工程数学

O152.7,TN8182005050002飞秒激光在光子晶体光纤中产生超连续光谱机制的实验研究/胡明列,王清月,栗岩峰,王专,张志刚,柴路,章若冰(天津大学精密仪器与光电子工程学院)//物理学报.―2004,53(12).―4243～4247.报道了利用零色散在780nm处的光子晶体光纤与纳焦耳量级的飞秒激光脉冲相互作用的实验结果.实验使用35fs,中心波长810—840nm,单脉冲能量可达14nJ的飞秒激光光源获得了超过一个倍频程的平坦超连续光谱(500—1100nm).在不同功率、不同中心波长、不同啁啾和有无直流成分的多种飞秒脉冲激光的条件下,研究了超连续光谱的产生情况.并对一…     

用于多光子显微镜超短脉冲激光器的发展动态

介绍基于飞秒脉冲产生机理用于多光子显微镜的先进激光技术。讨论产生多色可调谐光脉冲的几种方法。集成超快光纤激光器被认为是显微技术中的第二代飞秒激光器。利用纤芯和色层中的折射率分布实现光传输控制等先进技术被认为是第三代显微学中的激光技术。光子等的光纤结构可在1m长的光纤中产生超连续光谱。     

多光子显微镜用超短脉冲激光器动态

介绍基于飞秒脉冲产生机理的多光子显微镜的先进激光技术。讨论产生多色可调谐光脉冲的几种方法。集成超快光纤激光器被认为是显微技术中的第二代飞秒激光器。利用纤芯和包层中的折射率分布实现光传输控制等先进技术被认为是第三代显微学中的激光技术。光子等的光纤结构可在１ｍ长的光纤中产生超连续光谱。     

光子晶体光纤中非线性传输的数值分析

利用数值方法求解了广义非线性薛定谔方程，模拟了飞秒激光脉冲在具有不同色散特性的光子晶体光纤（PCF）中非线性传输和超连续光谱的产生过程，分析了在反常色散区和正常色散区飞秒激光脉冲的非线性展宽机制，详细讨论了脉冲内拉曼散射（ISRS）、自陡峭（SS）效应以及高阶色散对超连续光谱产生的影响。分析结果表明．无论在光子晶体光纤的反常色散区、正常色散区还是在光纤的零色散点，脉冲内拉曼散射效应对长波波段的光谱展宽都具有重要的作用。讨论了高阶色散尤其是三阶色散对超连续光谱中反斯托克斯波的显著影响，合理地选择色散曲线，能够得到更宽更平坦的超连续光谱，表明了光子晶体光纤的可控色散特性的重要应用价值。     

对称和非对称结构光子晶体光纤产生超连续光谱特性的研究

利用对称和非对称结构的光子晶体光纤进行了超连续光谱特性的研究,在非对称结构光子晶体光纤所产生的超连续光谱中观察到了三次谐波.实验证实了入射激光脉冲偏振态对超连续光谱的影响.这一性质可用以实现对超连续光谱波段的选择和强度的控制,对超连续光谱的实际应用具有重要意义.     

多光子显微镜用超短脉冲激光器动态

介绍基于飞秒脉冲产生机理的多光子显微镜的先进激光技术,讨论了产生多色可调谐光脉冲的几中方法,集成超快光纤激光器被认为是显微技术中的第二代飞秒激光器,利用纤芯和包层中的折射率分布实现光传输控制等先进技术被认为是第三代显微学中的激光技术。光子等的光纤结构可在１ｍ长的光纤中产生超连续光谱。     

飞秒激光作用蓝宝石光纤产生超连续谱的研究

对飞秒激光作用蓝宝石光纤产生超连续谱进行了实验研究。选用脉冲宽度为50 fs的飞秒激光器作为泵浦光,9 cm蓝宝石光纤为非线性介质;当激光器中心波长分别为1200 nm、1300 nm、1400 nm、1500 nm时,在蓝宝石光纤输出端均可获得红外和可见波段的超连续光源;为了寻求可见波段更好的超连续光源输出,在实验装置中加入半导体可饱和吸收体（SESAM）,利用光纤端面和SASEM构成谐振腔,通过SESAM的反馈实现多次作用光纤。结果表明,在可见波段内能够获得460~780 nm平坦稳定的超连续光源输出。     

主动锁模飞秒光纤激光器

报道了主动锁模飞秒脉冲掺Er3 光纤激光器的实验结果。在光纤环形腔中通过引入粗波分复用器(CWDM)作为宽带滤波器,实现了中心波长在1550 nm,重复频率为2.5 GHz,谱线3 dB带宽为10.2 nm(对应的脉冲宽度为247 fs)的激光脉冲输出。此时的抽运功率为186 mW,激光器输出平均功率为1.3 mW,从而获得了能够产生飞秒脉冲的高重复频率主动锁模掺Er3 光纤激光器。     

