CN113721404B - 一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源 - Google Patents

一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源，采用环形腔结构，泵浦源为中红外高峰值功率脉冲激光器，非线性增益介质为该光纤的悬挂芯。该悬挂芯反谐振光纤由外包层和内部呈现对称结构的悬挂芯以及悬挂壁组成，其主体材料为硫化物。将脉冲泵浦激光注入悬挂芯中发生四波混频参量过程，由此产生的闲频波即太赫兹波单向耦合进入悬挂芯反谐振光纤的空芯，并在空芯中实现低损耗传输。本发明所设计的光纤的悬挂芯非线性系数较高，容易满足相位匹配条件，同时通过调节悬挂芯的壁厚实现对太赫兹波的低损耗传输。本发明在产生太赫兹波时将具有更高的泵浦效率，这使其在国防，医疗，通讯等领域具有更广泛的应用潜力。

Description

一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源
技术领域
本发明涉及非线性太赫兹源领域，尤其涉及一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源。
背景技术
太赫兹技术在国防，医疗，天文学，通信等领域都有广泛的应用潜力，近几十年太赫兹源的研究更受关注，是推动太赫兹技术发展及其广泛应用的关键。在非线性光学领域产生太赫兹辐射源常用的方法有，基于非线性晶体的二阶差频效应太赫兹参量振荡器是目前最有潜力的技术之一，然而晶体的高损耗性和振荡腔的不稳定性使得泵浦效率较低；表面发射太赫兹源技术虽能克服以上问题，然而晶体需特殊设计难度较大且光波相互作用长度受限；基于四波混频效应的太赫兹光子晶体光纤参量振荡器因具有单模传输特性和强非线性效应同样受到一定的关注，然而实芯光纤对太赫兹波损耗巨大，且太赫兹波能量只能部分被限制在纤芯中。
发明内容
本发明提供了一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源，本发明实现了高非线性系数与低损耗传输太赫兹波两个优势的结合，详见下文描述：
一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源，所述太赫兹源包括：
中红外脉冲激光器作为泵浦光由凸透镜会聚到光纤输入端帽，依次经过第一偏振控制器、第一波分复用器和第一光纤适配器注入到悬挂芯反谐振光纤的单根悬挂芯，发生简并四波混频参量过程后剩余的泵浦光依次经过第二光纤适配器和第二波分复用器输出腔外；
环形腔内的振荡光波依次经过第二光纤适配器、第二波分复用器、窄带滤波器、第二偏振控制器、第一波分复用器和第一光纤适配器再次注入到悬挂芯反谐振光纤的同一根悬挂芯中；
所述悬挂芯反谐振光纤的同一根悬挂芯中产生的闲频波即太赫兹波单项耦合进入悬挂芯反谐振光纤的空芯中，在空芯中实现低损耗传输，末端放置太赫兹功率计以测量输出功率。
其中，所述悬挂芯反谐振光纤内部由6个第二悬挂壁固定的6根悬挂芯、结合6个第一悬挂壁组成正六边形空芯结构；6个第三悬挂壁置于相邻第二悬挂壁之间。
进一步地，所述第一悬挂壁的厚度满足太赫兹波在空芯中传输时的反谐振周期条件；所述第三悬挂壁促使太赫兹波从悬挂芯到空芯单向耦合。
优选地，所述悬挂芯的半径大于等于第一悬挂壁的厚度。所述悬挂芯反谐振光纤为硫化物材料。
其中，所述第一波分复用器、第二波分复用器、窄带滤波器适用于2～12μm波段。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明拓宽了反谐振光纤的应用范围，实现了高非线性系数与低损耗传输太赫兹波两个优势的结合，更高的泵浦效率使其在国防，医疗，通讯等领域具有更广泛的应用潜力；
2、本发明提出的新型悬挂芯反谐振光纤，其内部结构皆为常规几何体，便于设计与制备；
3、本发明提出的新型悬挂芯反谐振光纤，可以实现悬挂芯中产生的太赫兹波单向耦合进入空芯中，由于其传输介质为空气，使得该光纤对于太赫兹波有极低的传输损耗。
附图说明
图1为一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源的结构示意图；
