王偉 左玉婷 董婷婷 朱維震 林天旭 徐海東 卿源 韓穎? 齊躍峰 侯藍(lán)田

1)(燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,秦皇島 066004)

2)(河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,秦皇島 066004)

3)(南京信息工程大學(xué),江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210044)

1 引 言

超連續(xù)譜(supercontinuum,SC)是指抽運(yùn)光經(jīng)過非線性介質(zhì)后光譜得到極大展寬的現(xiàn)象,具有輸出光譜寬、亮度高、空間相干性好等特點(diǎn)[1].而微結(jié)構(gòu)光纖(microstructure fiber,MSF)因兼具色散可控性及高非線性,成為產(chǎn)生SC的有效非線性介質(zhì)[2?4],其所激發(fā)出的SC在脈沖壓縮、光學(xué)頻率梳、光學(xué)相干層析成像技術(shù)、干涉測量儀[5?8]等方面均有重要應(yīng)用.

根據(jù)抽運(yùn)方式的不同,將SC的產(chǎn)生方式分為以下兩種.一種是利用單束光抽運(yùn)MSF產(chǎn)生SC.當(dāng)抽運(yùn)光位于MSF的不同色散區(qū)時(shí)SC的產(chǎn)生機(jī)理有所不同,抽運(yùn)光位于正常色散區(qū)時(shí)SC的產(chǎn)生機(jī)理以自相位調(diào)制作用為主[9?11],位于反常色散區(qū)時(shí)產(chǎn)生機(jī)理以高階孤子分裂、拉曼孤子自頻移、色散波為主[12?14].另一種是抽運(yùn)光和種子光同時(shí)耦合進(jìn)活性光纖,利用活性離子的波長轉(zhuǎn)換和放大作用產(chǎn)生SC.活性光纖通常為摻鐿微結(jié)構(gòu)光纖(Yb3+-doped microstructure fiber,Yb3+-MSF),種子光在非線性作用下產(chǎn)生SC,而Yb3+吸收抽運(yùn)光并放大種子光,使得種子光在光纖中傳輸時(shí)維持較高峰值功率.2007年,Roy等[15]利用975 nm的連續(xù)光和1062 nm的納秒脈沖同時(shí)耦合進(jìn)具有雙包層的Yb3+-MSF中,種子光在非線性效應(yīng)的作用下于正常色散區(qū)產(chǎn)生波長范圍為500—900 nm的SC.2016年,Louot等[16]利用980 nm的連續(xù)光和1064 nm的皮秒脈沖同時(shí)耦合進(jìn)Yb3+-DPCF,產(chǎn)生波長范圍為1064—1600 nm的SC并應(yīng)用于CARS光譜.2016年,Baselt等[17]利用976 nm的連續(xù)光和1064 nm的納秒脈沖同時(shí)耦合進(jìn)Yb3+-MSF,得到平坦、高功率密度的波長范圍為1100—1370 nm的SC.2017年,Baselt等[18]又建立了微分效率較高的全光纖SC系統(tǒng)并得到波長范圍為1.1—1.4 μm的SC.為保證Yb3+-MSF的吸收效率,選擇輸出波長為975,976或980 nm的激光器作為抽運(yùn)光源,這些激光器的輸出光通常為連續(xù)光,但連續(xù)光的峰值功率較低.而為了在較短MSF內(nèi)產(chǎn)生SC,需在MSF中同時(shí)注入種子光以增加非線性轉(zhuǎn)換效率,但這同時(shí)也增加了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性.文獻(xiàn)[19]證明了可以采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器抽運(yùn)Yb3+-MSF產(chǎn)生SC,抽運(yùn)波長位于MSF的正常色散區(qū),Yb3+的發(fā)射峰位于MSF的反常色散區(qū),利用飛秒脈沖的高峰值功率,結(jié)合Yb3+的波長轉(zhuǎn)換和放大的作用產(chǎn)生SC.

