閆培光，黃詩盛，張格霖，李會權(quán)，林榮勇，韋會峰，羅 杰，陳抗抗

1)深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先進(jìn)光學(xué)精密制造技術(shù)廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳518060;2)長飛光纖光纜有限公司研發(fā)中心，武漢430073;3)武漢安揚(yáng)激光技術(shù)有限責(zé)任公司，武漢430073

超連續(xù)譜(supercontinuum，SC)光源在生物醫(yī)學(xué)、高精密光學(xué)頻率測量、多信道通信光源、度量學(xué)及激光雷達(dá)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用［1-2］.超連續(xù)譜的產(chǎn)生與高階孤子分裂、受激拉曼散射(stimulated Raman scattering，SRS)、孤子自頻移(soliton self-frequency shift，SSFS)、四波混頻(fourwave mixing，F(xiàn)WM)和非孤子輻射(non-solitonic radiation，NSR)等非線性效應(yīng)有關(guān)，要求介質(zhì)具有高非線性系數(shù)并滿足色散匹配條件.光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)可提供高非線性系數(shù)、強(qiáng)模式限制和可控色散特性，能夠在可見光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)反常色散，且可在寬帶保持單模傳輸，有利于提高光束質(zhì)量.因此，利用目前已產(chǎn)業(yè)化的高功率光纖激光器作為泵浦源，可實(shí)現(xiàn)全光纖化、功率高、寬帶及平坦的超連續(xù)譜輸出.對于超連續(xù)譜光源，光譜的寬度和平坦度是衡量光譜質(zhì)量的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn).連續(xù)光泵浦雖容易實(shí)現(xiàn)高功率輸出，但其光譜缺少藍(lán)移成分，光譜寬度和平坦度不夠理想［3-4］.飛秒激光脈沖具有峰值功率高的特點(diǎn)，只需在低泵浦功率和較短的光纖長度下便可得到有理想寬度和平坦度的超連續(xù)譜光源，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用及維護(hù)成本較高，平均功率也較難提高.而在皮秒脈沖光纖激光器的泵浦條件下，僅需瓦級甚至毫瓦級的泵浦功率就可以在幾米或幾十米的PCF中實(shí)現(xiàn)具有良好特性(如平坦光譜分布、寬波長范圍)的超連續(xù)譜輸出，如陳抗抗等［5］采用主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)結(jié)構(gòu)的皮秒光纖激光器泵浦2 m長PCF，實(shí)現(xiàn)波長范圍為400～2 250 nm的超連續(xù)譜輸出，但其空間耦合的方法導(dǎo)致超連續(xù)譜光源的穩(wěn)定性和可靠性較差.通過優(yōu)化設(shè)計(jì)皮秒脈沖泵浦源和超連續(xù)譜光源的結(jié)構(gòu)參數(shù)，陳勝平等［6］得到光譜范圍為650～1 700 nm的全光纖化超連續(xù)譜輸出.為使超連續(xù)譜光源的光譜特性得到進(jìn)一步提高，多芯PCF應(yīng)運(yùn)而生.對于多芯PCF，每個(gè)纖芯之間的模式耦合將產(chǎn)生超模［7］，當(dāng)輸出模式為每個(gè)纖芯傳輸模之間相位差為零的同相位超模時(shí)，超連續(xù)譜可輸出高質(zhì)量的光斑，其遠(yuǎn)場具有準(zhǔn)高斯分布［8］.韋會峰等［9］利用中心波長為1 064 nm的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)鎖模摻鐿光纖激光器泵浦7芯PCF，實(shí)現(xiàn)譜寬超過1 000 nm、具有高光束質(zhì)量的全光纖化超連續(xù)譜輸出.但該7芯PCF存在零色散波長(zero dispersion wavelength，ZDW)與泵浦源不匹配、非線性系數(shù)小及氣孔層數(shù)少等問題，加上泵浦源本身的不穩(wěn)定性，限制了超連續(xù)譜展寬程度的進(jìn)一步提高.2011年Larsen等［10］實(shí)驗(yàn)證實(shí)增益開關(guān)脈沖光纖激光器作為泵浦源有利于光譜的展寬.2013年本課題組利用增益開關(guān)皮秒脈沖光纖激光器作為泵浦源，抽運(yùn)經(jīng)優(yōu)化的不同占空比的雙包層7芯PCF，實(shí)現(xiàn)光譜寬度超過1 900 nm的全光纖化超連續(xù)譜輸出［11-12］.此外，多芯光子晶體光纖逐漸向百瓦量級的超連續(xù)譜輸出發(fā)展.

