飞秒泵浦不同锥长微结构光纤超连续谱的产生

刘志宏，王 伟，杨建菊，韩 颖*，周桂耀，齐跃峰，侯蓝田

1. 燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004

2. 南京信息工程大学，江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044

3. 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北 秦皇岛 066004

飞秒泵浦不同锥长微结构光纤超连续谱的产生

刘志宏1, 2, 3，王 伟1, 2, 3，杨建菊1, 3，韩 颖1, 3*，周桂耀1, 3，齐跃峰1, 3，侯蓝田1, 3

1. 燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004

2. 南京信息工程大学，江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044

3. 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北 秦皇岛 066004

对飞秒脉冲泵浦下，不同锥长及锥腰直径的微结构光纤的超连续谱产生进行了实验研究。采用“快速低温拉锥方法”，在保持d/Λ不变的情况下，对实验室自制的空气孔间距Λ=6.53 μm，归一化孔径d/Λ=0.79的微结构光纤进行了拉锥，分别得到6，8，10 mm等不同锥长微结构光纤。理论计算表明，随着锥长变长，锥腰直径变小，锥腰处零色散波长向短波移动： 未拉锥及6，8和10 mm锥微结构光纤锥腰处零色散波长分别为1 129，885，806和637 nm。利用中心波长为810 nm，重复频率76 MHz，脉宽120 fs的钛蓝宝石飞秒激光器对拉锥后微结构光纤进行了实验研究： 锥长为6 mm时，泵浦光中心波长位于整根光纤的正常色散区，锥腰的零色散点附近，内脉冲拉曼散射和级联四波混频是光谱初始展宽的主要因素。泵浦功率达到450 mW时，在可见波段390～461 nm及红外波段1 134～1 512 nm形成-5 dB的平坦宽带连续光谱。泵浦功率达到500 mW时，出现366～2 450 nm覆盖紫外、可见、近红外、中红外的超连续谱，其光谱红蓝移边缘已经接近实验用微结构光纤的传输带宽。锥长为8 mm、泵浦功率为450 mW时，在群速度匹配和群加速度失配的共同影响下，连续谱蓝移边缘达到366 nm，比6 mm锥时蓝移9 nm； 锥长为10 mm时，由于锥腰处零色散点移动到可见光区域，可见区光谱仍能满足相位匹配条件。通过级联四波混频效应，在可见区域实现了频率上转换及光谱蓝移。泵浦光功率达到500 mW时，在382～412 nm得到谱宽仅为30 nm，转换效率达到27.7%的频率上转换。

微结构光纤； 超连续谱； 快速低温拉锥方法； 级联四波混频； 内拉曼散射； 上转换

引 言

超连续谱(supercontinuum generation，SCG)是自相位调制(self-phase modulation, SPM)、交叉相位调制(cross-phase modulation, XPM)、受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)、孤子自频移(soliton self-frequency shift, SSFS)、四波混频(four wave-mixing, FWM)、非孤子辐射(nonsoliton radiation，NSR)等各种非线性效应及其他光学特性的综合作用结果。平坦宽带高亮度SCG有着十分广泛的应用，诸如光学频率计[1]，飞秒激光脉冲稳定，光学相干成像[2]，超短脉冲压缩，高精度天文光谱仪[3]等。Alfano等[4]报道了SCG的产生，Liu等[5]在光纤中发现了SCG。微结构光纤(microstructure fiber，MF)具有无截止单模传输、可控的色散、可设计的非线性及高双折射等特性； 飞秒激光脉冲具有峰值功率高、脉冲宽度极短、频谱覆盖范围广的特点； 二者特性相结合，可以产生很宽的SCG[6-9]。对MF拉锥，可以改变其色散特性并增大光纤非线性系数，已经被证实是一种很有效的促使SCG蓝色边缘移向深蓝甚至是紫外、红色边缘红移至近红外甚至是中红外并且可以提高SCG平坦度的方式[6, 8, 10-11]。

本文对实验室自制的MF进行了拉锥，采用多极法计算了拉锥前后MF的色散特性，对不同锥长MF产生的SCG进行了实验研究，分析了泵浦波长分别位于MF锥腰的零色散点附近正常色散区，零色散点附近反常色散区和双零色散点中心位置的反常色散区时SCG的产生随泵浦功率增加时的演化，得出了产生平坦SCG、宽带SCG及高效频率上转换到紫光时所对应的最佳条件。

