CN107422573B - 一种用于可调波长转换的光纤结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于可调波长转换的光纤结构,包括包层,一第一纤芯和一第二纤芯位于所述包层内,包层内侧与第一纤芯和第二纤芯之间填充有二氧化硅,第一纤芯包括其中均填充有掺杂的二氧化硅的内层纤芯、中层纤芯和外层纤芯,第二纤芯包括其中均填充有掺杂的二氧化硅的里层纤芯和表层纤芯,内层纤芯、外层纤芯和中层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度依次减小,里层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度小于表层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度,第一纤芯中通入的是泵浦光,第二纤芯中通入的是高频脉冲光。本发明利用高频脉冲光控制光纤中的三次谐波过程从而使基于光纤的三次谐波光的带宽大、波长可变、实际应用灵活。
Description
技术领域
本发明涉及光纤中的三次谐波相位匹配技术领域,尤其涉及一种用于可调波长转换的光纤结构。
背景技术
自从激光器诞生以来,非线性谐波效应一直是一个重点研究课题,受到人们的广泛关注。利用该效应,可获得更多新波段激光谱线,把已有的激光器推广到波长更短的谱线范围。
其中,光纤中三次谐波效应因其难以捉摸的量子效应而受到了广泛的关注,三次谐波可以用来产生短波长光,如紫外光,即利用高次谐波效应而由基频光产生新波段的激光。由于三次谐波的功率是入射泵浦功率的三次函数,这种三次关系有助于利用三次谐波效应而实现显微镜扫描检查、光学性能监控、材料处理和信号处理等技术。然而,高效的三次谐波过程需要满足相位匹配条件,还需要高非线性系数、低传波损耗、合适的材料等等,其中相位匹配条件至关重要,只有满足了相位匹配条件,才有可能实现较为有效的三次谐波过程。传统光纤中,由于相位匹配条件难以满足,因此传统光纤中的三次谐波转换效率很低。为了提高光纤中的三次谐波转换效率,南安普顿大学的研究人员通过模间相位匹配技术实现泵浦波和三次谐波的相位匹配,提高了三次谐波的转换效率。2011年,弗罗茨瓦夫大学的研究人员提出在光纤中加入折射率光栅结构,可以应用准相位匹配技术实现三次谐波非线性过程中的相位匹配。通过仿真得出光栅必须满足非线性准相位匹配条件从而实现最优三次谐波转换效率的结论。同样为了实现相位匹配,南洋理工大学三光子研究小组在二氧化硅光纤中掺杂高浓度锗,通过掺杂锗实现泵浦波基模与三次谐波高阶模之间的相位匹配。
在实现高效的三次谐波的过程中,虽然研究人员找出了大量的相位匹配的方法来实现三次谐波,但依旧存在缺陷,针对于每一个三次谐波过程中,泵浦光的波长和三次谐波光的波长都是固定的,实际应用不灵活。
发明内容
有鉴于此,本发明的实施例提供了一种利用高频脉冲光控制光纤中的三次谐波过程而实现基于光纤的三次谐波光的带宽大、波长可变的用于可调波长转换的光纤结构。
本发明的实施例提供一种用于可调波长转换的光纤结构,包括位于最外面的包层,一第一纤芯和一第二纤芯位于所述包层内,所述包层内侧与所述第一纤芯和所述第二纤芯之间填充有二氧化硅,所述第一纤芯由内至外依次包括内层纤芯、中层纤芯和外层纤芯,所述第二纤芯由内至外依次包括里层纤芯和表层纤芯,所述内层纤芯、中层纤芯和外层纤芯以及所述里层纤芯和所述表层纤芯其中均填充有掺杂的二氧化硅,所述内层纤芯、外层纤芯和中层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度依次减小,所述里层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度小于所述表层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度,所述第一纤芯中通入的是泵浦光,所述第二纤芯中通入的是高频脉冲光。
进一步地,大部分所述高频脉冲光在所述表层纤芯中传播,少量所述高频脉冲光在所述里层纤芯中传播,部分所述高频脉冲光溢出所述表层纤芯在所述包层中传播;大部分泵浦光在所述外层纤芯中传播,少量泵浦光在所述中层纤芯中传播,部分泵浦光溢出所述外层纤芯在所述包层中传播;由泵浦光和所述高频脉冲光在三次谐波过程中产生的大部分三次谐波光在所述内层纤芯中传播,小部分三次谐波光在所述中层纤芯中传播。
