中红外硫系光子晶体光纤参量放大特性模拟研究

硫系玻璃具有良好的红外透过性能（可达25m）,极低的声子能量（350 cm-1）,较大的玻璃形成区和极高的非线性折射率n2（为石英材料的100~1 000倍）。硫系玻璃光子晶体光纤因其优良的非线性特性在红外波段具有众多的潜在应用价值。设计一种高非线性特性的无As环保型的Ge20Sb15Se65硫系玻璃光子晶体光纤,利用平面波展开法对结构参数进行优化,获得了具有高非线性和宽带色散平坦的光纤结构参数,研究了其光学参量放大过程。数值模拟发现,通过调整光纤的色散零点,利用3.4 m激光泵浦,可对3.3~3.5 m波段信号光实现有效放大。     

脊形芯硫系光纤的制备及其线偏振超连续谱的产生

以Ge12As24Se64 (Ge-As-Se)和Ge10As24S66 (Ge-As-S)玻璃分别作为纤芯和包层材料,研制一种具有脊形芯的保偏硫系玻璃光纤,用于产生线偏振中红外超连续谱(MIR SC).利用有限元法模拟了脊形芯光纤的群速色散特性并确定了纤芯的几何尺寸,采用挤压法结合多级棒管法制备了该光纤.制备的光纤在2.9～5.5 μm波长的典型损耗约为4 dB/m,偏振消光比为19.4 dB～19.6 dB.采用中心波长为3.7 μm、脉冲宽度为170 fs、重复频率为100 kHz、平均功率为40 mW的激光抽运长度为12 cm的光纤,获得了光谱范围为2～9.5 μm、平均功率约为4 mW的超连续谱,偏振消光比约为19.2 dB.研究结果表明,脊形芯Ge-As-Se/Ge-As-S硫系玻璃光纤是一种有潜力产生线偏振中红外宽带超连续谱的非线性介质.     

中红外Ge20As20Se15Te45硫系玻璃光纤光栅光开关

利用熔融淬冷法制备了Ge20As20Se15Te45硫系玻璃,测试结果表明该玻璃在中红外波段具有良好的红外透过特性和极高的非线性,采用Z-扫描技术测试其中红外三阶非线性系数高达n2=6.7210-18 m2/W @ 4 m。以此材料为基质,设计了两种工作在中红外波段的硫系玻璃光纤光栅光开关。利用分布时域传递矩阵法(TD-TMM)和非线性耦合方程模拟计算了光栅光开关的反射谱和波长偏移特性。研究结果表明,通过调节输入光强可以灵活调节光纤光栅的中心波长向短波或长波方向移动,进而可以获得光开关。在调制深度为110-3的均匀硫系光纤光栅,获得光开关的功率阈值约为1.6 GW/cm2,当引入相移光栅后,调制深度可以降低为310-4,并且其光开关的功率阈值也降低到210 MW/cm2。     

中红外玻璃光纤材料及拉曼激光光源研究进展(特邀)

高功率中红外光纤激光光源在前沿科学研究、空间光通信、医学诊断与治疗、环境污染监测和光电对抗等领域有着重要应用。拉曼光纤激光光源输出波长灵活，原则上可以在光纤材料透过窗口范围内获得任意波长激光，是实现中红外激光输出的一种重要手段。目前，基于硫系玻璃光纤、氟化物玻璃光纤、碲酸盐玻璃光纤等中红外玻璃光纤材料，已实现工作波长位于3.77μm的拉曼光纤激光器、平均输出功率为3.7 W的2 231 nm拉曼光纤激光器和波长调谐范围覆盖2～4.3μm的拉曼孤子激光光源。近期，笔者研究组制备出一种具有高热学和化学稳定性、高激光损伤阈值、大拉曼频移和高拉曼增益系数的氟碲酸盐玻璃光纤，并利用其作为非线性介质，先后实现了级联拉曼散射、级联拉曼光纤放大器、波长调谐范围覆盖1.96～2.82μm的拉曼孤子激光以及波长为～4μm的红移色散波，验证了氟碲酸盐玻璃光纤在中红外拉曼光纤激光光源研制方面的应用潜力。主要介绍了氟化物、硫化物及碲酸盐玻璃光纤材料的特点及相应的拉曼激光光源的相关研究进展，并对其未来发展趋势进行了展望。     

基于正常色散硫系波导的宽可调谐中红外频谱转换

中红外-近红外频谱转换是实现诸多中红外波段应用的重要技术,转换效率和调谐范围通常由于泵浦-信号频率失谐量大而受限.提出一种新型As2Se3硫系光波导,通过色散调控对波导结构进行优化设计,使光波导在2 μm波长附近具有正常群速度色散及负的四阶色散,达到泵浦-信号频率失谐量大的四波混频过程的相位匹配.研究了该波导的中红外-...     