飞秒激光在大空气比微结构光纤中增强的非线性光谱展宽

报道了微结构光纤(MF)包层结构对超连续光谱产生影响的实验研究。在中心波长为820nm，脉冲宽度为35fs的激光脉冲作用下，在纤芯都为2μm，空气比分别为60％和80％的微结构光纤中获得不同的光谱展宽。由于空气比的增大，使得微结构光纤的有效模面积变得更小，其中传播的光场更能被局域在光纤纤芯中，非线性效应更加强烈，因此在空气比更大的微结构光纤中获得了更宽的超连续光谱。实验中分别在两种光纤中获得了近700nm(520～1200nm)和近1000nm(从350～1320nm)的超连续光谱，大空气比的微结构光纤中获得的非线性光谱展宽增强了1．25倍。对实验结果作了对比分析，并给出了相应的物理解释。     

非均匀微结构光纤中超连续光的产生和传输

报道了利用自行拉制的具有大空气比、小纤芯的非均匀微结构光纤同纳焦耳量级的飞秒激光脉冲相互作用的试验研究。大空气比所带来的大折射率差能将传输的光场强烈地局域在纤芯中，大大增强了非线性效应，所以在1～2cm的传输距离内，便有白光产生，传输60cm后，输入的24nm，35fs飞秒脉冲就展宽成超过一个倍频程(Octave)(390～1050nm)的超连续光谱，并且由于其包层具有非均匀分布的大小不等的空气孔，从而在传输过程中观察到由这种结构形成的非完全光子带隙影响下，侧向光泄露呈现颜色变化的新现象。     

10 GHz再生锁模光纤激光器获得光纤超连续谱的研究

报道了利用10GHz再生锁模光纤环形激光器（RML-FRL）获得波长在1528～1563nm连续可调、脉宽为4．6～5．8ps的短脉冲输出作为高稳定的光纤超连续（SC）谱泵浦源。对RML-FRL输出的脉冲直接放大泵浦4．5km色散位移光纤（DSF），得到20dB带宽46．08nm的SC谱输出，经阵列波导光栅（AWG）谱切片后，得到间隔100GHz、中心波长符合ITUT标准的30信道输出，脉宽在6．5～7．8ps，示波器显示任意信道的抖动均值小于1．4ps。     

多芯微结构光纤产生超连续谱

报道了一种多芯微结构光纤(MF)产生超连续谱的现象,利用钛宝石飞秒激光器产生的20 fs光脉冲序列,通过一段长约40 cm的多芯微结构光纤,获得了展宽超过600 nm的光谱(400~1000 nm),而且当耦合位置不同时,可以得到不同颜色的光谱成分。实验结果表明,由非规则填充气孔组成的多芯微结构光纤可以出现超强的非线性和超连续谱展宽。     

耗散孤子和束缚态脉冲可切换的超连续谱产生

当超短脉冲进入高非线性光纤时,在色散和非线性效应的共同作用下,脉冲频谱中会产生一些新的频率分量,使得输出频谱比输入频谱宽得多。这种光谱被称为超连续谱。超连续谱光源具有光谱范围宽、方向性好、亮度高、空间相干性好等优点。在锁模激光器中,传统孤子、耗散孤子和类噪声脉冲可以作为种子源产生超连续谱。文中,笔者建立了一个NPR被动锁模光纤激光器来产生脉冲激光。然后,添加一段DCF以补偿腔中的色散,从而产生耗散孤子。同时,通过调节腔内PC,可以实现束缚态和耗散孤子的状态切换。输出脉冲经10 m单模光纤压缩后注入部分拉锥后的高非线性光纤以产生超连续谱。实验中,我们得到了脉宽为5.6 ps、重复频率为32 MHz、信噪比为52 dB的耗散孤子锁模脉冲,压缩后的脉冲宽度为868 fs,用作超连续谱产生。超连续谱的覆盖范围约为1200~2200 nm,其20 dB谱宽为357 nm。通过调节偏振控制器,实现耗散孤子脉冲与束缚态脉冲之间的切换,束缚态脉冲持续时间为1.4 ps,脉冲间隔为14 ps,信噪比为51 dB,产生1600~1870 nm的超连续光谱,20 dB的光谱宽度为135 nm。     

飞秒脉冲在高非线性光纤中产生超连续谱的特性研究

采用分步傅里叶方法,对飞秒脉冲在高非线性光纤中超连续谱的形成过程进行了研究,分析了脉冲峰值功率,脉冲宽度及初始频率啁啾对超连续谱特性的影响.结果表明,脉冲峰值功率、脉冲宽度以及初始啁啾对超连续谱的形成有着极其重要的影响;当脉冲峰值功率逐渐增大,超连续谱随之愈宽(-20dB处谱宽从170nm展宽到400nm以上),平坦度愈好.与之相反,脉冲宽度逐渐增大,超连续谱展宽范围减小,其平坦度也逐渐劣化;初始负啁啾有利于脉冲SC谱的展宽而正啁啾使脉冲SC谱的展宽受到一定抑制.进一步研究表明,适当的峰值功率超短啁啾脉冲在高非线性光纤传输时,得到没有泵浦成份残余的超宽且平坦超连续谱.     