1 锥型MF的SCG理论

1.1 MF拉锥理论

熔融拉锥时，MF受热软化，拉锥机夹具的拉力使得MF被拉长变细，同时空气孔内气压使得空气孔不会很快塌缩，随光纤拉伸长度的增加，未拉锥部分与锥腰部分之间形成锥形结构，锥形结构足够长才能得到低损耗高效率MF锥[12]，该锥形结构在光纤光学中具有特殊应用[13-14]。采用“快速低温拉锥方法[6]”，可使得空气孔直径d和空气孔间距Λ等比缩小，即d/Λ不变而使纤芯变细，同时可使拉锥过程满足锥型光纤的渐变条件[15]

(1)

(2)

式中：ρ=0.64Λ；nco为MF的纤芯的折射率，neff为MF包层的有效折射率。

1.2 色散

用多极法计算MF中基模的模式有效折射率，其色散可表示为

(3)

式中，λ为入射光波长，c=3.0×108m·s-1为真空中光速，neff为模式等效折射率。在计算neff时，石英折射率n(ω)可用Sellmeier公式近似[16]

(4)

式中，ωj是谐振频率，Bj是第j个谐振的强度。

1.3 非线性系数

非线性是MF的一种重要特性，非线性效应的强弱用非线性系数的大小来衡量，光纤的非线性系数可表示为

(5)

式中，n2为石英材料的非线性折射率，通常为2.76×10-20m2·W-1，Aeff为光纤的有效模场面积[17]。

2 结果与讨论

2.1 锥形MF色散特性的研究

用于拉锥的MF是实验室自制的六边形MF，端面图如图1中插图所示，其空气孔间距Λ=6.53 μm，归一化孔径d/Λ=0.79。使用上海瞬渺光电SCS-4000多功能光纤拉锥系统，保持拉锥速度为0.08 mm·s-1，通过控制H2流量来控制火焰温度，采用“低温快速拉锥方法”，在保持d/Λ不变的情况下，实现MF的熔融拉锥。本文将80 cm长MF做拉锥处理，锥区前未拉锥MF长度为40 cm，拉锥后光纤参数如表1所示。

实验所用MF拉锥前后的色散曲线如图1所示，拉锥前MF的零色散波长为1 129 nm，由于拉锥速度不变，随着锥长的增加，光纤整体尺度缩小，光纤零色散波长随锥长变长逐渐向短波移动。锥长为8 mm时出现了第二个零色散波长，锥长为10 mm时其短波处零色散波长移动到可见光，并且两个零色散波长间隔变短。

表1 不同锥长的微结构光纤

图1 拉锥前后微结构光纤的色散

Fig.1 Dispersion of untapered and tapered MFs (The inset shows the cross-section of the MF used in the experiment)

2.2 锥形MF的SCG研究

SCG产生的实验示意图如图2所示，光源是Mira900钛宝石飞秒锁模激光器，输出重复频率76 MHz，脉宽为120 fs，激光器输出飞秒脉冲用40×透镜耦合到待测锥形MF中，并用CCD1与CCD2观察，保证入射激光脉冲耦合到MF纤芯中，输出光谱用Avaspec-256(OSA1，光谱范围200～1 100 nm)和Avaspec-NIR-256(OSA2，光谱范围900～2 450 nm)光谱仪接收。

图2 实验用光路图

由数值模拟可知，拉锥前光纤的零色散波长为1 129 nm。用中心波长为760～860 nm可调的飞秒激光脉冲泵浦此光纤，泵浦波长处于正常色散区，SPM成为光谱展宽的主要因素，因此光谱展宽不会很宽。因此，分别实验研究6，8及10 mm锥长时SCG的变化。泵浦光选择中心波长为810 nm的飞秒脉冲，保证此泵浦光分别位于6，8及10 mm锥锥腰处的零色散点附近正常色散区，零色散点附近反常色散区和双零色散点中心位置的反常色散区。

