滕歡 柴路 王清月 胡明列

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點實驗室,天津 300072)

高非線性光子晶體光纖中優(yōu)化產(chǎn)生寬帶紫外三次諧波?

滕歡 柴路 王清月 胡明列?

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點實驗室,天津 300072)

(2016年8月23日收到;2016年11月28日收到修改稿)

通過非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)產(chǎn)生不同頻率的脈沖輻射是實現(xiàn)具有短波波長的激光光源的有效手段.近年來,光子晶體光纖技術(shù)的發(fā)展為解決傳統(tǒng)的基于非線性晶體的頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)面臨的難以維護(hù)、轉(zhuǎn)換效率低、不易推廣等問題帶來了新的解決思路.在頻率轉(zhuǎn)換研究領(lǐng)域中,紫外光波段的脈沖輻射產(chǎn)生一直以來都受到學(xué)者的廣泛關(guān)注.國外已報道過利用超短脈沖抽運光子晶體光纖實現(xiàn)三次諧波產(chǎn)生,從而輸出具有高靈敏度和高分辨率的窄帶紫外脈沖輻射,但其紫外光轉(zhuǎn)換效率較低,且光譜的可調(diào)諧能力有限,而這些缺陷恰恰可以由寬帶紫外脈沖輻射的獲得來改善.寬帶紫外脈沖輻射的有效獲得不僅意味著紫外光轉(zhuǎn)換效率可大幅提高,并且若加以合適的濾波手段,還可獲得內(nèi)任意波長下的窄帶寬的脈沖輻射,從而增加窄帶紫外脈沖輻射的可調(diào)諧度,但目前相關(guān)報道較為有限.本文將中心波長為1035 nm,脈沖重復(fù)頻率為50 MHz的飛秒激光耦合至一定長度的高非線性光子晶體光纖中,將其產(chǎn)生的拉曼自頻移孤子作為三次諧波產(chǎn)生的抽運源,通過相位匹配作用,在深紫外波段產(chǎn)生高階模式傳導(dǎo)下的三次諧波.隨后讓超短脈沖以偏離光纖軸心一定角度入射,可進(jìn)一步激發(fā)出具有更短波長的超高階紫外光模式.通過激發(fā)多個鄰近的超高階紫外光模式,在一定連續(xù)范圍內(nèi)實現(xiàn)相位匹配,獲得超高階紫外光模式傳輸下紫外光轉(zhuǎn)換效率為3.6%的寬帶(32—360 nm)深紫外脈沖激光.實驗結(jié)果與理論模擬結(jié)果相一致.

高非線性光子晶體光纖,三次諧波,相位匹配,高階模式

1 引 言

紫外(ultra violet,UV)激光光源可用于高分辨率生物顯微技術(shù)、選擇性光子激發(fā)生物分子(如DNA)技術(shù),或作為活細(xì)胞中無創(chuàng)性熒光標(biāo)記的多色熒光蛋白激發(fā)光源[1],甚至用于消毒、空氣凈化、蛋白質(zhì)分析[2],DNA測序R459627182[3],藥物檢測、光刻等,在材料科學(xué)、生物、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)[4-6],等離子物理等[7,8]領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值,近年來受到廣泛關(guān)注.

