石英光子晶體光纖中高功率中紅外超連續(xù)譜的產(chǎn)生

高娟娟，李 夏，高 松，薛天峰，胡麗麗，高偉清，廖梅松*

(1.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光單元技術(shù)研發(fā)中心，上海 201800;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009)

1 引 言

中紅外超連續(xù)譜在光譜學(xué)［1］、顯微鏡、醫(yī)學(xué)診斷［2］及生物醫(yī)學(xué)［3］等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，現(xiàn)已成為非線性光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在氟化物［4-5］、碲酸鹽［6-7］、硫族化物［8］等軟玻璃光纖中產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜的研究已被廣泛報(bào)道。Swiderski等在ZBLAN光纖中得到的中紅外超連續(xù)譜的平均功率為5 W。國(guó)防科技大學(xué)與北京工業(yè)大學(xué)也分別報(bào)道了采用ZBLAN光纖產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜，得到的中紅外超連續(xù)譜的平均功率分別為 13 W［9］和 21.8 W［10］。21.8 W 是目前得到的中紅外超連續(xù)譜的最高功率。由于軟玻璃本身的局限性，使得軟玻璃光纖中產(chǎn)生的中紅外超連續(xù)譜的平均功率很難進(jìn)一步提高。首先，軟玻璃很難拉制成微結(jié)構(gòu)光纖，色散和非線性的調(diào)控比較困難;其次，軟玻璃光纖很難與泵浦光源高效熔接;最后，也是最重要的一點(diǎn)，軟玻璃的轉(zhuǎn)變溫度較低，難以承受大功率泵浦。因此，由軟玻璃光纖得到的中紅外超連續(xù)譜功率較低。然而，中紅外超連續(xù)譜在定向紅外對(duì)抗［11］、自由空間通信［11］、生物醫(yī)學(xué)［12］等領(lǐng)域的應(yīng)用都需要很高的功率。因此，我們把目光轉(zhuǎn)移到了抗損傷閾值很高的石英玻璃光纖。

迄今為止，利用石英玻璃光子晶體光纖，在連續(xù)光［13］或超短脈沖［14-16］的泵浦下，產(chǎn)生可見(jiàn)、近紅外波段的超連續(xù)譜的研究已有很多報(bào)道，但尚沒(méi)有關(guān)于中紅外波段的超連續(xù)譜的報(bào)道。采用石英玻璃光子晶體光纖產(chǎn)生高功率中紅外超連續(xù)譜具有以下優(yōu)勢(shì):

(1)石英玻璃具有很高的轉(zhuǎn)變溫度，使用溫度可達(dá)1 000℃以上，而典型的氟鋯玻璃只略高于200℃，所以石英玻璃光纖能夠承受大功率泵浦;

(2)大部分光纖激光器的輸出尾纖都是石英玻璃光纖，因此石英玻璃光纖易與泵浦光纖激光器熔接;

(3)石英玻璃的粘性隨溫度變化小，且玻璃化溫度和結(jié)晶溫度之間溫差大，所以能很容易地拉制成微結(jié)構(gòu)光纖;

(4)石英玻璃光纖具有很高的強(qiáng)度，至少比軟玻璃光纖大一個(gè)數(shù)量級(jí);

(5)石英玻璃光纖原材料易于獲得且價(jià)格相對(duì)較低。

然而，石英玻璃在中紅外波段巨大的材料吸收使得中紅外光很難透過(guò)石英光纖。要在石英光纖中得到高功率中紅外超連續(xù)譜，必須精心設(shè)計(jì)光纖結(jié)構(gòu)并合理選擇泵浦方式，把光纖損耗的不利影響降低到最小限度。本文首次對(duì)此做了系統(tǒng)研究，并在充分考慮光纖功率耐受性、激光器技術(shù)可行性的基礎(chǔ)上，提出了較完整的采用石英光纖產(chǎn)生高功率中紅外超連續(xù)譜的方案。

