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. 3M 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.1000-2375.2017.03.009Study on highly coherent mid-infrared supercontinuum sourceB 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 InnovationCenter 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 characteristics0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. 5fs 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2800n m处色散效应较弱.研究表明，色散效应越弱越有利于高260湖北大学学报（自然科学版)第39卷相干度超连续谱的产生[18]，故本文中的泵浦波长选为2 800 n m.由于2 800 n m处色散效应较弱，本文中 只需考虑到六阶，更高阶的色散效应可忽略，在 2 800 n m处，色散系数分别为仏=6. 927 6 X 10-5 ps2m-1，，83 = -3.598 04 x 10-6 ps3m-1，氏=6.577 56 x 10-7 ps4m-1，爲=2. 828 96 x 10-9 ps5m-1，仏= 2. 828 96 x 10_13 ps6m_1，非线性系数为y = 1 642 W_1k m_1.由于所用光纤长度较短，光纤的传输损耗可 以忽略不计.研究表明，当泵浦脉冲的谱宽大于6 n m时，高斯白噪声模型较量子噪声模型更好[19]，故本文中采 用高斯白噪声模型，即在入射的高斯脉冲中引入高斯白噪声，因此泵浦脉冲的表达式为：=0，t)=尸(f e x p f-2r2>x p(-i C^/Q T^e x p[孙⑴](3)式中，孙⑴为高斯白噪声，它满足如下条件:〈帅⑴〉=0,其中〈〉表示取平均值•尸0=乂0为入射脉冲的 峰值功率，T P为脉冲半峰全宽(在光强度峰值的1/e处），对于双高斯激光脉冲，它与脉冲半极大全宽7；的关系为:T p =凡/1. 665,C p为泵浦脉冲初始啁啾.采用一阶相干因子分析超连续谱的相干特性，其表达 式为[18]:lg((21)(A“1丨(五1(入“1)五2(入2“2))(4)〈^1(A£1)I2〉〈I&(A£2)I2式中，&和&分别表示两次不同噪声情况下超短脉冲在光纤中传输产生的超连续谱光场，本文中计算20次随机高斯白噪声下的超连续谱光场.角括号表示对独立产生的超连续谱光场求平均.本文中着重分析每个波长处超连续谱的相干特性，故令〖1-〖2 =0.相干因子丨^】）丨越接近1，表示超连续谱的相干性 越好;反之，则相干性越差.2模拟结果与分析本文中首先研究无啁啾泵浦激光脉冲的脉宽对超连续谱及其相干特性的影响.为了获得超宽带的 超连续谱，泵浦波长选为2 800 n m、入射峰值功率选为100 W、光纤长度为160 c m.图2为上述条件下脉 宽对超连续谱及其相干特性的影响.图2(a)〜(c)为超连续谱，图2(d)〜(f)为其对应的相干特性，图2 (a，d)脉宽=50 fs，图2(b，e)脉宽=200 fs，图2(c，f)脉宽=500 fs.由图2可以看出，当脉宽增大时，超 连续谱的平坦性和相干性均迅速退化，其原因是脉宽越宽，光纤的色散效应越强，而色散效应将导致超连续谱产生分裂(见图2(b，c))，从而使超连续谱的相干特性变差（见图2(e，f)).所以要获得高相干度、高平坦度的中红外超连续谱，需选用短脉宽的激光脉冲，故后面的研究中均采用50 f s的超短激光 脉冲.第3期别业广，等:高相干度中红外超连续谱光源的研究261图3为传输距离对超连续谱的影响，其激光泵浦参数与图2(a )的参数相同•图3(a )为频谱演变图，图3(b )为对应的时域演变图.由色散长度L d = f = 1 301. 80 c m 和非线性长度L n l = + =0. 609 c m 可知，当传输距离较短时，非线性效应起主要作用，当传输距离较大时，色散效应才逐渐起 作用，这可从图3的超连续谱的演变规律中得到证实.由图3(a )可以看出，当传输距离较短时，脉冲 的宽度基本保持不变，这表明色散效应引起的时域展宽可忽略，即色散效应很弱，而频域因受自相位 调制效应的影响而逐渐展宽（见图3(b )).