高相干度中红外超连续谱光源的研究

第39卷第3期2017年5月

湖北大学学报（自然科学版）

Journal of Hubei University(Natural Science)

Vol. 39 No. 3

M a y，2017

文章编号：1000 2375 (2017 )03 0258 06

高相干度中红外超连续谱光源的研究

别业广\曾言杨张永成纯富欧艺文u

(1.湖北工业大学理学院，湖北武汉430068;

2.太阳能髙效利用湖北省协同创新中心（湖北工业大学），湖北武汉430068)

摘要:选用全波段正常色散A^S3光子晶体光纤作为非线性介质来消除反常色散区中孤子分裂引起的调制不稳定 性所造成的超连续谱相干特性的恶化问题.利用分步傅里叶法数值模拟超短激光脉冲在全波段正常色散A^S3光子晶 体光纤中的非线性传输和中红外超连续谱的产生.分析脉宽、传输距离、人射峰值功率和初始啁啾对中红外超连续谱光 源的带宽、相干特性和平坦度的影响.通过优化栗浦激光参数和光纤参量，在最佳负啁啾C p = -4、脉宽为50 f s、中心波 长为2 800 n m、人射峰值功率为100 W和光纤长度为20 c m时，获得3 d B带宽髙达2 484 n m的中红外超连续谱，且具有 良好相干度和平坦度.

关键词:光纤光学;A S:S3光子晶体光纤；中红外超连续谱光源;相干特性

中图分类号:TN249 文献标志码:A D O I：10.3969/j .issn.1000-2375.2017.03.009

Study on highly coherent mid-infrared supercontinuum source

B I E Y e g u a n g1，Z E N G Y a n!，2，Y A N G Zhangyong !，2，

C H E N G Chunfu !，2，O U Y i w e n!，2

(1. School of Science，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China； 2. Hubei Collaborative Innovation

Center for High-efficient Utilization of Solar Energy(Hubei University of Technology)，Wuhan 430068，China) Abstract ：A n all-normal dispersion A s2S3photonic crystal fiber is selected as the nonlinear media to eliminate the degradation of coherence characteristics of supercontinuum in the anomalous dispersion region which is caused by the modulation instability induced by the fission of higher-order soliton. T h e nonlinear propagation of an ultrashort pulse and mid-infrared supercontinuum generation in an all-normal dispersion A s2 S3 photonic crystal fiber were simulated with the standard split-step Fourier algorithm. T h e impact of pulse width，propagation distance，input peak p o w e r，initial frequency chirp on the bandwidth，coherence properties and flatness of supercontinuum was simulated and analyzed. B y optimizing the parameters of the p u m p pulse and parameters of the fiber，a highly coherent and flat supercontinuum with 3 d B bandwidth of 2 484 n m i s obtained w h e n the optimal chip is -4，pulse width is 50 fs，p u m p wavelength is 2 800 n m，input peak power is 100 W and fiber length is 20 cm.

K e y w o r d s：fiber optics; A s2S3 photonic crystal fiber；mid-infrared supercontinuum source; coherence characteristics

0引言

中红外超连续谱光源因其所处波段覆盖了众多重要分子的特征谱线而广泛地应用于气体分子检测、大气传输、红外遥感以及生物成像等领域[1-2].近年来伴随着软玻璃光子晶体光纤制作工艺的

收稿日期:2016 1114

基金项目：国家自然科学基金（61475044、41301372、51405143)、太阳能高效利用湖北省协同创新中心开放基金（HBSKFMS2014019、HBSKFZD2014007)和博士启动金（BSQD13047、BSQD13048)资助