进一步地,当ψ=Δβ+(2γ31-3γ11)P1+(γ33-6γ13)P3+(2γ30-6γ10)P0=0时,泵浦光的基模和三次谐波光的基模之间相位匹配,其中P1是泵浦光的功率,P0是高频脉冲光的功率,P3是三次谐波光的功率,Δβ为线性相位失配,γ31是泵浦光和三次谐波光的交叉相位调制强度,γ11是泵浦光的自相位调制强度,γ33是三次谐波光的自相位调制强度,γ13是三次谐波光和泵浦光的交叉相位调制强度,γ30是高频脉冲光和三次谐波光的交叉相位调制强度,γ10是高频脉冲光和泵浦光的交叉相位调制强度。
进一步地,所述掺杂的二氧化硅中掺入的杂质为二氧化锗。
进一步地,所述内层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度等于所述表层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度,所述中层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度等于所述里层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度。
进一步地,所述内层纤芯、外层纤芯和中层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度依次为40%、20%、10%;所述里层纤芯和所述表层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度分别为10%和40%。
进一步地,所述包层的半径为62.5μm,所述外层纤芯的半径为2.5-6μm,所述中层纤芯的半径为1-2.5μm,所述内层纤芯的半径为0.3-1μm,所述表层纤芯的半径为2.5-6μm,所述里层纤芯的半径为0.3-1μm,所述第一纤芯和所述第二纤芯之间的圆心距为5.5-15μm。
进一步地,所述外层纤芯、所述中层纤芯和所述内层纤芯的半径依次为3μm、1.5μm和0.4μm,所述表层纤芯和所述里层纤芯的半径分别为3μm和0.3-1μm,所述第一纤芯和所述第二纤芯之间的圆心距为6.6μm。
本发明的实施例提供一种用于可调波长转换的光纤结构,包括位于最外面的包层,一第一纤芯和一第二纤芯位于所述包层内,所述包层内侧与所述第一纤芯和所述第二纤芯之间具有填充物,所述第一纤芯由内至外依次包括内层纤芯、中层纤芯和外层纤芯,所述第二纤芯由内至外依次包括里层纤芯和表层纤芯,所述内层纤芯、外层纤芯、中层纤芯和所述包层中的填充物的折射率依次减小,所述表层纤芯、所述里层纤芯和所述包层中的填充物的折射率依次减小;,所述第一纤芯中通入的是泵浦光,所述第二纤芯中通入的是高频脉冲光。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是:(1)所述第一纤芯中的泵浦光和所述第二纤芯中的高频脉冲光相互作用,使得泵浦光的基模和三次谐波光的基模在所述第一纤芯中实现相位匹配,提高了三次谐波的转换效率;(2)通过控制所述第二纤芯中传输的高频脉冲光的波长和功率,来调节在所述第一纤芯中进行的三次谐波过程,从而使泵浦光的波长和三次谐波光的波长可调、可变换,使实际应用更灵活;(3)本发明可适当的调整泵浦光、三次谐波光和高频脉冲光的波长来实现多种波长的三次谐波过程,且带宽大。
附图说明
图1是本发明用于可调波长转换的光纤结构的截面示意图;
图2是本发明用于可调波长转换的光纤结构处于三次谐波过程时的示意图;
图3为三次谐波光的功率随光纤传播距离变化的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1,本发明的实施例提供了一种用于可调波长转换的光纤结构,包括位于最外面的包层30,一第一纤芯和一第二纤芯位于所述包层30内。
所述包层30内侧与所述第一纤芯和所述第二纤芯之间填充有二氧化硅,所述第一纤芯包括其中均填充有掺杂的二氧化硅的内层纤芯12、中层纤芯11和外层纤芯10,所述内层纤芯、中层纤芯和所述外层纤芯由内至外依次设置,且所述掺杂的二氧化硅中掺入的杂质为二氧化锗。所述内层纤芯12、外层纤芯10和中层纤芯11中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度依次减小,本实施例中,所述内层纤芯12、外层纤芯10和中层纤芯11中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度依次为40%、20%、10%,所述包层30的半径r30为62.5μm,所述外层纤芯10的半径r10为2.5-6μm,所述中层纤芯11的半径r11为1-2.5μm,所述内层纤芯12的半径r12为0.3-1μm。优选所述外层纤芯10、所述中层纤芯11和所述内层纤芯12的半径依次为3μm、1.5μm和0.4μm。
