400~2000nm**連續(xù)譜激光器的原理

時(shí)間：2022-09-15作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：196

LEUKOS通過(guò)在很大程度上異常色散狀態(tài)下使用泵浦波的選擇性光學(xué)耦合，提出了在光譜的可見(jiàn)部分?jǐn)U展**連續(xù)譜產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，產(chǎn)生了400~2000nm**連續(xù)譜激光。例如Leukos的SAMBA，Opera，ELECTRO-VIS型號(hào)的**連續(xù)譜激光器。




LEUKOS發(fā)表的這篇文章的中文標(biāo)題可以翻譯為：微結(jié)構(gòu)光纖中四波混頻控制的可見(jiàn)**連續(xù)譜產(chǎn)生。光學(xué)和微波通信研究所提出了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，通過(guò)使用大體上反常色散體系中的泵浦波的選擇性光學(xué)耦合，在光譜的可見(jiàn)部分?jǐn)U展了**連續(xù)體的生成。寬帶頻率的產(chǎn)生是由一個(gè)初始的四波混合過(guò)程引起的，該過(guò)程將1064納米的泵浦波轉(zhuǎn)換成831納米的反斯托克斯和1478納米的斯托克斯波長(zhǎng)。由于采用了特殊設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)多模態(tài)光纖，相位匹配在如此大的頻移上得到了保證。因此，在兩個(gè)產(chǎn)生的邊帶周?chē)B續(xù)的生成得到了加強(qiáng)。




這篇文章是LEUKOS發(fā)表的，報(bào)道了SHG誘導(dǎo)的調(diào)制不穩(wěn)定性在空氣-二氧化硅多孔光纖中產(chǎn)生**寬帶**連續(xù)譜，文章名為C.Lesvigne, V. Couderc, A. Tonello, P. Leproux, A. Barthélémy, S. Lacroix, F. Druon, P. Blandin, M. Hanna, and P. Georges, "Visible supercontinuum generation controlled by intermodal four-wave mixing in microstructured fiber," Opt. Lett. 32, 2173-2175 (2007)




**連續(xù)體（SC）的產(chǎn)生是基于線性和非線性現(xiàn)象的復(fù)雜結(jié)合，發(fā)生在具有克爾非線性的介質(zhì)中。微結(jié)構(gòu)光纖（MOFs）已被廣泛研究，以創(chuàng)造巨大的光譜增寬，因?yàn)樗鼈兊母邎?chǎng)限制和它們?cè)诙ㄖ粕⑶€的靈活性。在該領(lǐng)域，一個(gè)常用的技術(shù)包括將光纖的零色散波長(zhǎng)（ZDW）設(shè)置在激光激發(fā)波長(zhǎng)的附近。調(diào)制不穩(wěn)定性、四波混合（FWM）、孤子效應(yīng)、拉曼位移以及與色散波的耦合是導(dǎo)致從窄激光線開(kāi)始產(chǎn)生**寬光譜的主要效應(yīng)。然而，僅僅通過(guò)選擇與泵浦的ZDW相近的光纖，很難將標(biāo)準(zhǔn)激光源的1米波長(zhǎng)有效地?cái)U(kuò)展到可見(jiàn)光。一個(gè)可能的方案是基于用泵浦激光器的基波和二次諧波輻射對(duì)光纖進(jìn)行雙波長(zhǎng)激發(fā)。*二種解決方案是基于一個(gè)特殊的裝置，通過(guò)拼接不同的光纖段，表現(xiàn)出遞減的ZDW。在這種情況下，光譜成分通過(guò)ZDW兩邊的頻率之間的FWM被加強(qiáng)到藍(lán)色。錐形MOF的使用，即通過(guò)結(jié)構(gòu)的縮小獲得ZDW的減少，屬于相同的技術(shù)，并提供類(lèi)似的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)長(zhǎng)錐體的方式，平滑和可控的擴(kuò)散曲線的演變甚至導(dǎo)致了SC的產(chǎn)生延伸到紫外線。

在這篇報(bào)道中，我們提出了一種替代方法來(lái)加強(qiáng)某些頻段的頻率轉(zhuǎn)換，特別是在可見(jiàn)光區(qū)域。該技術(shù)依賴(lài)于一個(gè)初步的邊帶生成步驟，通過(guò)FWM的大頻移，使高頻反斯托克斯線落在感興趣區(qū)域的ZDW周?chē)?。然后?*提到的各種非線性效應(yīng)，包括交叉相位調(diào)制，開(kāi)始發(fā)揮作用，并在FWM線的兩邊帶來(lái)新的光譜成分。在高功率下，會(huì)形成一個(gè)連續(xù)的寬光譜。這種情況只有在ZDW向短波長(zhǎng)偏移的光纖中才可能出現(xiàn)。此外，將泵浦波長(zhǎng)設(shè)置在1064納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)進(jìn)入了異常色散的領(lǐng)域，需要兩個(gè)光纖模式之間的相位匹配，以便通過(guò)FWM獲得一個(gè)接近異常色散的ZDW的高頻率。



