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高度非线性的空气-二氧化硅微结构光纤中展示了超宽带超连续谱的产生

作者:维尔克斯  时间:2022-8-18 9:52:57

LEUKOS首次在光纤中使用SHG工艺。泵浦源是一个简单的亚纳秒微芯片激光器产生350-1750nm超连续谱激光的方法。该实验设计了一种非常紧凑且具有成本效益的白光源,因此在许多应用中都能很方便使用到,为非线性微结构光纤的多波长泵浦开辟了新的前景。例如LeukosSAMBAIndusNew Wave型号的超连续谱激光器。


LEUKOS发表的这篇文章的中文标题可以翻译为:SHG诱导的调制不稳定性在空气-二氧化硅多孔光纤中产生超宽带超连续谱。在由亚纳秒脉冲泵浦的空气-二氧化硅微结构光纤中产生二次谐波,用于在正常和反常色散状态下启动调制不稳定性过程。这使我们能够生成超宽且平坦的超连续谱(350-1750 nm),覆盖二氧化硅的整个透明窗口,并在可见光范围内呈现单模横向轮廓。


微结构光纤和亚纳秒微芯片激光器的结合可以实现非常紧凑和高效的系统,从而产生宽带超连续谱。特别是,通过双泵系统引起的调制不稳定性(MI),可以在大的正常色散状态下实现均匀的光谱展宽[5-6]。我们在这里表明,通过使用单个泵浦激光器并直接在光纤中产生其二次谐波频率,可以观察到相同类型的现象。我们证明了在有孔光纤中产生的二次谐波足够有效,可以在大的正常色散状态下启动壮观的MI过程,并在1064nm处获得具有单个泵浦激光器的白光源。

生成的超连续谱令人惊讶地从几乎350纳米延伸到1750纳米(受测量限制),覆盖了石英光纤的整个透明窗口。光谱分为两部分,在泵浦波长的两侧,每个部分的平坦度约为5dB。输出光束的横向空间分布是单模的,并建立在可见光范围内光纤的二阶模式(LP11)之上。据我们所知,目前还没有表现出这种性能并发挥这种非线性过程的超连续谱已经发表。

这种白光源适用于许多需要低成本和紧凑性的应用,例如光学相干断层扫描(OCT)、共聚焦显微镜、血液学诊断或光谱学。一些初步测量证明了紫外范围内能量的存在,开辟了该技术可能应用的新领域。


设置如图1所示。泵浦源由Q开关Nd:YAG激光器组成,在λ=1064nm处提供600ps脉冲。它通过聚焦透镜耦合到2米长的空气-二氧化硅微结构光纤中。半波片用于使偏振在光纤的输入端旋转。

在我们实验室制造的微结构光纤具有大约2.2μm的孔间距Λ1.5μm的平均孔径,导致比率d/Λ等于0.68,表明该光纤具有高度非线性和稍微多模。对于可见光范围内的波长,这种光纤表现出两种传播模式(基本模式,LP01和二阶模式,LP11),并且在超过1200nm时是严格的单模。这两种行为之间的过渡,大约1μm,是渐进的,允许将或多或少的能量转移到两个横向模式。采用有限元法计算了这两种模式的色散曲线,绘制在图2中。对于LP01模式下,零色散波长(ZDW)位于870nm。对于LP11模式,它向下移动到710nm,第二个ZDW出现在1100nm


图1.实验装置


2.计算得到的微结构光纤基模和二阶模的色散曲线。插图:纤维的横截面扫描电子显微镜图像


当我们将基本辐射(1064nm)发射到微结构光纤中时,我们清楚地观察到光纤内部在532nm处产生的能量,对应于基频的两倍。这种SHG是由于位于石英玻璃中的局部不均匀性以及芯-包层界面(对应于在芯中传播的泵浦波遇到的空气-二氧化硅界面)造成的。SHG效率仍然很弱(几%),但足以启动MI过程并产生宽带超连续谱,如下所示。图3显示了发射到光纤中的低泵浦功率测量的光谱示例:1064nm处的泵浦线略微变宽,而SHG线在532nm处可见。


先前已经证明双泵浦系统(5321064nm泵浦波长)可以诱导MI过程,导致在大的正常色散区产生超连续谱,在整个可见光范围内并且不存在任何明显的峰由于受激拉曼散射(SRS)。然后,由于强非线性相移与光纤的特定色散特性相结合,实现了相位匹配条件,具体取决于所考虑的传播模式(LP01)

通过以单一波长(1064nm)泵浦光纤可以获得相同的MI工艺,第二个波长(532nm)通过SHG直接在光纤内部产生。事实上,我们通过这种方式获得了图4中绘制的超连续谱,它在可见域中表现出宽而平坦的光谱展宽。在红外范围内也观察到连续谱,即在反常色散状态下,由自相调制和交叉相位调制、SRS和四波混合的组合产生。整个展宽最终从350扩展到1750nm(使用的OSA的最低和最高限制),覆盖了二氧化硅的整个透明度窗口。对于频谱的每个部分,平坦度约为5dB。可见部分比红外部分低10dB

