CN107589614A - 一种用于提高光纤中三次谐波产生效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新的提高光纤中三次谐波产生效率的新方法，利用设计的具有双零色散波长的氟碲酸盐微结构光纤作为产生三次谐波的介质，1560nm飞秒激光作为泵浦激光，在微结构光纤中产生孤子自频移，当孤子波长扫过基模与高阶模式相位匹配的点时，波长为527nm，544nm，580nm，629nm的三次谐波逐次出现并增强。当孤子自频移抵消效应发生时，孤子匹配到的三次谐波(波长为629nm)增长最快，其转换效率得到显著提高，可达0.92％。

Description

一种用于提高光纤中三次谐波产生效率的方法

技术领域

本发明属于短波长超短脉冲激光产生技术领域，具体涉及到一种用于提高光纤中三次谐波产生效率的方法。

背景技术

三次谐波产生是一种典型的非线性光学效应，是指频率为ω的光入射介质产生频率为3ω光的过程。利用三次谐波产生可以获得更短波长(可见乃至深紫外)的光源，进而应用在生物医疗，显微成像、显示等领域。近年来，研究者们努力想利用三次谐波产生获得全光纤短波长超短脉冲激光。

目前，在光纤中产生三次谐波的方法为：将一束脉冲激光入射进一段高非线性光纤中，当泵浦光和三次谐波波长满足相位匹配条件n(3ω)-n(ω)＝0时，即在光纤中产生三次谐波，其中n(3ω)和n(ω)分别为三次谐波和泵浦光波长处的有效模式折射率。对于光纤中的基模，频率为ω和3ω的模式折射率相差较大，因此在单模光纤中很难产生三次谐波。若当光纤在频率为3ω处支持多个模式传输，三次谐波波长处的高阶模式的有效折射率与泵浦频率ω处的基模有效折射率相等时，也可以获得三次谐波，然而，这种情况要求光纤的纤芯与包层的折射率差较大，大部分标准光纤很难实现。

自从1996年光子晶体光纤问世以来，一种包层中带有空气孔的微结构光纤可以大范围调节纤芯与包层的折射率差，因此为三次谐波的产生提供了最佳的环境。另外，由于微结构光纤具有较大的非线性系数，因此在微结构光纤中很容易观察到三次谐波产生。然而，当一束脉冲激光在微结构光纤中传输时，除了产生三次谐波，同时也会发生自相位调制，交叉相位调制，四波混频，孤子劈裂等非线性效应，这些非线性效应会导致作为三次谐波产生的泵浦光的频域和时域发生改变，最终直接影响所产生的三次谐波具有较差的光谱结构，同时由于泵浦光在时域上劈裂成多脉冲，导致三次谐波产生的相位匹配条件失配，极大地限制了三次谐波的转换效率。为了解决这些问题，人们利用拉曼孤子作为泵浦光，研究了光纤中的三次谐波产生现象，这是因为拉曼孤子在光纤中传输时，受自相位调制和色散的共同作用，孤子的脉冲形状和频谱都不会发生变化。通常，当泵浦光在光纤的反常色散区泵浦的时候，由于孤子劈裂效应，光纤中产生光孤子脉冲，而光孤子频谱的短波长信号会作为受激拉曼散射的泵浦光，在长波长处产生拉曼增益，此时，孤子会表现出随泵浦功率增加波长逐渐红移的现象。当红移的拉曼孤子的有效模式折射率与它对应的三次谐波处的高阶模的有效模式折射率相等的时候，相位匹配的三次谐波就会产生。然而，由于孤子的波长随泵浦功率不断红移，这就导致了孤子和三次谐波的相互作用长度较短，而三次谐波产生的效率与泵浦功率的平方项以及相互作用长度的平方项成正比，因此，如何增加孤子与相位匹配的三次谐波的相互作用距离是获得高效率三次谐波的关键。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种用于提高光纤中三次谐波产生效率的方法，将光子晶体光纤中的非线性效应——孤子自频移抵消效应应用在三次谐波产生过程中，利用氟碲酸盐微结构光纤中的孤子自频移抵消效应将孤子波长固定下来，进而增加孤子(泵浦光)与三次谐波的相互作用长度，进而提升光纤中三次谐波产生的效率。

