最近十几年来,随着飞秒激光技术及非线性晶体制备技术的逐渐成熟,非线性光学频率变换技术得到了飞速发展。非线性光学频率变换技术的研究旨在突破激光增益介质发射谱线的限制,使激光器输出波长拓展至传统激光器所无法直接输出的波段范围,以满足更加广泛的科研及应用需求。到目前为止,非线性频率变换技术是获得多波长和可调谐飞秒激光的最简捷有效的途径。近些年来,本研究室在研究光纤飞秒激光器的基础上,开展了基于掺Yb ³⁺光子晶体光纤飞秒激光系统抽运不同介质的非线性频率变换研究,主要包括:基于块状晶体的光学参量振荡(OPO)技术、基于砷化镓(GaAs)纳米线的频率上转换、基于高非线性光子晶体光纤的超连续谱及三次谐波的产生。简要介绍国内外相关研究成果,重点综述了本研究室近五年来在上述研究领域的科研成果,分别介绍了OPO技术、砷化镓(GaAs)纳米线的频率上转换和基于高非线性光子晶体光纤的超连续谱及三次谐波的产生技术的基本原理、研究进展以及前沿应用。

将钛宝石激光器产生的飞秒激光脉冲泵浦实验室自制的高非线性双折射光子晶体光纤,脉冲的中心波长为820 nm,位于光子晶体光纤的接近于零色散的反常色散区.实验结果表明：随着泵浦功率的增加,一阶孤子的中心波长发生了红移,同时产生的色散波的中心波长则发生蓝移进入可见光区.当泵浦功率达到0.45 W时,色散波与残余泵浦的输出功率比为42.67,色散波的带宽达到81 nm,而处于近红外波段的红移孤子带宽可达231 nm.利用高非线性光子晶体光纤产生近红外波段宽带孤子和可见区高效色敬波的实验对飞秒激光频率转换和光谱展宽具有很好的借鉴意义.

设计了一种新型的高非线性低损耗光子晶体光纤(PCF), 在1.55μm处可获得35.78W-1·km-1的高非线性系数, 损耗为2.5dB/km。提出了一种基于高非线性光子晶体光纤交叉相位调制的波长转换系统, 当泵浦光波长为1565nm、功率为0dBm, 信号光波长为1545nm、功率为10dBm, 滤波器波长为1565.2nm、带宽为0.1nm时, 得到最佳的波长转换效应。

利用数值方法求解广义非线性薛定谔方程,数值模拟了光脉冲在高非线性光子晶体光纤 正常色散区超连续谱产生的演化, 研究和分析了脉冲参数如峰值功率、脉冲宽度及初始频率啁啾对超连续谱形成的影响。结果表明,当脉冲峰值功率一定时, 随着传输距离增大,超连续谱随之愈宽,平坦度愈好;随着脉冲峰值功率逐渐增大,超连续谱随之更宽,平坦度有所劣化。相反, 脉冲宽度逐渐增大,超连续谱展宽范围减小,其平坦度也逐渐劣化;具有适当的正负啁啾脉冲,在高非线性光子晶体光纤传输中 获得了宽而平坦的超连续谱。

基于受激布里渊散射的慢光在全光通信中具有重要的应用前景。传统的光纤作为慢光介质,具有较低的延迟效率,对光纤长度和抽运功率要求较高,而高非线性光子晶体光纤作为慢光介质应用于慢光系统,可以提高系统的延迟效率。实验选用一段70 m长的高非线性光子晶体光纤作为慢光介质,在抽运功率101 mW情况下,50 ns脉冲信号获得了33 dB的布里渊增益,脉冲延迟了30 ns,延迟效率达到了0.0046 ns/(mW·m),是普通单模光纤的13.7倍。该光纤应用于受激布里渊散射慢光系统可以有效缩短光纤长度和降低对抽运功率的要求,具有潜在的应用前景。

文章介绍了高非线性光子晶体光纤的特点及产生高非线性特性的基本原理, 分析了在高非线性光子晶体光纤中产生超连续光谱和慢光效应的机理和其应用, 并给出了国内利用文章作者研制的高非线性光子晶体光纤进行超连续谱和慢光试验的结果。

提出了一种实现高非线性光子晶体光纤(PCF)的新方法,即在空芯光子晶体光纤(HC-PCF)的纤芯空气孔中填充高折射率、高非线性折射率的液态物质三氯甲烷、甲苯、二硫化碳等。利用全矢量有限元方法分析了这种液芯光子晶体光纤的模式分布及色散性质,分析得出其零色散波长可在800 nm左右调节,因此可使中心波长800 nm的钛宝石飞秒脉冲激光在这种光子晶体光纤的反常色散区传输,有利于超连续谱的产生。而且由于填充后光子晶体光纤具有较高的非线性系数,较小功率的脉冲激光就可在几毫米长的这种液芯光子晶体光纤中得到频谱范围大于1000 nm的超连续谱。