大模场光子晶体光纤中超连续谱的产生与控制

探索利用大模场光子晶体光纤产生大功率、高光束质量的超连续谱。采用分步傅里叶方法求解广义非线性薛定谔方程(GNLSE), 模拟了光脉冲在大模场光子晶体光纤中非线性传输和超连续谱的产生过程。着重分析了光子晶体光纤长度和抽运脉冲的峰值功率、啁啾等对超连续谱产生的影响, 讨论了大模场光子晶体光纤中光谱的非线性展宽机制。发现可将超连续谱产生过程分为初始展宽、剧烈展宽和饱和展宽三个阶段。合理选择光纤长度, 使产生的超连续谱处于剧烈展宽阶段时输出, 既能够得到较宽的光谱, 又能够保证较高的效率。抽运峰值功率对超连续谱的产生有重要影响, 当输入功率较小时, 脉冲的频谱成对称展宽, 仅有自相位调制(SPM)效应起作用, 其他高阶效应的影响都很弱。随着脉冲功率的增加, 频谱短波方向变化较小, 光谱向长波方向展宽。同时, 脉冲时域出现振荡调制, 振荡的起因与光波分裂现象有关。抽运光初始啁啾对超连续谱的产生也有重要影响。当啁啾为正时, 啁啾量的大小对产生超连续谱的影响较小, 蓝移方向基本没有影响, 而红移部分能量随着啁啾量的增大向长波方向转移, 超连续谱总的宽度变化较小; 当啁啾为负且满足一定条件时, 其中的非线性作用得到增强, 有利于光谱展宽。     

基于微结构光纤的10 GHz超过1100信道的平坦超连续谱光源

报道了一种基于微结构光纤的宽带、平坦超连续谱(SC)光源。利用锁模半导体激光器产生的1.6ps,重复率为10GHz的光脉冲,通过一段80m的色散平坦高非线性微结构光纤(HNL-MF),在1.55μm波长区域产生了谱宽超过100nm的平坦超连续谱。实验中采用的微结构光纤的非线性系数约为11W-1·km-1。光纤具有小的正常色散和平坦的色散特性,在1550nm波长处,光纤的色散值约为-0.58ps·nm-1·km-1,而在1500～1650nm波长范围内,光纤的色散值变化小于1.5ps·nm-1·km-1。实验中获得的宽带、平坦超连续谱在1503～1593nm宽达90nm的波长范围内,具有±2.5dB的平坦度。该宽带、平坦超连续谱能同时提供波长间隔为10GHz,超过1100路的多波长载波信道。通过对光谱滤波,获得了速率为10Gbit/s的多波长脉冲序列。这样的超连续谱光源在波分复用(WDM)光通信系统、光波长变换等方面都有重要的应用。     

Tapered photonic crystal fiber for supercontinuum generation in telecommunication windows

We numerically studied supercontinuum generation in a tapered photonic crystal fiber with flattened dispersion properties.The fiber was weakly tapered to have normal dispersion at wavelengths around 1.55 μm after a certain distance.We pumped 4 ps pulses with low peakpower and found that flatly broadened, wideband supercontinuum was generated in telecommunication windows.Furthermore, we also demonstrated the effects of tapered length and pulse width of the pump pulse on supercontinuum generation.     

百皮秒激光脉冲的全光纤放大及应用

为了得到高单脉冲能量的百皮秒激光脉冲,采用自制的被动锁模掺镱光纤激光器获得了100ps的激光脉冲输出,在此基础上采用两级全光纤结构主振荡功率放大器进行功率放大,其中预放大级采用7m纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质,得到平均功率160mW的稳定脉冲输出;主放大级采用20m纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质,在抽运功率逐步增加到35.37W时,输出功率达到了16.60W,相应的单脉冲能量为1.63J,峰值功率为16.61kW。此外,主放大级输出的激光通过自制的模场转换器与光子晶体光纤(纤芯4.6m)成功熔接,得到了2.85W的白光超连续光谱,光谱波长覆盖了600nm~1700nm的检测范围。结果表明,此激光可用于超连续谱光源的产生。     

利用非线性偏振旋转锁模技术产生0.7nJ, 1.5ps光脉冲

为了研究锁模光纤激光器以增益平坦型掺铒光纤放大器作为增益介质对输出特性的影响,采用增益平坦型掺铒光纤放大器结合光纤偏振控制器、偏振相关光隔离器组成锁模光纤激光器,基于非线性偏振旋转锁模技术,实现稳定、自起振锁模运转,得到了中心波长1560nm、重复频率6.495MHz、单脉冲能量0.7nJ、脉宽1.5ps的超短光脉冲。同时实验观察到峰值波长为1557nm和1570nm的双峰值波长锁模脉冲的产生。结果表明,采用增益平坦型掺铒光纤放大器替代普通掺铒光纤组成锁模光纤激光器,可获得较高单脉冲能量的超短光脉冲,锁模脉冲的输出光谱可能出现双峰结构,从而可为超短脉冲光纤激光器设计及实用化提供参考。