基于非線性晶體和高次諧波技術(shù)產(chǎn)生UV激光已有較長的研究歷史.2015年,中國科學(xué)院物理研究所在發(fā)表的快訊中詳述了利用單塊啁啾超晶格非線性晶體與中紅外飛秒脈沖產(chǎn)生超寬帶的飛秒脈沖激光的研究結(jié)果,獲得了較為理想的UV波段(350—485 nm)高次諧波轉(zhuǎn)化效率(1.2%)[9],但所涉及的空間光路調(diào)整元件對使用者有較高的要求,且轉(zhuǎn)換效率較低.而光纖型的非線性光源具有很好的緊湊性且易于推廣.三次諧波產(chǎn)生(thirdharmonic generation,THG)[10]這一非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換途徑,不像二次諧波產(chǎn)生會受到石英光纖中SiO2的反演對稱性限制,為人們獲得光纖型的UV激光光源提供了更為有力的手段.但普通光纖中利用非線性光纖過程實現(xiàn)THG的效率較低.近年來,通過基于光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)[11]的THG來獲得UV波段的脈沖輻射引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.PCF不僅具有極強的非線性,可為非線性作用提供較長的相干距離,而且其傳導(dǎo)模式色散可控且結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活[12,13],是實現(xiàn)THG更為理想的介質(zhì).相關(guān)研究結(jié)果為超顯微技術(shù)、微加工、微成像、表面及界面技術(shù)帶來了新的發(fā)展前景[14,15].2005年,Evgenii等[16,17]也研究并證明了超短脈沖在PCF中傳輸引起拉曼孤子頻移的過程有利于產(chǎn)生高階模式傳輸下的三次諧波激光脈沖.2010年,Liu等[18]利用飛秒激光抽運PCF,獲得了高階模式傳輸下的三次諧波,研究了脈寬短至0.5 nm,抽運光轉(zhuǎn)換效率僅為0.4%的窄帶寬的UV波段的三次諧波.但窄帶寬的UV脈沖,其波長選擇較為受限,且平均功率較低,UV轉(zhuǎn)換效率并不理想.本文基于超短脈沖耦合進(jìn)高非線性PCF而實現(xiàn)相位匹配產(chǎn)生三次諧波的方法,使入射脈沖以偏離纖芯軸心一定角度的方向入射,激發(fā)相鄰或連續(xù)的超高階模式,獲得寬頻譜的UV脈沖輻射,提高了UV光的轉(zhuǎn)換效率.若加以合適的濾波手段,還可獲得一定波段內(nèi)任意波長下的窄帶UV脈沖輻射,從而增加窄帶UV脈沖輻射的可調(diào)度和靈敏度.可以預(yù)見,高質(zhì)量的寬帶UV脈沖輻射的實現(xiàn),將會對眾多科研領(lǐng)域起到重要的推動作用.然而如何獲得穩(wěn)定的寬帶UV脈沖輻射仍處于探索階段.

本文將中心波長為1035 nm,脈沖重復(fù)頻率為50 MHz,可支持200 fs輸出的超短脈沖激光耦合至纖芯直徑約2.39μm,長度約為80 cm的高非線性PCF中.當(dāng)脈沖平均功率為40 mW時,330,430 nm附近便可探測到三次諧波信號,PCF輸出端清晰可見輸出三次諧波的高階模式HE13,其幾何結(jié)構(gòu)、光場強度分布與模擬結(jié)果符合.進(jìn)一步通過控制具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)及更短波長的超高階紫外光模式(very high order UV modes,HOUVMs)的激發(fā),獲得具有更短波長、更寬頻譜、更高轉(zhuǎn)換效率的UV脈沖輻射.

2 光子晶體光纖中高階模式下的相位匹配條件

為了在實驗中獲得最佳的基于THG的UV脈沖輻射,我們首先通過理論分析抽運激光的自頻移孤子通過相位匹配獲得高階模式傳導(dǎo)下的三次諧波的過程,以便獲取最優(yōu)化條件.超短脈沖在PCF零色散波長或附近的反常色散區(qū)傳播時容易產(chǎn)生孤子,孤子在傳輸?shù)倪^程中受拉曼效應(yīng)的影響,不斷紅移[19],使得更短波長、更寬頻譜范圍內(nèi)相位匹配產(chǎn)生高階模式傳輸?shù)娜沃C波.孤子傳播常數(shù)βsol(ω)的表達(dá)式為βsol(ω)=βn(ωs)+q-(ωs-ω)/vg.第m階模式傳導(dǎo)下的三次諧波的傳播常數(shù)記為βTH(3ω)=βm(3ω),其有效模式折射率為nm(3ω)=βm(3ω)c/(3ω).因此,由孤子源激發(fā)產(chǎn)生三次諧波的相位匹配條件為

其中nsol(ω)是孤子源對應(yīng)的傳導(dǎo)模式有效模式折射率(考慮波導(dǎo)色散和材料色散),nTH(3ω)是三次諧波的傳導(dǎo)模式所對應(yīng)的有效模式折射率,其中nsol(ω)=βsol(ω)/κ,κ=2π/λ,λ是三次諧波所對應(yīng)的波長.在超短脈沖抽運高非線性PCF的情況下,只要孤子源和三次諧波所對應(yīng)的傳導(dǎo)模式之間滿足(1)式的相位匹配條件,THG則很容易實現(xiàn).