ZrF_4·BaF_2系玻璃材料色散性质

本文给出了两种ZrF_4·BaF_2系玻璃材料在0.5-5.6μm波长范围内一些波长下的折射率测量值。两种材料的色散参数曲线在大于1.6μm后很平缓,色散参数值也较小,零色散波长值分别为1.65μm和1.69μm。最后一节给出了ZrF_4·BaF_2系材料的零色散波长计算公式,并对其变化性质进行了讨论。     

超大模场硫系玻璃光子晶体光纤研究进展

近年来迅速发展的中红外高功率激光技术迫切需要具有输出光束质量高、质量轻、结构紧凑等特性的中红外光纤介质,用于实现激光产生、传输等。在中红外玻璃中,硫系玻璃具有最宽的透光范围;同时,硫系玻璃又具有最高的折射率和非线性折射率系数,因此它们被认为是理想的产生和传输中红外激光的光纤基质。然而,硫系玻璃网络结构由弱化学键组成,使得硫系玻璃光纤具有较低的激光损伤阈值,这与高功率激光应用需求相矛盾。在不牺牲光纤输出光束质量的前提下,大模场光子晶体光纤技术是优选的实现功率提升的技术方案。本文首先介绍了中红外激光的高功率应用需求和中红外光纤材料低激光损伤阈值之间存在的矛盾,继而对面向中红外高功率激光应用的超大模场硫系玻璃光子晶体光纤的发展进行了综述,详细描述了超大模场硫系玻璃光子晶体光纤设计、制备、材料选择、光纤性能表征等过程,并对其应用前景和存在的技术瓶颈进行了讨论和展望。结果表明,超大模场硫系玻璃光子晶体光纤有望被应用于百瓦级中红外高功率激光应用场景中。     

单模As-Se红外玻璃光纤的制备及其性能研究

随着红外光纤制备技术的不断发展,低损耗、高非线性且结构完美的红外硫系光纤的研制迫在眉睫。采用了传统的熔融淬冷法和动态蒸馏纯化工艺制备了As40Se58Te2和As40Se60两种玻璃样品,基于两次多步挤压法制备了完美芯包阶跃结构的硫系光纤预制棒,在聚合物的保护下拉制出了损耗较低的阶跃型单模硫系玻璃光纤。结果表明:蒸馏纯化工艺可有效去除硫系玻璃中大部分杂质,2%摩尔百分比的Se被Te替换可有效实现小数值孔径并达到单模传输条件,采用截断法对单模硫系光纤进行了损耗测试,其最低损耗为1.66 d B/m(6.06μm),工作波段为2.5~12μm。以光参量放大器(OPA)为抽运源获得了覆盖1.5~13.2μm(40 d B带宽)的超连续谱输出,光纤有较好的中远红外传输性能和极高的光学非线性性能。     

As2Se3硫系玻璃非球面镜片的精密模压成型

硫系玻璃镜片是新型温度自适应红外光学系统的重要组件之一。随着红外热成像民用市场的日益成熟,对硫系玻璃镜片的产业化技术需求越来越迫切。文中进行了As2Se3硫系玻璃非球面镜片的精密模压实验,研究并优化出口径21 mm硫系镜片的模压工艺参数。通过模具的补偿修正,获得了完全满足镜片设计要求（PV值小于0.7 m）的模压镜片。此外,研究了模压处理对As2Se3玻璃物理性质的影响,发现模压后As2Se3玻璃的密度、硬度和玻璃转变温度Tg降低,最大透过率提高。通过拉曼光谱测试,分析并讨论了造成这种反常现象的微观结构原因。为今后较大口径非球面硫系镜片的批量制造提供了科学数据和参考。     

