小芯径折射率引导型光子晶体光纤的制备和研究

介绍一种小芯径折射率引导型光子晶体光纤(PCF)的拉制方法.制备出的光纤纤芯周围第一层空气孔发生形变,呈柚子形,其芯径为1.7μm,孔间距A和空气孔直径d分别为3.4 μm和2.8μm.由于光纤结构的特殊性,采用有限元法在200～1600 nm波段对其基模有效折射率、色散系数、有效模场面积以及非线性系数进行了数值模拟计算.经过理论计算,这种光纤在所研究的波段具有极高的非线性系数且表现为反常色散,这些特性十分有利于超连续谱的产生.在测量了光纤的损耗、色散等基本特性后,选取损耗较小凡位于光纤反常色散区域,中心波长为800 nm的飞秒激光作为光源,将不同功率的超短激光脉冲耦合入光纤,对这种小芯径折射率引导型光子晶体光纤产生超连续谱的过程进行了测量和分析.     

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。     

基于氟碲酸盐光纤的高功率中红外超连续光源(特邀)

高功率全光纤中红外超连续光源在基础科学研究、环境、医疗以及国防安全等领域有着重要应用。目前用于研制上述光源所用的非线性介质为氟化物玻璃光纤。但是氟化物玻璃光纤的损伤阈值低、化学稳性差,这在一定程度上影响了氟化物玻璃光纤在实用化高功率中红外光源研制中的应用。为了进一步提升中红外超连续光源的性能和研制实用化高功率中红外超连续光源,最近制备出了一种具有较好热稳定性和化学稳定性的氟碲酸盐玻璃（TeO2-BaF2-Y2O3,TBY）,并利用其作为基质材料,设计制备出了一系列氟碲酸盐玻璃光纤。利用这些光纤作为非线性介质,研制出了光谱范围覆盖1.4~4 m的高相干超连续光源,光谱范围覆盖0.4~5.14 m的宽带超连续光源和平均功率大于10 W、光谱范围覆盖947~3 934 nm的超连续光源。     

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。     

高双折射高非线性低损耗八边形光子晶体光纤特性

为了同时实现高双折射高非线性并得到低损耗,设计一种在光纤纤芯附近引入椭圆形空气孔和圆形空气孔组成的新型优化的八边形光子晶体光纤。采用全矢量有限元法结合各向异性完美匹配层,对该光纤的有效面积、非线性、双折射和损耗特性进行了模拟分析。数值模拟结果表明,通过选择适当的结构参数,在波长1.55 m处,该光纤具有高双折射高达B=1.6810-2,比普通光纤高两个数量级,高非线性系数为=60 W-1km-1和低损为0.6 dB/km。这种具有高双折射高非线性系数的光纤可用于光通信、偏振敏感的各种设备和产生超连续普等领域。     

28 W 高功率超连续谱光纤激光光源

报道了一个全光纤结构的高功率超连续谱激光光源。利用自行搭建的环形腔掺镱脉冲光纤激光器作为种子源,采用三级MOPA功率放大,得到了平均功率为62W,中心波长为1 065 nm,3 dB谱宽15 nm,重复频率为118 MHz的皮秒锁模脉冲输出,将其耦合进零色散波长为1 040 nm的光子晶体(PCF),最终得到平均功率为28 W,谱宽覆盖范围为600~1 700 nm的超连续谱激光输出,超连续谱的光-光转换效率为45%。实验解决了高功率下大芯径掺杂光纤与PCF的耦合效率低的问题。     

基于锁模脉冲泵浦的全光纤化超连续谱光源

采用基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)的被动锁模方案,通过三级主振荡功率放大(MOPA)结构,构建了平均输出功率39.2 W的全光纤皮秒脉冲光纤激光器。输出激光脉冲宽度10.7 ps,重复频率68 MHz。利用该皮秒光纤激光器泵浦一段4.5 m长的国产光子晶体光纤(PCF),实现了平均功率20.1 W的全光纤化结构超连续谱(SC)光纤激光输出。光谱宽度超出所用光谱仪600~1700 nm 的观测范围,在观测范围内具有10 dB 的光谱平坦度。     