2.1.1 锥长为6 mm时的SCG

图3 中心波长为810 nm的飞秒脉冲泵浦锥

由表1可得，锥长为6 mm时，锥腰处零色散波长为885nm，此时泵浦中心波长为810 nm，位于整根光纤的正常色散区。虽然拉曼效应对于反常色散区孤子的作用明显，但是对于脉宽小于1 ps的超短脉冲，在正常色散区，内脉冲拉曼散射和自陡峭等效应也会影响光谱展宽。当泵浦功率为200 mW时，入射脉冲在SPM、内脉冲拉曼散射及自陡峭等共同作用下，光谱产生新的红移分量，出现如图3(a)所示的展宽，其红移峰值对应波长分别为852和904 nm。MF锥区色散沿光纤轴向发生改变，且零色散点不断向短波移动，相比未拉锥时更易满足相位匹配条件，在FWM作用下光谱将出现新的红移、蓝移频率成分： 当泵浦功率为300 mW时[图3(b)]，中心波长位于810 nm的泵浦光在简并FWM的作用下产生680 nm的反斯托克斯波及1 001 nm的斯托克斯信号。当泵浦功率增大到350 mW时[图3(c)]，上述反斯托克斯及斯托克斯信号强度都随泵浦功率而增大。同时，新产生的1 001 nm斯托克斯信号波长位于未拉锥光纤零色散点附近正常色散区及拉锥部分的反常色散区, 以其作为抽运光，在闲频光680 nm的作用下，通过FWM在1 890 nm附近产生信号光。由于拉锥部分色散改变造成群速度失配，导致信号光频谱展宽。而以680 nm为抽运光，在简并FWM作用下，在470和1 173 nm处分别产生反斯托克斯和斯托克斯光。图2(b)虽然未观察到斯托克斯信号，但随着泵浦光功率进一步增大[图3(c)和(d)], 可以观察到此斯托克斯信号，且随着泵浦功率增大1 173 nm孤子自频移至1 331 nm，孤子红移的同时，越来越多的能量以色散波的形式转移到可见区，且色散波蓝移。当泵浦功率达到450 mW时，在上述效应的共同作用下，在可见波段390～461 nm及红外波段1 134～1 512 nm形成平坦度为-5 dB的平坦宽带连续光谱； 泵浦功率达到500 mW时，出现366～2 450 nm覆盖紫外、可见、近红外、中红外的SCG，其光谱展宽红蓝移边缘已经接近实验用MF的传输带宽极限，输出光远场图如图3(f)插图所示，为基模传输。

2.2.2 锥长为8 mm的SCG

锥腰直径为37.42 μm，锥腰处出现双零色散波长，分别为806和2 456 nm。由图4(a)可知，当泵浦光功率为200 mW时，此时泵浦光中心波长810 nm处于锥腰的短波零色散点附近的反常色散区。在SPM作用下，泵浦光蓝移至790 nm，受到SPM、内脉冲拉曼散射、三阶色散、FWM和孤子分裂等效应共同作用光谱产生大量红移分量，与图3(a)光谱展宽情况有很大差别。随着泵浦光功率提高，各孤子产生拉曼自频移，并且在可见光区产生色散波4(b)。随着泵浦功率提高，由于锥长较长，在群速度匹配和群加速度失配的影响，蓝移色散波能量增大，且蓝移边缘加深，与6 mm锥MF实验蓝移至375 nm相比，8 mm锥蓝移边缘达到366 nm，且短波区连续谱平坦度明显提高。

2.2.3 锥长为10 mm的SCG

锥腰直径继续变细到19.41 μm时，锥腰处的零色散波长分别为637和1 164 nm，如果泵浦光位于双零色散点之间的反常色散区，将会在很宽的带宽内具有两组相位匹配曲线，FWM效应明显。当泵浦光功率为300 mW时[图5(a)]，中心波长为810 nm的光在SPM、内脉冲拉曼散射等效应作用下展宽后作为抽运光，通过简并FWM同时产生694和965 nm光子对与485和2 055 nm光子对。965 nm位于拉锥区反常色散区，而2 055 nm位于整根光纤反常色散区，随着泵浦功率提高，两斯托克斯信号形成孤子并发生红移，同时反斯托克斯信号蓝移。由于10 mm锥MF锥腰直径仅为19.41 μm，短波处零色散点移动到可见区，波长仅为637 nm，因此在可见区仍可满足相位配条件。泵浦功率为400 mW时，可以看到426 nm处出现反斯托克斯峰，随着泵浦功率变大[图5(c)]，反斯托克斯信号峰值功率逐渐增高，而作为泵浦光的452 nm功率降低，光谱通过FWM实现进一步蓝移。当泵浦光功率达到500 mW时，蓝移分量边缘达到374 nm，泵浦光频率上转换效率达到27.7%，谱宽仅为30 nm。