基于特种玻璃光纤的中红外拉曼激光器研究进展

高功率中红外光纤激光器在基础科学研究、大气通信、环境监测和国防安全等领域有着重要应用。拉曼光纤激光技术是实现中红外激光的一种重要手段,通过级联拉曼运转可在光纤透过窗口内输出任意波长激光。目前,以碲酸盐、氟化物或硫系玻璃光纤作为拉曼增益介质,研究者分别研制出工作波长为3.77μm的二级级联拉曼激光器和波长调谐范围覆盖2～4.3μm的中红外拉曼孤子光纤激光光源。最近,本研究组制备出一种具有高稳定性、高抗激光损伤阈值、大拉曼频移和高拉曼增益系数的氟碲酸盐玻璃光纤,并以其作为拉曼增益介质,先后实现了波长调谐范围覆盖1.96～2.82μm的中红外拉曼孤子激光以及～3μm处的"拉曼孤子雨",初步验证了该氟碲酸盐玻璃光纤在中红外拉曼光纤激光器方面的应用潜力。主要对国内外中红外拉曼光纤激光光源的研究进展进行了总结,介绍了碲酸盐、氟化物、硫系以及氟碲酸盐玻璃光纤材料的特点及相应的拉曼光纤激光器,并对发展趋势进行了展望。     

Tailoring chromatic dispersion in chalcogenide–tellurite microstructured optical fiber

We report fabrication of a highly nonlinear hybrid microstructured optical fiber composed of chalcogenide glass core and tellurite glass cladding. The flattened chromatic dispersion can be achieved in such an optical fiber with near zero dispersion wavelength at telecommunication wavelengths λ = 1.35–1.7 μm, which cannot be achieved in chalcogenide glass optical fibers due to their high refractive index, i.e. n > 2.1. We demonstrate a hybrid 4-air hole chalcogenide–tellurite optical fiber (Δn = 0.25) with flattened chromatic dispersion around λ = 1.55 μm. In optimized 12-air hole optical fiber composed of the same glasses, the chromatic dispersion values were achieved between −20 and 32 ps/nm/km in a broad wavelength range of 1.5–3.8 μm providing the fiber with extremely high nonlinear coefficient 86,000 km⁻¹W⁻¹. Hybrid chalcogenide/tellurite fibers pumped with the near infrared lasers give good promise for broadband optical amplification, wavelength conversion, and supercontinuum generation in the near- to mid-infrared region.     

不同波长下表面等离子体共振传感器的灵敏度

依据玻璃、银和聚苯乙烯的折射率随波长变化而改变的性质,分析了不同波长入射光条件下表面等离子体共振(SPR)传感器的探测灵敏度。根据得到的实验数据,对玻璃、银和聚苯乙烯的折射率相对波长的变化进行了数据拟合,将拟合的结果用于理论计算,得到不同入射波长下表面等离子体共振传感器的探测灵敏度,提出了不同灵敏度要求下入射波长的优化选取。为了验证理论计算的结果,选取了波长为568nm和632.8nm的光源对样品进行了相关实验,发现波长632.8nm的入射光得到的样品表面形貌图相对波长为568nm的入射光得到的分辨率高,对细节的表现更加清晰。     

用于产生超连续谱的硫系光子晶体光纤的色散特性

光子晶体光纤具备的无截止单模、模场面积可调和色散可控的特性,使其在超连续谱的产生中具有独特的优势。超连续谱的产生条件之一,是所使用的光纤须具有高的非线性,而硫系玻璃非线性系数极高,因此利用硫系玻璃光子晶体光纤产生超连续谱的研究备受关注。采用熔融-淬冷法制备Ge23Sb12S65硫系玻璃,并以此为基质设计了用于超连续谱产生的高非线性光子晶体光纤。采用多极法分析光纤孔间距、孔径比d/等对光纤的色散零点位移、色散平坦调控、损耗及模场面积的影响,最终得到当=2m,d/=0.43时,可获得2~4m平坦色散的高非线性光子晶体光纤结构。     

Infrared Glass–Ceramics with Multidispersion and Gradient Refractive Index Attributes

Infrared (IR) glass–ceramics (GCs) hold the potential to dramatically expand the range of optical material solutions available for use in bulk and planar optical systems in the IR. Current material solutions are limited to single‐ or polycrystalline materials and traditional IR‐transparent optical glasses. GCs that can be processed with spatial control and extent of induced crystallization present the opportunity to realize an effective refractive index variation, enabling arbitrary gradient refractive index elements with tailored optical function. This work discusses the role of the parent glass composition and morphology on nanocrystal phase formation in a multicomponent chalcogenide glass. Through a two‐step heat treatment protocol, a Ge–As–Pb–Se glass is converted to an optical nanocomposite where the type, volume fraction, and refractive index of the precipitated crystalline phase(s) define the resulting nanocomposite's optical properties. This modification results in a giant variation in infrared Abbe number, the magnitude of which can be tuned with control of crystal phase formation. The impact of these attributes on the GCs' refractive index, transmission, dispersion, and thermo‐optic coefficient is discussed. A systematic protocol for engineering homogeneous or gradient changes in optical function is presented and validated through experimental demonstration employing this understanding.     