根據(jù)上述高階模式之間的相位匹配條件,針對實驗所用光纖進(jìn)行了數(shù)值模擬.采用的高非線性PCF端面結(jié)構(gòu)及纖芯區(qū)域局部的掃描電鏡顯微圖如圖1(a)和圖1(b)所示,其纖芯直徑為2.39μm±0.02μm.該PCF零色散波長在1000 nm附近.將中心波長為1035 nm的超短脈沖激光以較低的平均功率耦合進(jìn)PCF,大部分抽運功率耦合為基模并以孤子形式傳輸,當(dāng)抽運脈沖進(jìn)入PCF傳輸一段距離后,拉曼頻移效應(yīng)導(dǎo)致拉曼孤子與主抽運脈沖分離,孤子紅移至1290 nm左右,如圖2(a)所示.1290 nm處拉曼孤子峰對應(yīng)的三次諧波位于430 nm附近.因此下面模擬基于以1290 nm為中心波長的孤子源.用COMSOL建立PCF端面的數(shù)值模擬模型如圖1(c),根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)計與基模在430 nm處滿足相位匹配條件的高階模式為HE13模式.由于PCF纖芯直徑d對其非線性效應(yīng)影響極大,為了進(jìn)一步構(gòu)建與實際PCF結(jié)構(gòu)更為相近的理論模型,模擬了基模、HE13模式的有效模式折射率與PCF纖芯直徑的關(guān)系,結(jié)果如圖2(b)所示.兩者相交于纖芯直徑d=2.37μm處.即是說基于d=2.37μm的PCF端面結(jié)構(gòu),其模擬結(jié)果更接近實際情況.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)(a),(b)PCF端面結(jié)構(gòu)的掃描電鏡顯微圖;(c)纖芯直徑d=2.37μm的PCF端面的數(shù)值模擬模型Fig.1.(color online)(a),(b)SEM micrograph of the PCF cross-section;(c)numerical cross-section modeling for the PCF with the core diameter ofd=2.37μm.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)(a)中心波長為1035 nm的超短脈沖以較低平均功率耦合進(jìn)PCF后紅外波段的輸出光譜,拉曼孤子與主抽運脈沖分離并紅移至1290 nm;(b)PCF中傳輸?shù)幕：虷E13模式的有效模式折射率與PCF纖芯直徑d的函數(shù)關(guān)系,兩者在d=2.37μm處相交,即在此處可實現(xiàn)相位匹配產(chǎn)生三次諧波Fig.2.(color online)(a)Output spectrum of the infrared wavelength with the pulse at the central wavelength of 1035 nm and low average power inputing to the PCF,Raman soliton separated from the pump pulse and shift to 1290 nm;(b)the effective mode refractive index of the HE13mode and fundamental mode as functions of the diameter(d)of the PCF core,note the two modes crossing atd=2.37μm,where the HE13mode and the fundamental mode have the same value of effective mode refractive index,accordingly,phase matching and THG is achieved here.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)(a)在PCF輸出端觀察到的高階模式HE13的遠(yuǎn)場圖;(b)HE13的兩個簡并模式HE131和HE132,其光場分布略有不同F(xiàn)ig.3.(color online)(a)Far field HE13mode profiles detected at the output of PCF;(b)simulated fieldintensity profiles of two doublet states：HE131and HE132.

實驗觀察到輸出三次諧波的高階模式其遠(yuǎn)場圖樣如圖3(a)所示,該模式為典型的HE13模,其幾何結(jié)構(gòu)和光場強度分布與圖3(b)中的模擬結(jié)果一致.因為實際的PCF結(jié)構(gòu)不是完全對稱的,由雙折射效應(yīng)可知,每個模式具有兩個不同的正交偏振分量[20].根據(jù)抽運脈沖是沿快軸或者慢軸方向偏振,HE13有兩個簡并模式HE131,HE132,其光場分布略有不同,如圖3(b)所示.

