光子晶體光纖飛秒技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展及發(fā)展方向

摘 要：科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使光子晶體光纖在短短的十幾年里迅猛發(fā)展，光子晶體光纖的類型與結(jié)構(gòu)也越來越豐富，這也使光子晶體光纖飛秒技術(shù)的應(yīng)用變得越來越廣泛。為此，本文通過便對光子晶體光纖飛秒技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行探討，特別是在高能量與高功率的飛秒技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向進(jìn)行了深入闡述。

關(guān)鍵詞：光子晶體；光纖；飛秒技術(shù)；研究進(jìn)展

一、非增益型光子晶體光纖飛秒技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展及發(fā)展方向

現(xiàn)階段飛秒技術(shù)在光子晶體光纖中的應(yīng)用主要包括兩類，分別是增益型與非增益性，其中，非增益型是指光子晶體光纖中不摻雜有激活離子，它在非增益型光子晶體光纖中的應(yīng)用途徑是頻率變換與色散補(bǔ)償。

（一）高非線性光子晶體光纖

高非線性光子晶體光纖又被稱之為HNL-PCF，它是指在大空氣填充率包層中增設(shè)微米量級的小芯徑纖芯結(jié)構(gòu)，HNL-PCF主要用于非線性類型的頻率變換工作。21世紀(jì)初，Ranka等人提出利用飛秒脈沖能夠在HNL-PCF中產(chǎn)生一種可見的超連續(xù)光波段。在此后眾多學(xué)者便紛紛對這一現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理、抽運(yùn)參數(shù)及HNL-PCF的特性這三者之間的關(guān)系進(jìn)行大量的研究，由于光波段的產(chǎn)生機(jī)理和抽運(yùn)脈沖的寬度是存在相關(guān)性的，因此通常情況下將這種超連續(xù)光波段分為兩種，即皮秒-連續(xù)光與超連續(xù)飛秒脈沖。在2006年，Dudley等人對超連續(xù)光波段的研究成果進(jìn)行了全面、細(xì)致的對比與總結(jié)，并在頻率變換與飛秒超連續(xù)方面取得了較多實(shí)驗(yàn)研究成果。在2006年以后，學(xué)者們主要致力于研究新型光子晶體光纖的開發(fā)工作，并通過創(chuàng)造不同的實(shí)驗(yàn)條件來獲得更高的輸出參數(shù)。其中，方曉惠等人設(shè)計(jì)了一種多芯的高非線性光子晶體光纖，抽運(yùn)源由飛秒激光放大裝置替代，通過對該高非線性PCF的相干性、遠(yuǎn)場超連續(xù)光譜及模場分布的檢測，結(jié)果表明，利用高非線性光子晶體光纖是產(chǎn)生高功率飛秒白光源的重要發(fā)展方向之一。

（二）AS-PBGF

AS-PBGF又被稱之為全固型PBGF，PBGF是PCF進(jìn)行導(dǎo)光時(shí)只能通過包層將部分帶隙波長光限制在PCF芯區(qū)中。AS-PBGF是在2005年被Luan等人研制出來的，它是一種全硅材料的PCF，內(nèi)部為全固態(tài)結(jié)構(gòu)，AS-PBGF主要是在濾波器件與色散補(bǔ)償器件中應(yīng)用。在2006年，Nielsen等人將AS-PBGF用于摻Y(jié)b3+光纖振蕩器的色散補(bǔ)償，并取得了理想效果，但它的應(yīng)用缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生較大損耗與TOD。在2008年，本課題組將全固型布拉格光纖與AS-PBGF進(jìn)行結(jié)合研發(fā)出一種全固式光纖型濾波器，并取得了非常好的應(yīng)用效果。在未來，眾多學(xué)者將致力于利用AS-PBGF研發(fā)出更多性能強(qiáng)大的色散補(bǔ)償器件與色散補(bǔ)償器件，并正采取措施來克服它的應(yīng)用缺點(diǎn)。

