飞秒脉冲作用下光子晶体光纤超连续谱的产生

1、第32卷第11期光子学报2003年11月Vol.32No.11November2003飞秒脉冲作用下光子晶体光纤超连续谱的产生闫培光1,2阮双琛1杜晨林3吕可诚2(1深圳大学深圳市激光工程重点实验室,深圳,中国518060)(2南开大学物理学院,天津,中国300071)(3山东大学晶体所,济南,中国250100)3摘要采用钛宝石超快fs激光器泵浦2m长光子晶体光纤产生超连续谱,重点研究了不同输入功率下350959nm波长范围内光谱的演变过程,实验中产生的超连续光谱宽度超过550nm1分析表明,内脉冲喇曼散射和孤子自频移在开始阶段对光谱长波方向上的展宽起主要作用,这些新的频率成分与随后光谱向短波

2、方向的拓展有密切关系1关键词超连续谱;光子晶体光纤;内脉冲喇曼散射;孤子自频移中图分类号TN24文献标识码A0引言超连续谱光源在光谱检测、生物医学、高精密光学频率测量及波分复用光通信系统等方面有着重要的应用,产生超连续谱的介质要求具有高的非线性系数和适当的色散条件,可用于产生超连续谱的非线性介质很多,其中光子晶体光纤是最为突出的一种,这主要是由光子晶体的特性决定的,这类光纤可以实现大数值孔径小模面积的设计,因此能够增大单位面积的光功率密度,提高光学非线性作用的效率;而且通过合理设计,能够在很宽的谱带范围内支持低损耗的单模传输并且在可见光波段可具有反常色散1,2,这些特性满足了产生超连续谱的高非

3、线性系数和色散要求,因此光子晶体光纤被广泛用于产生超连续谱的研究351迄今为止,报道的最宽超连续谱从350nm一直拓展到2200nm,实验中使用的光子晶体光纤是由SF6玻璃制成6,相信这一方面的研究成果将很快走向实用1在本文中,我们使用采用钛宝石fs超快激光器作为泵源,光子晶体光纤的零色散点位于700nm附近的,由于零色散点位于可见光区(普通光纤的零色散点一般高于1.28m),有助于光谱在这一波段内扩展,研究了在不同泵浦功率的情况下350959nm范围内光谱的演变过程,实验中观测到光谱分裂、孤子自频移、超连续谱产生等各种非线性效应,在实验中获得的超连续谱宽度至少超过550nm131实验装置使用

4、钛宝石超快fs激光器作为泵源,输出中心波长为796nm,脉宽约200fs,重复频率76MHz1光子晶体光纤长2m,横截面如图11纤芯直径2m,孔间距3.2m,气孔直径与孔间距比值高达0.9,因此光纤的数值孔径较大,约为0.47,实验中采用的显微物镜数值孔径为0.4,放大倍数25倍;该光纤的零色散波长为700nm,且光纤为保偏设计1实验中逐步增大耦合入光纤的功率,输出光经过透镜会聚后利用S2000微型可见光光谱仪观察变化情况图1光子晶体光纤的端面电镜图Fig.1TheSEMimageoftheendfaceofthefiber2结果与分析因为钛宝石超快fs激光器的输出光束质量比较好,所以光耦合入

5、光纤的效率较高,在整个实验中入纤耦合效率超过20%1由于光纤的纤芯有效面积较小,在较低的输入功率下,实验中就能够观察到光谱的变化1当平均输入功率达到1mW时,光谱主峰的右侧分裂出一个小峰,如图2(a)1分析表明,光谱的分裂是由于反常色散区的内脉冲喇曼散射7造成的;随入射功率的增加,发现该小峰完全与光谱主峰剥离出来,并且向长波方向移动,这一现象正是广东省自然科学基金重点项目(011736)、广东省高校自然科学研究(Z020620)项目和广东省“千百十工程”优秀人才基金(Q02118)资助项目Tel:075526536215Email:scruan收稿日期:20021212 1995-2004 T

6、singhua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1300光子学报32卷孤子自频移的特征8,可以判断,此时光纤内已经出现光孤子;继续增大输入功率,在光谱主峰的右侧又分裂出新的小峰,图2(b)为平均输入功率达到4.9mW时的光谱图;实验中发现当输入平均功率达到5.2mW时,在短波方向绿光开始产生,进一步加大输入功率,会发现光纤中兰光、紫光乃至近紫外光(370nm附近)相继产生,同时在600750nm范围内的光谱也渐渐鼓起,光谱的成分变得复杂,如图2(c)1此时平均输入功率为47mW,这一阶段的光谱拓宽机制,是多种非线性效应的综