2 技術(shù)方案

超連續(xù)譜的產(chǎn)生主要取決于激光泵浦源和高非線性光纖。通常須在高非線性光纖的零色散波長(zhǎng)附近泵浦，才能使超連續(xù)譜有效展寬。

2.1 激光泵浦源

利用中心波長(zhǎng)為800，1 064，1 550 nm的激光器泵浦石英光子晶體光纖產(chǎn)生高功率超連續(xù)譜的報(bào)道較多［17-20］，但是由于石英光纖色散和累計(jì)損耗的限制都無(wú)法將光譜展寬到3μm以上。要產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜需要使用長(zhǎng)波泵浦，因此本研究改用1.95μm激光器為泵浦源。連續(xù)光與石英光纖作用時(shí)產(chǎn)生的非線性效應(yīng)較弱，很難在短光纖中將超連續(xù)譜展寬到中紅外波段。超短脈沖包括皮秒和飛秒脈沖，可以產(chǎn)生較高的非線性效應(yīng)，能夠在短光纖中將光譜展寬到中紅外波段。但是，目前飛秒激光器的平均功率很有限，一般在數(shù)百毫瓦到瓦量級(jí)，無(wú)法產(chǎn)生高功率中紅外超連續(xù)譜。而2μm皮秒脈沖激光器的功率較高，平均功率可達(dá)80 W［21］，在高功率中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生中有很大優(yōu)勢(shì)。本研究選用中心波長(zhǎng)為1.95μm、峰值功率為50 kW、平均功率為80 W、脈寬為2 ps的脈沖為泵浦源。

2.2 高非線性石英光纖

在石英光纖中，中紅外超連續(xù)譜的產(chǎn)生面臨的最大難題是如何克服石英光纖的損耗。從石英玻璃的材料吸收光譜(圖1)可以看出:當(dāng)波長(zhǎng)大于2.7μm時(shí)，石英的材料吸收開(kāi)始迅速增大，在3 μm左右達(dá)到一個(gè)極值點(diǎn)。這是由于羥基在該處有一個(gè)吸收峰，若更徹底地除去石英玻璃中的水，該處的吸收可降低。當(dāng)波長(zhǎng)大于3.4μm時(shí)，石英玻璃的吸收才再次迅速增大。由以上分析可以得出，設(shè)計(jì)光纖結(jié)構(gòu)使光譜展寬到3.4μm是可行的。此外，應(yīng)盡量降低光纖的波導(dǎo)損耗，減少由光纖波導(dǎo)損耗引起的超連續(xù)譜功率的降低。

圖1 石英的材料吸收譜［22］Fig.1 Bulk attenuation spectrum of dry synthetic silica［22］

所設(shè)計(jì)的光纖如圖2(a)所示。為了盡量降低制備難度，光纖采用了按六角形規(guī)則排列的周期性包層結(jié)構(gòu)。內(nèi)3圈孔徑Φ1較小，這是調(diào)整光纖色散的需要，同時(shí)較小的孔徑也使得光纖可以耐受更高的泵浦功率。外3圈空氣孔孔徑Φ2較大，可以有效降低光纖在長(zhǎng)波處的波導(dǎo)損耗。我們?cè)O(shè)計(jì)了3種具有不同的空氣孔直徑與孔間距的光纖。光纖 a:Φ1=0.99μm，Φ2=1.44μm，Λ=1.80μm;光纖 b:Φ1=1.08 μm，Φ2=1.57 μm，Λ =1.96 μm;光纖 c:Φ1=1.14 μm，Φ2=1.66μm，Λ=2.08μm。

由光纖的色散和波導(dǎo)損耗曲線(圖2(b)、(c))可以看出:3種光纖均有一個(gè)零色散波長(zhǎng)在2μm附近 (光纖a為1.98μm，光纖 b為2.21 μm，光纖 c為 2.38 μm);光纖 a、b、c在截止到3 750 nm處的波導(dǎo)損耗分別為11.8，2.8，1.1 dB/m，與吸收損耗相比較小;光纖a、b、c的芯徑分別為2.61，2.84，3.01 μm，均可承受幾十千瓦峰值功率及上百瓦平均功率的泵浦脈沖［13，23-24］。光纖色散與波導(dǎo)損耗特性符合高功率中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生的基本要求。

圖2(a)光纖橫截面圖;(b)光纖a、b、c的色散曲線;(c)光纖a、b、c的波導(dǎo)損耗曲線。Fig.2 (a)Cross section of the PCF.(b)Dispersion curves of three fibers.(c)Confinement loss curves of three fibers.

