最新太赫兹光子晶体光纤传输特性及大模场的数值研究精品版

2020年太赫兹光子晶体光纤传输特性及大模场的数值研究精品

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太赫兹光子晶体光纤传输特性及大模场的数值研究

摘要：作为目前产生太赫兹波的主要辐射源之一，飞秒脉冲产生的太赫兹波具有方向性好、相干性好等优点。另一方面，光纤激光器以光纤作为增益介质的锁模激光器可以由激光二极管(LD)直接抽运，效率高、结构紧凑、价格低廉。由于光纤具有很大的表面积-体积比，且散热效果极好，故可利用大功率LD直接抽运,实现高功率光纤激光器，从而为高功率太赫兹辐射源的小型化、实用化设计提供一条路径。

本文运用软件数值模拟，研究了太赫兹波在太赫兹光子晶体光纤中的截止特性、色散特性、损耗特性等传输特性，并讨论了大模场面积与光纤包层结构的关系，为上述高功率、小型化太赫兹源的设计提供了一定的理论依据。

关键词：太赫兹波塑料光子晶体光纤传输特性大模场面积光纤有限元法Abstract：As one of the foremost sources to produce terahertz waves currently, femtosecond pulses generated THz waves with good direction and coherence. On the other hand, optical fiber laser can gain the mode-locked laser with high efficiency, compact structure and low price, which use fiber as gain media, pumped directly by laser diode (LD). As it has large surface area - volume ratio and is well thermal radiation, optical fiber can be pumped directly by high-power LD to achieve high-power fiber laser. It provides the path for design practical high power THz emitters of miniaturization.

In this paper, by using numerical simulation software, we analyzed the cut-off characteristic, dispersion characteristic, loss characteristic and so on of THz-PCF, and discussed the relationship between effective mode-based area and THz-PCF’s structure parameters of cladding. We do these to provide some theoretical basis for design the high power THz emitters of miniaturization what we have introduced above. Keywords: Terahertz Waves Plastic Photonic Crystal Fiber Transmission Characteristics Large Mode Area Fiber Finite Element Method

1.引言

随着超快激光（Ultrafast Laser，UL）技术的进步，为太赫兹（Terahertz，THz）波的产生提供了稳定、可靠的激光光源，使太赫兹波的理论研究和探测

技术得到蓬勃发展。研究表明，该波段电磁波包含有非常丰富的物理和化学信息，与其它波段的电磁波相比，具有低光子能量性、大分子“指纹”性、选择吸收性[1]等特性，能广泛地运用于医学成像、安全检查、环境监测、天体研究、无线通讯等诸多领域[2-4]。

由于传统的太赫兹辐射源体积庞大，不易移动，并且没有有效的波导材料来约束太赫兹波的传输，导致太赫兹波大都在空气中传输，损耗大且不易控制传输方向。为了克服上述困难，研究者提出过各式各样的结构，而聚合物光子晶体光纤（Plastic Photonic Crystal Fiber，PPCF）正是其中的佼佼者。另一方面，光纤激光器是近年来高功率、短脉冲激光光源研究领域中的热点，与其他激光器相比，无论在光束质量、体积重量、转换效率，还是散热、使用寿命、工作性能、系统维护等方面，都具有明显的优势[5]。利用光纤激光器的诸多优势，为我们在高功率、小型化、实用化太赫兹辐射源设计提供了一条有效路径。

但在传统光纤激光器中，随着光纤功率的增加，会导致光纤中的光功率密度较高，引发的非线性效应限制了传统光纤激光器功率的进一步提高。而大模场面积光子晶体光纤通过在光纤包层中引入周期性排列的空气孔，可以极大地提高光纤的纤芯直径并保持单模, 从而可有效降低非线性。

2.传输特性分析

2.1选择介质材料

普通的光纤大都采用石英材料，然而太赫兹波在石英中的衰减很大，无法透过，因此常规的石英纤芯光子晶体光纤难以作为太赫兹波导。研究发现，塑料材料在太赫兹频段下，具有损耗低，色散小的优异特性，是制作光子晶体光

纤材料的好选择。另外，它具有很好的柔韧性，不宜折断，熔化温度也比石英低的多。所以相比于石英材料更容易加工，大大降低了制作工艺难度。

2.2验证算法

为了验证二维频域有限元法在太赫兹波段计算的有效性与准确性，我们对参考文献[6]中太赫兹光子晶体光纤（THz-PCF）的计算结果进行验证，文献中计算所使用的方法为有效折射率方法。其横截面的结构如图1所示（其中d为空气孔直径，Λ为气孔间距）。

图1 太赫兹光子晶体光纤的横截面结构示意图图2展示了计算结果。从图上可以看出计算结果与文献[6]的计算结果吻合的很好，这就验证了我们在计算有效折射率实部方面的正确性。另外也与文献[7]中的光子晶体光纤结构计算结果进行了比较，有效折射率的虚部的收敛也很好。

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图2 太赫兹光子晶体光纤基模的有效折射率

2.3模式截止特性分析

所谓模式的截止为同一个模式两种状态的过渡过程，即为局限在纤芯中的模式到扩展到包层模的过渡。在这个过渡过程中的显著特征为：随着波长的变