飛秒泵浦不同錐長微結(jié)構(gòu)光纖超連續(xù)譜的產(chǎn)生

劉志宏，王 偉，楊建菊，韓 穎*，周桂耀，齊躍峰，侯藍(lán)田

1. 燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004

2. 南京信息工程大學(xué)，江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044

3. 河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室，河北 秦皇島 066004

飛秒泵浦不同錐長微結(jié)構(gòu)光纖超連續(xù)譜的產(chǎn)生

劉志宏1, 2, 3，王 偉1, 2, 3，楊建菊1, 3，韓 穎1, 3*，周桂耀1, 3，齊躍峰1, 3，侯藍(lán)田1, 3

1. 燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004

2. 南京信息工程大學(xué)，江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044

3. 河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室，河北 秦皇島 066004

對飛秒脈沖泵浦下，不同錐長及錐腰直徑的微結(jié)構(gòu)光纖的超連續(xù)譜產(chǎn)生進(jìn)行了實驗研究。采用“快速低溫拉錐方法”，在保持d/Λ不變的情況下，對實驗室自制的空氣孔間距Λ=6.53 μm，歸一化孔徑d/Λ=0.79的微結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行了拉錐，分別得到6，8，10 mm等不同錐長微結(jié)構(gòu)光纖。理論計算表明，隨著錐長變長，錐腰直徑變小，錐腰處零色散波長向短波移動： 未拉錐及6，8和10 mm錐微結(jié)構(gòu)光纖錐腰處零色散波長分別為1 129，885，806和637 nm。利用中心波長為810 nm，重復(fù)頻率76 MHz，脈寬120 fs的鈦藍(lán)寶石飛秒激光器對拉錐后微結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行了實驗研究： 錐長為6 mm時，泵浦光中心波長位于整根光纖的正常色散區(qū)，錐腰的零色散點附近，內(nèi)脈沖拉曼散射和級聯(lián)四波混頻是光譜初始展寬的主要因素。泵浦功率達(dá)到450 mW時，在可見波段390～461 nm及紅外波段1 134～1 512 nm形成-5 dB的平坦寬帶連續(xù)光譜。泵浦功率達(dá)到500 mW時，出現(xiàn)366～2 450 nm覆蓋紫外、可見、近紅外、中紅外的超連續(xù)譜，其光譜紅藍(lán)移邊緣已經(jīng)接近實驗用微結(jié)構(gòu)光纖的傳輸帶寬。錐長為8 mm、泵浦功率為450 mW時，在群速度匹配和群加速度失配的共同影響下，連續(xù)譜藍(lán)移邊緣達(dá)到366 nm，比6 mm錐時藍(lán)移9 nm； 錐長為10 mm時，由于錐腰處零色散點移動到可見光區(qū)域，可見區(qū)光譜仍能滿足相位匹配條件。通過級聯(lián)四波混頻效應(yīng)，在可見區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了頻率上轉(zhuǎn)換及光譜藍(lán)移。泵浦光功率達(dá)到500 mW時，在382～412 nm得到譜寬僅為30 nm，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到27.7%的頻率上轉(zhuǎn)換。

微結(jié)構(gòu)光纖； 超連續(xù)譜； 快速低溫拉錐方法； 級聯(lián)四波混頻； 內(nèi)拉曼散射； 上轉(zhuǎn)換

引 言

超連續(xù)譜(supercontinuum generation，SCG)是自相位調(diào)制(self-phase modulation, SPM)、交叉相位調(diào)制(cross-phase modulation, XPM)、受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)、孤子自頻移(soliton self-frequency shift, SSFS)、四波混頻(four wave-mixing, FWM)、非孤子輻射(nonsoliton radiation，NSR)等各種非線性效應(yīng)及其他光學(xué)特性的綜合作用結(jié)果。平坦寬帶高亮度SCG有著十分廣泛的應(yīng)用，諸如光學(xué)頻率計[1]，飛秒激光脈沖穩(wěn)定，光學(xué)相干成像[2]，超短脈沖壓縮，高精度天文光譜儀[3]等。Alfano等[4]報道了SCG的產(chǎn)生，Liu等[5]在光纖中發(fā)現(xiàn)了SCG。微結(jié)構(gòu)光纖(microstructure fiber，MF)具有無截止單模傳輸、可控的色散、可設(shè)計的非線性及高雙折射等特性； 飛秒激光脈沖具有峰值功率高、脈沖寬度極短、頻譜覆蓋范圍廣的特點； 二者特性相結(jié)合，可以產(chǎn)生很寬的SCG[6-9]。對MF拉錐，可以改變其色散特性并增大光纖非線性系數(shù)，已經(jīng)被證實是一種很有效的促使SCG藍(lán)色邊緣移向深藍(lán)甚至是紫外、紅色邊緣紅移至近紅外甚至是中紅外并且可以提高SCG平坦度的方式[6, 8, 10-11]。