3 超連續(xù)譜分析

3.1 理論基礎(chǔ)

非線性薛定諤方程［25］是非線性光學(xué)的基本方程，可寫(xiě)為如下形式:

方程左邊表示線性傳播過(guò)程，線性損耗及色散效應(yīng)。其中，正比于A的項(xiàng)表示光纖的損耗，α是與角頻率ω有關(guān)的損耗系數(shù)。方程右邊表示非線性效應(yīng)。其中，第一項(xiàng)為自相位調(diào)制。時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)為非線性偏振的一階導(dǎo)數(shù)，與自陡峭和光學(xué)沖擊有關(guān)。正比于TR項(xiàng)的起因與延遲拉曼有關(guān)，對(duì)應(yīng)于脈沖內(nèi)拉曼散射引發(fā)的自頻移。

為了在超連續(xù)譜的模擬分析過(guò)程中將石英光纖的損耗考慮在內(nèi)，使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。我們將圖1所示的石英材料吸收損耗及圖2(c)所示的光纖波導(dǎo)損耗包含在損耗系數(shù)α內(nèi)，利用分步傅里葉方法求解該非線性薛定諤方程，模擬超連續(xù)譜的產(chǎn)生。其中，延時(shí)拉曼響應(yīng)對(duì)非線性極化的貢獻(xiàn)fR為0.18。石英的非線性折射率系數(shù)為2.73×10-20m2/W。由光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算得到光纖 a、b、c的模場(chǎng)面積 Aeff分別為6.912，7.189，7.336 μm2，非線性系數(shù) γ 分別為 12.3，11.6，11.0 m-1·kW-1。

3.2 結(jié)果分析

在前文提到的理論基礎(chǔ)上，由數(shù)值模擬可得到利用前述皮秒脈沖泵浦3種光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜演化圖，如圖3所示。

圖3 利用50 kW、80 W、2 ps脈沖分別泵浦光纖a(a)、b(b)、c(c)產(chǎn)生的超連續(xù)譜演化圖。Fig.3 SC evolution figures generated by injecting 50 kW，80 W，2 ps pulse into fiber a(a)，b(b)，and c(c)，respectively.

從圖3(a)可以看出:在20 cm光纖a中，20 dB超連續(xù)譜不能展寬到中紅外區(qū)域，不適合高功率中紅外超連續(xù)譜的產(chǎn)生。由圖3(b)、(c)可以看出:隨著脈沖傳播距離的增加，超連續(xù)譜逐漸展寬，達(dá)到一定距離后，由于光纖損耗的影響光譜變窄。圖中虛線給出超連續(xù)譜開(kāi)始迅速展寬時(shí)的光纖長(zhǎng)度，實(shí)線給出超連續(xù)譜展到最寬時(shí)的光纖長(zhǎng)度，分別為11 cm和9.6 cm。由此可得出在11 cm光纖b與9.6 cm光纖c中產(chǎn)生的超連續(xù)譜(如圖4(a)所示)。

由前文的分析可以得出:首先，光纖b、c的纖芯直徑分別為2.84μm和3.01μm，足以承受平均功率為 80 W 的泵浦脈沖［13，24-25］。其次，假設(shè)耦合效率為80%，耦合進(jìn)光纖的脈沖平均功率為64W，結(jié)合圖4(a)可計(jì)算得出在考慮光纖損耗的情況下，光纖b、c的超連續(xù)譜平均功率P分別為56.6 W和54.4 W。利用峰值功率50 kW、平均功率80 W、脈寬2 ps的1.95μm脈沖泵浦11 cm長(zhǎng)的石英PCF b可以得到平均功率高達(dá)56.6W、20 dB帶寬為1 870 nm、覆蓋1 550～3 420 nm的中紅外超連續(xù)譜;泵浦9.6 cm長(zhǎng)的石英光子晶體光纖c可以得到平均功率為54.4 W、20 dB帶寬為1 940 nm、覆蓋1 630～3 570 nm的超連續(xù)譜。光纖c產(chǎn)生的中紅外超連續(xù)譜較寬，而平均功率相對(duì)低于光纖b，這是由光纖的色散及損耗特性決定的。下面以光纖b中超連續(xù)譜的產(chǎn)生為例對(duì)超連續(xù)譜產(chǎn)生的原理進(jìn)行分析。

圖4(a)超連續(xù)譜的頻域圖;(b)超連續(xù)譜的時(shí)域演化圖，圖中的實(shí)線與虛線分別與圖3(b)中的實(shí)線與虛線對(duì)應(yīng)。Fig.4 (a)Frequency domain graph of supercontinuum spectra.(b)Time domain figure of SC spectrum.The solid line and dashed line are corresponding to the solid line and dashed line in Fig.3(b).

