姚銀波，劉海英

(華南師范大學信息光電子科技學院,廣東廣州 510631)

光子晶體光纖超連續(xù)譜的產(chǎn)生與偏振特性

姚銀波，劉海英*

(華南師范大學信息光電子科技學院,廣東廣州 510631)

通過研究飛秒脈沖在雙折射光子晶體光纖反常色散區(qū)傳輸時的偏振特性及對超連續(xù)譜展寬的影響，發(fā)現(xiàn)在偏振方向與光纖快軸或慢軸重合時,其輸出的超連續(xù)譜具很好的線偏振.當偏振方向與快軸夾角為45°時,其輸出基本上是圓偏振.由于高的雙折射光子晶體光纖有高的非線性和三階色散,所以可產(chǎn)生高偏振性的超連續(xù)譜.脈沖偏振方向與光纖快軸不同夾角的情況下,光譜成有規(guī)律的變化,當角度越接近45°時,光譜越平坦.高非線性光子晶體光纖可以產(chǎn)生很好的線偏振超連續(xù)譜.

飛秒激光； 光子晶體光纖； 超連續(xù)譜； 偏振

2000年,RANKA等[1]報道了在光子晶體光纖中產(chǎn)生2倍頻程的超連續(xù)譜.超連續(xù)譜的產(chǎn)生為非線性光纖光學領(lǐng)域的研究注入了新的活力.利用光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜是一種新型的光源,它具有高的輸出功率、平坦的寬帶光譜、高度的空間相干性(聚焦)等特性,能極大提高信噪比、減小測量時間以及加寬光譜測量范圍.光纖超連續(xù)譜光源可應用在光纖衰減測量、干涉測量儀、光相干攝影術(shù)、光譜學分析、光學頻率梳等方面[2-4].光子晶體光纖中超連續(xù)譜產(chǎn)生的機制及其器件應用比傳統(tǒng)光纖更加復雜[5-8].

本文使用美國相干公司的鈦寶石可調(diào)諧激光器(Mira-900)泵浦一根長約85 cm的高非線性光子晶體光纖,獲得了典型的超連續(xù)譜[9-10]，并分析了飛秒激光脈沖在反常色散區(qū)不同偏振下對超連續(xù)譜展寬的影響.

1 光子晶體光纖及實驗裝置

實驗所用的光子晶體光纖是高非線性光子晶體光纖Fiber-F-NL-PM750(圖1).

圖1 光子晶體光纖的顯微鏡照片(×63)

光子晶體光纖的纖芯直徑為1.8 μm,光子晶體結(jié)構(gòu)部分的直徑大約24 μm,二氧化硅包層直徑120 μm,涂敷層直徑240 μm,長度為85 cm,光子晶體光纖的數(shù)值孔徑0.38.在780 nm處非線性系數(shù)大于95 nm/(W·km),有2個零色散波長750 nm和1 260 nm,損耗小于0.05 dB/m,但是在1 400 nm和1 500 nm 左右損耗較大.

由圖2可見,鈦寶石激光器出來的激光經(jīng)過斬波器后,經(jīng)過1/2波長的起偏器,用20倍物鏡耦合到光子晶體光纖中.20倍物鏡的工作距離為1.6 mm,通光孔徑為7.5 mm,數(shù)值孔徑為0.4,經(jīng)過物鏡聚焦后光束的直徑大約為 8.8 μm.光子晶體光纖挾

圖2 飛秒脈沖在高非線性光子晶體光纖中產(chǎn)生超連續(xù)譜的實驗裝置

Figure 2 Experimental device for the generation of supercontinum by femtosecond pulses in a birefregent photonic crystal fiber

持器是美國Newport公司的單模光纖耦合器F-915,可以達到微米的調(diào)節(jié)精度.光子晶體光纖挾持器架在三維的手動平移臺上,平移臺的最小精度2 μm.光子晶體光纖輸出端經(jīng)過格蘭棱鏡作為檢偏器.光子晶體光纖末端的超連續(xù)譜先輸入鎖相放大器,然后輸入到光柵光譜儀測量光譜.可調(diào)諧激光器的輸出脈沖為雙曲正割型,輸出脈沖為130 fs,脈沖的重復頻率為76 MHz.光柵光譜儀波長使用范圍是200～2 000 nm.由于超連續(xù)譜覆蓋的波長范圍很寬,所以分別使用Si探測器和InGaAs探測器測量光譜，其中Si探測器的波長覆蓋范圍是 200～1 100 nm，InGaAs 探測器測量波長是800～1 700 nm.

典型的超連續(xù)譜(SC)產(chǎn)生的實驗結(jié)果:抽運波長780 nm,輸入功率為700 mW,獲得了輸出功率約為75 mW,轉(zhuǎn)換效率約為10%.超連續(xù)譜的波長覆蓋范圍為480～1 600 nm.為了便于觀察超連續(xù)譜的總寬度,歸一化處理后把2組光譜畫在一起,如圖3(b)所示,超連續(xù)譜的光譜范圍約1 000 nm.

圖3 光子晶體光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜Figure 3 The generation of supercontinum in photonic crystal fiber

研究結(jié)果表明,中心波長為780 nm,平均功率分別為300 mW和600 mW的飛秒激光脈沖,以不同的偏振方向在光纖中的傳輸特性及對超連續(xù)譜展寬的影響.

