打印本文 
关闭窗口 超连续谱是指强短脉冲通过非线性介质时，由于自相位调制、交叉相位调制、受激喇曼散射和四波混频等非线性效应与光纤群速度色散的共同作用而使脉冲频谱展宽的一种现象[1]，频谱范围从可见光一直连续扩展到紫外和红外区域。光纤中的超连续谱现象首次于1978年观察到，近年来，随着光纤通信技术的迅猛发展，光纤中的光谱超连续展宽技术已经成为当前热门的研究课题。
从BIBO单晶上按946nm倍频最佳位相匹配方向（Ⅰ类倍频）θ＝161.7°φ＝90°加工样品,样品长度为5mm,两端分别镀946nm和473nm增透膜。利用相干公司生产的光纤耦合半导体激光器（端泵并在腔内）倍频。半导体激光器为FAP系统,型号为2049,最大输出为30W。由半导体激光器输出激光经聚焦系统进入Nd:YAG晶体。半导体激光器输出为808nm激光,以500μs,500Hz准连续方式运行。Nd:YAG晶体为φ5mm×2.5mm,靠近半导体激光器端镀膜对946nm高反,对808nm高透,另一端为946nm高透,这一激光器中Nd:YAG实现了从4F3/2→4I9/2跃迁的激光振荡,产生的946nm的准连续激光入射非线性光学晶体BIBO。作为参照,令用长度为10mm的LBO晶体。分别将BIBO和LBO晶体置于腔内,采用平凹腔结构,输出腔镜曲率半径为50mm,凹面上镀膜为946nm高反,473nm高透,物理腔长为32mm,Nd:YAG晶体与非线性晶体的距离约为0.5mm,在改装置相同条件下,对BIBO和LBO进行多次倍频实验。从实验结果可知,从5mm的BIBO可获216Mw,473nm激光,其泵浦激光阈值为0.62W,总转换效率为4.8%(斜效率5.5%);同样条件下从10mm的LBO晶体中获得的473nm激光为120Mw,泵浦光的阈值为0.98W,总转换效率为2.7%(斜效率为3.3%)。通过进一步优化各方面条件,效率可进一步提高。对蓝光输出BIBO的抗光伤阈值的研究工作也在进行中。从目前的结果来看,BIBO在小型蓝光激光其中的应用前景是明确的。
产生高质量超连续谱脉冲的关键是合适的抽运光源和超连续光纤。迄今，研究人员已尝试用各种不同的光纤来产生超连续谱，其中光子晶体光纤是目前正在广泛应用的一种。光子晶体光纤是一种新型光纤，它具有独特的波导特性，允许所设计的光纤具有高的非线性系数和可控的零色散点。高的非线性系数和适当的色散条件是产生超连续谱的介质要求，因此决定了光子晶体光纤与传统光纤相比更容易产生超连续光谱[2]。
本文简要综述了光子晶体光纤的特性以及飞秒激光在光子晶体光纤中产生超连续谱的演变过程，并重点介绍了超连续谱的产生机制及其应用前景。
1.光子晶体光纤的特性
空气洞呈周期性排列的并利用光子带隙效应或改进的全内反射效应传光的光纤，称之为光子晶体光纤(Photonic crystal fiber，PCF)[3]。光子晶体光纤的概念最早由ST．J．Russell等人于1992年提出，并于1996年在OFC上报道了第一个样品[4]，“无尽的单模光纤”（endlessly single-mode fiber）。与普通单模光纤不同，PCF是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以又被称为多孔光纤(ho1ey fiber)或微结构光纤(micro-structured fiber)。由于PCF具有特殊的色散和非线性特性，因此在光通信领域具有广泛的应用前景。
1.1 光子晶体光纤的色散性质
PCF具有良好的色散性质，可以在很长的波长范围内得到较大的色散[5]。色散是波导的一个重要参数，它对飞秒激光的诸多应用如孤子传输，产生超短脉冲，产生超连续光谱和谐波等都起着重要的作用。与传统光纤在可见光波段呈现正常色散不同，
PCF由于其包层的独特结构使得芯层和包层的折射率差增大，从而波导色散对光纤色散的贡献变大，结果PCF在可见光波段具有零色散点甚至能够出现负色散，这一点在Ranka等人的实验中得到了证实[6]。PCF的另一个突出特点就是零色散点可调，只需简单改变PCF的尺寸，就可以在几百nm的范围内取得零色散[7]。
1.2 光子晶体光纤的非线性现象