超快光纤激光驱动的长波中红外飞秒脉冲光源（特邀）

基于差频产生的中红外飞秒光源具有波长调谐范围宽（6~20 μm）、覆盖范围广（整个“指纹区”）和系统复杂程度低等优势,超快光纤激光器驱动的中红外飞秒光源只有差频部分采用了空间光路,进一步提高了系统的稳定性。文中介绍基于超快光纤激光器驱动的光学差频产生长波中红外飞秒脉冲的技术路线,阐述在差频过程中如何通过非线性光纤光学技术（包括超连续谱产生、孤子自频移和光谱滤波技术）产生合适的信号脉冲,并从理论上详细介绍差频过程中提高中红外脉冲功率的方法。     

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。     

飞秒脉冲作用下两种多孔微结构光纤超连续谱的产生

报道了利用20 fs激光脉冲在两种多孔微结构光纤产生超连续谱的现象,光纤长度均为40 cm,连续谱展宽范围分别是420～980 nm和570～920 nm.实验上证明了不仅仅具有周期性结构的微结构光纤可以用于产生超连续谱,由无序填充气孔组成的多孔微结构光纤也可以出现类似的超强非线性和超连续谱展宽.分析表明,小模场面积和高非线性系数更有利于产生宽的超连续谱,不完全光子带隙的存在导致了光谱的分立结构.     

The role of confinement loss in highly nonlinear silica holey fibers

Small-core holey fibers (HFs) can offer tight mode confinement, and are, therefore, attractive for highly nonlinear fiber applications. However, we show here that confinement loss can significantly degrade the performance of devices based on such small core fibers. We also identify a range of fiber designs that result in high fiber nonlinearity and low confinement loss. In particular, we show that pure silica HFs can exhibit effective nonlinearities more than 50 times higher than conventional fibers, and that the confinement loss can be lowered below the loss of standard fiber types.     

High nonlinear photonic crystal fiber and its supercontinuum spectrum

The high nonlinear photonic crystal fiber with pure silica core has been designed and fabricated, and the practical structure parameters of the fabricated fiber sample coincided precisely with the parameters we designed. The core diameter is 1.65 μm; the air hole diameter is 4.75 μm; the distance between the center of two holes is 5.35 gin; the zero dispersion wavelength of the fiber is 1120 nm; the dispersion at 800 nm is -88 ps.(nm.km)-1; and the nonlinear coefficient of this photonic supercontinuum emission with a smooth spectrum stretching from 450 to 1400 nm was attained by the injection of 30 fs Ti:sapphire laser pulses into 2 m-long high linear photonic crystal fibers, with an energy up to 5 nJ at a pulse repetition rate of 100 MHz and a central wavelength of 800 nm.     

1.7 μm全光纤锁模脉冲掺铥光纤激光器研究

1.7 μm超短脉冲光纤激光器在生物成像和材料加工等领域具有重要的应用前景,受到了科学家们的极大关注。基于非线性偏振旋转锁模技术,实验搭建了全光纤结构的1.7 μm锁模脉冲掺铥光纤激光器。通过在激光器内加入光纤滤波器抑制掺铥光纤中的长波激光发射,同时采用纤芯泵浦的方式有效获得了1.7 μm波段的增益。激光器输出脉冲的光谱中心波长为1733 nm,3 dB带宽为6.3 nm。锁模脉冲的重复频率为19.56 MHz,平均功率为1.4 mW。同时,数值模拟了脉冲在激光器的腔内演化。文中提出的1.7 μm全光纤锁模激光器有利于进一步提高1.7 μm激光源的稳定性和集成度,在生物成像等领域具有重要的应用价值。     

准连续双包层光纤激光在周期性极化铌酸锂晶体中倍频产生59mW绿光

将周期性极化晶体和双包层光纤激光相结合获得绿光激光输出,是实现高光束质量、全固化、小型化、高效率绿光激光器的一个非常有前途的方向.采用周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)光栅周期6.5 μm,长20 mm,宽5mm,厚0.5 mm,对种子光注入式掺Yb双包层光纤激光器的准连续输出进行了倍频.研究了倍频光功率和转换效率随抽运光功率的变化关系,保持PPLN的控制温度为193.1℃,在抽运功率为650 mW时,得到6.7%的最高谐波转换效率,在抽运功率为970 mW时,得到了59 mW的最高绿光功率输出.     