本文對實驗室自制的MF進(jìn)行了拉錐，采用多極法計算了拉錐前后MF的色散特性，對不同錐長MF產(chǎn)生的SCG進(jìn)行了實驗研究，分析了泵浦波長分別位于MF錐腰的零色散點附近正常色散區(qū)，零色散點附近反常色散區(qū)和雙零色散點中心位置的反常色散區(qū)時SCG的產(chǎn)生隨泵浦功率增加時的演化，得出了產(chǎn)生平坦SCG、寬帶SCG及高效頻率上轉(zhuǎn)換到紫光時所對應(yīng)的最佳條件。

1 錐型MF的SCG理論

1.1 MF拉錐理論

熔融拉錐時，MF受熱軟化，拉錐機夾具的拉力使得MF被拉長變細(xì)，同時空氣孔內(nèi)氣壓使得空氣孔不會很快塌縮，隨光纖拉伸長度的增加，未拉錐部分與錐腰部分之間形成錐形結(jié)構(gòu)，錐形結(jié)構(gòu)足夠長才能得到低損耗高效率MF錐[12]，該錐形結(jié)構(gòu)在光纖光學(xué)中具有特殊應(yīng)用[13-14]。采用“快速低溫拉錐方法[6]”，可使得空氣孔直徑d和空氣孔間距Λ等比縮小，即d/Λ不變而使纖芯變細(xì)，同時可使拉錐過程滿足錐型光纖的漸變條件[15]

(1)

(2)

式中：ρ=0.64Λ；nco為MF的纖芯的折射率，neff為MF包層的有效折射率。

1.2 色散

用多極法計算MF中基模的模式有效折射率，其色散可表示為

(3)

式中，λ為入射光波長，c=3.0×108m·s-1為真空中光速，neff為模式等效折射率。在計算neff時，石英折射率n(ω)可用Sellmeier公式近似[16]

(4)

式中，ωj是諧振頻率，Bj是第j個諧振的強度。

1.3 非線性系數(shù)

非線性是MF的一種重要特性，非線性效應(yīng)的強弱用非線性系數(shù)的大小來衡量，光纖的非線性系數(shù)可表示為

(5)

式中，n2為石英材料的非線性折射率，通常為2.76×10-20m2·W-1，Aeff為光纖的有效模場面積[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 錐形MF色散特性的研究

用于拉錐的MF是實驗室自制的六邊形MF，端面圖如圖1中插圖所示，其空氣孔間距Λ=6.53 μm，歸一化孔徑d/Λ=0.79。使用上海瞬渺光電SCS-4000多功能光纖拉錐系統(tǒng)，保持拉錐速度為0.08 mm·s-1，通過控制H2流量來控制火焰溫度，采用“低溫快速拉錐方法”，在保持d/Λ不變的情況下，實現(xiàn)MF的熔融拉錐。本文將80 cm長MF做拉錐處理，錐區(qū)前未拉錐MF長度為40 cm，拉錐后光纖參數(shù)如表1所示。

實驗所用MF拉錐前后的色散曲線如圖1所示，拉錐前MF的零色散波長為1 129 nm，由于拉錐速度不變，隨著錐長的增加，光纖整體尺度縮小，光纖零色散波長隨錐長變長逐漸向短波移動。錐長為8 mm時出現(xiàn)了第二個零色散波長，錐長為10 mm時其短波處零色散波長移動到可見光，并且兩個零色散波長間隔變短。

表1 不同錐長的微結(jié)構(gòu)光纖

圖1 拉錐前后微結(jié)構(gòu)光纖的色散

Fig.1 Dispersion of untapered and tapered MFs (The inset shows the cross-section of the MF used in the experiment)