2 結(jié)果與分析

由于光纖中存在線雙折射,2個正交線偏振光的相位差沿光纖變化,從而使合成光的偏振態(tài)沿光纖周期性變化.偏振態(tài)完成1個周期變化的光纖長度,叫做拍長,在1個拍長上,2個正交偏振光的相位差變化了2,因而有:

ΔβL·LB=2,LB=2/ΔβL=0/B.

由于本實驗設(shè)計的光纖其光子晶體的六角結(jié)構(gòu)，使得光纖的雙折射度B約為10-4,所以光纖的拍長約為1 cm,遠小于外界干擾的長度周期,具有保持偏振狀態(tài)的能力.如圖4所示,脈沖的偏振方向與光纖快軸的不同夾角θ下,經(jīng)過檢偏器的輸出功率.可以發(fā)現(xiàn)在偏振方向與光纖快軸或慢軸重合時,其輸出的超連續(xù)譜也是很好的線偏振.當θ=45°時,其輸出基本上是圓偏振.

圖4 輸出功率隨入射脈沖的偏振改變而變化

在不同偏振方向下,由于雙折射特性,導致輸出光譜發(fā)生改變(圖5).脈沖偏振方向與光纖快軸成不同夾角的情況下,光譜發(fā)生規(guī)律變化.當角度越接近45°時,抽運光功率分解到2個垂直的快軸和慢軸方向上的功率變低,孤子分裂時會伴隨長波的色散波產(chǎn)生，超連續(xù)譜的中心波長向長波移動，光譜變平坦.由圖6看出光纖的顏色成綠、黃和橙色周期變化.

圖5 入射脈沖的偏振改變時產(chǎn)生的超連續(xù)譜變化Figure 5 Evolution of the spectrum of the generated supercontinum with the polarization change of the incident pulse

圖6 入射脈沖的偏振方向與光纖快軸各種夾角所對應的產(chǎn)生超連續(xù)譜的光纖顏色變化

Figure 6 Color change observed in the photonic crystal fiber when the angle between the polarization of the incident pulse and the fast axis of the fiber is set to be 5°,25°,45°,65° and 85°

當泵浦脈沖中心波長在光子晶體光纖的反常色散區(qū)時,產(chǎn)生超連續(xù)光譜的主要物理原因是高階孤子裂變和四波混頻.泵浦超短脈沖處于光子晶體光纖的反常色散區(qū)時,光子晶體光纖中的群速度色散和自相位調(diào)制相互作用,脈沖壓縮和展寬抵消形成孤子傳輸,在脈寬較寬時形成高階孤子,由于高階色散的影響,高階孤子裂變,同時每個脈沖會產(chǎn)生對應的藍移而且相位匹配的非孤子波,同時由于四波混頻效應,光譜相互兼并形成超連續(xù)譜.當飛秒脈沖的偏振方向與光纖的快軸或短軸重合時,隨著飛秒脈沖功率的增加,藍移和紅移輻射分別向兩端擴展,光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜就越寬.

當脈沖的偏振方向與光纖的快軸存在夾角θ時,抽運光功率P分解到2個垂直的快軸和慢軸方向上,這2個方向上的光功率分別表示為:

P1=Pcos2θ,P2=Psin2θ.

由于P1和P2都小于P,所以產(chǎn)生的超連續(xù)譜會相對于脈沖的偏振方向與快軸或短軸重合時的窄,超連續(xù)譜的寬度取決于P1和P2的最大值，當θ=45°時，超連續(xù)譜的寬度最窄.

3 結(jié)論

本文分析了光子晶體光纖中超連續(xù)譜的形成機制,并且研究了超連續(xù)譜的光譜和偏振特性.當脈沖偏振方向與光纖快軸不同夾角的情況下,光譜在成有規(guī)律的變化,當角度越接近45°時,光譜越平坦，其輸出是圓偏振.當偏振方向與光纖快軸或慢軸重合時,其輸出的超連續(xù)譜是很好的線偏振.本文的實驗結(jié)果對于基于光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源系統(tǒng)應用和優(yōu)化具有重要意義.

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Keywords： femtosecond laser pulse; photonic crystal fiber; supercontinuum; polarization

【責任編輯 成 文】

SUPERCONTINUUMGENERATIONANDPOLARIZATIONOFPHOTONICCRYSTALFIBERS

YAO Yinbo， LIU Haiying*

(School of Information and Optoelectronic Science and Technology, South China Normal University, Guangzhou 510631, China)

It is investigated the propagation of femtosecond pulses in the anomalous dispersion region of a birefregent photonic crystal fiber and the effect of its polarization on the broadening of the generated supercontinuum.It is found that the generated supercontinum exhibits a good linear polarization when the femtosecond pulse is coupled into the fiber with its polarization along the fast or slow axis of the photonic crystal fiber.When the angle between the polarization of the input femtosecond pulse and the fast axis is equal to 45 degree, the output supercontinum is circularly polarized.Since photonic crystal fibers with large birefringence usually possess high nonlinearity and third-order dispersion, they can be employed to produce supercontinuum with good polarization.The spectrum of supercontinum changes regularly when the angle between the pulse polarization and the fast aixs of the photonic crystal fiber is varied.A flat spectrum is observed when the angle is close to 45 degree.The experimental observations indicate that solid-core photonic crystal fibers with large birefregent can be used to generate supercontinuum with good linear polarization.

2010-11-18

國家自然科學基金項目(10974060)

*通訊作者: hyliu@scnu.edu.cn

1000-5463(2011)02-0065-05

TN 253

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