圖1. MOF前兩個(gè)空間模式的數(shù)值計(jì)算色散系數(shù)。插圖，由掃描電子顯微鏡成像的纖維截面。




我們的實(shí)驗(yàn)只是用一個(gè)Nd:YAG Q開(kāi)關(guān)的微芯片激光器耦合到fiber，使用各種光學(xué)元件來(lái)調(diào)整輸入光束的功率、大小和偏振方向[15]。輸出的光束用光譜分析器、照相機(jī)和功率計(jì)進(jìn)行表征。激光器在1064納米處提供600ps的脈沖，其能量為37.5J，重復(fù)率為6kHz。泵的偏振和功率可以通過(guò)一個(gè)波板和偏振器系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)控制。泵脈沖通過(guò)一個(gè)聚焦透鏡被注入MOF。請(qǐng)注意，透鏡的焦距f=2.3毫米是為了得到一個(gè)比光纖芯小的激光點(diǎn)。通過(guò)纖芯中心相對(duì)于激光光斑的橫向運(yùn)動(dòng)，我們可以選擇激發(fā)基本模式LP01或光纖前兩個(gè)模式的**級(jí)位置LP01+LP11?？諝?/span>-二氧化硅MOF是在XLIM實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和制造的，采用了堆積和拉拔技術(shù)。光纖的橫截面在圖1中顯示為一個(gè)插圖。包層是由一個(gè)平均直徑為1.85米、間距為2.6米的三角形孔格組成的，因此空氣填充率d/等于0.71。由于在纖芯兩側(cè)引入了幾個(gè)大的對(duì)稱(chēng)孔，纖芯明顯呈現(xiàn)出橢圓形狀。這些孔的直徑為3.3和3.6米。在P=1064納米時(shí)，基模的有效面積為5.3平方米。在這個(gè)波長(zhǎng)上，四個(gè)不同的**模式可以被引導(dǎo)，即兩個(gè)基本的LP01,k和兩個(gè)二階偶數(shù)的LP11,k模式，其中k代表光纖原理軸的x或y的polarization（見(jiàn)圖1的插圖）。強(qiáng)不對(duì)稱(chēng)的幾何形狀引起了大的相位和群雙折射，對(duì)于1064納米的基底模式，分別等于B=210-3和Bg=-310-3。我們通過(guò)使用有限元方法的模態(tài)解算器，直接在基底橫截面的掃描電子顯微鏡圖像上，數(shù)值計(jì)算了所有導(dǎo)引模式的色散曲線。結(jié)果顯示在圖1中。LP01,x的ZDW為827nm，而LP01,y的ZDW則接近866nm。LP11,x和LP11,y模式的ZDW分別位于757和764nm處。因此，在泵浦波長(zhǎng)P=1064納米的所有引導(dǎo)模式都在一個(gè)大的反常色散系統(tǒng)中傳播。在這封信中，我們把注意力限制在泵浦較化狀態(tài)在光纖原理軸之一上排列的情況。我們?cè)趫D2中展示了LP01和LP11被激發(fā)時(shí)，沿光纖X軸方向的泵浦場(chǎng)的輸出輻射的光譜和空間分析。除了泵浦線的幾乎對(duì)稱(chēng)的拓寬之外，我們還觀察到在831和1478納米附近產(chǎn)生的兩個(gè)波段。請(qǐng)注意，反斯托克斯邊帶明顯由LP11,x攜帶，而斯托克斯邊帶則由LP01,x攜帶。這與支配這一過(guò)程的相位匹配方程很一致。



圖2：泵浦波長(zhǎng)為1064納米（X較化）的模態(tài)FWM過(guò)程的計(jì)算（上部曲線）和確定的邊帶。插圖，導(dǎo)引模式的空間遠(yuǎn)場(chǎng)分布，與重新升起的光譜窗口有關(guān)。




其中，下標(biāo)表示泵（P）、斯托克斯（S）和反斯托克斯（A）波矢量，以及相關(guān)的模式。這四種波沿X軸線性地波化。頻率失諧可以從斯托克斯和反斯托克斯波矢量的通常泰勒擴(kuò)展中得到，至少在一階上忽略了非線性貢獻(xiàn)。從公式（1）中，我們得到










