田康振 胡永勝 任和 祁思勝 楊安平 馮憲 楊志勇

(江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院, 江蘇省先進(jìn)激光材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 徐州 221116)

測(cè)量了Ge-As-S 系列硫系玻璃在中紅外波段的飛秒激光損傷閾值, 研究了它與玻璃化學(xué)組成的關(guān)系.基于優(yōu)化的玻璃組成, 采用棒管法制備了芯徑為15 μm 的階躍折射率非線性光纖.采用飛秒脈沖抽運(yùn)光纖, 研究了光纖中超連續(xù)譜(supercontinuum, SC)的產(chǎn)生特性.在研究的Ge-As-S 硫系玻璃中, 具有化學(xué)計(jì)量配比的Ge0.25As0.1S0.65 玻璃顯示出最高的激光損傷閾值.以該玻璃作為纖芯材料、以與其相匹配的Ge0.26As0.08S0.66玻璃作為包層材料制備的光纖的數(shù)值孔徑約為0.24, 背景損耗 < 2 dB/m.采用4.8 μm 的飛秒激光抽運(yùn)長(zhǎng)度為10 cm 的光纖, 獲得了覆蓋2.5—7.5 μm 的SC.這些結(jié)果表明, Ge-As-S 硫系玻璃光纖是一種有潛力的中紅外高亮度寬帶SC 產(chǎn)生的非線性介質(zhì).

1 引 言

中紅外波段高亮度寬帶超連續(xù)譜(supercontinuum, SC)光源在光學(xué)相干層析成像、光學(xué)頻率計(jì)量、傳感等眾多領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力, 因此近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注[1?7].研究表明, 采用超短脈沖抽運(yùn)非線性光波導(dǎo)(包括光纖和平面波導(dǎo))是產(chǎn)生寬帶中紅外SC 的有效方法[1?3].目前,研究人員已在由碲酸鹽玻璃[4,8]、氟化物玻璃[5,9]和硫系玻璃[1,2,10,11]等中紅外光學(xué)材料制成的各種光波導(dǎo)中分別產(chǎn)生了中紅外SC.由于基質(zhì)材料固有的多聲子吸收, 碲酸鹽和氟化物光波導(dǎo)中產(chǎn)生的SC 波長(zhǎng)分別被限制在 < 5 μm 和 < 6 μm.相比之下, 硫系玻璃具有更低的聲子能量、更長(zhǎng)的紅外截止波長(zhǎng)和更高的非線性折射率(n2), 這使得其成為產(chǎn)生寬帶中紅外SC 的理想非線性光學(xué)材料[3,6,10,12,13].目前, 研究人員已在硫基、硒基和碲基硫系光波導(dǎo)中分別產(chǎn)生了覆蓋1.5—8 μm[10], 2—14 μm[3]和2—16 μm[12]的中紅外SC, 這幾乎達(dá)到了相應(yīng)光波導(dǎo)的傳輸光譜范圍極限.

在實(shí)際應(yīng)用中, 中紅外SC 光源除了需要具有較寬的光譜范圍外, 還應(yīng)具備較高的亮度.例如,高光譜成像和空氣污染監(jiān)測(cè)通常要求光源的光譜密度達(dá)到每納米毫瓦的水平[14].近年來(lái), 多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)嘗試了在硫系玻璃光纖中產(chǎn)生高亮度的SC.例如Gattass 等[15]通過(guò)抽運(yùn)SiO2和As2S3級(jí)聯(lián)光纖, 實(shí)現(xiàn)了平均功率為565 mW 的1.9—4.8 μm SC輸出.Robichaud 等[16]采用Er3+:ZrF4光纖激光器發(fā)射的3.6 μm 飛秒脈沖抽運(yùn)端面鍍Al2O3增透膜的As2Se3光纖, 獲得了覆蓋2.5—5.0 μm、平均功率為825 mW 的SC.相關(guān)工作正快速推動(dòng)基于硫系玻璃光纖的高亮度寬帶中紅外SC 光源進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段.由于常用硫系玻璃光纖的激光損傷閾值(laser damage threshold, Ith)相對(duì)較低, 限制了SC 輸出功率的進(jìn)一步提高[17?20].為了獲得具有優(yōu)異抗激光損傷性能的硫系玻璃, 研究人員考察了幾種硫系玻璃的激光損傷特性, 并提出了相關(guān)的損傷機(jī)制以及影響Ith的因素.研究表明, 在飛秒激光輻照下硫系玻璃的損傷起初由多光子電離引起,隨后被熱積累所驅(qū)動(dòng)[18,21]; 具有較大光學(xué)帶隙的玻璃通常表現(xiàn)出較高的抗激光損傷性能[18]; 平均鍵能較高的玻璃一般具有較高的Ith[17,22].在硫系玻璃中, S 基玻璃具有較大的光學(xué)帶隙和較高的平均鍵能, 且Ge-S 具有較強(qiáng)的鍵合強(qiáng)度, 因此含Ge 元素的S 基玻璃具有更好的抗激光損傷性能.本研究測(cè)量了一系列Ge-As-S 玻璃在中紅外波長(zhǎng)的Ith,優(yōu)選高激光損傷閾值的玻璃作為基質(zhì), 設(shè)計(jì)并制備了階躍折射率光纖, 進(jìn)一步測(cè)試和評(píng)估了使用該光纖產(chǎn)生中紅外SC 的潛力.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品制備