2.2 錐形MF的SCG研究

SCG產(chǎn)生的實驗示意圖如圖2所示，光源是Mira900鈦寶石飛秒鎖模激光器，輸出重復(fù)頻率76 MHz，脈寬為120 fs，激光器輸出飛秒脈沖用40×透鏡耦合到待測錐形MF中，并用CCD1與CCD2觀察，保證入射激光脈沖耦合到MF纖芯中，輸出光譜用Avaspec-256(OSA1，光譜范圍200～1 100 nm)和Avaspec-NIR-256(OSA2，光譜范圍900～2 450 nm)光譜儀接收。

圖2 實驗用光路圖

由數(shù)值模擬可知，拉錐前光纖的零色散波長為1 129 nm。用中心波長為760～860 nm可調(diào)的飛秒激光脈沖泵浦此光纖，泵浦波長處于正常色散區(qū)，SPM成為光譜展寬的主要因素，因此光譜展寬不會很寬。因此，分別實驗研究6，8及10 mm錐長時SCG的變化。泵浦光選擇中心波長為810 nm的飛秒脈沖，保證此泵浦光分別位于6，8及10 mm錐錐腰處的零色散點附近正常色散區(qū)，零色散點附近反常色散區(qū)和雙零色散點中心位置的反常色散區(qū)。

2.1.1 錐長為6 mm時的SCG

圖3 中心波長為810 nm的飛秒脈沖泵浦錐

由表1可得，錐長為6 mm時，錐腰處零色散波長為885nm，此時泵浦中心波長為810 nm，位于整根光纖的正常色散區(qū)。雖然拉曼效應(yīng)對于反常色散區(qū)孤子的作用明顯，但是對于脈寬小于1 ps的超短脈沖，在正常色散區(qū)，內(nèi)脈沖拉曼散射和自陡峭等效應(yīng)也會影響光譜展寬。當(dāng)泵浦功率為200 mW時，入射脈沖在SPM、內(nèi)脈沖拉曼散射及自陡峭等共同作用下，光譜產(chǎn)生新的紅移分量，出現(xiàn)如圖3(a)所示的展寬，其紅移峰值對應(yīng)波長分別為852和904 nm。MF錐區(qū)色散沿光纖軸向發(fā)生改變，且零色散點不斷向短波移動，相比未拉錐時更易滿足相位匹配條件，在FWM作用下光譜將出現(xiàn)新的紅移、藍(lán)移頻率成分： 當(dāng)泵浦功率為300 mW時[圖3(b)]，中心波長位于810 nm的泵浦光在簡并FWM的作用下產(chǎn)生680 nm的反斯托克斯波及1 001 nm的斯托克斯信號。當(dāng)泵浦功率增大到350 mW時[圖3(c)]，上述反斯托克斯及斯托克斯信號強度都隨泵浦功率而增大。同時，新產(chǎn)生的1 001 nm斯托克斯信號波長位于未拉錐光纖零色散點附近正常色散區(qū)及拉錐部分的反常色散區(qū), 以其作為抽運光，在閑頻光680 nm的作用下，通過FWM在1 890 nm附近產(chǎn)生信號光。由于拉錐部分色散改變造成群速度失配，導(dǎo)致信號光頻譜展寬。而以680 nm為抽運光，在簡并FWM作用下，在470和1 173 nm處分別產(chǎn)生反斯托克斯和斯托克斯光。圖2(b)雖然未觀察到斯托克斯信號，但隨著泵浦光功率進(jìn)一步增大[圖3(c)和(d)], 可以觀察到此斯托克斯信號，且隨著泵浦功率增大1 173 nm孤子自頻移至1 331 nm，孤子紅移的同時，越來越多的能量以色散波的形式轉(zhuǎn)移到可見區(qū)，且色散波藍(lán)移。當(dāng)泵浦功率達(dá)到450 mW時，在上述效應(yīng)的共同作用下，在可見波段390～461 nm及紅外波段1 134～1 512 nm形成平坦度為-5 dB的平坦寬帶連續(xù)光譜； 泵浦功率達(dá)到500 mW時，出現(xiàn)366～2 450 nm覆蓋紫外、可見、近紅外、中紅外的SCG，其光譜展寬紅藍(lán)移邊緣已經(jīng)接近實驗用MF的傳輸帶寬極限，輸出光遠(yuǎn)場圖如圖3(f)插圖所示，為基模傳輸。

