高娟娟，李 夏，高 松，薛天峰，胡麗麗，高偉清，廖梅松*

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

1 引 言

中紅外超連續(xù)譜在光譜學［1］、顯微鏡、醫(yī)學診斷［2］及生物醫(yī)學［3］等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，現(xiàn)已成為非線性光學領(lǐng)域的研究熱點之一。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。國防科技大學與北京工業(yè)大學也分別報道了采用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，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)譜在定向紅外對抗［11］、自由空間通信［11］、生物醫(yī)學［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、近紅外波段的超連續(xù)譜的研究已有很多報道，但尚沒有關(guān)于中紅外波段的超連續(xù)譜的報道。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:

(1)石英玻璃具有很高的轉(zhuǎn)變溫度，使用溫度可達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度，至少比軟玻璃光纖大一個數(shù)量級;

(5)石英玻璃光纖原材料易于獲得且價格相對較低。

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)譜的報道較多［17-20］，但是由于石英光纖色散和累計損耗的限制都無法將光譜展寬到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，無法產(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。本研究選用中心波長為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:當波長大于2.7μm時，石英的材料吸收開始迅速增大，在3 μm左右達到一個極值點。這是由于羥基在該處有一個吸收峰，若更徹底地除去石英玻璃中的水，該處的吸收可降低。當波長大于3.4μm時，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波處的波導(dǎo)損耗。我們設(shè)計了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種光纖均有一個零色散波長在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］是非線性光學的基本方程，可寫為如下形式:

方程左邊表示線性傳播過程，線性損耗及色散效應(yīng)。其中，正比于A的項表示光纖的損耗，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，第一項為自相位調(diào)制。時間導(dǎo)數(shù)項為非線性偏振的一階導(dǎo)數(shù)，與自陡峭和光學沖擊有關(guān)。正比于TR項的起因與延遲拉曼有關(guān)，對應(yīng)于脈沖內(nèi)拉曼散射引發(fā)的自頻移。

為了在超連續(xù)譜的模擬分析過程中將石英光纖的損耗考慮在內(nèi)，使計算結(jié)果更符合實際情況。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，延時拉曼響應(yīng)對非線性極化的貢獻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)計算得到光纖 a、b、c的模場面積 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)譜開始迅速展寬時的光纖長度，實線給出超連續(xù)譜展到最寬時的光纖長度，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%，耦合進光纖的脈沖平均功率為64W，結(jié)合圖4(a)可計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長的石英PCF b可以得到平均功率高達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)生為例對超連續(xù)譜產(chǎn)生的原理進行分析。

圖4(a)超連續(xù)譜的頻域圖;(b)超連續(xù)譜的時域演化圖，圖中的實線與虛線分別與圖3(b)中的實線與虛線對應(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)及時域演化圖4(b)可以看出:在脈沖傳播的最初階段，光譜是對稱展寬的;傳播到大約7.4 cm左右(圖中虛線處)時，光譜開始迅速不對稱展寬，時域圖中也開始出現(xiàn)了精細結(jié)構(gòu)。光譜下一步的演化與長波成分的連續(xù)紅移有關(guān)。

由計算可以得到，色散長度LD=33.73 m，非線性長度LNL=1.69×10-3m，而光纖長度L=0.11 m。因為LD?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，頻率藍移的Stokes邊帶和頻率紅移的反Stokes邊帶使光譜近似對稱展寬;在時域，它們引起超快時間調(diào)制的發(fā)展。隨著脈沖進一步傳播，泵浦脈沖包絡(luò)開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坦伦有蛄校瑫r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分別為2.566，2.810，3.533 μm。由此可見:當泵浦波長位于兩個零色散波長之間時，光纖長波方向的零色散波長越長，紅外色散波的中心波長就越長，越有利于超連續(xù)譜向長波方向展寬。這就使光纖c產(chǎn)生的超連續(xù)譜的長波限最大。然而，由光纖c的色散波中心波長可知，當色散波開始出現(xiàn)時中心波長已經(jīng)超過3.4μm。根據(jù)前文對石英吸收損耗的分析，這會增加超連續(xù)譜的損耗，降低超連續(xù)譜的轉(zhuǎn)化效率。由此可見，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)譜向長波方向展寬。

4 結(jié) 論

首次報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高功率中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響。通過合理設(shè)計光纖結(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在2μm附近的低損耗石英光子晶體光纖，實現(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年于青島理工大學獲得學士學位，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年于上海光學精密機械研究所獲得博士學位，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