為了研究Ge-As-S 玻璃的Ith與化學(xué)組成的關(guān)聯(lián), 設(shè)計(jì)了包含富S、化學(xué)計(jì)量配比和缺S 的玻璃組成, 這里采用dS= (1 – x – y) – 2x – 1.5y = 1 –3x – 2.5y定量表示GexAsyS1–x–y偏離化學(xué)計(jì)量配比的程度.分別采用真空熔融-急冷法[23?27]和管棒法[11,23]制備相應(yīng)組成的玻璃和光纖.

2.2 樣品表征

將制備的Ge-As-S 玻璃棒切成2 mm 厚的薄片, 按照20/10 等級(jí)(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-13830B)進(jìn)行拋光后用于激光損傷測(cè)試.在激光損傷測(cè)試之前, 使用自制的透視成像檢測(cè)系統(tǒng)和Perkin-Elmer Lambda 950 分光光度計(jì)檢測(cè)樣品以確認(rèn)玻璃內(nèi)部沒(méi)有宏觀和微觀散射缺陷.激光損傷測(cè)試所用輻照光源為L(zhǎng)ight Conversion Orpheus-HP 光學(xué)參量放大器(optical parametric amplifier, OPA), 所用脈沖寬度、中心波長(zhǎng)和重復(fù)頻率分別為170 fs, 3.6 μm和100 kHz.用焦距為25 mm 的CaF2透鏡將光束聚焦到樣品表面, 輻照時(shí)間為60 s (即脈沖數(shù)達(dá)到6 × 106), 測(cè)量方案與之前報(bào)道中描述的相似[17,18,28].玻璃的Ith可通過(guò)下式確定:

其中, Pcr為臨界功率, R 是激光的重復(fù)率, τ 是脈沖寬度, r 是激光束腰半徑.

分別使用Perkin-Elmer Lambda 950 分光光度計(jì)和Bruker Tensor 27 傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試玻璃在0.5—3 μm 和3—20 μm 光譜范圍內(nèi)的透過(guò)率.使用TA Q2000 差示掃描量熱儀測(cè)定樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(glass transition temperature, Tg), 加熱速率為10 ℃/min.玻璃的線性折射率n0采用J.A.Woollam IR-VASE 橢偏儀測(cè)試, 測(cè)量光譜范圍為2—12 μm.采用截?cái)喾y(cè)試光纖的傳輸損耗, 所用設(shè)備為配備外部光纖耦合模塊的Bruker Tensor 27 傅里葉變換紅外光譜儀.

硫系玻璃光纖中產(chǎn)生SC 的測(cè)試方法如圖1所示.OPA 產(chǎn)生的抽運(yùn)光通過(guò)一個(gè)數(shù)值孔徑(numerical aperture, NA)為0.56、焦距為4 mm 紅外非球面透鏡(C036 TME-E, Thorlabs)耦合到光纖中, 用工作波段為2—16 μm 的紅外光束質(zhì)量分析儀(Wincamdir-BB, Dataray)實(shí)時(shí)檢測(cè)其耦合狀態(tài), 確保激光耦合入纖芯.光纖另一端輸出的SC經(jīng)過(guò)反射和斬波器(頻率為50 Hz)進(jìn)入單色儀(MS3504i, SOL)中, 在單色儀出口處使用液氮制冷MCT 探測(cè)器采集光譜.

圖1 SC 測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1.Experimental setup for mid-infrared SC measurements.