通過模擬該PCF中基模和HE13等高階模式的有效模式折射率與波長的關(guān)系,研究了基模傳輸下的孤子源通過相位匹配產(chǎn)生以HE13等高階模式傳輸三次諧波這一過程,結(jié)果如圖4所示,中心波長為1035 nm的超短脈沖以300 mW平均功率耦合進(jìn)長度為80 cm的PCF,其輸出光譜由圖4中實心圓標(biāo)記的虛線所示.430 nm附近三次諧波的光譜可見清晰的窄帶峰,其帶寬窄至2 nm.圖4中插圖為傳輸三次諧波的高階模式的模擬圖.HE13為該PCF所支持的第27個模式(mode27),鄰近的模式(mode28,mode30,mode32)也在附近波段發(fā)生相位匹配.mode28和mode30互為簡并模式,幾何結(jié)構(gòu)和光場強度分布很相似,但各自對應(yīng)的有效模式折射率有較為明顯的差別,因此在光譜中相鄰的兩處窄帶峰所對應(yīng)的波長處發(fā)生相位匹配.圖4中虛線代表HE13等高階模式的有效模式折射率nm(λ/3)與三次諧波波長(下橫軸)的函數(shù)關(guān)系,黑色實線代表基模的有效模式折射率nsol(λ)與孤子波長(上橫軸)的函數(shù)關(guān)系,在交點處對應(yīng)的λ波長處相交,實現(xiàn)相位匹配產(chǎn)生三次諧波.模擬的相位匹配曲線交點與實驗獲得的光譜所產(chǎn)生的窄帶峰位置幾乎一致,即產(chǎn)生的三次諧波對應(yīng)的波長與預(yù)期模式之間相位匹配所對應(yīng)的波長值基本符合.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)中心波長為1035 nm的超短脈沖以300 mW平均功率耦合進(jìn)長度為80 cm的PCF后輸出的三次諧波光譜(實心圓標(biāo)記的虛線)和傳輸孤子的基模與傳輸三次諧波的特定高階模式之間的相位匹配曲線 虛線代表HE13等高階模式(其模擬圖如小圖所示)的有效模式折射率與三次諧波對應(yīng)波長(下橫軸)在430 nm附近區(qū)域的函數(shù)關(guān)系,黑色實線代表基模的有效模式折射率與孤子波長(上橫軸)的函數(shù)關(guān)系,在交點對應(yīng)的波長處實現(xiàn)相位匹配產(chǎn)生三次諧波Fig.4.(color online)Spectrum of the third harmonic(filled circles connected by a solid curve)generated in a 80 cmlength PCF by coupling short pulse with a central wavelength of 1035 nm at the average power of 300 mW and the phase-matched curves between fundamental mode of the soliton pump and high-order modes of third harmonic.The dashed curves show the effective mode index of high-order modes such as HE13(simulated field intensity profiles of these modes are shown in the insets)as functions of third harmonic wavelength(the lower abscissa axis)nearby 430 nm.The solid curve shows the effective mode index of the soliton pump in the fundamental mode as a function of the pump wavelength(the upper abscissa axis).Phase matching is achieved at the wavelengthsof the crossing point.

3 寬帶UV脈沖輻射的產(chǎn)生

模擬也發(fā)現(xiàn),該PCF中,以更高階模式傳導(dǎo)的三次諧波具有更短波長.且UV脈沖輻射的帶寬和效率也很大程度下受到光纖長度的影響.因此,利用合適長度的PCF,通過改變抽運激發(fā)角度,使得多個連續(xù)或相鄰的更高階的傳輸模式被激發(fā),獲得具有更短波長的三次諧波,進(jìn)一步優(yōu)化了UV光轉(zhuǎn)換效率并獲取了更寬頻譜的UV脈沖輻射.

3.1 超高階紫外模式的激發(fā)對UV脈沖輻射產(chǎn)生的影響

Efimov等[21]在2003年的研究表明,在PCF中,當(dāng)抽運光以低階模式(非基模)傳輸時,HOUVMs可有效被激發(fā).本文采用短焦距耦合透鏡將聚焦的光斑尺寸控制在與纖芯尺寸相近或者更小的范圍,增加入射脈沖與光纖端面角度調(diào)節(jié)的靈敏度,從而使得入射脈沖能量很容易以一定比例耦合到高階模式,激發(fā)出HOUVMs.