本研究報(bào)道了一種雙芯 PCF，其ZDW位于1 010 nm處，在1 060 nm處的非線性系數(shù)為6.82 W-1·km-1.利用中心波長為1 060 nm且具有高穩(wěn)定性的增益開關(guān)皮秒脈沖全保偏光纖激光器作為泵浦源，抽運(yùn)35 m長的雙芯PCF，得到光譜覆蓋480～2 200 nm、輸出功率為371.7 mW的高光束質(zhì)量全光纖化超連續(xù)譜源，其長波方向10 dB譜寬為1140 nm(1060～2 200 nm)，短波方向3 dB譜寬為460 nm(580～1040 nm)，遠(yuǎn)場輸出為準(zhǔn)高斯分布.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup

產(chǎn)生超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，抽運(yùn)源是由武漢安揚(yáng)激光技術(shù)有限責(zé)任公司研發(fā)的增益開關(guān)皮秒脈沖全保偏光纖激光器，其中心波長位于1 060 nm處，脈沖寬度為150 ps，重復(fù)頻率為1 MHz，光束質(zhì)量M2＜1.3，最大輸出功率為4.5 W.為提高激光器的運(yùn)行穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用全保偏光纖結(jié)構(gòu)，其輸出尾纖為芯徑20 μm的20/125熊貓型保偏光纖.將該尾纖與長35 m的雙芯PCF熔接.雙芯PCF的尾端被切割成8°角，以避免激光反饋對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.超連續(xù)譜的輸出光譜和功率分別采用光譜儀(optical spectrum analyzer，OSA)和功率計(jì)進(jìn)行監(jiān)測.

實(shí)驗(yàn)所用的雙芯PCF由武漢長飛光纜有限公司采用堆積拉伸法拉制，圖2為其端面掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)圖.可見，光纖的空氣孔直徑d=2.7 μm;空氣孔周期Λ=3.4 μm;單個(gè)纖芯直徑D=4.7 μm;空氣占空比 d/Λ=0.79.利用有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)對其色散和非線性系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，并通過色散測量儀(型號為CD400)實(shí)驗(yàn)測量不同波長的色散值，其結(jié)果如圖3.可見，理論計(jì)算與實(shí)際測量值(紅色點(diǎn))非常吻合，其ZDW位于1 010 nm處，小于泵浦源的波長，在泵浦源中心波長1 060 nm處的非線性系數(shù)γ=6.82 W-1·km-1.