所述第二纤芯包括其中均填充有掺杂的二氧化硅的里层纤芯21和表层纤芯20,所述里层纤芯和所述表层纤芯由内至外依次设置,且该掺杂的二氧化硅中掺入的杂质为二氧化锗。所述里层纤芯21中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度小于所述表层纤芯20中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度,本实施例中,所述里层纤芯21和所述表层纤芯20中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度分别为10%和40%,所述里层纤芯的半径r21为0.3-1μm,所述表层半径r20为2.5-6μm。优选所述表层纤芯和所述里层纤芯的半径分别为3μm和0.3-1μm。
所述第一纤芯与所述第二纤芯间隔设置,所述第一纤芯和所述第二纤芯之间的圆心距为5.5-15μm,优选所述第一纤芯和所述第二纤芯之间的圆心距为6.6μm。
所述第一纤芯中通入的是泵浦光(如图2中的斜杠所示),所述第二纤芯中通入的是高频脉冲光(如图2中的圆点所示),大部分所述高频脉冲光在所述表层纤芯20中传播,少量所述高频脉冲光在所述里层纤芯21中传播,部分所述高频脉冲光溢出所述表层纤芯20在所述包层3中传播;大部分泵浦光在所述外层纤芯10中传播,少量泵浦光在所述中层纤芯11中传播,部分泵浦光溢出所述外层纤芯10在所述包层30中传播;由泵浦光和高频脉冲光在三次谐波过程中产生的大部分三次谐波光(如图2中的方格所示)在所述内层纤芯12中传播,小部分三次谐波光在所述中层纤芯11中传播。
在本发明实施例提供的用于可调波长转换的光纤结构中,三次谐波过程中的泵浦光与三次谐波光,以及起控制作用的高频脉冲光相互作用的过程,用以下耦合模差分方程表示:
其中,k=0对应高频脉冲光,k=1对应泵浦光,k=3对应三次谐波光。γkk为重叠积分,用来衡量光相互作用时的自相位调制强度和交叉相位调制强度,Ak为模振幅,n2为材料的非线性折射率,ωk为角频率,αk为线性损耗,Δβ为线性相位失配,c为真空中的光速。其中Δβ是衡量相位匹配条件的一个重要参数,其计算公式如下:
其中Re表示实部,λ1和λ3分别表示泵浦光的波长和三次谐波光的波长,neff1和neff3分别表示泵浦光和三次谐波光的有效折射率。
在本发明实施例提供的用于可调波长转换的光纤结构中,若满足泵浦光的基模与三次谐波光的基模之间的相位匹配条件,那么就满足下列公式:
ψ=Δβ+(2γ31-3γ11)P1+(γ33-6γ13)P3+(2γ30-6γ10)P0=0
其中P1是泵浦光的功率,P0是高频脉冲光的功率,P3是三次谐波光的功率,Δβ为线性相位失配,γ31是泵浦光和三次谐波光的交叉相位调制强度,γ11是泵浦光的自相位调制强度,γ33是三次谐波光的自相位调制强度,γ13是三次谐波光和泵浦光的交叉相位调制强度,γ30是高频脉冲光和三次谐波光的交叉相位调制强度,γ10是高频脉冲光和泵浦光的交叉相位调制强度。
上述公式中,由于没有考虑非线性,Δβ是一个较大的正值;而第二项(2γ31-3γ11)P1中,由于γ31是泵浦光和三次谐波光的交叉相位调制强度,γ11是泵浦光的自相位调制强度,后者数值远小于前者,因此第二项(2γ31-3γ11)P1也是正值;而P3是产生的三次谐波光的功率,由于其数值很小,并不能影响总体数值的正负,所以要使得该式子(ψ=0)成立,我们就需要调节P0的大小、高频脉冲光和三次谐波光的交叉相位调制强度γ30以及高频脉冲光和泵浦光的交叉相位调制强度γ10,以减少高频脉冲光与三次谐波光之间的重叠,从而使(2γ30-6γ10)为负值,同时,还可以适当的减少所述第一纤芯和所述第二纤芯之间的圆心距以增大高频脉冲光与泵浦光之间的重叠。
因此在本发明实施例提供的用于可调波长转换的光纤结构中,所述第二纤芯中的所述表层纤芯20的掺杂浓度大于所述里层纤芯21的掺杂浓度,从而使所述表层纤芯20的折射率大于所述里层纤芯21的折射率,因此高频脉冲光在所述第二纤芯中传播时,所述高频脉冲光主要集中在所述表层纤芯20中,并且部分所述高频脉冲光溢出所述表层纤芯20进入所述包层30中;同理,在所述第一纤芯中,所述内层纤芯12的折射率最高,其次是所述外层纤芯10的折射率,折射率最低的是所述中层纤芯11的折射率,因此泵浦光在所述第一纤芯中传播时,所述泵浦光主要集中在所述外层纤芯10中,并且部分所述泵浦光溢出所述外层纤芯10进入所述包层3中,由于所述第一纤芯和所述第二纤芯之间的圆心距较小,所以增大了所述泵浦光和所述高频脉冲光之间的重叠,从而增加了所述高频脉冲光和所述泵浦光的交叉相位调制强度γ10,同时又保证了三次谐波过程中产生的三次谐波光主要在所述内层纤芯12中传播,且使高频脉冲光和三次谐波光的重叠降至最小,从而降低了所述高频脉冲光和所述三次谐波光的交叉相位调制强度γ30,使得相位匹配条件成立。