HOUVMs對應(yīng)的光譜位于320—360 nm范圍內(nèi),所傳輸?shù)娜沃C波具有比上述HE13更短的波長,獲得了帶寬為25 nm的寬譜UV脈沖輻射.本文對HOUVMs產(chǎn)生的機理進(jìn)行了分析.實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)抽運脈沖從40 mW增加至400 mW時,320—360 nm波段的光譜特征幾乎沒有改變,與上文提到的430 nm附近的三次諧波輻射波段對入射功率的響應(yīng)特征相似：光譜的譜峰幾乎不受入射脈沖平均功率的影響;隨著入射功率增加,超連續(xù)譜產(chǎn)生受到抑制,而紅外區(qū)域?qū)Τ檫\功率的變化十分敏感.通過這一現(xiàn)象可知,該非線性產(chǎn)生機理明顯區(qū)別于與超連續(xù)譜產(chǎn)生相關(guān)的一系列非線性機理,而與THG有關(guān).

實驗中采用焦距為6 mm的透鏡將入射脈沖聚焦為具有與該PCF纖芯直徑為同量級的光斑,從三個維度微調(diào)透鏡,以微米量級的精度改變?nèi)肷涿}沖光斑入射到PCF端面的位置以及與纖芯的方位角.入射脈沖的入射功率大小通過調(diào)節(jié)光纖入射端面前方帶有刻度的λ/2半波片的偏轉(zhuǎn)角來控制,另一個帶有刻度的λ/2則用以控制入射脈沖的偏振方向,決定了入射的線偏振光和該PCF端面結(jié)構(gòu)的方位關(guān)系.改變?nèi)肷涿}沖偏振態(tài),在PCF輸出端可清晰地觀察到結(jié)構(gòu)顯然不同的HOUVMs與HE13模式疊加的遠(yuǎn)場圖樣,如圖5(a)所示.調(diào)節(jié)入射脈沖至合適的偏振態(tài),使得三次諧波在某一疊加模式狀態(tài)(多個HOUVMs與HE13模式疊加)下穩(wěn)定傳輸,此時,入射的抽運光為350 mW,輸出端探測到的UV脈沖輻射功率為12.6 mW,即抽運光轉(zhuǎn)換為UV脈沖輻射的效率可優(yōu)化至最佳(3.6%).

圖5 (網(wǎng)刊彩色)(a)入射脈沖以不同偏振態(tài)耦合入PCF時實驗觀察到的HE13與HOUVMs疊加的遠(yuǎn)場圖;(b)右小圖為改變?nèi)肷涿}沖偏振態(tài)該PCF輸出端可觀察到的4個HOUVMs的模擬結(jié)果;左小圖為不同偏振態(tài)入射脈沖耦合進(jìn)PCF所產(chǎn)生的低階模式(mode3,mode5,mode7,mode9)的模擬圖;(c)在入射脈沖以不同偏振態(tài)耦合入PCF的情況下測得的光譜以及傳輸入射脈沖傳輸?shù)牡碗A模式與傳輸三次諧波的HOUVM1,HOUVM2,HOUVM3,HOUVM4在320—360 nm波段的相位匹配曲線,其相位匹配的位置和光譜譜峰之間的對應(yīng)關(guān)系已由箭頭標(biāo)識Fig.5.(color online)(a)Far field profiles of HE13and HOUVMs with different-polarization input pulse coupled into the high nonlinear PCF;(b)right,numerical modeling results of 4 HOUVMs observed at the output of PCF when change the polarization of input pulse;left,numerical modeling results of 4 lower older modes(mode3,mode5,mode7,mode9)produced when different-polarized input pulse coupled into PCF;(c)the measured spectrum with different-polarization input pulse coupled into PCF and the phase-matched curves between lower order modes transmitting input pulse and HOUVMs(HOUVM1,HOUVM2,HOUVM3,HOUVM4)transmitting third harmonic within broadband 320-360 nm.