7、合结果,猜测由于光谱在初始阶段的红移,这些长波方向上新的频率成分与泵浦光波一起作用,可能某些频率成分满足交叉相位调制、四波混频、倍频等非线性效应的相位匹配条件,从而造成光谱在短波向上的展宽1图2(d)为在平均输入功率为76mW时的光谱图,发现光谱从420nm至少拓展到959nm,和未进入光纤时相比,光谱主峰一方面变宽,这是由于自相位调制的结果,另一方面幅度下降,表明能量被转移到其它的光谱成分上,此时观察整条光纤,在不同部分具有不同的颜色,图3是在76mW时摄制的照片1实验中由于光的反馈过强会造成激光器失锁,故未能加大输入光纤中的功率进一步研究1图2平均输入功率为1mW、419mW、47mW、7

8、6mW时光谱图Fig.2Thespectrumattheaverageinputpowerof1mW,4.9mW,47mWand76mW要作用,这些新的频率成分与随后光谱向短波方向的拓展有密切关系1参考文献1BirksTA,KnightJC,RussellPStJ,etal.Endlesslysinglemodephotoniccrystalfiber.OptLett,1996,22(13):9619632KnightJC,ArriagaJ,BirksTA,etal.Anomalousdispersioninphotoniccrystalfiber.IEEETechnolgyLetters,2

9、000,12(7):807809Photonics图3在76mW时摄制的光纤照片Fig.3Thephotographofthefiberwiththeinputpowerof76mW3RandaJK,WindelerRS,StentzAJ,etal.Visiblecontinuumgenerationinair2silicamicrostructureopticalfiberswithanomalousdispersionat800nm.OptLett,2000,25(1):25273结论进行了fs脉冲通过光子晶体光纤产生超连续谱的实验,获得的超连续谱宽度超过550nm,实验一方面说明了光子晶

10、体光纤的小模面积设计与色散特性有利于产生宽的超连续光谱,另一方面对于研究此类光纤内的非线性现象和超连续谱的产生也具有一定的实践意义,分析认为,内脉冲喇曼散射和孤子自频移在开始阶段对光谱长波方向上的展宽起主4CoenS,RainerLeonhardt,HarveyJD,etal.White2lightsupercontinuumgenerationwith60pspumppulsesinaphotoniccrystalfiber.OptLett,2001,26(17):135613585ProvinoL,DudleyJM,MaillotteH,etal.Compactbroadbandconti

11、nuumsourcebasedonmicrochiplaserpumpedmicrostructuredfiber1ElectronicsLetters,2001,37(9):558559 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.11期闫培光等.飞秒脉冲作用下光子晶体光纤超连续谱的产生13016GorgeAK,ReevesWH,etal.Extrudedsoftglassphotoniccrystalfiberforultrabroadsupercontinuumgeneration.Opti

12、csExpress,2002,10(25):152015257MitschkeF,MollenauerL,etal.Discoveryofthesolitonself2frequencyshift1OptLett,1986,11(10):6596618LiuX,XuC,KnoxWH,etal.Solitonself2frequencyshiftinataperedair2silicamicrostructurefiber1OptLett,2001,26(6):358360SupercontinuumGenerationinPhotonicCrystalFiberPumpedbyFemtosec

13、ondPulsesYanPeiguang1,2,RuanShuangchen1,DuChenlin3,LKecheng21ShenzhenKeyLaserEngineeringLab.,ShenzhenUniversity,Shenzhen,China5180602CollegeofPhysics,NankaiUniversity,Tianjin,China,3000713NationalLaboratoryofCrystalMaterials,ShandongUniversity,Jinan,China250100Receiveddate1212AbstractMorethan550nmsu

14、percontinuumisgeneratedina2m2longphotoniccrystalfiberbyuseofanultrafastfemtosecondTi2sapphirelaserasthepumpsource.AnalysisindicatesthattheintrapulseRamanscatteringeffectandthesolitonself2shiftarethemostimportantmechanismforthebroadenofthespectrumatthelongwavelengthdirectionatthebeginning,thenewgeneratedfrequencesplayanimportantroleforthesupercontinuumgeneration.KeywordsSupercontinuum;Photoniccrystalfiber;Intrapulseramanscattering;Solitonself2frequencyshiftYanPeiguangwasbornin1977inShandongProvince1NowheisworkingtowardsthePh.D