本发明的技术方案如下：

在微结构光纤中通过孤子自频移抵消效应增强相位匹配三次谐波的转换效率，将1560nm的泵浦源在微结构光纤中产生孤子自频移效应，同时不断增加泵浦源的功率；当孤子波长在微结构光纤中随泵浦源功率的增加由1560nm移动到1740nm的过程中，分别产生了三个相位匹配的三次谐波，波长分别是：527nm，544nm，580nm，当孤子中心波长移动到1911nm时，孤子自频移抵消效应发生，孤子波长被锁定，此时该孤子激发产生的相位匹配的三次谐波波长为629nm，继续增加功率到30.17mW，三次谐波的转换效率可达0.92％，此时孤子与三次谐波的相互作用距离为3.2cm。

所述的泵浦源为1560nm的飞秒光纤激光器，其脉冲宽度约为150fs。

所述的微结构光纤为一种具有双零色散波长的5cm长的氟碲酸盐微结构光纤，为实验室用棒管法拉制光纤，其纤芯被六个花瓣形的空气孔包围，外侧是一种低折射率的包层材料，其中纤芯和包层组分分别为70TeO₂-20BaF₂-10Y₂O₃和65TeO₂-25BaF₂-10Y₂O₃，空气孔的大小可通过控制光纤拉丝塔的通气装置的气压调节；微结构光纤具有两个零色散波长，分别为891nm和2012nm，且891nm～2012nm为光纤的反常色散区，使用回切法测试到光纤在1560nm处的传输损耗为0.14dB/m。

本发明的原理：

孤子自频移抵消效应是指在一个具有双零色散波长的光纤中，当孤子波长接近光纤的第二个零色散波长的时候，孤子会向第二零色散波长的更长波处以色散波的形式辐射一部分能量，同时孤子的波长不再向前移动，而是固定在了第二个零色散波长的附近。孤子自频移抵消效应是一种非常稳定的状态，而且孤子和红移色散波的波长可以通过设计光纤的色散曲线来确定。在这种情况下，如果这种波长被锁定的孤子的有效模式折射率和它的三次谐波处的高阶模式的有效模式折射率相等，那么相位匹配的三次谐波就会产生。而且，由于孤子波长被锁定，孤子和三次谐波的作用距离将大大增加，此时三次谐波的强度会随功率快速增长。

本发明的有益效果：

本发明利用氟碲酸盐微结构光纤中的孤子自频移抵消效应将孤子波长固定下来，进而增加孤子(泵浦光)与三次谐波的相互作用长度，而三次谐波产生的效率与泵浦功率的平方项以及相互作用长度的平方项成正比，因此提升了光纤中三次谐波产生的效率，获得高效率三次谐波。

附图说明

图1：设计并制备出的氟碲酸盐微结构光纤的端面结构示意图。

图2：纤芯和包层组分玻璃的折射率曲线。

图3：纤芯和包层组分玻璃的材料色散曲线。

图4：微结构光纤中基模的群速度色散曲线(黑色实线)和β₁参数(黑色虚线)。

图5：微结构光纤中基模的受限损耗曲线。

图6：满足和孤子相位匹配条件的三次谐波的高阶模式的电场分布。

图7：图6中所示的高阶模式的受限损耗曲线。

图8：图6中所示的高阶模式和基模的有效折射率曲线，基模有效折射率和高阶模式有效折射率的交点的横坐标为相位匹配的三次谐波的波长。

图9：孤子自频移抵消效应增强三次谐波产生的实验装置图。

图10：1560nm飞秒激光脉冲在光纤中传输时，泵浦光，孤子，色散波光谱随入射功率增加的演化图。

图11：1560nm飞秒激光脉冲在光纤中传输时，三次谐波光谱随入射功率增加的演化图。

图12：波长分别为527nm，544nm，580nm，629nm的三次谐波强度随入射泵浦光的平均功率的变化曲线。

图13：当1560nm飞秒脉冲的平均功率分别为15mW，26mW，28mW，30.17mW时，脉冲光谱沿光纤长度的演化图，波长为629nm的三次谐波与孤子的相互作用长度分别为：0cm，0.3cm，2cm，3.2cm。