1064 nm光纤端面激光减反射膜的研制

针对导弹探测制导光源的特殊应用,通过对材料的选择、膜系的设计和工艺参数的优化,采用电子束真空镀膜及离子辅助沉积的方法,成功的在光纤端面为50μm的口径上镀制减反射膜。研究了膜层的应力匹配和低温镀膜时膜层的牢固性,并给出了光纤端面测试前后结果的实例对比图和曲线。在以YAG激光器为光源的系统中,当激光器的工作电流为2000 mA时,光纤的输出功率比未镀膜时提高了5%,能够承受激光光源的照射和恶劣的环境测试,达到了使用要求。     

紫外-可见光谱水质检测系统的多束LED光纤耦合研究

针对紫外-可见光谱水质检测系统单个LED光源输出功率低、光束质量差的问题,提出了一种多束紫外LED光源与光纤合束耦合的结构设计方案.运用ZEMAX光学分析软件开展了仿真设计研究,针对紫外LED光源与光纤耦合发散角较大的问题,设计了非球面准直透镜,准直后发散角为0.403 mrad;针对光束尺寸与光纤的匹配问题,进行了消色差双分离聚焦耦合透镜的设计.实验结果表明,合束LED光束汇聚的弥散斑的RMS尺寸为186.412 μm,GEO点尺寸为290.071 μm,光束中95％以上的能量集中在300μm以内,实现了多束LED光源与光纤的高效耦合.     

High-power mid-infrared supercontinuum sources: Current status and future perspectives

Mid-infrared (mid-IR) supercontinuum (SC) sources have recently gained much interest, as a key technology for such applications as spectral molecular fingerprinting, laser surgery, and infrared counter measures. However, one of the challenges facing this technology is how to obtain high power and broadband light covering a spectral band of at least 2–5 µm, especially with a very efficient output power distribution towards the mid-IR region. This directly affects their usage in the practical applications mentioned above. Typically, an SC is generated by pumping a piece of nonlinear fibre with high-intensity femtosecond pulses provided by mode-locked lasers. Although this approach can lead to wide continuum generation, the output power is limited only to the milliWatt level. Therefore, to achieve high-power SC light, other laser systems need to be employed as pump sources.This paper briefly reviews SC sources, restricted to those with an average output power of over 0.4 W and simultaneously with a long-wavelength edge of the continuum spectrum of over 2.4 µm. Firstly, the concepts of SC generation, including the nonlinear phenomena governing this process and the most relevant mid-IR fibre materials, are presented. Following this study, a review of the main results on SC generation in silica and soft-glass fibres, also including my experimental results, is presented. Emphasis is given to high-power SC generation with the use of different pump schemes, providing an efficient power distribution towards longer wavelengths. Some discussion and prospective predictions are proposed at the end of the paper.     

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。     

多模与单模光纤级联系统对激光束的传输

分析了激光束在光纤中的非线性传输损耗,理论上证明了受激布里渊散射(SBS)是光纤传输能力的主要限制因素;实验上在532nm波段对长度为5m,纤芯半径为1.75μm,数值孔径(NA)为0.11的单模光纤的传输能力进行了测定,结果与理论一致。采用模场耦合理论,推导出多模光纤与单模光纤的直接耦合效率表达式,计算得到耦合效率与所选用的多模光纤和单模光纤的纤芯芯径之间的模拟关系。激光器输出波长为532nm;多模光纤的数值孔径为0.11,纤芯半径为12.5μm;单模光纤的数值孔径为0.11,纤芯半径为1.75μm,实验结果与理论基本吻合。根据理论和实验结果,设计出多模光纤与单模光纤混合传输方案,在柔性传输较高激光功率的同时可以得到高光束质量。     

基于嵌入式技术的可控光纤激光脉冲光源

为了得到一种功率可控的光纤激光脉冲光源,采用窄脉宽低重频脉冲光作为种子源,以掺镱光纤为增益介质,利用嵌入式控制技术和脉冲抽运技术,实现了全光纤脉冲激光的多级放大和信噪比提升。结果表明,此种光源输出稳定、信噪比良好,不仅降低了热效应危害,还增强了抽运能量的提取效率,可以作为一般大功率光学系统的光源使用,具有良好的应用价值,市场前景广阔。