（三）空芯型光子晶體光纖

空芯型PBGF是上世紀(jì)末由Cregen等人研制出的，它是通過7根預(yù)制棒來構(gòu)成大空氣芯的，如今通常將具備大空氣填充比包層與較大空氣芯的PBGF統(tǒng)一稱作空芯型PCF。空芯型PCF能夠降低色散與損耗，且能夠承受較大能量與光場功率，目前主要用于脈沖壓縮與高功率激光傳輸。在2003年，Quzounov等人利用空芯型PCF對900nJ、100fs的孤子脈沖進(jìn)行了成功傳輸。在后續(xù)的幾年里，Wang等人于2012年通過實(shí)驗(yàn)將74?J、850fs的高能飛秒脈沖進(jìn)行了傳輸，并實(shí)現(xiàn)了對105?J、850fs光脈沖進(jìn)行壓縮，使其成為300fs。在未來，空芯型PCF飛秒技術(shù)的飛秒脈沖傳輸速度將越來越快，壓縮性能也越來越好，這也使其應(yīng)用范圍將逐步得到擴(kuò)大。

二、增益型光子晶體光纖飛秒技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展及發(fā)展方向

所謂增益型光子晶體光纖是通過激光離子在PCF芯區(qū)中的摻入來形成增益波導(dǎo)?，F(xiàn)如今，增益型PCF的類型主要有小芯徑PCF、雙包層大模場面積PCF、棒狀PCF、大空氣孔間隔包層PCF及多芯PCF等。摻雜的激光子離主要有稀土離子、Tm3+、Er3+、Bi3+及Yb3+。它和單干般的單模增益光纖有所差異的是，增益型PCF具備單模大模場面積與色散可控特點(diǎn)，這也使增益型PCF成為一種新型增益介質(zhì)，通過飛秒激光技術(shù)在增益型PCF的應(yīng)用，能夠研發(fā)出體型更小、輸出功率更高的飛秒激光器。現(xiàn)階段，利用增益型PCF研發(fā)出的飛秒激光器在一定程度上已經(jīng)超過了固體飛秒激光系統(tǒng)的激光參數(shù)，并逐漸成為一種新型的超快激光技術(shù)，這也使增益型PCF的研究已經(jīng)成為光子晶體光纖未來發(fā)展的重要方向之一。其中，經(jīng)過科研人員的大量實(shí)驗(yàn)研究，分別于1999年、2000年、2004年、2010年及2011年在小芯徑PCF中陸續(xù)摻雜了Er3+、Yb3+、Nd3+、Bi3+及Tm3+離子，并已經(jīng)將小芯徑PCF應(yīng)用于飛秒激光振蕩器與飛秒激光放大器當(dāng)中，從而取得了一系列的成果。在雙包層大模場面積的PCF實(shí)驗(yàn)研究中，已經(jīng)在工藝上實(shí)現(xiàn)了對空氣外包層厚度的降低，從而增加雙包層中的折射率差值，進(jìn)而使其更適用于多模半導(dǎo)體激光器的抽運(yùn)，其產(chǎn)品也將很快面世，這也進(jìn)一步推動(dòng)了高功率激光領(lǐng)域中增益型PCF的應(yīng)用。與此同時(shí)，科研人員為了消除雙包層大模場面積PCF低閾值熱損害，通過縮短光纖長度，并加厚光纖石英玻璃包覆層，又進(jìn)一步研發(fā)出了棒狀PCF，這也使棒狀PCF在飛秒激光振蕩器與飛秒激光放大器中的應(yīng)用能夠獲得更高功率的激光輸出參數(shù)。由此可見，隨著增益型光子晶體的不斷研究，飛秒激光技術(shù)在增益型光子晶體中獲得的激光輸出參數(shù)也越來越高，這也使增益型光子晶體的研究在很大程度上促進(jìn)了飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，并已經(jīng)成為推動(dòng)飛秒激光技術(shù)不斷發(fā)展的未來方向之一。

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作者簡介：王振杰（1970—），男，漢族，河南漯河人，本科，學(xué)士，講師，主要研究方向：應(yīng)用物理與電工電子技術(shù)。