對傳輸孤子源的低階模式以及該PCF支持的4種與實驗中觀察到的光斑幾何結(jié)構(gòu)和光場強度分布大致符合的HOUVMs進(jìn)行了模擬,如圖5(b)所示.入射脈沖可能以不同比例按圖5(b)左側(cè)一列小圖中的高階模式(mode3,mode5,mode7,mode9)耦合入PCF,與上述HOUVMs相位匹配于320—360 nm波段,輸出三次諧波.

實驗中,讓入射脈沖分別以與光纖的快軸和慢軸一致的兩個典型偏振方向α和β(互為垂直關(guān)系)入射,兩個偏振態(tài)的入射脈沖耦合到PCF后輸出的HOUVMs對應(yīng)的UV脈沖輻射光譜如圖5(c)所示.模式間的相位匹配曲線模擬結(jié)果如圖所示,模擬的三次諧波的波長范圍與實驗中實測光譜的譜峰及覆蓋范圍幾乎一致,進(jìn)一步驗證了HOUVMs的產(chǎn)生與THG有關(guān).以其余偏振態(tài)下入射的脈沖輸出的HOUVMs具有不同結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的UV脈沖輻射光譜寬度和強度漸變于α和β分別對應(yīng)的光譜覆蓋范圍之間.

顯然,帶寬極限和限制帶寬的因素由實現(xiàn)相位匹配產(chǎn)生的HOUVMs和三次諧波的波長決定.越多鄰近的HOUVMs被激發(fā),越有利于更多模式間實現(xiàn)相位匹配,從而獲得更短波長、更寬頻帶、更高轉(zhuǎn)換效率的UV脈沖輻射.

3.2 PCF長度對UV脈沖輻射產(chǎn)生的影響

由于光纖色散作用,低階模式中傳輸?shù)某檫\源與相對高階的模式中傳輸?shù)娜沃C波之間只能在一定帶寬內(nèi)實現(xiàn)相位匹配[22].三次諧波在高非線性PCF中傳輸可被看成是一個簡單的慢變包絡(luò)模型,可實現(xiàn)相位匹配的帶寬為l為傳輸距離,up和uh分別為抽運源與三次諧波的群速度.因此,一個具有Δωp帶寬的抽運源,在初始傳輸過程中,當(dāng)傳輸距離小于時,才能激發(fā)出與其等帶寬的三次諧波.當(dāng)超過這個傳輸距離,THG只能在小于孤子脈沖帶寬的很小范圍內(nèi)實現(xiàn),并且該范圍會隨著傳輸距離l的增加而遞減.與80 cm長的PCF實驗對比,后期實驗采用的120 cm長的PCF產(chǎn)生的UV脈沖輻射,其輸出UV脈沖譜峰雖然更加豐富,但脈寬更窄,且UV轉(zhuǎn)換效率也大幅降低.顯然,在盡可能滿足較大非線性作用距離的同時,限制PCF長度,可降低光纖損耗對產(chǎn)生UV脈沖輻射能量帶來的影響,有利于更寬譜、更短波長的UV脈沖輻射的產(chǎn)生.

4 結(jié) 論

UV脈沖輻射的有效產(chǎn)生,可通過在高非線性PCF中傳輸?shù)募t移孤子的低階模式與傳輸三次諧波的高階模式之間發(fā)生相位匹配而實現(xiàn);調(diào)節(jié)抽運光偏振態(tài)可使得三次諧波以某一偏振態(tài)的HE13穩(wěn)定輸出,從而優(yōu)化UV脈沖輻射的效率;選擇合適的PCF長度,改變脈沖入射條件激發(fā)HOUVMs,使得鄰近多個傳輸三次諧波的HOUVMs與傳輸紅移孤子的低階模式發(fā)生相位匹配,進(jìn)一步通過控制具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)及更短波長的HOUVMs的激發(fā),可將抽運光轉(zhuǎn)換為UV脈沖輻射的效率優(yōu)化至3.6%,并獲得帶寬為325—350 nm且連續(xù)的寬帶UV脈沖輻射.若采用更高峰值功率的飛秒脈沖激光抽運該PCF的話,非線性效應(yīng)更強,諧波的轉(zhuǎn)化效率也將會大幅提高[23].HOUVMs的激發(fā)對入射脈沖的耦合狀態(tài)十分敏感,對于耦合條件要求較為精確.實驗中對入射脈沖的入射角度和偏振態(tài)的調(diào)節(jié)精度與PCF纖芯直徑保持同一數(shù)量級,但暫不能量化.后續(xù),調(diào)節(jié)裝置的可控性和可視性有待進(jìn)一步改善,對HOUVMs進(jìn)行選模的手段也可獲得進(jìn)一步提高.綜上,此方法可用于獲得穩(wěn)定的寬帶UV諧波脈沖輻射,相關(guān)研究結(jié)果可為進(jìn)一步發(fā)展基于PCF的寬帶UV脈沖輻射源系統(tǒng)提供一定的參考,為高質(zhì)量的寬帶UV脈沖輻射在各領(lǐng)域的發(fā)展帶來更大的發(fā)展空間.