3 結(jié)果與討論

表1 列出了所研究的Ge-As-S 玻璃在波長(zhǎng)3.6 μm 處的Ith.圖2 顯示了玻璃的Ith與組成偏離化學(xué)計(jì)量配比程度dS的關(guān)系.可以看出, 當(dāng)S 不足(dS< 0)時(shí), Ith隨著dS 的增大迅速上升, 在化學(xué)計(jì)量配比(dS= 0)處達(dá)到最大值; 隨著S 含量的進(jìn)一步增大(dS> 0), Ith相對(duì)平緩下降; 與缺S 的玻璃相比, 富S 的玻璃顯示出較高的Ith.這種變化趨勢(shì)與玻璃的平均鍵能的演變相一致.之前的玻璃結(jié)構(gòu)研究表明[29,30], 對(duì)于化學(xué)計(jì)量配比的Ge-As-S 玻璃, 拉曼光譜僅包含位于280—450 cm–1的寬振動(dòng)帶, 歸屬于[GeS4]四面體和[AsS3]三角錐的特征振動(dòng).對(duì)于S 過(guò)量的玻璃, 拉曼光譜隨著S 過(guò)量程度的增加, 會(huì)出現(xiàn)短S 鏈(492 cm–1)以及S8環(huán) (151, 218 和472 cm–1)的特征峰.對(duì)于S不足的玻璃, 隨著S 含量減少, 會(huì)形成一個(gè)190—270 cm–1寬振動(dòng)帶, 對(duì)應(yīng)于As-As (225 cm–1)和Ge-Ge(250 cm–1)的振動(dòng).基于這些拉曼光譜變化特征可以推斷, Ge-As-S 玻璃具有以[GeS4]四面體和[AsS3]三角錐為骨架結(jié)構(gòu)單元相互交聯(lián)形成的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu); 對(duì)于具有化學(xué)計(jì)量配比的玻璃,[GeS4]和[AsS3] 通過(guò)S 連接, 結(jié)構(gòu)中幾乎不存在同極鍵; 當(dāng)S 過(guò)量時(shí), 會(huì)形成短S 鏈和S8環(huán); 當(dāng)S 不足時(shí), 玻璃中出現(xiàn)大量As—As 和Ge—Ge 同極鍵.異極鍵比同極鍵具有更高的鍵能, Ge—S,As—S, S—S, As—As 和Ge—Ge 的鍵能分別為551, 478, 425, 382 和274 kJ/mol[17].因此, 化學(xué)計(jì)量配比的玻璃具有最高的平均鍵能, 表現(xiàn)出最大的Ith; 同理, 由于S—S 鍵具有比Ge—Ge/As—As鍵更高的鍵能, 富S 玻璃具有比缺S 玻璃更高的平均鍵能, 從而表現(xiàn)出更高的Ith.

表1 Ge-As-S 玻璃在中心波長(zhǎng)為3.6 μm、脈沖寬度為170 fs、重復(fù)頻率為100 kHz 激光輻照下的IthTable 1.Ith of Ge-As-S glasses under the irradiation of 170 fs pulses with the repetition rates of 100 kHz at 3.6 μm.

圖2 Ge-As-S 玻璃的Ith 與化學(xué)組成的關(guān)聯(lián)Fig.2.Correlation between the Ith and dS of Ge-As-S glasses.

在硫系玻璃光纖中產(chǎn)生SC 的實(shí)際應(yīng)用中, 抽運(yùn)激光和產(chǎn)生的SC 均位于中紅外波段.文獻(xiàn)[23]報(bào)道了Ge-As-S 玻璃在近紅外波長(zhǎng)1.03 μm 飛秒激光作用下的Ith, 對(duì)應(yīng)的激光損傷與雙光子吸收有關(guān), 但該玻璃在中紅外波長(zhǎng)飛秒激光作用下的Ith與多光子(如6-8 光子)吸收[18]有關(guān), 因此Ge-As-S 玻璃在中紅外波長(zhǎng)的Ith與其在近紅外波長(zhǎng)的Ith會(huì)存在顯著差異.相比之下, 本文研究了Ge-As-S 玻璃在中紅外波長(zhǎng)3.6 μm 飛秒激光作用下的激光損傷, 可為其在中紅外波段的實(shí)際應(yīng)用提供更直接和可靠的參考數(shù)據(jù).