從超連續(xù)譜的頻域演化圖3(b)及時(shí)域演化圖4(b)可以看出:在脈沖傳播的最初階段，光譜是對(duì)稱(chēng)展寬的;傳播到大約7.4 cm左右(圖中虛線處)時(shí)，光譜開(kāi)始迅速不對(duì)稱(chēng)展寬，時(shí)域圖中也開(kāi)始出現(xiàn)了精細(xì)結(jié)構(gòu)。光譜下一步的演化與長(zhǎng)波成分的連續(xù)紅移有關(guān)。

由計(jì)算可以得到，色散長(zhǎng)度LD=33.73 m，非線性長(zhǎng)度LNL=1.69×10-3m，而光纖長(zhǎng)度L=0.11 m。因?yàn)長(zhǎng)D?L?LNL，非線性效應(yīng)特別是調(diào)制不穩(wěn)定性［23］及四波混頻［26］在脈沖傳播的最初階段起主要作用。在頻域，頻率藍(lán)移的Stokes邊帶和頻率紅移的反Stokes邊帶使光譜近似對(duì)稱(chēng)展寬;在時(shí)域，它們引起超快時(shí)間調(diào)制的發(fā)展。隨著脈沖進(jìn)一步傳播，泵浦脈沖包絡(luò)開(kāi)始分裂為一系列超短子脈沖。噪聲引起的Stokes邊帶轉(zhuǎn)變?yōu)槌坦伦有蛄?，同時(shí)在正常色散區(qū)輻射出紅外色散波，使超連續(xù)譜得到極大展寬。

由此可以看出，紅外色散波的產(chǎn)生對(duì)超連續(xù)譜的展寬起重要作用。由相位匹配條件［27-28］:可得出光纖a、b、c的紅外色散波的中心波長(zhǎng)分別為2.566，2.810，3.533 μm。由此可見(jiàn):當(dāng)泵浦波長(zhǎng)位于兩個(gè)零色散波長(zhǎng)之間時(shí)，光纖長(zhǎng)波方向的零色散波長(zhǎng)越長(zhǎng)，紅外色散波的中心波長(zhǎng)就越長(zhǎng)，越有利于超連續(xù)譜向長(zhǎng)波方向展寬。這就使光纖c產(chǎn)生的超連續(xù)譜的長(zhǎng)波限最大。然而，由光纖c的色散波中心波長(zhǎng)可知，當(dāng)色散波開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)中心波長(zhǎng)已經(jīng)超過(guò)3.4μm。根據(jù)前文對(duì)石英吸收損耗的分析，這會(huì)增加超連續(xù)譜的損耗，降低超連續(xù)譜的轉(zhuǎn)化效率。由此可見(jiàn)，光纖b更適合高功率中紅外超連續(xù)譜的產(chǎn)生，而光纖 c則更適合將超連續(xù)譜向長(zhǎng)波方向展寬。

4 結(jié) 論

首次報(bào)道了石英光纖中高功率中紅外超連續(xù)譜的產(chǎn)生，研究了不同色散特性的石英光子晶體光纖對(duì)高功率中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響。通過(guò)合理設(shè)計(jì)光纖結(jié)構(gòu)并精心選擇泵浦源，利用1.95 μm皮秒脈沖泵浦零色散波長(zhǎng)在2μm附近的低損耗石英光子晶體光纖，實(shí)現(xiàn)了高功率中紅外超連續(xù)譜的產(chǎn)生。研究表明，在高功率皮秒脈沖泵浦下，采用石英光子晶體光纖能夠產(chǎn)生20 dB帶寬為1 870 nm、覆蓋1 550～3 420 nm、平均功率達(dá)56.6W的超連續(xù)譜。

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高娟娟(1988-)，女，山東德州人，碩士研究生，2011年于青島理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事石英光子晶體光纖中超連續(xù)譜產(chǎn)生的研究。

E-mail:gaosj@siom.ac.cn

廖梅松(1974-)，男，湖北枝江人，研究員，2007年于上海光學(xué)精密機(jī)械研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光子晶體光纖、特種光纖、高非線性光纖及其非線性效應(yīng)的研究。

E-mail:liaomeisong@siom.ac.cn