图2为悬挂芯反谐振光纤示意图；
图3为悬挂芯反谐振光纤截面图；
图4为太赫兹波传输损耗随悬挂壁Ⅰ厚度改变的曲线图；
图5为随悬挂芯半径的改变，悬挂芯色散曲线的变化图；
图6为中红外脉冲激光在悬挂芯中的传输光场模式的示意图；
图7为太赫兹波在悬挂芯中的传输光场模式的示意图；
图8为太赫兹波在悬挂芯反谐振光纤空芯中的传输光场模式的示意图。
附图中，各标号代表内容列表如下：
1：高峰值功率中红外脉冲激光器； 2：凸透镜；
3：光纤输入端帽； 4：第一偏振控制器；
5：第一波分复用器； 6：第一光纤适配器；
7：悬挂芯反谐振光纤； 8：第二光纤适配器；
9：太赫兹功率计； 10：第二偏振控制器；
11：窄带滤波器； 12：第二波分复用器；
13：悬挂芯； 14：第一悬挂壁；
15：第二悬挂壁； 16：第三悬挂壁；
17：反谐振光纤外包层； 18：悬挂芯反谐振光纤外径；
19：对角悬挂芯间距； 20：第三悬挂壁的长度；
21：悬挂芯半径； 22：第二悬挂壁的厚度；
23：第一悬挂壁的厚度； 24：第三悬挂壁的厚度；
25：悬挂芯反谐振光纤外包层厚度。
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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
近几年，太赫兹空芯光纤的研究与制备使得太赫兹波可以在此类光纤的空芯中实现低损耗传输，通过特殊设计光纤内部结构可以实现局部高非线性系数发生四波混频效应，同时由此产生的闲频波即太赫兹波可以单向耦合进入空芯中实现低损耗传输，为高功率高效率的太赫兹源的产生提供了新的技术路线。
本发明实施例提供了一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源，参见图1，该太赫兹源包括：依次设置的峰值功率1kW输出波长4.3μm的中红外脉冲激光器1、凸透镜2、光纤输入端帽3、第一偏振控制器4、构成环形腔结构的第一波分复用器5、第一光纤适配器6、悬挂芯反谐振光纤7、第二光纤适配器8、第二波分复用器12、窄带滤波器11和第二偏振控制器10，环形腔内光纤纤芯/包层直径为9/125μm，太赫兹功率计的测量波段为30μm～100μm。
参见图2，本发明实施例中，悬挂芯反谐振光纤7内部由6个第二悬挂壁15固定的6根悬挂芯结合6个第一悬挂壁14组成正六边形空芯结构，同时6个第三悬挂壁16置于相邻第二悬挂壁15之间，第一光纤适配器6与第一波分复用器5、第二光纤适配器8与第二波分复用器12连接端其光纤型号皆与环形腔中光纤相同可以低损耗熔接，第一光纤适配器6、第二光纤适配器8与悬挂芯13连接端其纤芯尺寸皆与悬挂芯相同可以低损耗耦合。
参见图3，本发明实施例中，太赫兹空芯光纤7的外径为1060μm，对角悬挂芯13的间距为400μm，第三悬挂壁16的长度为320μm，悬挂芯13的半径为12μm，第一悬挂壁14的厚度为12μm，第二悬挂壁15的厚度为12μm，第三悬挂壁16的厚度为12μm，光纤外包层厚度为90μm。
参见图4，太赫兹波传输损耗随着第二悬挂壁15厚度的增加呈现周期性变化，此时宜将第一悬挂壁14的厚度设置为12μm以实现太赫兹波在悬挂芯反谐振光纤7的空芯中低传输损耗。
参见图5，悬挂芯反谐振光纤7的悬挂芯尺寸增加会导致其零色散点向长波长方向移动，将悬挂芯13的半径设置为12μm，对应的零色散点为泵浦波长4.3μm附近，易于实现四波混频要求的相位匹配条件。
在简并四波混频效应中，当确定悬挂芯13的色散参数β和非线性参数γ，以及泵浦光的峰值功率P和频率ωp的情况下，就可以计算出在相位匹配情况下频移量Δω＝ωs-ωp＝ωp-ωTHz，其中ωs为信号光波的频率，ωTHz为闲频波即太赫兹波的频率，ωp为泵浦光波的频率。本实施案例中振荡光波的波长为2.3μm，产生了32.9μm(9.1THz)的太赫兹波输出。
进一步的，悬挂芯反谐振光纤7由硫化物材料制成，本发明实施例以硫化砷材料为例，其非线性折射率系数n2比石英材料高2～3个数量级，同时单根悬挂芯有效模场面积Aeff较小致使非线性系数γ＝n2ωp/cAeff较大，ωp为泵浦光的光子频率，c为光速。