玻璃含量的高Ith使其更適合產(chǎn)生高亮度的SC, 因此本研究選擇具有化學(xué)計(jì)量配比的Ge0.25As0.1S0.65玻璃作為光纖的纖芯材料, 并進(jìn)一步測(cè)定了其光學(xué)和熱學(xué)性能, 選擇了與其相匹配的Ge0.26As0.08S0.66玻璃作為包層材料.圖3(a)顯示了Ge0.25As0.1S0.65和Ge0.26As0.08S0.66玻璃的透過(guò)光譜.結(jié)果表明, 這些玻璃在1—8 μm 范圍內(nèi)具有較高的透過(guò)率; 玻璃具有較高的純度, 在4 μm 波長(zhǎng)附近只有微弱的S-H 雜質(zhì)吸收, 而在4.3 μm 處的吸收是由空氣中的CO2引起的[31], 在8 μm 附近的吸收則是由Ge-O 雜質(zhì)引起的[32].根據(jù)圖3(b)所示的DSC 曲線, Ge0.25As0.1S0.65纖芯玻璃和Ge0.26As0.08S0.66包層玻璃的Tg分別為344 ℃和332 ℃.兩者的溫度相匹配, 可以在相同溫度下被拉制成光纖.玻璃的線性折射率n0如圖4 所示.Ge0.25As0.1S0.65和Ge0.26As0.08S0.66玻璃在2—10 μm 光譜區(qū) 的n0分別為2.1454—2.0982 和2.1312—2.0836.這種組合的玻璃可以拉制NA 約為0.24 的光纖.根據(jù)測(cè)試的Ge0.25As0.1S0.65和Ge0.26As0.08S0.66玻璃的n0擬合得到的Sellmeier 方程分別為

其中, λ 為波長(zhǎng).據(jù)此, 計(jì)算了纖芯玻璃Ge0.25As0.1S0.65的色散, 如圖5 所示, 其零色散波長(zhǎng)(zero dispersion wavelength, ZDW)為4.57 μm.當(dāng)芯徑為15 μm 時(shí), 光纖在該波長(zhǎng)附近的歸一化頻率V 約為2.4, 光纖為單模工作, 此時(shí)光纖的ZDW 約為4.50 μm (見(jiàn)圖5), 略小于纖芯材料的ZDW.

圖3 Ge-As-S 玻璃的 (a) 透過(guò)光譜(玻璃厚度為3.7 mm)和 (b) DSC 曲線Fig.3.(a) Transmission spectra and (b) DSC curves of Ge-As-S glasses.

圖4 Ge-As-S 玻璃的線性折射率n0 及光纖的NAFig.4.Measured refractive indices of Ge-As-S glasses and the calculated NA of the fiber.

圖5 Ge0.25As0.1S0.65 玻璃和芯徑為15μm 的Ge0.25As0.1 S0.65/Ge0.26As0.08S0.66 光纖的色散曲線Fig.5.Dispersion curves of Ge0.25As0.1S0.65 glass and Ge0.25As0.1S0.65/Ge0.26As0.08S0.66 fiber with a core diameter of 15 μm.

采用管棒法拉制了芯徑為15 μm 的Ge0.25As0.1S0.65/Ge0.26As0.08S0.66光纖, 獲得的光纖截面如圖6插圖所示.由于該光纖的纖芯尺寸太小, 無(wú)法使用上述光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試.因此, 本研究還拉制了纖芯直徑約為70 μm 的光纖用于損耗測(cè)試,圖6 顯示了測(cè)量的光纖損耗譜.光纖的背景損耗< 2 dB/m, 相對(duì)較高的損耗出現(xiàn)在3 μm, 4.1 μm和4.9 μm 附近, 這是由圖6 中標(biāo)記的雜質(zhì)吸收引起的[23].光纖的背景吸收從6 μm 開(kāi)始迅速增大,這是由光纖材料的多聲子吸收引起的[33]

圖6 Ge0.25As0.1S0.65/Ge0.26As0.08S0.66 玻璃光纖的 損耗 譜,插圖為光纖的橫截面Fig.6.Attenuation of fabricated Ge0.25As0.1S0.65/Ge0.26As0.08 S0.66 fiber.The inset is the cross section of the fiber.

最后, 以該光纖為非線性介質(zhì)評(píng)估了其用于產(chǎn)生中紅外SC 的潛力.研究表明, 在近零色散波長(zhǎng)的反常色散區(qū)域抽運(yùn)光纖利于獲得寬帶SC[17,31].因此本研究選擇了4.8 μm 來(lái)抽運(yùn)光纖.將抽運(yùn)光(4.8 μm, 170 fs, 100 kHz)耦合到芯徑為15 μm、長(zhǎng)度為10 cm 的Ge0.25As0.1S0.65/Ge0.26As0.08S0.66光纖中, 采用紅外光束質(zhì)量分析儀實(shí)時(shí)檢測(cè)光纖的輸出端.如圖7(a)所示, 當(dāng)耦合位置最佳時(shí)絕大部分光能量集中在基模.圖7(b)給出了在不同平均抽運(yùn)功率(耦合透鏡前部測(cè)得的激光功率)下光纖中產(chǎn)生的SC.可以看出, 隨著平均抽運(yùn)功率的增大,脈沖頻譜迅速展寬.當(dāng)平均抽運(yùn)功率達(dá)到30 mW(在耦合透鏡前測(cè)得的平均功率)時(shí), 耦合效率約為50%, 實(shí)際耦合進(jìn)光纖中的平均功率約為15 mW,對(duì)應(yīng)的峰值功率約為882 kW, 獲得了覆蓋2.5—7.5 μm 的SC 輸出, 輸出的平均功率約5.5 mW.