圖2 雙芯光子晶體光纖掃描電鏡圖Fig.2 SEM of dual core PCF

圖3 雙芯光子晶體光纖的色散和非線性曲線Fig.3 Dispersion and nonlinear curves of dual core PCF

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于雙芯PCF的纖芯直徑較小，在與20/125熊貓型保偏光纖熔接時(shí)，盡管使用光纖后處理技術(shù)對雙芯PCF空氣孔進(jìn)行塌縮，增加其纖芯直徑，減少熔接時(shí)模場失配帶來的損耗，但熔接效率僅為30%.超連續(xù)譜的展寬隨輸出功率的變化過程如圖4，縱坐標(biāo)每格代表30 dB.泵浦源的中心波長位于雙芯PCF的反常色散區(qū)域，類似的展寬機(jī)制已被廣泛研究［13-15］.在光譜展寬的初級階段，調(diào)制不穩(wěn)定性(modulation instability，MI)起到主要作用，它使得長脈沖(150 ps)分裂成一系列的孤子超短脈沖，并通過脈沖內(nèi)拉曼散射效應(yīng)(intrapulse raman scattering，IRS)實(shí)現(xiàn)孤子自頻移，使孤子波長向長波方向持續(xù)頻移.由圖4可見，當(dāng)輸出功率為20.8 mW時(shí)，由于孤子自頻移的作用，光譜主要向長波方向展寬.隨著泵浦功率的增加，長波處的高能孤子將能量以色散波(dispersion wave，DW)的形式轉(zhuǎn)移到正常色散區(qū)，而使光譜逐漸展寬到泵浦波長的短波方向.隨著泵浦功率的繼續(xù)增大光譜不斷展寬，拉曼效應(yīng)產(chǎn)生的長波光譜部分將與短波方向的色散波通過四波混頻及交叉相位調(diào)制(crossphase modulation，XPM)的共同作用，導(dǎo)致光譜向更短的波長方向展寬.最終，在輸出功率為371.7 mW的情況下，實(shí)現(xiàn)長波方向10 dB譜寬為1 140 nm(1 060～2 200 nm)、短波方向3 dB譜寬為460 nm(580～1 040 nm)的全光纖化超連續(xù)譜光源.為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算的相位匹配曲線如圖5.可見，在輸出功率為60.8 mW時(shí)，匹配波長分別為550和2 000 nm;在輸出功率371.7 mW時(shí)，匹配波長分別為480和2 200 nm，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得非常好，說明光譜的展寬為孤子機(jī)制［16-17］.由于泵浦源產(chǎn)生的是長脈沖，調(diào)制不穩(wěn)定性將會放大泵浦源脈沖自身所攜帶的隨機(jī)噪聲，從而使超連續(xù)譜的相干性下降［1］，所以實(shí)驗(yàn)獲得超連續(xù)譜源的相干性并不高.

圖4 不同輸出功率下的超連續(xù)譜Fig.4 Output spectra of the SC at different output powers

圖5 雙芯光子晶體光纖的相位匹配曲線Fig.5 The calculated group refractive index for dual core PCF

超連續(xù)譜的輸出模式特性由Spiricon M2-200光斑分析儀測量，其近場2維、3維與遠(yuǎn)場2維、3維模式如圖6.由圖6(a)和(b)可見，每個(gè)纖芯的強(qiáng)度幾乎相同，只有很小的基底，說明傳輸過程以同相位超模為主，異相位超模得到有效截止;由圖6(c)和(d)可見，其遠(yuǎn)場為準(zhǔn)高斯分布.最大輸出功率時(shí)的遠(yuǎn)場光斑如圖7.可見，中間最大、最亮、最圓的光斑是雙芯PCF傳輸?shù)耐辔怀ｑ詈隙傻?，能量呈?zhǔn)高斯分布，與圖6(c)和(d)吻合得非常好.在小功率輸出情況下，遠(yuǎn)場光斑并沒有周圍的6個(gè)小光斑，而在高功率輸出情況下，微量的光在雙芯PCF包層周期性排列的空氣孔處發(fā)生衍射現(xiàn)象，則會造成周圍的6個(gè)小光斑.

圖6 最大輸出功率下的超連續(xù)譜模式Fig.6 The mode profiles of SC at maximum output power

圖7 最大輸出功率下的遠(yuǎn)場光斑Fig.7 Far field profile of output beam at maximum output power

結(jié) 語

本研究報(bào)道一種雙芯PCF，其零色散波長位于1 010 nm處，在1 060 nm處的非線性系數(shù)為6.82 W-1·km-1.利用中心波長為1 060 nm、重復(fù)頻率為1 MHz、脈沖寬度為150 ps、最大輸出功率為4.5 W及光束質(zhì)量M2＜1.3的增益開關(guān)皮秒脈沖全保偏光纖激光器泵浦長度為35 m的雙芯PCF，得到光譜范圍480～2 200 nm、輸出功率為371.7 mW的全光纖化超連續(xù)譜光源，其在長波方向的10 dB譜寬為1 140 nm(1 060～2 200 nm)，短波方向3 dB譜寬為460 nm(580～1 040 nm)，其遠(yuǎn)場輸出為具有準(zhǔn)高斯分布.

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