利用飞秒脉冲在光子晶体光纤中产生超连续谱

超连续谱的产生是指一束强超短光脉冲通过非线性介质后，透射光谱中产生新的频率成分，光谱的宽度远大于入射光脉冲的谱宽的现象。超连续谱在光通信、飞秒激光脉冲压缩、飞秒脉冲相位控制及光频标测量等领域具有重要的应用。
本文报道了利用超短激光脉冲，对光子晶体光纤(PCF)进行的产生超连续谱的实验。采用掺钛蓝宝石飞秒激光器作为泵源，获得的超连续谱宽度超过600nm，研究了进入光纤的光功率对光谱展宽的影响，对展宽机理给出了初步的理论解释。

一、实验装置

实验装置(局部)如图1所示，采用掺钛蓝宝石飞秒激光器作为光谱待展宽的激光光源，激光器的脉宽为20fs，重复频率90MH，可调谐范围为750~850nm。激光与光纤之间的耦合元件为显微物镜(激光从显微物镜左侧入射，光源未在图中给出)，其放大倍率和数值孔径分别为40和0.65。将显微物镜置于精密三维可调平台上，而将PCF置于刻有V型槽的固定的平台上。为防止光纤振动使耦合不稳定，实验中光纤固定不动，调节显微物镜的位置以实现最佳耦合。输出光的频谱用HR2000CG-UV-NIR光谱仪检测，该光谱仪的量程为200-1200nm，分辨率为0.5nm。

图1 实验装置

实验中使用的PCF的长度大约为40cm，其横截面扫描电镜图如图2所示。光纤中央的结构类似于三角结构的全内反射型PCF，但空气孔排列不太规则，其平均跨距约为1μm，填充比约为0.75。在中央区域外的部分可看作外包层，其跨距为20μm，填充比为0.75。可估算该光纤的模场面积约为2.5μm，零色散波长约为λ0-800nm。

图2 PCF的横截面显微照片

二、实验结果与分析

将激光的中心波长设置为820nm，输出功率设为370mW，对应的单脉冲能量及峰值功率约分别为4.1nJ和0.2MW。实验中PCF与物镜之间的精确耦合对于产生超连续谱非常重要，通过仔细调节，在光纤后的屏上观察到了明亮艳丽的彩色光斑，图3为光纤输出的光场图像。

图3 光纤输出的光场图像

图4(a)为光源的原始谱，(b)为在光纤出射端检测到的展宽最大的光谱。为了避免光谱仪饱和，检测光谱时对光进行了衰减，因此光谱图仅能反映各种频率成分强度分布的相对大小，从图中可以看到PCF的光谱发生了明显展宽，展宽约600nm。

图4 光源的原始谱和出射光光谱

本实验还研究了不同泵浦功率对光谱展宽的影响，如图5所示。实验发现随着泵浦功率的增加，光谱在中心波长附近逐渐展宽，这是自相位调制作用的结果。随着泵浦功率的增加，出现了红移的谱峰，笔者认为这是由于入射光脉冲处于光纤的反常色散区，而且光脉冲很短，光谱很宽，所以发生了脉冲内拉曼散射，导致光谱出现新的低频成分，这个过程连续进行，使得光谱在长波方向逐渐展宽。当泵浦功率增加到240mW时，在短波方向和长波方向又出现了新的光谱峰，而且随着光功率的增大，短波方向的谱峰逐渐增强且中心逐渐向短波长移动。笔者认为这是由于随着光功率的增大，由脉冲内拉曼散射和自相位调制的综合作用导致了高阶孤子的分裂，从而产生了蓝移光和新的红移光的缘故。

图5 泵浦功率对出射光光谱的影响

三、结论

采用钛宝石fs超快激光器作为泵源，在PCF中获得的超连续谱宽度超过600nm。研究了在不同泵浦功率的情况下，PCF透射光谱的演变过程。分析表明，自相位调制和内脉冲喇曼散射对开始阶段对光谱长波方向上的展宽起主要作用。

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利用飞秒脉冲在光子晶体光纤中产生超连续谱

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