飛秒脈沖在光子晶體光纖中傳輸?shù)姆蔷€(xiàn)性機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、光子晶體光纖具有很多傳統(tǒng)光纖不具備的優(yōu)良特性，如：高非線(xiàn)性、可調(diào)色散、高雙折射、大模場(chǎng)面積等。高峰值強(qiáng)度超短脈沖激光與光子晶體光纖的結(jié)合產(chǎn)生了各種光學(xué)非線(xiàn)性現(xiàn)象，而基于非線(xiàn)性效應(yīng)產(chǎn)生的光譜在工業(yè)、通信及醫(yī)學(xué)等各個(gè)方面得到了廣泛的研究和應(yīng)用。雖然光子晶體光纖產(chǎn)生的非線(xiàn)性光譜種類(lèi)比較豐富，但是在高效率頻率轉(zhuǎn)換、深紫外光譜產(chǎn)生、大范圍可調(diào)中紅外孤子以及中紅外超連續(xù)譜等領(lǐng)域的研究卻相對(duì)滯后，成為目前非線(xiàn)性光譜研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本論文主要圍繞以上方

2、面的應(yīng)用展開(kāi)相應(yīng)特性研究，主要研究工作如下。
　　首先，結(jié)合麥克斯韋方程組，建立光子晶體光纖非線(xiàn)性效應(yīng)的非線(xiàn)性薛定諤方程。給出群速度色散和光子晶體光纖中的主要非線(xiàn)性效應(yīng)，如：自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻、孤子、受激拉曼散射。根據(jù)模擬結(jié)果分析了光纖長(zhǎng)度、入射脈沖寬度、入射脈沖峰值功率、入射脈沖波長(zhǎng)、初始啁啾參數(shù)對(duì)光子晶體光纖頻譜的影響。
　　其次，采用有限元法對(duì)自行研制的光子晶體光纖進(jìn)行理論模擬，并得出它的高非線(xiàn)性系數(shù)、

3、雙零色散范圍和雙折射特性。利用飛秒激光脈沖在光子晶體光纖的反常色散區(qū)進(jìn)行泵浦，得到了高效寬帶的色散波。色散波峰值功率與殘余泵浦峰值功率之比可達(dá)到42.67，帶寬可達(dá)到81 nm，轉(zhuǎn)換效率超過(guò)50％，并且殘余泵浦能量小于10%，實(shí)現(xiàn)了用較低平均功率獲得高效寬帶的頻率轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步使用衰減片調(diào)整平均功率以及使用半波片改變?nèi)肷涿}沖偏振方向來(lái)調(diào)節(jié)高非線(xiàn)性雙折射光子晶體光纖中色散波的強(qiáng)度、中心位置并分析引起的原因。這些研究成果可促進(jìn)高速光通信以及超

4、快光子學(xué)中的新型器件的產(chǎn)生。
　　再次，實(shí)驗(yàn)研究了高非線(xiàn)性雙包層結(jié)構(gòu)光子晶體光纖和具有大空氣孔構(gòu)成節(jié)區(qū)的PCF產(chǎn)生的中紅外孤子自頻移現(xiàn)象。當(dāng)使用飛秒激光器泵浦雙包層光子晶體光纖時(shí)，發(fā)現(xiàn)在泵浦功率為827 nm，功率從0.1 W增加到0.42 W時(shí)，中紅外第一個(gè)孤子隨功率增加從1933 nm移動(dòng)到2403 nm，移動(dòng)范圍達(dá)到470 nm，為石英基光子晶體光纖在中紅外孤子激光器的產(chǎn)生創(chuàng)造了很好的條件。另外目前關(guān)于光子晶體光纖的研究和應(yīng)

5、用，大部分都是利用纖芯傳輸。然而包層具有大空氣孔的光子晶體光纖，其包層三個(gè)空氣孔所圍節(jié)區(qū)的模場(chǎng)面積比纖芯小很多，相應(yīng)的非線(xiàn)性系數(shù)很大，因此也會(huì)形成豐富的非線(xiàn)性效應(yīng)。
　　然后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了光子晶體光纖中的深紫外頻譜展寬效應(yīng)并分析其產(chǎn)生的非線(xiàn)性機(jī)理。泵浦波長(zhǎng)為860 nm時(shí)，深紫外頻譜展寬范圍隨泵浦功率的增加而逐漸展寬；泵浦功率固定為0.4 W時(shí)，孤子與色散波的交叉相位調(diào)制使深紫外基模超連續(xù)譜擴(kuò)展到最短波長(zhǎng)212 nm。隨著泵浦波

6、長(zhǎng)的增加，超連續(xù)譜范圍不僅展寬而且深紫外區(qū)頻譜的轉(zhuǎn)換效率極大的提高。該研究結(jié)果能為光學(xué)檢測(cè)和光信息處理等方面所需的深紫外光源提供良好的解決方案。另外，當(dāng)泵浦波長(zhǎng)遠(yuǎn)離光子晶體光纖零色散波長(zhǎng)時(shí)，本文采用對(duì)光子晶體光纖進(jìn)行后處理的方法，即可通過(guò)拉錐來(lái)改變光子晶體光纖的零色散波長(zhǎng)位置進(jìn)而促進(jìn)紫外頻譜的產(chǎn)生。
　　最后，基于中紅外超連續(xù)譜的價(jià)值，研制了一種光子晶體光纖來(lái)產(chǎn)生超連續(xù)譜。實(shí)驗(yàn)可得超連續(xù)譜范圍從610 nm一直延伸到2500 nm