飛秒脈沖作用下光子晶體光纖超連續(xù)譜的產生

1、第32卷第11期光子學報November2003飛秒脈沖作用下光子晶體光纖超連續(xù)譜的產生閆培光1,2阮雙琛1杜晨林3呂可誠2(1深圳大學深圳市激光工程重點實驗室,深圳,中國518060)(2南開大學物理學院,天津,中國300071)(3山東大學晶體所,濟南,中國250100)3摘要采用鈦寶石超快fs激光器泵浦2m長光子晶體光纖產生超連續(xù)譜,重點研究了不同輸入功率下350959nm波長范圍內光譜的演變過程,實驗中產生的超連續(xù)光譜寬度超過550nm1分析表明,內脈沖喇曼散射和孤子自頻移在開始階段對光譜長波方向上的展寬起主要作用,這些新的頻率成分與隨后光譜向短波方向的拓展有密切關系1關鍵詞超連續(xù)譜;

2、光子晶體光纖;內脈沖喇曼散射;孤子自頻移中圖分類號TN24文獻標識碼A0引言超連續(xù)譜光源在光譜檢測、生物醫(yī)學、高精密光學頻率測量及波分復用光通信系統(tǒng)等方面有著重要的應用,產生超連續(xù)譜的介質要求具有高的非線性系數和適當的色散條件,可用于產生超連續(xù)譜的非線性介質很多,其中光子晶體光纖是最為突出的一種,這主要是由光子晶體的特性決定的,這類光纖可以實現大數值孔徑小模面積的設計,因此能夠增大單位面積的光功率密度,提高光學非線性作用的效率;而且通過合理設計,能夠在很寬的譜帶范圍內支持低損耗的單模傳輸并且在可見光波段可具有反常色散1,2,這些特性滿足了產生超連續(xù)譜的高非線性系數和色散要求,因此光子晶體光纖被

3、廣泛用于產生超連續(xù)譜的研究351迄今為止,報道的最寬超連續(xù)譜從350nm一直拓展到2200nm,實驗中使用的光子晶體光纖是由SF6玻璃制成6,相信這一方面的研究成果將很快走向實用1在本文中,我們使用采用鈦寶石fs超快激光器作為泵源,光子晶體光纖的零色散點位于700nm附近的,由于零色散點位于可見光區(qū)(普通光纖的零色散點一般高于1.28m),有助于光譜在這一波段內擴展,研究了在不同泵浦功率的情況下350959nm范圍內光譜的演變過程,實驗中觀測到光譜分裂、孤子自頻移、超連續(xù)譜產生等各種非線性效應,在實驗中獲得的超連續(xù)譜寬度至少超過550nm131實驗裝置使用鈦寶石超快fs激光器作為泵源,輸出中心

4、波長為796nm,脈寬約200fs,重復頻率76MHz1光子晶體光纖長2m,橫截面如圖11纖芯直徑2m,孔間距3.2m,氣孔直徑與孔間距比值高達0.9,因此光纖的數值孔徑較大,約為0.47,實驗中采用的顯微物鏡數值孔徑為0.4,放大倍數25倍;該光纖的零色散波長為700nm,且光纖為保偏設計1實驗中逐步增大耦合入光纖的功率,輸出光經過透鏡會聚后利用S2000微型可見光光譜儀觀察變化情況圖1光子晶體光纖的端面電鏡圖Fig.1TheSEMimageoftheendfaceofthefiber2結果與分析因為鈦寶石超快fs激光器的輸出光束質量比較好,所以光耦合入光纖的效率較高,在整個實驗中入纖耦合效

5、率超過20%1由于光纖的纖芯有效面積較小,在較低的輸入功率下,實驗中就能夠觀察到光譜的變化1當平均輸入功率達到1mW時,光譜主峰的右側分裂出一個小峰,如圖2(a)1分析表明,光譜的分裂是由于反常色散區(qū)的內脈沖喇曼散射7造成的;隨入射功率的增加,發(fā)現該小峰完全與光譜主峰剝離出來,并且向長波方向移動,這一現象正是廣東省自然科學基金重點項目(011736)、廣東省高校自然科學研究(Z020620)項目和廣東省“千百十工程”優(yōu)秀人才基金(Q02118)資助項目© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights res