2.2.2 錐長為8 mm的SCG

錐腰直徑為37.42 μm，錐腰處出現(xiàn)雙零色散波長，分別為806和2 456 nm。由圖4(a)可知，當(dāng)泵浦光功率為200 mW時，此時泵浦光中心波長810 nm處于錐腰的短波零色散點附近的反常色散區(qū)。在SPM作用下，泵浦光藍(lán)移至790 nm，受到SPM、內(nèi)脈沖拉曼散射、三階色散、FWM和孤子分裂等效應(yīng)共同作用光譜產(chǎn)生大量紅移分量，與圖3(a)光譜展寬情況有很大差別。隨著泵浦光功率提高，各孤子產(chǎn)生拉曼自頻移，并且在可見光區(qū)產(chǎn)生色散波4(b)。隨著泵浦功率提高，由于錐長較長，在群速度匹配和群加速度失配的影響，藍(lán)移色散波能量增大，且藍(lán)移邊緣加深，與6 mm錐MF實驗藍(lán)移至375 nm相比，8 mm錐藍(lán)移邊緣達(dá)到366 nm，且短波區(qū)連續(xù)譜平坦度明顯提高。

2.2.3 錐長為10 mm的SCG

錐腰直徑繼續(xù)變細(xì)到19.41 μm時，錐腰處的零色散波長分別為637和1 164 nm，如果泵浦光位于雙零色散點之間的反常色散區(qū)，將會在很寬的帶寬內(nèi)具有兩組相位匹配曲線，F(xiàn)WM效應(yīng)明顯。當(dāng)泵浦光功率為300 mW時[圖5(a)]，中心波長為810 nm的光在SPM、內(nèi)脈沖拉曼散射等效應(yīng)作用下展寬后作為抽運光，通過簡并FWM同時產(chǎn)生694和965 nm光子對與485和2 055 nm光子對。965 nm位于拉錐區(qū)反常色散區(qū)，而2 055 nm位于整根光纖反常色散區(qū)，隨著泵浦功率提高，兩斯托克斯信號形成孤子并發(fā)生紅移，同時反斯托克斯信號藍(lán)移。由于10 mm錐MF錐腰直徑僅為19.41 μm，短波處零色散點移動到可見區(qū)，波長僅為637 nm，因此在可見區(qū)仍可滿足相位配條件。泵浦功率為400 mW時，可以看到426 nm處出現(xiàn)反斯托克斯峰，隨著泵浦功率變大[圖5(c)]，反斯托克斯信號峰值功率逐漸增高，而作為泵浦光的452 nm功率降低，光譜通過FWM實現(xiàn)進(jìn)一步藍(lán)移。當(dāng)泵浦光功率達(dá)到500 mW時，藍(lán)移分量邊緣達(dá)到374 nm，泵浦光頻率上轉(zhuǎn)換效率達(dá)到27.7%，譜寬僅為30 nm。

圖4 中心波長為810 nm飛秒脈沖泵浦錐長

3 結(jié) 論

選用實驗室自制的空氣孔間距Λ=6.53 μm，歸一化孔徑d/Λ=0.79的MF，采用“快速低溫拉錐方法”，通過控制H2流量來控制火焰溫度，保持拉錐速度0.08 mm·s-1恒定，在保持d/Λ不變的情況下，實現(xiàn)了6，8和10 mm等不同錐長MF的拉錐。通過理論分析可知，由于光纖端面幾何尺度隨錐長變長等比縮小，光纖零色散波長逐漸向短波移動。未拉錐前，MF的零色散波長為1 129 nm，拉錐后，長度為6，8和10 mm的錐，其錐腰對應(yīng)的零色散波長分別移動到885，806和637 nm。并且錐腰為8和10 mm時，色散曲線出現(xiàn)雙零色散點。用中心波長為810 nm的飛秒脈沖泵浦不同錐長MF，使其分別位于6，8和10 mm錐MF錐腰的零色散點附近正常色散區(qū)，零色散點附近反常色散區(qū)和雙零色散點中心位置的反常色散區(qū)。實驗發(fā)現(xiàn)，錐長為6 mm時，泵浦功率達(dá)到450 mW時，在可見波段390～461 nm及紅外波段1 134～1 512 nm形成平坦度為-5 dB的平坦寬帶連續(xù)光譜，泵浦功率達(dá)到500 mW時，出現(xiàn)366～2 450 nm覆蓋紫外、可見、近紅外、中紅外的超連續(xù)譜，其光譜展寬紅藍(lán)移邊緣已經(jīng)接近實驗用MF的傳輸帶寬極限； 錐長為8 mm時，在群速度匹配和群加速度失配的影響，色散波藍(lán)移邊緣加深，藍(lán)移邊緣達(dá)到366 nm，且短波區(qū)連續(xù)譜平坦度明顯提高。錐長為10 mm時，錐腰處零色散點移動到可見區(qū)，光譜藍(lán)移機制主要為級聯(lián)FWM效應(yīng)。泵浦光功率達(dá)到500 mW時，可實現(xiàn)譜寬僅為30 nm，效率達(dá)到27.7%的頻率上轉(zhuǎn)換。泵浦波長改變對錐形MF超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響及級聯(lián)錐MF的超連續(xù)譜研究是我們下一步研究的重點。