在PCF中，可以实现大数值孔径小模面积的设计，因此能够增大单位面积的光功率密度[8]，又由于光子带隙的作用，光场可以被高度局限在纤芯周围的一小块区域内，从而可以极大地提高光学非线性作用的效率[8,9]。Zheltikov等研究发现，增大光纤芯层和包层的折射率差可以提高光场局部集中程度，从而也提高了光学非线性作用的效率。另外我们也可以设计具有大的模式区域的高折射率芯的PCF从而增强这些非线性效应，这是由于能提高芯与波长的比率而同时又不会像传统光纤那样受到高阶模的影响。
2.超连续谱的产生机制
目前，光纤中SC谱的产生通常有两种方案：①在光纤的反常色散区，利用高阶孤子压缩效应使脉冲谱展宽；②在光纤的正常色散区，利用自相位调制引起的线性频率凋瞅积累使脉冲谱展宽。SC谱在光纤中产生时，首先是脉冲通过光纤反常色散区，该过程为绝热孤子压缩放大过程，此时脉冲变窄、峰值功率增强、频谱展宽[10];接着，强功率的窄脉冲经零色散点进入正常色散区，强的自相位调制与正常色散相互作用诱导线性频率啁啾积累，使得谱进一步展宽。
光纤中超连续谱的产生机理涉及到许多非线性光学效应，如自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、受激喇曼散射（SRS）及四波混频（FWM）等。当超短光脉冲在光纤中传输时，由于光纤的折射率与光脉冲的强度有关，光脉冲的不同部位强度不同，对应的折射率也就不同，在传输过程中产生不同的相移，形成SPM，导致光脉冲的光谱展宽。为了获得较大的SPM展宽谱，光脉冲的宽度应尽量窄而峰值功率应尽量高[11,12]。当光谱展宽到越过色散零点时，XPM开始起作用。XPM的产生是因为光波的有效折射率不仅与此波的强度有关，而且与另一些同时传播波的强度有关。显然，在发生XPM效应时总伴随有SPM效应。XPM引起相同波长不同偏振状态光波之间、相同偏振状态不同波长光波的耦合，造成光谱展宽[12]。光纤中的四波混频是产生超连续现象的另一个重要因素。光纤中的FWM过程包括由于SPM及XPM效应产生的新频率成分与抽运光间及四波混频光与抽运光间的四波混频。FWM要求参加混频的光波满足相位匹配条件，若要实现相位匹配，抽运光必须处于光纤的反常色散区[12]。之后光谱继续展宽，形成超连续谱。
图1是由注入脉宽100fs、峰值脉冲8kw的脉冲（0.8n J）在75 cm长的PCF光纤中产生的超连续谱，带宽达1000nm以上，谱宽从紫光延伸到近红外区域[13]。
超连续谱的产生还与泵浦脉冲以及光纤参数具有密切的关系，泵浦光脉冲的峰值功率、波长及脉宽对超连续谱的产生有重要的影响。只有泵浦脉冲功率大于超连续谱的阈值泵浦功率，才能观察到显著的光谱展宽现象。
图2为实验装置示意图，抽运源采用波长可调谐的被动锁模钛宝石超快飞秒激光器，重复频率为76MHz，输出中心波长为796nm，脉宽约200fs。PCF长度为2m，纤芯直径2mm，孔间距3.2mm，零色散波长为700nm。图3为此实验装置条件下，在不同输入功率下拍摄到的光子晶体光纤实物图，光纤中出现的各种不同颜色的光是各种非线性效应共同作用的结果。
3.应用
超连续谱是近年来发展起来的一种超快激光研究手段，广泛应用于多种学科微观动力学过程和非线性光谱学的研究。目前，在超快激光领域人们相继开展了该项研究。
研究超连续谱的另一个重要原因是基于超连续谱技术的光源应用前景非常广阔。由于超连续谱的频谱展宽一般在几十nm以上[14]，可在很宽的频谱范围内选出所需波长的光脉冲。由于超连续谱可以在很宽的波长范围内提供超短光脉冲，所以超连续光脉冲已相继应用于光纤群速度测量、全光采样、全光转换、光波分复用(OWDM)和光时分复用(OTDM)等一系列实验，并取得了重要的成果。如利用超连续谱光源并结合光波分复用(WDM)和光时分复用(OTDM)技术，日本NTT已在1999年成功地实现了3Tbit/s（160Gbit/s×19ch）的WDM /OTDM传输实验[15]。超连续谱光源还在光谱检测、生物医学，高精密光学频率测量及光学采样以及其他一些领域内发挥重要作用。
4.结论
超连续谱的产生涉及一系列极其复杂的非线性光学过程，理论解释还不很完善。目前，对超连续谱特性的内在机理尚未有透彻的认识。超连续谱技术正处于迅速发展中，许多设想还处于研究阶段（例如如何使超连续谱展的更宽更平坦，频谱越宽可利用的频带资源就越宽），要想使设想成为现实,尚有大量工作有待进展。我们相信，随着高速光通信技术的迅速发展，超连续谱的理论研究会更完善，从而使得超连续谱和超连续谱光源具有更广泛的应用前景。
程超 阮双琛 杜晨林 深圳大学深圳市激光工程重点实验室
闫培光 南开大学物理学院
打印本文 关闭窗口