随着传输距离的进一步增加，色散效应逐渐起作用，在时 域表现为脉宽的逐渐展宽，在频域则表现为超连续谱因受色散效应和自变陡效应的影响而产生分裂 现象[20]，且与自相位调制效应逐渐抗衡导致超连续谱的逐渐饱和（见图3(b ))，即光谱带宽保持 不变.图3无啁啾传输距离对超连续谱的影响 (a )频谱演变图；（b )时域演变图图4给出3个特定传输距离下的超连续谱及其相干特性.由图4可以看出，当传输距离较短时，自 相位调制使频谱得到极大的展宽，在传输距离L = 10 c m 处，超连续谱的3 d B 带宽达1 902 n m (波长覆 盖范围为1 981〜3 883 n m )，平坦度小于11.3 d B ，除旁瓣成分外，超连续谱的相干特性很好.当传输距 离为20 c m 时，超连续谱的3 d B 带宽达2 322 n m (波长覆盖范围为1 964〜4 286 n m )，平坦度小于 14. 9d B ，相干特性略有退化，当传输距离较长为40 c m 时，受色散效应和自变陡效应的影响，超连续谱的 平坦度和相干度均出现明显的劣化.故要获得高相干度、高平坦度的超连续谱，传输距离不宜太长，应远 小于色散距离，而大于非线性长度，即色散效应可忽略，利用自相位调制效应产生高相干度、高平坦度 的超连续谱.由于传输距离较短时，超连续谱的平坦度和相干度较好，但带宽有限，传输距离太长时，受 色散的影响，平坦度和相干特性均急剧退化，要兼顾平坦度、相干度和带宽这3项关键指标，中等传输距 离是最佳选择，故图5研究传输距离为20 c m 及其他激光参数与图3相同条件下，入射峰值功率对超连 续谱及其相干特性的影响.当入射峰值功率增大到300 W 时，超连续谱的3 d B 达3 355 n m ，平坦度小于 26.5 d B ，相干特性明显退化，当入射峰值功率增大到500 W 时，超连续谱的3 d B 高达3 884 n m ，但在2 000 2 5003 000 3 5004 000 4 5005 000Wavelength/nm(b)1o5 o5o5〈2 1111P Qp /u m J ;3<u d s 图4传输距离对超连续谱(a)及其相干特性（b)的影响262湖北大学学报（自然科学版)第39卷2 097〜3 738 n m范围内出现复杂的光谱分裂现象（见图5 (a))，这主要由于色散效应和自变陡效应会随人射峰值功率的增加而增强，从而导致更加显著的光谱分裂现象，这种分裂现象也直接导致超连续谱 的相干特性急剧退化（见图5(b))，这表明较低的人射峰值功率，有利于高相干度高平坦度的超连续谱.为了进一步改善超连续谱的平坦度和相干特性，我们研究人射峰值功率为100 W及其他参数与图 5相同条件下初始啁啾对超连续谱平坦度和相干性的影响，研究结果如图6所示.由图6(b)可以看出，正啁啾可以改善超连续谱的相干特性，但无法改善超连续谱的平坦度（见图6(a))，而负啁啾不但可以 改善超连续谱的相干性，还可改善其平坦度.在最佳负啁啾C p = -4处，3 d B带宽达2 484 n m，超连续谱 的平坦度小于11 d B，与无啁啾时的平坦度（小于14.9 d B)相比，改善3.9 d B.这主要是由于负啁啾可以 抵消自相位调制产生的正啁啾[21_23]，从而使超连续谱逐渐压缩（见图7(a))，随着传输距离的增大，初 始负啁啾不足以抵消自相位调制产生的正啁啾，从而使超连续谱逐渐展宽（见图7(a)).即初始负啁啾 对自相位调制效应有一定的抑制作用，从而使超连续谱的平坦度得到一定的改善.图7负啁啾对超连续谱的影响(a)频谱演变图；（b)时域演变图第3期别业广，等:髙相干度中红外超连续谱光源的研究2633结论采用分步傅里叶算法数值模拟超短激光脉冲在全波段正常色散.光子晶体光纤中的非线性传输和中红外超连续谱的产生，并利用一阶相干因子分析脉宽、传输距离、入射峰值功率和初始啁啾对中红外超连续谱相干特性的影响.研究表明，脉宽越短，越有利于高相干度高平坦度中红外超连续谱的产生;传输距离越短，相干特性和平坦度越好，但带宽受限.增加峰值功率可显著改善超连续谱的带宽，但相干特性和平坦度因受色散效应和自变陡效应的影响而急剧退化；负啁啾可改善超连续谱的平坦度和相干特性，而正啁啾只能改善超连续谱的相干特性.在最佳负啁啾C p =-4、脉宽为50 f s、入 射峰值功率为100 W和光纤长度为20 c m时，获得3 d B带宽高达2 484n m、平坦度小于11 d B的高 相干度的超连续谱.研究结果对于如何优化光纤参数和泵浦激光参数以获得高质量的中红外超连续谱具有重要意义.4参考文献[I] Sanghera J S，Shaw L B, Aggarwal I D. 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