图4 中心波长为810 nm飞秒脉冲泵浦锥长

3 结 论

选用实验室自制的空气孔间距Λ=6.53 μm，归一化孔径d/Λ=0.79的MF，采用“快速低温拉锥方法”，通过控制H2流量来控制火焰温度，保持拉锥速度0.08 mm·s-1恒定，在保持d/Λ不变的情况下，实现了6，8和10 mm等不同锥长MF的拉锥。通过理论分析可知，由于光纤端面几何尺度随锥长变长等比缩小，光纤零色散波长逐渐向短波移动。未拉锥前，MF的零色散波长为1 129 nm，拉锥后，长度为6，8和10 mm的锥，其锥腰对应的零色散波长分别移动到885，806和637 nm。并且锥腰为8和10 mm时，色散曲线出现双零色散点。用中心波长为810 nm的飞秒脉冲泵浦不同锥长MF，使其分别位于6，8和10 mm锥MF锥腰的零色散点附近正常色散区，零色散点附近反常色散区和双零色散点中心位置的反常色散区。实验发现，锥长为6 mm时，泵浦功率达到450 mW时，在可见波段390～461 nm及红外波段1 134～1 512 nm形成平坦度为-5 dB的平坦宽带连续光谱，泵浦功率达到500 mW时，出现366～2 450 nm覆盖紫外、可见、近红外、中红外的超连续谱，其光谱展宽红蓝移边缘已经接近实验用MF的传输带宽极限； 锥长为8 mm时，在群速度匹配和群加速度失配的影响，色散波蓝移边缘加深，蓝移边缘达到366 nm，且短波区连续谱平坦度明显提高。锥长为10 mm时，锥腰处零色散点移动到可见区，光谱蓝移机制主要为级联FWM效应。泵浦光功率达到500 mW时，可实现谱宽仅为30 nm，效率达到27.7%的频率上转换。泵浦波长改变对锥形MF超连续谱产生的影响及级联锥MF的超连续谱研究是我们下一步研究的重点。

图5 中心波长为810 nm飞秒脉冲泵浦锥长为

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(Received May 30, 2015; accepted Sep. 10, 2015)

*Corresponding author

Supercontinuum Generation in Tapered Microstructure Fibers with Different Taper Length by Using Femtosecond Laser

LIU Zhi-hong1, 2, 3，WANG Wei1, 2, 3，YANG Jian-ju1, 3，HAN Ying1, 3*，ZHOU Gui-yao1, 3，QI Yue-feng1, 3，HOU Lan-tian1, 3

1. School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China

2. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China

3. The Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province, Qinhuangdao 066004, China

Tapered microstructure fibers with different taper lengths and waist diameters are pumped with femtosecond laser for supercontinuum generation. With “fast and cold tapered method”, home made microstructure fiber with air-hole pitchΛ=6.53 μm and normalized air-hole diameterd/Λ=0.79 were tapered to 6, 8, 10 mm taper length while keepingd/Λunchanged. Numerical simulations show that the zero dispersion wavelength shifts to blue when the taper waist shrinks. The zero dispersion wavelengths for untapered and 6, 8, 10 mm length tapered fiber were 1 029, 885, 806, and 637 nm, respectively. In the experiment, 120 fs pulses centered at 810 nm, which is generated by mode-locked Ti:sapphire laser at a repetition rate of 76 MHz, is coupled into the tapered microstructure fiber. With the tapered length of 6 mm, the center wavelength of the pump light locates in the normal dispersion region of the fiber and near the zero dispersion wavelength of the tapered waist. The main factors causes spectra broaden are intrapulse Raman scattering and cascaded four-wave mixing. When the pump power reaches 450 mW, continuous spectra with -5 dB flatness are generated at 390～461 and 1 134～1 512 nm. With 500 mW pump power, supercontinuum spans from 366 to 2 450 nm, which has already covered ultraviolet, visible, near-infrared and mid-infrared. This broadband spectrum almost reaches the red and blue edges of the microstructure fiber’s transmission bandwidth. With 8mm tapered length and 450 mW pump power, the blue edge of the continuous spectrum shifts down to 366 nm as a result of group velocity match and group acceleration mismatch, a 9 nm deeper blue shift compared to results from 6mm tapered length. With the tapered length of 10 mm, because the zero dispersion wavelength of the waist also moves to visible region, phase matching condition can still be satisfied in that region. Due to the effect of cascaded four-wave mixing, the frequency up conversion is realized in visible region. When pump power reaches 500mW, up conversion frequency lies in 30 nm band from 382 to 412 nm, the conversion efficiency is up to 27.7%.

Microstructure fiber; Supercontinuum; “fast and cold tapered method”; Cascaded four-wave mixing; Intrapulse Raman scattering; Up conversion

2015-05-30，

2015-09-10

国家自然科学基金项目(61205084，61405173，61275093，61307110，61405172)，河北省自然科学基金项目(F2014203194)，江苏省气象探测与信息处理重点实验室开放课题(KDXS1107，KDXS1108)资助

刘志宏，1990年生，燕山大学信息科学与工程学院光电子系硕士研究生 e-mail： lzh900909@163.com *通讯联系人 e-mail： hanyingysu@163.com

TN252

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2011-06