请参考图3,在本实施例中,测试光纤的三次谐波转换效率的时候,采用的结构参数为:所述包层的半径为r30=62.5μm,所述第一纤芯的所述外层纤芯10的半径r10的值为3μm、所述中层纤芯11的半径r11的值为1.5μm、所述内层纤芯12的半径r12的值为0.4μm,所述第二纤芯的所述表层纤芯20的半径r20的值为3μm、所述里层纤芯21的半径r21的值为0.3-1μm。泵浦光波长为1596nm,高频脉冲光的波长为2500nm,相应的谐波光波长为泵浦光波长的三分之一,即532nm。采用的泵浦光功率为100W,高频脉冲光功率为1.0824GW,测试中基本忽略线性损耗,通过计算,我们得到该结构参数下ψ≈0。由图3可以看出,沿着光纤传播的方向,在输入泵浦光波长为1596nm、功率为100W,高频脉冲光的波长为2500nm、功率为1.0824GW的情况下测试得到的三次谐波光的转换效率增长曲线图,可以从该图看出,三次谐波光沿着光纤传播了1m后,转换效率不断提升,证实该结构能够良好的满足相位匹配条件,且能够有效的提高三次谐波转换效率。然而当改变高频脉冲光的波长和功率时,ψ的绝对值变大,三次谐波转换效率就急剧降低,光纤中便不会产生三次谐波光。这时,改变泵浦光的波长,调节光纤结构和控制泵浦光的波长,使得满足ψ的值为0,即可实现多个波长下的相位匹配条件。因此,该光纤结构实现了波长可调的三次谐波过程。
本发明的实施例提供的用于可调波长转换的光纤结构中,所述内层纤芯12、中层纤芯11和外层纤芯10以及所述里层纤芯21和所述表层纤芯20其中均填充有掺杂的二氧化硅且掺杂的体积百分比浓度不尽相同的目的是为了使所述第一纤芯中的所述内层纤芯12、所述中层纤芯11和所述外层纤芯10具有不同的折射率,和使所述第二纤芯中的所述里层纤芯21和所述表层纤芯20也具有不同的折射率,所述包层30中填充二氧化硅,目的是使所述第一纤芯中的所述外层纤芯10和所述第二纤芯中的所述表层纤芯20的折射率均大于所述二氧化硅的折射率。在其他实施例当中,所述包层30内侧与所述第一纤芯和所述第二纤芯之间的填充物是其他的具有折射率较小且能允许光通过的材料,所述内层纤芯12、外层纤芯10、中层纤芯11和所述包层30中的填充物使所述内层纤芯12、外层纤芯10、中层纤芯11和所述包层30的折射率依次减小,所述表层纤芯20、里层纤芯21和所述包层30中的填充物使所述表层纤芯20、里层纤芯21和所述包层30的折射率依次减小。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是:(1)所述第一纤芯中的泵浦光和所述第二纤芯中的高频脉冲光相互作用,使得泵浦光的基模和三次谐波光的基模在所述第一纤芯中实现相位匹配,提高了三次谐波的转换效率;(2)通过控制所述第二纤芯中传输的高频脉冲光的波长和功率,来调节在所述第一纤芯中进行的三次谐波过程,从而使泵浦光的波长和三次谐波光的波长可调、可变换,使实际应用更灵活;(3)本发明可适当的调整泵浦光、三次谐波光和高频脉冲光的波长来实现多种波长的三次谐波过程,且带宽大。
在本文中,所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的,只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解,所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下,本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于可调波长转换的光纤结构,其特征在于:包括位于最外面的包层,一第一纤芯和一第二纤芯位于所述包层内,所述包层内侧与所述第一纤芯和所述第二纤芯之间填充有二氧化硅,所述第一纤芯由内至外依次包括内层纤芯、中层纤芯和外层纤芯,所述第二纤芯由内至外依次包括里层纤芯和表层纤芯,所述内层纤芯、中层纤芯和外层纤芯以及所述里层纤芯和所述表层纤芯其中均填充有掺杂的二氧化硅,所述内层纤芯、外层纤芯和中层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度依次减小,所述里层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度小于所述表层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度,所述第一纤芯中通入的是泵浦光,所述第二纤芯中通入的是高频脉冲光。