最后,输出光束是空间单模,在可见光范围内具有光纤二阶模(LP11)的典型横向分布,如图4的插图所示。1μm以上连续谱的IR部分在单个LP01模式上传播,而7501000nm之间的能量在LP01LP11模式上传播。

3.在微结构光纤(2m)输出端测量的光谱,显示从1064nm的基波波长在532nm处产生二次谐波(RPP=微芯片激光器在800nm时的剩余泵浦功率)。1064nm处的峰值泵浦功率为100W


4.在可见光和红外范围内测量的光谱展宽(1064nm处的峰值泵浦功率:6kW)。插图:光纤输出衍射光束和远场横向分布(LP11模式)。


为了分析图4所示的实验结果,我们计算了Stolen等人最初开发的形式主义的参数增益。在光纤的ZDW附近进行双泵浦的情况下[12]。对于LP01LP11模式,我们将这种形式应用于位于两侧且远离ZDW的两个泵浦波(1064532nm)的情况。

计算出的参数增益对所考虑横模的ZDW的位置极为敏感。当考虑LP01模式(ZDW=870nm)时,参量增益主要在两个泵浦波长之间获得。相反,在LP11上运行模式(ZDW=710nm)允许创建新的增益带,特别是在532nm的泵浦波长以下,即在大的正常色散状态下。ZDW向更短波长的移动使可见光谱分量的相位匹配非线性过程成为可能,并产生紫外-蓝色范围内的光。实验上,ZDW位置的影响不如数值模拟显着,但实验工作表明,两个泵浦波的光谱位置是光谱建立的关键点。因此,ZDW在两个泵浦波长之间的位置决定了光纤中产生的光谱形状,也决定了非线性过程的转换效率。在我们的例子中,在光纤的二阶模式下运行导致了从紫外到红外的非常大的展宽,在532nm处具有低功率。在基模上的SHG的情况下,这种非线性过程的非常低的效率不允许诱导MI,因此不会在可见光范围内产生大的光谱展宽。

很明显,产生的二次谐波的传播条件决定了SHG非线性过程所需的相位匹配条件。这也决定了超连续谱在可见光范围内传播的横向模式。在我们的例子中,SHG是从LP01模式到LP11模式自发创建的。Osterberg等人已经观察到了这种令人惊讶的效果。[13]在非微结构光纤中。光纤中光致二次谐波光的模态结构取决于用于泵浦材料的IR强度。似乎微结构光纤的纤芯轮廓在532nm辐射的传播中也起着重要作用。

光纤的双折射是SHG工艺导向的另一个重要特征,我们清楚地观察到它在我们的实验中的影响。输入光束偏振相对于微结构光纤中性轴的方向允许我们以水平偏振或垂直偏振激发LP11模式。这决定了在光纤输出处获得的超连续谱的偏振。也可以激发两个正交偏振模式。在这种情况下,这两种结构在光纤中一起传播,在输出端观察到的超连续谱呈现出环形横向能量分布(白色甜甜圈)。然而,两个LP11的非线性过程的相位匹配条件并不相同模式。产生的连续谱的光谱宽度和形状随着输入光束的偏振态而变化。在我们的例子中,光谱的最大放大对应于严格的垂直极化激发。

最后一点是,很明显,1100nm处的第二个ZDW在光谱展宽中起着重要作用,正如其他研究已经证明的那样[14-15]。事实上,从第二个ZDW1064nm的泵浦波长的接近应该有利于参数化过程。ZDW两侧色散符号的变化可以允许非线性相位匹配过程,特别是导致退化的四波混频过程。然而,这种现象的效率可能会受到该波长范围内的准双峰传播的限制。


这篇文章是Optica Publishing Group发表的,报道了SHG诱导的调制不稳定性在空气-二氧化硅多孔光纤中产生超宽带超连续谱,文章名为Vincent Tombelaine, Christelle Lesvigne, Philippe Leproux, Ludovic Grossard, Vincent Couderc, Jean-Louis Auguste, Jean-Marc Blondy, Guillaume Huss, and Paul-Henri Pioger, "Ultra wide band supercontinuum generation in air-silica holey fibers by SHG-induced modulation instabilities," Opt. Express 13, 7399-7404 (2005)


我们已经在高度非线性的空气-二氧化硅微结构光纤中展示了超宽带超连续谱的产生,这是首次在光纤中使用SHG工艺。泵浦源是一个简单的亚纳秒微芯片激光器,发射波长为1064nm。输出光束在可见光区域是单模的,其光谱延伸到二氧化硅的整个透明窗口(350-1750nm)。由于涉及532nm的波的调制不稳定性过程,实现了这种光谱展宽。该波长是由泵浦激光器的基频产生的二次谐波在光纤内部产生的。

该实验设计了一种非常紧凑且具有成本效益的白光源,因此在许多应用中都能很方便使用到。这项技术正在法国CNRS申请专利,为非线性微结构光纤的多波长泵浦开辟了新的前景。


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