Optimum index profile of the perfluorinated polymer-based GIpolymer optical fiber and its dispersion properties

The significant advantages in bandwidth and low material dispersion of perfluorinated (PF) polymer-based graded-index polymer optical fiber (GI POF) are theoretically and experimentally reported for the first time. It is confirmed that the low attenuation and low material dispersion of the PF polymer enables 1 Gb/s km and 10 Gb/s km transmission at 0.85-μm and 1.3-μm wavelengths, respectively. The PF polymer-based CI POF has very low material dispersion (0.0055 ns/nm·km at 0.85 μm), compared with those of the conventional PMMA-based POF and of multimode silica fiber (0.0084 ns/nm km at 0.85 μm). Since the PF polymer-based GI POF has low attenuation from the visible to near infrared region, not only the 0.65-μm wavelength which is in the low attenuation window of the PMMA-based GI POF, but other wavelengths such as 0.85-μm or 1.3-μm etc. can be adopted for the transmission wavelength. It is clarified in this paper that the wavelength dependence of the optimum index profile shape of the PF polymer-based GI POF is very small, compared to the optimum index profile shape of the silica-based multimode fiber. As a result, the PF polymer-based GI POF has greater tolerance in index profile variation for higher speed transmission than multimode silica fiber. The impulse response function of the PF polymer-based GI POF was accurately analyzed from the measured refractive index profile using a Wentzel, Kramers, Brillouin (WKB) numerical computation method. By considering all dispersion factors involving the profile dispersion, predicted bandwidth characteristic of the PF polymer-based GI POF agreed well with that experimentally measured     

聚合物复合薄膜DR13/PMMA的制备及其光学特性

薄膜的厚度、折射率和传输损耗等参数在电光系数的确定和光波导器件的设计和制作过程中都是重要的参考数据。采用旋涂法制备了三种不同质量比的偶氮化合物染料分散红13(DR13)与聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合薄膜;利用分光光度计测量样品的吸收光谱;利用棱镜耦合仪测量了薄膜的厚度和折射率,并对不同波长下的折射率进行拟合得到折射率色散曲线;采用视频摄像技术研究样品的光传输特性,利用自己编写的计算机程序来处理其实验结果。DR13/PMMA复合薄膜在300nm和500nm处有两个大的吸收峰,而在其他波段,尤其是在通信波段没有明显吸收。薄膜的膜厚大约为1~2μm,其折射率随着质量比的增加而增大,随着激光波长的增大而降低,膜厚和折射率的误差分别为3.2×10-1μm和1.5×10-3。三种质量比(10%,15%和20%)的薄膜传输损耗分别为1.5269dB/cm,2.7601dB/cm和3.6291dB/cm,可以看出随着DR13质量比的增大,光传输损耗也逐渐增大,即DR13的含量对于传输损耗的影响较大。     

硫系玻璃Ge28Sb12Se60薄膜光学非线性增强色散特性

采用真空热蒸发以及退火工艺制备了支持局域表面等离激元的微纳结构薄膜,在此薄膜上蒸镀了硫系玻璃Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀薄膜。应用Z-扫描技术,在飞秒激光脉冲激发下研究其光学非线性增强的色散特性,在650 nm和850 nm波段观察到了非线性吸收增强;非线性折射率随着波长的增加由负变正。通过扫描电子显微镜和透过光谱表征和分析了硫系玻璃Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀薄膜非线性吸收增强的原理,非线性吸收随着波长的增加由单光子吸收为主逐渐转变为双光子吸收为主;银膜的微纳结构导致硫系玻璃薄膜的共振中心频率发生了偏移。实验制备的用于增强硫系玻璃非线性的微纳结构制作简单,无需复杂光刻工艺,为非线性光子学器件的设计提供了新的思路。     

零模间色散三芯光子晶体光纤

为了研究纤芯掺杂低折射率材料后三芯光子晶体光纤中任意两超模之间的模间色散特性,采用全矢量有限元法进行了仿真,取得了模间色散系数、零模间色散波长随纤芯折射率和结构参量变化的数据。结果表明,通过调节纤芯折射率、纤芯直径、空气孔直径以及孔间距这4个结构参量,可以使任意两超模间的模间色散在两个常用波段1.31m和1.55m处为0。该结果对于消除基于模分复用的光纤不同模式间因为模间色散导致的脉冲失真和实现零模间色散的模分复用技术是有帮助的。