2.如权利要求1所述的用于可调波长转换的光纤结构,其特征在于:大部分所述高频脉冲光在所述表层纤芯中传播,少量所述高频脉冲光在所述里层纤芯中传播,部分所述高频脉冲光溢出所述表层纤芯在所述包层中传播;大部分泵浦光在所述外层纤芯中传播,少量泵浦光在所述中层纤芯中传播,部分泵浦光溢出所述外层纤芯在所述包层中传播;由泵浦光和所述高频脉冲光在三次谐波过程中产生的大部分三次谐波光在所述内层纤芯中传播,小部分三次谐波光在所述中层纤芯中传播。
3.如权利要求2所述的用于可调波长转换的光纤结构,其特征在于:当ψ=Δβ+(2γ31-3γ11)P1+(γ33-6γ13)P3+(2γ30-6γ10)P0=0时,泵浦光的基模和三次谐波光的基模之间相位匹配,其中P1是泵浦光的功率,P0是高频脉冲光的功率,P3是三次谐波光的功率,Δβ为线性相位失配,γ31是泵浦光和三次谐波光的交叉相位调制强度,γ11是泵浦光的自相位调制强度,γ33是三次谐波光的自相位调制强度,γ13是三次谐波光和泵浦光的交叉相位调制强度,γ30是高频脉冲光和三次谐波光的交叉相位调制强度,γ10是高频脉冲光和泵浦光的交叉相位调制强度。
5.如权利要求1所述的用于可调波长转换的光纤结构,其特征在于:所述掺杂的二氧化硅中掺入的杂质为二氧化锗。
6.如权利要求1所述的用于可调波长转换的光纤结构,其特征在于:所述内层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度等于所述表层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度,所述中层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度等于所述里层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度。
7.如权利要求1所述的用于可调波长转换的光纤结构,其特征在于:所述内层纤芯、外层纤芯和中层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度依次为40%、20%、10%;所述里层纤芯和所述表层纤芯中的二氧化硅掺杂的体积百分比浓度分别为10%和40%。
8.如权利要求1所述的用于可调波长转换的光纤结构,其特征在于:所述包层的半径为62.5μm,所述外层纤芯的半径为2.5-6μm,所述中层纤芯的半径为1-2.5μm,所述内层纤芯的半径为0.3-1μm,所述表层纤芯的半径为2.5-6μm,所述里层纤芯的半径为0.3-1μm,所述第一纤芯和所述第二纤芯之间的圆心距为5.5-15μm。
9.一种用于可调波长转换的光纤结构,其特征在于:包括位于最外面的包层,一第一纤芯和一第二纤芯位于所述包层内,所述包层内侧与所述第一纤芯和所述第二纤芯之间具有填充物,所述第一纤芯由内至外依次包括内层纤芯、中层纤芯和外层纤芯,所述第二纤芯由内至外依次包括里层纤芯和表层纤芯,所述内层纤芯、外层纤芯、中层纤芯和所述包层中的填充物的折射率依次减小,所述表层纤芯、所述里层纤芯和所述包层中的填充物的折射率依次减小,所述第一纤芯中通入的是泵浦光,所述第二纤芯中通入的是高频脉冲光。
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- 2017-08-31 CN CN201710773672.XA patent/CN107422573B/zh active Active
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Design and characteristics of a novel narrow-band filter with the dual-core photonic crystal fiber;ZHOU Jun等;《OPTOELECTRONICS LETTERS 》;20100701;全文 * |
掺镱双包层光纤激光器典型参数对斜线效率的影响;汪帆等;《强激光与粒子束》;20041231;全文 * |
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