本文首先對自制Yb3+-MSF1和Yb3+-MSF2的色散特性進(jìn)行數(shù)值模擬并得到了兩MSFs的零色散點(diǎn)波長; 然后利用連續(xù)光分別抽運(yùn)兩MSFs,研究了抽運(yùn)光偏離Yb3+吸收峰的程度對兩MSFs發(fā)光效率的影響; 接著利用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器分別抽運(yùn)兩MSFs,研究了抽運(yùn)功率、發(fā)射光與零色散點(diǎn)的相對位置對超連續(xù)譜的影響,以及抽運(yùn)波長、MSF長度對超連續(xù)譜的影響; 最后對Yb3+-MSF2進(jìn)行拉錐,對錐區(qū)處色散特性變化對色散波藍(lán)移的影響以及光能量泄露對拉曼孤子紅移的影響進(jìn)行了研究.與同時(shí)將抽運(yùn)光與種子光耦合進(jìn)Yb3+摻雜MSF的實(shí)驗(yàn)方案相比,采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器作為唯一的抽運(yùn)源,減小了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性,同時(shí)還可以利用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器的波長可調(diào)特性,得到在一定波長范圍之內(nèi)的可調(diào)諧SC.

2 色散模擬及發(fā)射光譜特性研究

2.1 色散模擬

圖1為自制Yb3+-MSF1和Yb3+-MSF2的基模色散曲線圖,插圖(a)和圖(b)分別為兩MSFs端面圖.Yb3+-MSF1和Yb3+-MSF2纖芯采用同種摻Y(jié)b3+玻璃,纖芯材料的質(zhì)量百分比為1.5Yb2O3-3.0Al2O3-0.5K2O-95.0SiO2,用阿貝折射儀測得在波長589 nm處纖芯折射率為1.519.由數(shù)字顯微鏡測得Yb3+-MSF1的空氣孔平均直徑為4.29 μm,平均孔間距為5.16 μm,纖芯摻雜區(qū)域直徑為3.75 μm,空氣孔層數(shù)為8層,MSF外徑為153.34 μm.Yb3+-MSF2的空氣孔平均直徑為3.78 μm,平均孔間距為4.03 μm,纖芯摻雜區(qū)域直徑為3.14 μm,空氣孔層數(shù)為8層,MSF外直徑為109.69 μm.利用多極法模擬得到Y(jié)b3+-MSF1和Yb3+-MSF2的零色散波長分別位于1027和950 nm處.

圖1 Yb3+-MSF1、Yb3+-MSF2基模色散曲線圖(插圖(a)和(b)分別為Yb3+-MSF1,Yb3+-MSF2端面圖)Fig.1.Dispersion curve of the fundamental mode of Yb3+-MSF1 and Yb3+-MSF2,respectively(the inset figures show the cross section of the Yb3+-MSF1(a)and the Yb3+-MSF2(b)).

2.2 發(fā)射光譜特性

圖2為Yb3+-MSF2在不同波長的連續(xù)光抽運(yùn)下測得的發(fā)射光譜圖,其中實(shí)驗(yàn)用MSF長度為0.70 m,功率為0.40 W,波長分別為850,870,890 nm.圖2插圖中實(shí)線和虛線分別表示的是Yb3+在石英光纖中的吸收和發(fā)射截面[20].由圖2插圖可知,Yb3+存在兩個(gè)強(qiáng)烈的吸收峰,中心波長分別為915和975 nm,同時(shí)也可以看出,Yb3+的吸收光譜很寬,波長覆蓋850—1050 nm,Yb3+的發(fā)射光譜覆蓋900—1150 nm,在該區(qū)間內(nèi)也有兩個(gè)比較明顯的發(fā)射峰,中心波長分別位于975和1035 nm處.

圖2 抽運(yùn)波長為850,870,890 nm時(shí)Yb3+-MSF2的發(fā)射光譜圖(插圖為Yb3+在石英光纖中的吸收和發(fā)射光譜圖[20])Fig.2.Emission spectrum of the Yb3+-MSF2 when pump wavelength is 850,870 and 890 nm,respectively(the inset figure shows the absorption and emission spectrum of Yb3+in silica fiber[20]).