具体实施方式

一种用于提高光纤中三次谐波产生效率的方法，下面结合附图对本发明做进一步阐述：

实施例1：

在氟碲酸盐微结构光纤中通过孤子自频移抵消效应增强相位匹配三次谐波的转换效率。

首先，采用棒管法制备出氟碲酸盐微结构光纤，微结构光纤1的横截面如图1所示，纤芯被六个花瓣形的空气孔包围，再外边是包层，其中纤芯和包层的材料分别为70TeO₂-20BaF₂-10Y₂O₃和65TeO₂-25BaF₂-10Y₂O₃，空气孔的大小可以通过控制光纤拉丝塔的通气装置的气压调节。纤芯和包层的折射率曲线和计算的材料色散如图2和图3所示。图4中黑色实线和黑色虚线分别为光纤中基模的群速度色散曲线和β₁参数。由群速度曲线可知，微结构光纤具有两个零色散波长，分别为891nm和2012nm，且891nm～2012nm为光纤的反常色散区。图5为基模的受限损耗曲线，在波长小于3000nm的范围，这种微结构光纤基模的受限损耗都小于2dB/m，非常适合研究光纤中孤子自频移抵消效应和三次谐波产生的现象。我们使用回切法测试到的光纤在1560nm处的传输损耗约为0.14dB/m。图6为满足和孤子相位匹配条件的三次谐波的高阶模式的电场分布，图7为该高阶模式的受限损耗，可知高阶模式的受限损耗在500nm-750nm之间的值，图8为该高阶模式和基模的有效折射率曲线，基模有效折射率和高阶模式有效折射率的交点的横坐标为相位匹配的三次谐波的波长，图中交点位置的波长分别为：527nm,542nm,580nm和629nm。

然后，使用5cm长的氟碲酸盐微结构光纤作为非线性介质，其纤芯直径400μm，1560nm飞秒光纤激光器作为泵浦源，搭建孤子自频移抵消效应增强三次谐波产生的实验装置,如图9所示，为了获得较纯净的孤子脉冲，图中1560nm飞秒激光器的脉冲宽度为150fs，重复频率为50MHz，最大输出功率约为500mW，飞秒激光经过一组透镜组耦合进入5cm长的微结构光纤1，微结构光纤的输出信号经过一段模场面积的氟化物跳线(纤芯直径400μm)传输到光谱分析仪进行测试。图10为1560nm飞秒激光脉冲在光纤中传输时，泵浦光，孤子，色散波光谱随入射泵浦激光功率增加的演化图，图11为相应的三次谐波光谱随入射功率增加的演化图。当泵浦功率为15mW时，第一个孤子产生，并随着泵浦功率进一步增大孤子波长逐渐向长波长移动，当泵浦功率为25.2mW的时候，孤子自频移抵消效应发生，孤子波长不再随泵浦功率增大继续向长波长移动，同时在第二个零色散波长的右边辐射出一个色散波。与之对应，当孤子自频移扫过基模与高阶模式相位匹配的点时，波长为527nm，544nm，580nm，629nm的三次谐波逐次出现并增强，其中孤子自频移抵消效应发生时孤子匹配到的三次谐波(波长为629nm)增长最快，三次谐波转换效率达0.92％。图12波长分别为527，544，580，629nm的三次谐波强度随入射泵浦光的平均功率的变化曲线，增长速度分别为0.04/mW，0.21/mW，0.55/mW和2.58/mW，可见当孤子自频移抵消效应发生时，相位匹配的三次谐波强度的增长速度要大于其他三次谐波的增长速度。当1560nm飞秒脉冲的平均功率分别为15mW，26mW，28mW，30.17mW时，脉冲光谱沿光纤长度的演化图，波长为629nm的三次谐波与孤子的相互作用长度分别为：0cm，0.3cm，2cm，3.2cm，如图13所示。

Claims (3)

1.一种用于提高光纤中三次谐波产生效率的方法，其特征在于将泵浦源在具有双零色散波长的氟碲酸盐微结构光纤中产生孤子自频移抵消效应将孤子波长固定在零色散波长附近，进而增加孤子(作为泵浦光)和三次谐波的相互作用距离，最终提升光纤中三次谐波的转换效率。

2.如权利要求1所述的一种用于提高光纤中三次谐波产生效率的方法，其特征在于具有双零色散波长的氟碲酸盐微结构光纤是利用棒管法制备出，其纤芯和包层组分分别为70TeO₂-20BaF₂-10Y₂O₃和65TeO₂-25BaF₂-10Y₂O₃。

3.如权利要求2所述的一种用于提高光纤中三次谐波产生效率的方法，其特征在于泵浦源为1560nm的飞秒光纤激光器，其脉冲宽度约为150fs。