进一步的，作为泵浦的中红外脉冲激光输出波长位于单根悬挂芯零色散点附近，使得负值线性相位失配ΔkL＝β2(Δω)2+1/12β4(Δω)4+1/360β6(Δω)6的绝对值较小，其中β2为群速度色散，β4为四阶色散参数，β6为六阶色散参数，Δω为频移量；同时其峰值功率P较高，使得正值非线性相位失配ΔkNL＝2γP的值较大，容易实现相位匹配ΔkL+ΔkNL＝0。
进一步的，第一偏振控制器4和第二偏振控制器10调整泵浦光波和振荡光波的偏振态实现共线相位匹配以达到最大的参量增益。
参见图6，悬挂芯反谐振光纤7中的悬挂芯13可以单模传输中红外脉冲激光，并且能量集中在悬挂芯13中。
参见图7，悬挂芯反谐振光纤7中的悬挂芯13可以单模传输太赫兹波，并且能量部分集中在悬挂芯13中。
参见图8，由纤芯耦合进入悬挂芯反谐振光纤7中的六边形空芯的太赫兹波可以实现低损耗传输。
优选地，悬挂芯反谐振光纤的悬挂芯半径为5～25μm，可以实现中红外脉冲激光和环形腔内振荡光波的单模传输。
优选地，第一波分复用器Ⅰ、第二波分复用器Ⅱ、窄带滤波器适用于2～12μm波段。
上述发明虽然将硫化物悬挂芯反谐振光纤7应用于参量四波混频产生太赫兹波时，只针对一种尺寸下的太赫兹空芯光纤进行说明，不表明该方法只适合这种尺寸的太赫兹空芯光纤，所述方法针对其他尺寸的太赫兹空芯光纤以及其他波长的泵浦脉冲激光同样适用，同时可以改变光纤结构增加悬挂芯13的数目，将多束高峰值功率泵浦脉冲激光同时注入到光纤内部的每根悬挂芯13用以提高太赫兹波输出功率。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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 (6)

1.一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源，其特征在于，所述太赫兹源包括：依次设置的中红外脉冲激光器、凸透镜、光纤输入端帽、第一偏振控制器、构成环形腔结构的第一波分复用器、第一光纤适配器、悬挂芯反谐振光纤、第二光纤适配器、第二波分复用器、窄带滤波器和第二偏振控制器，
中红外脉冲激光器作为泵浦光由凸透镜会聚到光纤输入端帽，依次经过第一偏振控制器、第一波分复用器和第一光纤适配器注入到悬挂芯反谐振光纤的单根悬挂芯中，发生简并四波混频参量过程后剩余的泵浦光依次经过第二光纤适配器和第二波分复用器输出腔外；
环形腔内的振荡光波依次经过第二光纤适配器、第二波分复用器、窄带滤波器、第二偏振控制器、第一波分复用器和第一光纤适配器再次注入到悬挂芯反谐振光纤中的同一根悬挂芯中；
所述悬挂芯反谐振光纤的同一根悬挂芯中产生的闲频波即太赫兹波单向耦合进入悬挂芯反谐振光纤的空芯，并且在空芯中实现低损耗传输，末端放置太赫兹功率计以测量输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源，其特征在于，所述悬挂芯反谐振光纤内部由6个第二悬挂壁固定的6根悬挂芯、结合6个第一悬挂壁组成正六边形空芯结构；相邻第二悬挂壁之间还设置有6个第三悬挂壁。
3.根据权利要求2所述的一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源，其特征在于，所述第一悬挂壁的厚度满足太赫兹波在空芯中传输时的反谐振周期条件；所述第三悬挂壁促使太赫兹波从悬挂芯到空芯单向耦合。
4.根据权利要求2所述的一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源，其特征在于，所述悬挂芯的半径大于等于第一悬挂壁的厚度。
5.根据权利要求2所述的一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源，其特征在于，所述悬挂芯反谐振光纤为硫化物材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于悬挂芯反谐振光纤参量四波混频的太赫兹源，其特征在于，所述第一波分复用器、第二波分复用器、窄带滤波器适用于2～12μm波段。
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