對于Yb3+-MSF2,當(dāng)抽運(yùn)波長由850 nm逐漸增大至890 nm時(shí),發(fā)射峰的中心波長均位于1035 nm處,同時(shí)抽運(yùn)光的峰值在逐漸下降,發(fā)射峰峰值逐漸增高.采用輸出光譜中發(fā)射光占總光譜面積百分比g來進(jìn)行Yb3+的發(fā)光效率的定量描述.當(dāng)抽運(yùn)波長由850 nm 增長至890 nm時(shí),其g值由46.7%增至96.9%,所以當(dāng)抽運(yùn)波長為890 nm時(shí),雖然偏離吸收最高峰達(dá)85 nm,但仍然有較高的發(fā)光效率.由圖2還可得知,當(dāng)抽運(yùn)波長從850 nm變化至890 nm時(shí),其在MSF出射端的光譜并未發(fā)生展寬.這是因?yàn)槔眠B續(xù)光抽運(yùn)Yb3+-MSF時(shí),發(fā)射光也為連續(xù)光,盡管其功率沿MSF縱向逐漸積累,但由于連續(xù)光峰值功率低,因此沒有明顯的非線性效應(yīng)產(chǎn)生.Yb3+-MSF1在纖芯區(qū)域的摻雜材料與Yb3+-MSF2相同,因此在發(fā)射光譜特性上與圖2展示的結(jié)果相同,發(fā)射峰中心波長同樣位于1035 nm處,同時(shí)當(dāng)抽運(yùn)波長由850 nm增至890 nm時(shí),其g值由45.2%增至84.8%,同樣具有較高發(fā)光效率.

3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3為飛秒脈沖抽運(yùn)Yb3+-MSF的實(shí)驗(yàn)裝置圖.抽運(yùn)光源為美國Coherent公司的Mira900鈦藍(lán)寶石飛秒激光器,其輸出光脈沖寬度為120 fs,重復(fù)率為76 MHz,脈沖形狀為雙曲正割形.飛秒脈沖通過隔離器、衰減片及40倍透鏡耦合進(jìn)Yb3+-MSF中.加入隔離器的目的是防止器件表面和MSF端面反射的光回到激光器內(nèi)損壞激光器.衰減片用于調(diào)節(jié)抽運(yùn)光平均功率以研究功率對SC產(chǎn)生的影響.隔離器、衰減片、40倍透鏡的透過率和Yb3+-MSF端面的反射會造成抽運(yùn)光功率的衰減,40倍透鏡與Yb3+-MSF的數(shù)值孔徑匹配會造成抽運(yùn)光的耦合效率降低,通過實(shí)驗(yàn)測量抽運(yùn)光耦合進(jìn)Yb3+-MSF的效率為60%.MSF尾端放置的CCD用于觀察Yb3+-MSF中的光場位置以確認(rèn)飛秒脈沖是否耦合進(jìn)纖芯.從Yb3+-MSF尾端出射的光被二分叉尾纖接收后同時(shí)耦合進(jìn)光譜儀OSA1和OSA2,其中OSA1的型號為Avaspec-256,接收的波長范圍為200—1100 nm,分辨率為0.1 nm,OSA2的型號為Avaspec-NIR-256,接收的波長范圍為900—2500 nm,分辨率為6 nm.實(shí)驗(yàn)之前已使用鹵鎢燈對兩光譜儀的響應(yīng)進(jìn)行了校準(zhǔn),故連接兩光譜儀的光譜可得到200—2500 nm的輸出光譜.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3.The experimental setup.

4 飛秒脈沖抽運(yùn)Yb3+-MSF1和Yb3+-MSF2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 抽運(yùn)功率、發(fā)射光與零色散波長相對位置對超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響

圖4和圖5分別為Yb3+-MSF1和Yb3+-MSF2在不同抽運(yùn)功率下產(chǎn)生的光譜圖,其中MSF長度為0.70 m,抽運(yùn)波長為890 nm,抽運(yùn)功率分別為0.10,0.20、0.30,0.40 W.圖4與圖5中的點(diǎn)劃線(綠色)、虛線(藍(lán)色)和實(shí)線(紅色)的位置分別代表了抽運(yùn)光波長、零色散波長和發(fā)射光波長.從圖4中可以看出,抽運(yùn)光均位于兩根MSFs的正常色散區(qū),而發(fā)射光分別位于Yb3+-MSF1的零色散波長附近以及Yb3+-MSF2的反常色散區(qū).插圖分別為CCD接收到的兩MSFs光場位置圖,從圖4可以看出抽運(yùn)光已經(jīng)耦合進(jìn)纖芯.

