光 光纤放大器     

光子晶体光纤中基于受激布里渊散射实现快光的数值模拟研究

为了了解基于光纤受激布里渊散射快光传输系统的一些外在因素对受激布里渊散射快光传输的影响,对该传输过程进行了研究。首先,根据受激布里渊散射过程的"三波耦合方程"进行了理论改进,然后选定了3种光子晶体光纤作为传输介质,通过对比,选出一种光子晶体光纤RB65进行具体分析研究。通过求解"三波耦合方程",对快光受激布里渊散射过程进行了模拟分析,探讨了光纤长度、探测信号脉冲宽度和输入信号功率对传输的影响。结果表明,在保证信号失真相对较小的情况下,取40 m长度光纤、140 ns信号脉宽和174 m W输入信号功率时的快光提前效率最高。     

Numerical analysis of the As2Se3 chalcogenide glass multi-ring photonic crystal fiber

A novel kind of As₂Se₃ chalcogenide glass multi-ring photonic crystal fiber is proposed. The characteristics of multi-ring photonic crystal fiber have been studied by the finite element method. Compared with another two kinds of single-core photonic crystal fibers, the multi-ring PCF can make the perfect combination of the effective mode area, the nonlinearity coefficient and multi-zero dispersion. It can achieve high power supercontinuum generation in middle infrared band; It also can be used in high-power pulsed laser fiber amplifier and high-power ultra-short pulse laser transmission in far infrared band.     

光子晶体光纤布拉格光栅传输谱特性的分析

研究光子晶体光纤中光纤光栅的传输谱特性对于研制基于光子晶体光纤的光纤光栅器件有着重要的意义。结合耦合模理论和光束传输相关函数方法,对一种典型光子晶体光纤中的布拉格光栅(FBG)传输谱进行了理论分析。比较了光子晶体光纤中布拉格光栅与常规布拉格光栅的传输谱。数值分析了光纤截面结构变化对于光栅传输谱的影响,并给出这种影响的定性解释。计算结果显示,与常规光纤光栅相比,包层模共振引起的损耗峰与正反向纤芯模耦合引起的损耗峰可以相比拟,而包层模共振的间隔也比常规光纤中光纤光栅的包层模共振间隔要大。同时给出了晶体光纤截面上空气孔的占空比,空气孔的排布层数对于传输谱影响的规律。     

高双折射光子晶体光纤中均匀布拉格光栅的特性

研究了具有高双折射的光子晶体光纤(HB PCF)中均匀布拉格光栅(FBG)的光谱特性。利用紧凑的超格子模型,对光子晶体光纤的传输特性进行分析,研究正向传输和反向传输的模式之间的耦合规律,从而研究写入光子晶体光纤中的均匀布拉格光栅的特性。首先给出具有C6v对称性的零双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的布拉格波长λB随光纤结构参量的变化规律;然后分析一种高双折射光子晶体光纤中的光纤布拉格光栅的光谱特性,高双折射使两个不同偏振态的反射峰分开较大;最后分析了一种常用的双模双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的光谱特性,LP01模和LPe11模的两个偏振态对应的反射谱都由于高双折射而分开。     

基于高非线性光子晶体光纤Sagnac环形镜的全光开关

设计了一种新颖的、低开关功率的全光开关. 将高非线性光子晶体光纤和双向抽运掺饵光纤放大器引入Sagnac环形镜内，破坏了环形镜的对称性，利用交叉相位调制作用使反向传输的两路信号光产生非线性相移，从而实现开关效应. 理论分析表明：开关功率与放大器的增益倍数和光子晶体光纤非线性系数的积成反比，在实验中所得开关功率约40 mW，消光比约为15.9 dB，并且信号光透过率随脉冲控制光峰值功率呈余弦变化，实验结果与理论分析相吻合. 关键词： 全光开关 高非线性光子晶体光纤 环形镜 交叉相位调制     

Ge30Sb8Se62硫系玻璃的制备及其10.6μm低损耗空芯光子带隙光纤的设计

硫系玻璃光子晶体光纤在中远红外激光传输领域具有广阔的应用前景。制备了红外波段具有优良透过特性的Ge30Sb8Se62硫系玻璃,并以此为基质材料设计了一种适合于高功率中红外激光传输的带隙型光子晶体光纤。利用平面波展开法和有限元法分析了不同结构下该光纤的光子带隙、模场面积和限制损耗特性。通过优化光纤的结构参数,获得了在10.6μm处限制损耗小于0.1dB/m的大模场(模场面积大于100μm2)光子晶体光纤。     

基于光子晶体光纤的百瓦量级超连续谱光源研究

采用脉冲重复频率可调的高功率皮秒脉冲光纤激 光抽运光子晶体光纤产生了平均输出功率为101 W的全 光纤化超连续谱. 通过一系列的对比实验, 详细研究了抽运激光的脉冲重复频率以及光子晶体光纤的长度对超连续谱产生的影响. 最后, 对如何实现更高平均功率的超连续谱输出进行相关的分析和讨论. 相关研究结果可以为进一步发展基于光子晶体光纤的高功率超连续谱光源提供一定的参考. 关键词： 光子晶体光纤 非线性光纤光学 超连续谱产生     

高功率纳秒光脉冲在单模光纤中的受激喇曼散射及抑制研究

利用包含喇曼增益、抽运消耗、自相位调制、交叉相位调制和群速度色散效应的耦合非线性薛定谔方程组,对千瓦级高功率纳秒脉冲在单模光纤中的传输特性进行了模拟计算.分析了输入脉冲和斯托克斯脉冲的演化过程,研究了大模面积光纤对受激喇曼散射的抑制作用.研究结果表明,采用模面积为530 μm~2的光子晶体光纤作为惯性约束聚变脉冲整形系统的传输介质,能有效抑制受激拉曼散射,不但信号衰减较小,而且中心凹陷程度较低.     

Different supercontinuum generation processes in photonic crystal fibers pumped with a 1064-nm picosecond pulse

Picosecond pulse pumped supercontinuum generation in photonic crystal fiber is investigated by performing a series of comparative experiments. The main purpose is to investigate the supercontinuum generation processes excited by a given pump source through the experimental study of some specific fibers. A 20-W all-fiber picosecond master oscillator-power amplifier （MOPA） laser is used to pump three different kinds of photonic crystal fibers for supercontinuum generation. Three diverse supercontinuum formation processes are observed to correspond to photonie crystal fibers with distinct dis- persion properties. The experimental results are consistent with the relevant theoretical results. Based on the above analyses, a watt-level broadband white light supercontinuum source spanning from 500 nm to beyond 1700 nm is demonstrated by using a picosecond fiber laser in combination with the matched photonic crystal fiber. The limitation of the group velocity matching curve of the photonic crystal fiber is also discussed in the paper.