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PACS:42.60.Jf,42.81.Qb,42.55.Tv DOI:10.7498/aps.66.044205

Optimazation of broadband third-harmonic UV generation in highly nonlinear photonic crystal fiber?

Teng Huan Chai Lu Wang Qing-YueHu Ming-Lie?

(Key Laboratory of Opto-electronic Information Science and Technology of Minstry of Education,College of Precision
Instruments and Opto-electronics Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

23 August 2016;revised manuscript

28 November 2016)

The generation of pulse radiation with different frequency based on nonlinear optical frequency conversion technology is an effective method to produce lasers with the wavelength in the visible light or ultraviolet(UV)light range.In recent years,the developments of photonic crystal fiber(PCF)technology and ultra-short pulse technology have brought new solutions to the problems that the system needs great maintenance work,has low frequency conversion rate and much difficulty in popularizing,which the traditional frequency conversion system based on nonlinear crystal is confronting.Research on UV pulse radiation has been consistently attracting much attention of many academics.Particularly,narrowband and broadband UV pulse radiation sources are complementary,each having its own characteristics and scope of applications.The generation of narrowband UV pulse radiation of high sensitivity and high resolution through third harmonic generation(THG)in PCF has already been reported.However,the frequency conversion rate of narrowband UV pulse radiation is relatively low and the tunable ability of the spectrum is limited.These imperfections can be exactly completed by broadband UV pulse radiation.Broadband UV pulse radiation based on THG in PCF can be realized efficiently in PCF.This means that the conversion of UV light increases substantially,and simultaneously,the narrowband UV radiation of any wavelength in a certain range can be acquired more easily and the tunable ability of narrowband UV pulse radiation can be enhanced further.In this paper,the femtosecond pulse with a central wavelength of 1035 nm at a pulse repetition rate of 50 MHz is coupled into a highly nonlinear photonic crystal fiber with an appropriate length.The Raman self-frequency shift soliton produced from the ultra-short input pulse acts as a pump resource of third harmonic,transmitting through fundamental mode in PCF.Phase-matching between the fundamental mode and the high order modes is achieved and the third harmonic transmitted by specific high order modes(such as HE13)at deep UV wavelength is acquired effectively.Besides,the very high order UV mode(HOUVM)transmitting third harmonic with shorter wavelength is stimulated when intentionally inputting the ultra-short pulse into the PCF in the direction of a certain angle deviating from the axis of fiber core.Broadband deep UV(320–360 nm)pulse radiation with a UV light conversion rate of 3.6%can be acquired effectively in nonlinear PCF by stimulating a number of adjacent HOUVMs and achieving phase matching between the modes.Good agreement between theoretical results and experimental results is achieved.

highly nonlinear photonic crystal fiber,third harmonic,phase matching,high order mode

:42.60.Jf,42.81.Qb,42.55.Tv

10.7498/aps.66.044205

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：61535009,61675150)和教育部長江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(批準(zhǔn)號：IRT13033)資助的課題.

?通信作者.E-mail：huminglie@tju.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61535009,61675150)and the Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in Universities,China(Grant No.IRT13033).

?Corresponding author.E-mail：huminglie@tju.edu.cn