由圖4得知,當(dāng)抽運(yùn)功率為0.10 W時(shí),抽運(yùn)光相對于入射光譜來說有了一定程度的展寬,這種展寬由自相位調(diào)制作用產(chǎn)生的.與圖2中連續(xù)光抽運(yùn)情況相比,位于1035 nm的發(fā)射光的半高寬并沒有明顯變化,這是由于發(fā)射光沿MSF積累的功率較弱,并沒有非線性效應(yīng)產(chǎn)生.本實(shí)驗(yàn)中,稀土離子的吸收再發(fā)射和超連續(xù)譜展寬效應(yīng)共同參與飛秒抽運(yùn)光的能量轉(zhuǎn)移,為了衡量超連續(xù)譜產(chǎn)生效率,同時(shí)去除抽運(yùn)光耦合效率、MSF損耗等因素的影響,定義輸出光譜中超連續(xù)譜的產(chǎn)生效率h=1–Srp/S,其中Srp為接收到光譜中的殘余抽運(yùn)光面積,包含飛秒抽運(yùn)光和發(fā)射光兩部分,S為接收到光譜的總面積.當(dāng)抽運(yùn)功率增加到0.20 W時(shí),抽運(yùn)光的自相位調(diào)制作用進(jìn)一步增強(qiáng),但由于波長大于870 nm的部分被Yb3+完全吸收,故只觀察到輸出端光譜藍(lán)移; 對于發(fā)射光,其強(qiáng)度隨抽運(yùn)功率增加而增強(qiáng),但仍沒有明顯的非線性效應(yīng)產(chǎn)生.當(dāng)抽運(yùn)功率增加到0.30 W時(shí),在反常色散區(qū)出現(xiàn)基階孤子.孤子是反常色散及非線性平衡作用下的結(jié)果,然而抽運(yùn)光位于正常色散區(qū),所以孤子并非由抽運(yùn)光產(chǎn)生,而是由位于零色散波長附近的發(fā)射光產(chǎn)生,h=87.4%.與圖2對比可以發(fā)現(xiàn),雖然抽運(yùn)功率為0.40 W的連續(xù)光平均功率高于0.30 W的飛秒脈沖,但是利用連續(xù)光抽運(yùn)MSF時(shí),并未在反常色散區(qū)產(chǎn)生孤子.因此此處產(chǎn)生孤子的原因可以解釋為: 位于1035 nm的發(fā)射光在被飛秒脈沖抽運(yùn)激發(fā)、放大的同時(shí)被俘獲并演化成超短脈沖,盡管飛秒脈沖平均功率較低,但是其峰值功率很高,可于反常色散區(qū)在非線性作用下產(chǎn)生基階孤子.基階孤子在拉曼作用下紅移至1112 nm,與此同時(shí),在滿足相位匹配條件的相應(yīng)波長下產(chǎn)生色散波并藍(lán)移至692 nm.當(dāng)抽運(yùn)功率增加至0.40 W時(shí),拉曼孤子進(jìn)一步紅移至1256 nm,并伴隨著色散波藍(lán)移至621 nm,h達(dá)到93.5%.

圖4 抽運(yùn)功率分別為0.10,0.20,0.30,0.40 W時(shí)Yb3+-MSF1產(chǎn)生的光譜圖(插圖為光場位置圖)Fig.4.The optical spectrum of Yb3+-MSF1 when pump power is 0.10,0.20,0.30 and 0.40 W,respectively(the inset figure shows optical field position).

