1、第32卷第11期光子學(xué)報(bào)November2003飛秒脈沖作用下光子晶體光纖超連續(xù)譜的產(chǎn)生閆培光1,2阮雙琛1杜晨林3呂可誠(chéng)2(1深圳大學(xué)深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,深圳,中國(guó)518060)(2南開大學(xué)物理學(xué)院,天津,中國(guó)300071)(3山東大學(xué)晶體所,濟(jì)南,中國(guó)250100)3摘要采用鈦寶石超快fs激光器泵浦2m長(zhǎng)光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜,重點(diǎn)研究了不同輸入功率下350959nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜的演變過程,實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的超連續(xù)光譜寬度超過550nm1分析表明,內(nèi)脈沖喇曼散射和孤子自頻移在開始階段對(duì)光譜長(zhǎng)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(guān)系1關(guān)鍵詞超連續(xù)譜;

2、光子晶體光纖;內(nèi)脈沖喇曼散射;孤子自頻移中圖分類號(hào)TN24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A0引言超連續(xù)譜光源在光譜檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、高精密光學(xué)頻率測(cè)量及波分復(fù)用光通信系統(tǒng)等方面有著重要的應(yīng)用,產(chǎn)生超連續(xù)譜的介質(zhì)要求具有高的非線性系數(shù)和適當(dāng)?shù)纳l件,可用于產(chǎn)生超連續(xù)譜的非線性介質(zhì)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(shí)現(xiàn)大數(shù)值孔徑小模面積的設(shè)計(jì),因此能夠增大單位面積的光功率密度,提高光學(xué)非線性作用的效率;而且通過合理設(shè)計(jì),能夠在很寬的譜帶范圍內(nèi)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(chǎn)生超連續(xù)譜的高非線性系數(shù)和色散要求,因此光子晶體光纖被

3、廣泛用于產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究351迄今為止,報(bào)道的最寬超連續(xù)譜從350nm一直拓展到2200nm,實(shí)驗(yàn)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?qū)嵱?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(diǎn)位于700nm附近的,由于零色散點(diǎn)位于可見光區(qū)(普通光纖的零色散點(diǎn)一般高于1.28m),有助于光譜在這一波段內(nèi)擴(kuò)展,研究了在不同泵浦功率的情況下350959nm范圍內(nèi)光譜的演變過程,實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到光譜分裂、孤子自頻移、超連續(xù)譜產(chǎn)生等各種非線性效應(yīng),在實(shí)驗(yàn)中獲得的超連續(xù)譜寬度至少超過550nm131實(shí)驗(yàn)裝置使用鈦寶石超快fs激光器作為泵源,輸出中心

4、波長(zhǎng)為796nm,脈寬約200fs,重復(fù)頻率76MHz1光子晶體光纖長(zhǎng)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(dá)0.9,因此光纖的數(shù)值孔徑較大,約為0.47,實(shí)驗(yàn)中采用的顯微物鏡數(shù)值孔徑為0.4,放大倍數(shù)25倍;該光纖的零色散波長(zhǎng)為700nm,且光纖為保偏設(shè)計(jì)1實(shí)驗(yàn)中逐步增大耦合入光纖的功率,輸出光經(jīng)過透鏡會(huì)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(jié)果與分析因?yàn)殁亴毷靎s激光器的輸出光束質(zhì)量比較好,所以光耦合入光纖的效率較高,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中就能夠觀察到光譜的變化1當(dāng)平均輸入功率達(dá)到1mW時(shí),光譜主峰的右側(cè)分裂出一個(gè)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(nèi)脈沖喇曼散射7造成的;隨入射功率的增加,發(fā)現(xiàn)該小峰完全與光譜主峰剝離出來,并且向長(zhǎng)波方向移動(dòng),這一現(xiàn)象正是廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(011736)、廣東省高校自然科學(xué)研究(Z020620)項(xiàng)目和廣東省“千百十工程”優(yōu)秀人才基金(Q02118)資助項(xiàng)目© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights res

6、erved.1300光子學(xué)報(bào)32卷孤子自頻移的特征8,可以判斷,此時(shí)光纖內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)光孤子;繼續(xù)增大輸入功率,在光譜主峰的右側(cè)又分裂出新的小峰,圖2(b)為平均輸入功率達(dá)到4.9mW時(shí)的光譜圖;實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入平均功率達(dá)到5.2mW時(shí),在短波方向綠光開始產(chǎn)生,進(jìn)一步加大輸入功率,會(huì)發(fā)現(xiàn)光纖中蘭光、紫光乃至近紫外光(370nm附近)相繼產(chǎn)生,同時(shí)在600750nm范圍內(nèi)的光譜也漸漸鼓起,光譜的成分變得復(fù)雜,如圖2(c)1此時(shí)平均輸入功率為47mW,這一階段的光譜拓寬機(jī)制,是多種非線性效應(yīng)的綜合結(jié)果,猜測(cè)由于光譜在初始階段的紅移,這些長(zhǎng)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(diào)制、四波混頻、倍頻等非線性效應(yīng)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(shí)的光譜圖,發(fā)現(xiàn)光譜從420nm至少拓展到959nm,和未進(jìn)入光纖時(shí)相比,光譜主峰一方面變寬,這是由于自相位調(diào)制的結(jié)果,另一方面幅度下降,表明能量被轉(zhuǎn)移到其它的光譜成分上,此時(shí)觀察整條光纖,在不同部分具有不同的顏色,圖3是在76mW時(shí)攝制的照片1實(shí)驗(yàn)中由于光的反饋過強(qiáng)會(huì)造成激光器失鎖,故未能加大輸入光纖中的功率進(jìn)一步研究1圖2平均輸入功率為1mW、419mW、47mW、76mW時(shí)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(guān)系1參考文獻(xiàn)1BirksTA,KnightJC,RussellPStJ,etal.Endlesslysinglemodephotoniccrystalfiber.OptLett,1996,22(13):9619632Photonics圖3在76mW時(shí)攝制的光纖照片F(xiàn)ig.3Thephotographofthefiberwiththeinputpowerof76mW3結(jié)論進(jìn)行了fs脈沖通過光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn),獲得的超連續(xù)譜寬度超過550nm,實(shí)驗(yàn)一方面說明了光子晶體光纖的小模面積設(shè)計(jì)與色散特性有利于

9、產(chǎn)生寬的超連續(xù)光譜,另一方面對(duì)于研究此類光纖內(nèi)的非線性現(xiàn)象和超連續(xù)譜的產(chǎn)生也具有一定的實(shí)踐意義,分析認(rèn)為,內(nèi)脈沖喇曼散射和孤子自頻移在開始階段對(duì)光譜長(zhǎng)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(chǎn)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