對(duì)于h=2，我們得到=2k01-k11/k01+k11，其中k01,k11代表每單位長(zhǎng)度的群延遲，k01,k11代表群速度色散（GVD）。在我們的例子中，由于大的頻率失諧，一個(gè)正確的預(yù)測(cè)需要一個(gè)泰勒擴(kuò)展，至少到傳播方程的h=6階。我們?cè)趫D2中比較了實(shí)驗(yàn)光譜（X軸上的泵）和傳播的數(shù)值模擬結(jié)果。該模型計(jì)算了四個(gè)耦合的非線性薛定諤方程系統(tǒng)，每個(gè)引導(dǎo)模式都有一個(gè)。我們?cè)趶?qiáng)雙折射的限制下解決了這些方程，其中相干耦合項(xiàng)可以被忽略掉。圖2中的標(biāo)記表示通過(guò)求解方程（2）的零點(diǎn)得到的邊帶位置。我們的建模分析和實(shí)驗(yàn)研究得出了相同的相位匹配波長(zhǎng)。

在實(shí)驗(yàn)中，我們使用了50厘米的短光纖，并逐步增加激光功率。對(duì)于耦合在光纖中的峰值功率，**700W，沒(méi)有觀察到FWM效應(yīng)(見(jiàn)圖3)。在泵浦附近出現(xiàn)了幾個(gè)來(lái)自標(biāo)量調(diào)制不穩(wěn)定性的邊帶。當(dāng)功率達(dá)到1000W的中間水平時(shí)，FWM過(guò)程變得清晰可見(jiàn)(見(jiàn)圖3)。斯托克斯分量和反斯托克斯分量之間的距離**過(guò)158太赫茲。我們測(cè)量到從泵浦到邊帶的能量轉(zhuǎn)移高達(dá)7%。注意，雖然反斯托克斯輻射位于800納米附近，斯托克斯波落在電信范圍，因此表明這里沒(méi)有進(jìn)一步的潛在應(yīng)用。



圖3所示。50厘米長(zhǎng)的光纖與x偏振峰值功率的實(shí)驗(yàn)光譜。較大峰值功率在MOF耦合:2100W

當(dāng)泵浦峰值功率增長(zhǎng)到1000W以上時(shí)，由于大的GVD、脈沖衰減、孤子形成和拉曼效應(yīng)的綜合作用，中心帶以?xún)舨粚?duì)稱(chēng)的方式擴(kuò)展以阻擋較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。由于GVD接近于零但略有異常，反斯托克斯帶以相當(dāng)對(duì)稱(chēng)的形狀變寬。最后，泵浦周?chē)a(chǎn)生的廣譜與以斯托克斯波長(zhǎng)為中心的廣譜融合在一起。在光纖輸入所能承受的最大功率下，可以得到平坦的寬頻帶光譜，覆蓋在泵浦的一側(cè)，直到Stokes1478nm邊帶。在泵浦的另一側(cè)，由于靠近Stokes波的紅外連續(xù)譜能量所誘導(dǎo)的交叉相位調(diào)制過(guò)程，連續(xù)譜產(chǎn)生向藍(lán)色波長(zhǎng)不對(duì)稱(chēng)增長(zhǎng)。該機(jī)制類(lèi)似于Champert等人[9]所演示的機(jī)制，他們使用了雙波長(zhǎng)泵浦方案。




圖4所示。兩種不同選擇耦合的實(shí)驗(yàn)SC譜:雙模激勵(lì)LP01,x和LP11,xLP01+LP11:單模激勵(lì)LP01,x(LP01)。

如此大的FWM過(guò)程導(dǎo)致可見(jiàn)的SC產(chǎn)生發(fā)生在兩個(gè)導(dǎo)模被激發(fā)時(shí)，然后可以通過(guò)簡(jiǎn)單地橫向移動(dòng)光纖輸入端來(lái)選擇性地激發(fā)基芯模來(lái)關(guān)閉。在這個(gè)位置，只觀察到從1000到1750nm的紅外SC產(chǎn)生，這證明了FWM對(duì)可見(jiàn)SC形成的多峰效應(yīng)(圖4)。

這樣的原位定位有利于在可見(jiàn)區(qū)域中進(jìn)一步產(chǎn)生大光譜。對(duì)應(yīng)的斯托克斯分量出現(xiàn)在紅外區(qū)域，該區(qū)域可以歸類(lèi)為電信光譜范圍。通過(guò)將泵浦耦合到高度不對(duì)稱(chēng)的**MOF的兩個(gè)導(dǎo)模中來(lái)實(shí)現(xiàn)相位匹配。在高功率水平下，我們觀察到大波段FWM過(guò)程在兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生了大光譜展寬的現(xiàn)象。
























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