由圖5可知,當(dāng)抽運(yùn)功率為0.10 W時(shí),Yb3+-MSF2產(chǎn)生現(xiàn)象與Yb3+-MSF1類似,只有抽運(yùn)光在一定程度上發(fā)生了展寬,在反常色散區(qū)的發(fā)射光譜并未出現(xiàn)明顯展寬.當(dāng)抽運(yùn)功率增加至0.20 W時(shí),發(fā)射光在反常色散及非線性效應(yīng)的共同作用下產(chǎn)生中心波長為1111 nm的基階孤子及761 nm的色散波,h=83.3%.當(dāng)抽運(yùn)功率增加至0.30 W時(shí),在反常色散區(qū)產(chǎn)生高階孤子并分裂成多個(gè)基階孤子,各基階孤子在拉曼作用下發(fā)生紅移,同時(shí)在滿足相位匹配條件的波長處產(chǎn)生色散波并發(fā)生藍(lán)移,在正常色散區(qū)由于自相位調(diào)制、色散波的作用得到645—878 nm的SC.當(dāng)抽運(yùn)功率增加至0.40 W時(shí),拉曼孤子進(jìn)一步紅移,在反常色散區(qū)由于高階孤子分裂、拉曼孤子自頻移的作用使得光譜展寬合并得到1016—1346 nm的SC,在正常色散區(qū)SC的藍(lán)移邊緣進(jìn)一步藍(lán)移至623 nm處.上述兩種情況,h均大于98%.由于自制的Yb3+-MSF并未進(jìn)行脫水處理,使得位于1380 nm處的OH-吸收限制了拉曼孤子的紅移以及色散波的藍(lán)移,進(jìn)而影響了SC的展寬.另外,由于Yb3+的強(qiáng)吸收作用使得頻譜分為兩部分.對比圖4及圖5可以發(fā)現(xiàn),Yb3+-MSF1的發(fā)射光位于零色散波長附近,利用飛秒脈沖抽運(yùn)Yb3+-MSF1時(shí)產(chǎn)生孤子效應(yīng); 而相較于Yb3+-MSF1和Yb3+-MSF2的纖芯較小,非線性系數(shù)較大,且發(fā)射光位于距離零色散波長較遠(yuǎn)的反常色散區(qū),利用飛秒脈沖抽運(yùn)Yb3+-MSF2時(shí)更容易產(chǎn)生高階孤子分裂效應(yīng)得到SC,因此具有更高的超連續(xù)譜產(chǎn)生效率.

圖5 抽運(yùn)功率分別為0.10,0.20,0.30,0.40 W時(shí)Yb3+-MSF2產(chǎn)生的光譜圖(插圖為光場位置圖)Fig.5.The optical spectrum of Yb3+-MSF2 when pump power is 0.10,0.20,0.30 and 0.40 W,respectively(The inset figure shows optical field position).

4.2 抽運(yùn)波長對超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響

圖6和圖7分別為Yb3+-MSF1和Yb3+-MSF2在不同抽運(yùn)波長下產(chǎn)生的光譜圖,其中,MSF長度為0.70 m,抽運(yùn)功率為0.40 W,抽運(yùn)波長分別為850,870,890 nm.由圖6可知,當(dāng)抽運(yùn)波長從890 nm藍(lán)移至870 nm時(shí),拉曼孤子中心波長從1256 nm移至1161 nm,色散波中心波長從621 nm移至662 nm,這是由于抽運(yùn)波長偏離Yb3+吸收峰的程度增加,使得Yb3+吸收能力降低,發(fā)射光沿程積累的功率較低,導(dǎo)致拉曼孤子的能量較弱,進(jìn)而限制了孤子的紅移以及色散波的藍(lán)移;而當(dāng)抽運(yùn)波長為850 nm時(shí),Yb3+吸收效率更低,使得發(fā)射光的功率更弱,未產(chǎn)生孤子及色散波.當(dāng)抽運(yùn)波長為850和870 nm時(shí),h分別為65.2%和91.9%.

圖6 抽運(yùn)波長分別為850,870,890 nm時(shí)Yb3+-MSF1產(chǎn)生的光譜圖Fig.6.The optical spectrum of Yb3+-MSF1 when the pump wavelength is 850,870 and 890 nm,respectively.

由圖7可知,當(dāng)抽運(yùn)波長從890 nm變化至870 nm時(shí),Yb3+-MSF2的SC紅移邊緣從1346 nm移至1249 nm,藍(lán)移邊緣從623 nm移至670 nm;當(dāng)抽運(yùn)光為850 nm時(shí),在反常色散區(qū)沒有非線性效應(yīng),在正常色散區(qū)僅由于抽運(yùn)光自相位調(diào)制的作用使得光譜展寬至771 nm.結(jié)合圖6及圖7可知,抽運(yùn)光的吸收效率對于SC的產(chǎn)生極其重要,當(dāng)抽運(yùn)光波長靠近Yb3+吸收峰時(shí),兩MSFs吸收效率高,發(fā)射光積累的功率強(qiáng),Yb3+-MSF1產(chǎn)生的拉曼孤子紅移距離遠(yuǎn),Yb3+-MSF2產(chǎn)生的SC范圍寬.同時(shí)還可得知,抽運(yùn)波長可不必位于Yb3+吸收峰處,當(dāng)抽運(yùn)波長位于偏離吸收最高峰85 nm的890 nm時(shí),MSF仍有較高的吸收和發(fā)射效率,并產(chǎn)生較寬范圍的SC,在抽運(yùn)波長為850和870 nm時(shí)的h分別為65.3%和95.2%,略高于Yb3+-MSF1.雖然受本實(shí)驗(yàn)室激光器的限制,飛秒脈沖波長僅能調(diào)至890 nm,但目前商用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器的輸出波長可覆蓋660—1200 nm,以鈦藍(lán)寶石飛秒激光器作單抽運(yùn)源,結(jié)合超短脈沖高峰值功率和波長可調(diào)諧特性對輸出光譜進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)得到可調(diào)諧SC,利用飛秒脈沖抽運(yùn)Yb3+-MSF是一種非常有前景的SC產(chǎn)生方式.