6、erved.1300光子學報32卷孤子自頻移的特征8,可以判斷,此時光纖內已經出現光孤子;繼續(xù)增大輸入功率,在光譜主峰的右側又分裂出新的小峰,圖2(b)為平均輸入功率達到4.9mW時的光譜圖;實驗中發(fā)現當輸入平均功率達到5.2mW時,在短波方向綠光開始產生,進一步加大輸入功率,會發(fā)現光纖中蘭光、紫光乃至近紫外光(370nm附近)相繼產生,同時在600750nm范圍內的光譜也漸漸鼓起,光譜的成分變得復雜,如圖2(c)1此時平均輸入功率為47mW,這一階段的光譜拓寬機制,是多種非線性效應的綜合結果,猜測由于光譜在初始階段的紅移,這些長波方向上新的頻率成分與泵浦光波一起作用,可能某些頻率成分滿足交叉

7、相位調制、四波混頻、倍頻等非線性效應的相位匹配條件,從而造成光譜在短波向上的展寬1圖2(d)為在平均輸入功率為76mW時的光譜圖,發(fā)現光譜從420nm至少拓展到959nm,和未進入光纖時相比,光譜主峰一方面變寬,這是由于自相位調制的結果,另一方面幅度下降,表明能量被轉移到其它的光譜成分上,此時觀察整條光纖,在不同部分具有不同的顏色,圖3是在76mW時攝制的照片1實驗中由于光的反饋過強會造成激光器失鎖,故未能加大輸入光纖中的功率進一步研究1圖2平均輸入功率為1mW、419mW、47mW、76mW時光譜圖Fig.2Thespectrumattheaverageinputpowerof1mW,4.9

8、mW,47mWand76mW要作用,這些新的頻率成分與隨后光譜向短波方向的拓展有密切關系1參考文獻1BirksTA,KnightJC,RussellPStJ,etal.Endlesslysinglemodephotoniccrystalfiber.OptLett,1996,22(13):9619632Photonics圖3在76mW時攝制的光纖照片Fig.3Thephotographofthefiberwiththeinputpowerof76mW3結論進行了fs脈沖通過光子晶體光纖產生超連續(xù)譜的實驗,獲得的超連續(xù)譜寬度超過550nm,實驗一方面說明了光子晶體光纖的小模面積設計與色散特性有利于

9、產生寬的超連續(xù)光譜,另一方面對于研究此類光纖內的非線性現象和超連續(xù)譜的產生也具有一定的實踐意義,分析認為,內脈沖喇曼散射和孤子自頻移在開始階段對光譜長波方向上的展寬起主4CoenS,RainerLeonhardt,HarveyJD,etal.White2lightsupercontinuumgenerationwith60pspumppulsesinaphotoniccrystalfiber.OptLett,2001,26(17):135613585ProvinoL,DudleyJM,MaillotteH,etal.Compactbroadbandcontinuumsourcebasedonm

10、icrochiplaserpumpedmicrostructuredfiber1ElectronicsLetters,2001,37(9):558559© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.11期閆培光等.飛秒脈沖作用下光子晶體光纖超連續(xù)譜的產生13016GorgeAK,ReevesWH,etal.Extrudedsoftglassphotoniccrystalfiberforultrabroadsupercontinuumgeneration.OpticsExpress,20

11、02,10(25):152015257MitschkeF,MollenauerL,etal.Discoveryofthesolitonself2frequencyshift1OptLett,1986,11(10):6596618LiuX,XuC,KnoxWH,etal.Solitonself2frequencyshiftinataperedair2silicamicrostructurefiber1OptLett,2001,26(6):358360SupercontinuumGenerationinPhotonicCrystalFiberPumpedbyFemtosecondPulsesYan

12、Peiguang1,2,RuanShuangchen1,DuChenlin3,LüKecheng21ShenzhenKeyLaserEngineeringLab.,ShenzhenUniversity,Shenzhen,China5180602CollegeofPhysics,NankaiUniversity,Tianjin,China,3000713NationalLaboratoryofCrystalMaterials,ShandongUniversity,Jinan,China250100Receiveddate1212AbstractMorethan550nmsupercon

13、tinuumisgeneratedina2m2longphotoniccrystalfiberbyuseofanultrafastfemtosecondTi2sapphirelaserasthepumpsource.AnalysisindicatesthattheintrapulseRamanscatteringeffectandthesolitonself2shiftarethemostimportantmechanismforthebroadenofthespectrumatthelongwavelengthdirectionatthebeginning,thenewgeneratedfrequencesplayanimportantroleforthesupercontinuumgeneration.KeywordsSupercontinuum;Photoniccrystalfiber;Intrapulseramanscattering;Solitonself2frequencyshiftYanPeiguangwasborn