圖7 (a) Ge-As-S光纖輸出光斑; (b) 采用4.8 μm 激 光(170 fs, 100 kHz)抽運(yùn)芯徑為15 μm 的Ge0.25As0.1S0.65/Ge0.26 As0.08S0.66 玻璃光纖獲得的SC 輸出Fig.7.(a) Measured light spot at the output end of the Ge-As-S fiber; (b) Measured SC generated in the Ge0.25As0.1 S0.65/Ge0.26As0.08S0.66 fiber with a core diameter of 15 μm when pumped at 4.8 μm (170 fs, 100 kHz).

光纖中SC 的產(chǎn)生是一個(gè)由超快激光脈沖在非線性光纖中傳輸并展寬的復(fù)雜物理過(guò)程.該過(guò)程通?？梢酝ㄟ^(guò)廣義非線性薛定諤方程(generalized nonlinear Schr?dinger equation, GNLSE)描述[34]:

其中A (z, t) 是電場(chǎng)包絡(luò)函數(shù), ω0是角載波頻率, γ 是與激光強(qiáng)度相關(guān)的光纖有效非線性系數(shù)是光纖模場(chǎng)面積, c 是真空中的光速), β(ω0) 是對(duì)應(yīng)的傳輸常數(shù), α(ω) 是頻率相關(guān)的光纖損耗, β1(ω0) 是β(ω0)展開(kāi)的第一項(xiàng), IFT{}項(xiàng)代表反傅里葉變換, Ω 是變換變量,代表傅里葉變換; 其中公式等號(hào)左邊第二項(xiàng)代表光纖波導(dǎo)損耗的影響, 左邊第三項(xiàng)代表光纖色散特性的影響, 而公式等號(hào)右邊項(xiàng)則和自相位調(diào)制(SPM)、四波混頻(FWM)及受激拉曼散射(SRS)等非線性效應(yīng)相關(guān).當(dāng)抽運(yùn)超快激光位于光纖近零色散波長(zhǎng)且偏正群速度色散波長(zhǎng)區(qū)域時(shí), 抽運(yùn)脈沖在SRS 的輔助下, 產(chǎn)生向長(zhǎng)波方向延伸的拉曼孤子波; 同時(shí)在近零色散條件下, 在抽運(yùn)光的短波側(cè)產(chǎn)生和該孤子波滿足FWM 相位匹配的色散波.這樣在脈沖沿光纖傳播過(guò)程中, 抽運(yùn)脈沖的光子能量向長(zhǎng)波和短波兩側(cè)依次轉(zhuǎn)換成向長(zhǎng)波延伸的孤子波和向短波延伸的色散波, 直至抽運(yùn)能量完全耗盡.此外, 從光纖有效非線性系數(shù)γ 的定義可以看到, 硫系玻璃的高非線性折射率n2有利于在較低抽運(yùn)脈沖能量的條件下產(chǎn)生寬帶SC[35,36].因此, 本文通過(guò)采用近零、正群速度色散的4.8 μm 飛秒激光抽運(yùn)方式, 可以在幾百千瓦峰值功率的低能量飛秒脈沖抽運(yùn)下, 在僅有10 cm 長(zhǎng)的硫系光纖中實(shí)現(xiàn)2.5—7.5 μm (接近兩個(gè)倍頻程)的中紅外寬帶SC.

4 結(jié) 論

在研究的Ge-As-S 系列玻璃中, 具有化學(xué)計(jì)量配比的Ge0.25As0.1S0.65玻璃具有最佳的抗激光損傷性能, 使其更適合用于產(chǎn)生高亮度SC.以Ge0.25As0.1S0.65和Ge0.26As0.08S0.66玻璃分別為纖芯材料和包層材料, 可在相同溫度下拉制出NA 約為0.24 的光纖, 當(dāng)纖芯直徑為15 μm 時(shí), 光纖的ZDW約為4.5 μm.采用管棒法制備的Ge0.25As0.1S0.65/Ge0.26As0.08S0.66光纖的背景損耗 < 2 dB/m, 采用脈沖寬度為170 fs、重復(fù)頻率為100 kHz 的4.8 μm激光抽運(yùn)芯徑為15 μm、長(zhǎng)度為10 cm 的光纖, 可獲得覆蓋2.5—7.5 μm 的SC.