圖7 抽運(yùn)波長分別為850,870,890 nm時(shí)Yb3+-MSF2產(chǎn)生的光譜圖Fig.7.The optical spectrum of Yb3+-MSF2 when the pump wavelength is 850 and 890 nm,respectively.

4.3 MSF長度對超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響

圖8和圖9分別為Yb3+-MSF1和Yb3+-MSF2在不同MSF長度下產(chǎn)生的光譜圖,其中,抽運(yùn)波長為890 nm,抽運(yùn)功率為0.40 W,MSF長度分別為0.50和0.70 m.從圖7中可知,當(dāng)MSF長度從0.70 m縮短至0.50 m時(shí),Yb3+-MSF1產(chǎn)生的拉曼孤子中心波長從1256 nm移至1102 nm,色散波中心波長從621 nm移至692 nm; Yb3+-MSF2產(chǎn)生的SC紅移邊緣從1346 nm移至1254 nm,藍(lán)移邊緣從623 nm移至661 nm.分析其原因?yàn)?MSF長度縮短使得Yb3+作用距離縮短,發(fā)射光沿程積累的功率較弱,導(dǎo)致Yb3+-MSF1拉曼孤子紅移距離及色散波藍(lán)移距離減小,Yb3+-MSF2產(chǎn)生的SC范圍減小.

圖8 MSF長度為0.50,0.70 m時(shí)Yb3+-MSF1的光譜圖Fig.8.The optical spectrum of Yb3+-MSF1 when fiber length is 0.50 and 0.70 m,respectively.

圖9 MSF長度為0.50,0.70 m時(shí)Yb3+-MSF2的光譜圖Fig.9.The optical spectrum of Yb3+-MSF2 when fiber length is 0.50 and 0.70 m,respectively.

5 錐形Yb3+-MSF2色散模擬及結(jié)果分析

5.1 色散模擬

拉錐可改變MSF的色散特性[21],但同時(shí)也會產(chǎn)生光泄露,為研究這些特性變化對SC產(chǎn)生的影響,本文對Yb3+-MSF2進(jìn)行拉錐,研究在不同錐長下錐區(qū)處的色散變化及光泄露對SC產(chǎn)生的影響.當(dāng)拉錐長度分別為3,5,7 mm時(shí),測得Yb3+-MSF錐腰處的直徑分別為81.08,51.83,35.62 μm,相當(dāng)于未拉錐Yb3+-MSF直徑的0.74,0.48,0.32倍,錐腰處的孔間距、空氣孔直徑及纖芯摻雜區(qū)域直徑均等比縮小.圖10為模擬得到的未拉錐Yb3+-MSF2及不同錐長Yb3+-MSF錐腰處的色散曲線圖,隨著拉錐長度增加,零色散波長從950 nm藍(lán)移至855,725,659 nm處,當(dāng)錐長為7 mm時(shí)在1890 nm出現(xiàn)第二個(gè)零色散點(diǎn).

圖10 未拉錐及錐形Yb3+-MSF2錐腰處的色散曲線圖Fig.10.Dispersion curve of untapered Yb3+-MSF2 and tapered Yb3+-MSF2 at the taper waist.