圖5 中心波長為810 nm飛秒脈沖泵浦錐長為

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(Received May 30, 2015; accepted Sep. 10, 2015)

*Corresponding author

Supercontinuum Generation in Tapered Microstructure Fibers with Different Taper Length by Using Femtosecond Laser

LIU Zhi-hong1, 2, 3，WANG Wei1, 2, 3，YANG Jian-ju1, 3，HAN Ying1, 3*，ZHOU Gui-yao1, 3，QI Yue-feng1, 3，HOU Lan-tian1, 3

1. School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China

2. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China

3. The Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province, Qinhuangdao 066004, China

Tapered microstructure fibers with different taper lengths and waist diameters are pumped with femtosecond laser for supercontinuum generation. With “fast and cold tapered method”, home made microstructure fiber with air-hole pitchΛ=6.53 μm and normalized air-hole diameterd/Λ=0.79 were tapered to 6, 8, 10 mm taper length while keepingd/Λunchanged. Numerical simulations show that the zero dispersion wavelength shifts to blue when the taper waist shrinks. The zero dispersion wavelengths for untapered and 6, 8, 10 mm length tapered fiber were 1 029, 885, 806, and 637 nm, respectively. In the experiment, 120 fs pulses centered at 810 nm, which is generated by mode-locked Ti:sapphire laser at a repetition rate of 76 MHz, is coupled into the tapered microstructure fiber. With the tapered length of 6 mm, the center wavelength of the pump light locates in the normal dispersion region of the fiber and near the zero dispersion wavelength of the tapered waist. The main factors causes spectra broaden are intrapulse Raman scattering and cascaded four-wave mixing. When the pump power reaches 450 mW, continuous spectra with -5 dB flatness are generated at 390～461 and 1 134～1 512 nm. With 500 mW pump power, supercontinuum spans from 366 to 2 450 nm, which has already covered ultraviolet, visible, near-infrared and mid-infrared. This broadband spectrum almost reaches the red and blue edges of the microstructure fiber’s transmission bandwidth. With 8mm tapered length and 450 mW pump power, the blue edge of the continuous spectrum shifts down to 366 nm as a result of group velocity match and group acceleration mismatch, a 9 nm deeper blue shift compared to results from 6mm tapered length. With the tapered length of 10 mm, because the zero dispersion wavelength of the waist also moves to visible region, phase matching condition can still be satisfied in that region. Due to the effect of cascaded four-wave mixing, the frequency up conversion is realized in visible region. When pump power reaches 500mW, up conversion frequency lies in 30 nm band from 382 to 412 nm, the conversion efficiency is up to 27.7%.

Microstructure fiber; Supercontinuum; “fast and cold tapered method”; Cascaded four-wave mixing; Intrapulse Raman scattering; Up conversion

2015-05-30，

2015-09-10

國家自然科學(xué)基金項目(61205084，61405173，61275093，61307110，61405172)，河北省自然科學(xué)基金項目(F2014203194)，江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室開放課題(KDXS1107，KDXS1108)資助

劉志宏，1990年生，燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光電子系碩士研究生 e-mail： lzh900909@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail： hanyingysu@163.com

TN252

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2011-06