作者简介:别业广（1964-),男，副教授,E-mail:bieyygg@;成纯富，通信作者，副教授,E-mail:chengchunfu@126. com

第3期别业广，等:高相干度中红外超连续谱光源的研究259

成熟[3_4]，软玻璃光子晶体光纤以其低传输损耗、可控的色散特性和增强的非线性特性成为产生中红外超连续谱的优良介质[5_7]，从而使基于软玻璃光子晶体光纤的中红外超连续谱现象的研究成为当前的热门研究课题.常用的中红外软玻璃光子晶体光纤主要有硫化物光纤、氟化物光纤以及碲化物光纤等.其中硫系玻璃特别是A S2S3玻璃拉制出的光子晶体光纤因其具有较高非线性系数和更宽光谱传输范围等优点而引起了学术界的广泛关注[844].2005年，S h a w L B研究小组成功拉制出第一根硫化物光子晶体光纤，并观察到中红外超连续谱现象[8]，首次揭示了硫化物光子晶体光纤产生中红外超连续谱光源的优势及其应用前景.随后几年，人们拉制出了各种硫系玻璃的光子晶体光纤，并观 察到中红外超连续谱现象[9-10].2010年，Smektala F研究小组成功拉制出A^S3光子晶体光纤，并观察到带宽超1 500 n m的中红外超连续谱[11].与其他硫系玻璃相比，A^S3玻璃材料拉制出的光子晶体光纤物理性能更加稳定、成本更低，引起了人们的极大关注.2012年，Fatome J研究小组对A s2S3光子晶 体光纤中反常色散区的中红外超连续谱现象进行了系统的研究[12].利用光参量放大器泵浦A S2S3光 子晶体光纤，该研究小组获得了带宽超2000 n m的中红外超连续谱，并指出其产生机理主要是高阶孤子的分裂.由于高阶孤子的分裂会引起调制不稳定性，而调制不稳定性会引起超连续谱的相干度和平坦度退化，所以该研究小组虽然使中红外超连续谱的带宽得到了进一步的展宽，但其平坦度和相干度却较差.反常色散区中产生的超连续谱带宽虽然很宽，但相干性较差，这严重影响了超连续谱在光学相干层析、气体传感、高精密光学频率测量等领域的应用[15—16]. 2013年，G a o W等人研究了A S2S3光子晶体光纤中正常色散区的中红外超连续谱现象[13]，并指出超连续谱的产生机理主要是自相位调制，高阶孤子的分裂引起的调制不稳定性不起作用，故在正常色散区获得了较高平坦度和相干度的中红外超连续谱，但与反常色散区相比，正常色散区产生的中红外超连续谱的带宽较窄.为了进一步提高正常色散区产生的中红外超连续谱的带宽，2015年，P S M a j i等人设计了全波段正常色散A s2S3光子晶体光纤[14]，并在16 c m长的全波段正常色散A s2S3光子晶体光纤中获得20d B带宽为 740 n m(覆盖范围为2 410〜3 150 n m)的中红外超连续谱，且具有良好的平坦性，但泵浦激光参数和光纤参数如何进行系统优化以获得高相干度的中红外超连续谱的相关研究未见报道.为此，本文中 系统研究全波段正常色散A S2S3光子晶体光纤中高相干度的中红外超连续谱，通过优化泵浦激光参数和光纤参量，希望能获得相干度和平坦度较好的中红外超连续谱光源.

1理论模型

为研究全波段正常色散A S2S3光子晶体光纤中超连续谱光源的产生及其相干特性，本文中采用分步傅里叶法数值求解广义非线性薛定谔方程[17].

f=+ i Y(1+ 忐去卜“，t)L及(t-t)1A“，t) |2d T]⑴

式中，^4表示脉冲慢变包络振幅^是沿光纤方向的传输距离，^表示光纤的色散效应（r n表示色散阶数），t- %是以群速率为％参考系的时间参量，t表示时延，a和y分别为光纤的传输损耗和非线性系数，及⑴=(1-/〃)5(〇+/A⑴为拉曼响应函数，/〃表示延时拉曼响应对非线性极化的贡献，约为0.18人⑴为拉曼响应函数，其表达式为[17]:

〜⑴（2)

式中，参量T1和T2是2个可调节的参量，其值分别为15. 5

fs 和230. 5 fs[14].

本文中采用的高非线性光纤为全波段正常色散的

A S2S3光子晶体光纤，其色散曲线如图1所示[16].由图1可

以看出，该光纤在2 800 n m处色散值趋于零，表明2800

n m处色散效应较弱.研究表明，色散效应越弱越有利于高