5.2 飛秒脈沖抽運(yùn)錐形Yb3+-MSF2時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖11為Yb3+-MSF2拉錐前后產(chǎn)生SC的光譜圖,其中抽運(yùn)波長為890 nm,抽運(yùn)功率為0.40 W,拉錐前Yb3+-MSF2長度為0.50 m,錐長分別為3,5,7 mm,錐腰距離Yb3+-MSF前端約0.20 m.圖11中的點(diǎn)劃線(綠色)和實(shí)線(紅色)表示抽運(yùn)光和發(fā)射光的波長位置,而虛線(藍(lán)色)為未拉錐Yb3+-MSF及錐形MSF錐腰處的零色散波長位置.當(dāng)Yb3+-MSF拉錐后,MSF的長度和非線性系數(shù)會有一定的增加,但是同樣會在錐區(qū)引入較大的損耗,使得抽運(yùn)光的能量產(chǎn)生泄露,同時(shí)因?yàn)殄F區(qū)較短,抽運(yùn)光不能得到充分吸收,從而影響到抽運(yùn)光的轉(zhuǎn)化效率.另外,錐區(qū)的零色散波長向短波方向移動(dòng),使得抽運(yùn)光位于錐區(qū)的反常色散區(qū),與拉曼孤子滿足相位匹配條件的色散波波長發(fā)生藍(lán)移,從而使得短波處SC展寬,而拉錐長度越長,錐腰處零色散波長越小,短波處SC展寬越寬.從圖11也可以看出,隨拉錐長度的增加,SC的紅移邊緣從1254 nm分別移至1243,1177,1159 nm,長波處的SC范圍有所縮短; 但SC的藍(lán)移邊緣分別從661 nm移至624,563,525 nm,短波處的SC范圍增加.

圖11 Yb3+-MSF2拉錐前后光譜圖Fig.11.Dispersion curve untapered and tapered Yb3+-MSF2 of the fundamental mode.

6 結(jié) 論

本文利用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器抽運(yùn)自制Yb3+-MSF產(chǎn)生超連續(xù)譜并研究其產(chǎn)生機(jī)理.利用連續(xù)光抽運(yùn)Yb3+-MSF1和Yb3+-MSF2時(shí),兩MSFs的發(fā)射峰均位于1035 nm; 隨著抽運(yùn)光偏離Yb3+吸收峰的程度增加,兩MSFs的發(fā)光效率減小.但當(dāng)抽運(yùn)波長為890 nm時(shí),Yb3+-MSF1和Yb3+-MSF2均有較高的發(fā)光效率,分別為84.8%和96.9%.利用波長為890 nm,功率為0.40 W的飛秒脈沖抽運(yùn)兩MSFs時(shí),發(fā)射光首先被抽運(yùn)光激發(fā)、放大并俘獲,然后演化成超短脈沖,最后產(chǎn)生非線性效應(yīng).Yb3+-MSF1的發(fā)射光位于零色散波長附近,利用飛秒脈沖抽運(yùn)Yb3+-MSF1時(shí)產(chǎn)生基階孤子并在拉曼作用下紅移至1256 nm,同時(shí)色散波藍(lán)移至621 nm; 對于Yb3+-MSF2,其纖芯較小、非線性系數(shù)較高,而且其發(fā)射光位于反常色散區(qū),利用飛秒脈沖抽運(yùn)Yb3+-MSF2時(shí)更容易產(chǎn)生高階孤子分裂效應(yīng),在反常色散區(qū)及正常色散區(qū)分別得到波長范圍為1016—1346 nm及623—878 nm的超連續(xù)譜,而由于Yb3+的吸收作用使得光譜分為兩部分,又由于1380 nm處的OH-吸收限制了超連續(xù)譜的進(jìn)一步展寬.稀土離子的吸收再發(fā)射和SC展寬效應(yīng)共同參與飛秒抽運(yùn)光的能量轉(zhuǎn)移,為了衡量SC產(chǎn)生效率,同時(shí)去除抽運(yùn)光耦合效率、光纖損耗等因素的影響,Yb3+-MSF1和Yb3+-MSF2的輸出光譜中SC的產(chǎn)生效率最高可以達(dá)到98%以上.對Yb3+-MSF2進(jìn)行拉錐后,錐腰處的光泄露造成拉曼孤子的能量減小,導(dǎo)致長波處超連續(xù)譜范圍縮短,隨拉錐長度增加,超連續(xù)譜紅移邊緣從1254 nm移至1159 nm,而拉錐會令錐腰處的零色散波長減小,與拉曼孤子滿足相位匹配條件的色散波波長藍(lán)移,從而使得短波處超連續(xù)譜展寬,隨拉錐長度增加,超連續(xù)譜藍(lán)移邊緣從661 nm移至525 nm.實(shí)驗(yàn)證明拉錐有利于光譜向短波方向展寬.