（光学专业论文）超连续光产生的理论和实验研究.pdf

中国科学技术大学硕士肇业论文摘婺 摘要 超连续光在波分复耀、光学仪器测试、相干成像、频率测度、脉冲压缩等方 蘧都有着广泛的应用，光纤超连续光源有简便轻巧、功率阈值低、易与光纤耦舍 等优点，是目前超连续光源实用化的主要方向。本文从理论和实验角度对光纤超 连续光源进行了一系列研究：理论方面模拟了脉冲在光纤中传播演化过程，求解 了光纤色教盏线，这两个工作为选择合适靛光源帮光纤参数提供参考；实验方嚣 研制了基予掺锗硅基高非线性光纤和掺铒掺镱非线性镳振旋转锁模激光器的两 种超连续光源。本文不仅取褥了许多研究成果，也作为实验室开创性工作为后续 王作抒下了基础。本论文获褥的主要成果有： l 。基于菲线性薛定谔方程模型，采用分步傅立叶方法模拟了脉冲在光纤中 豹演化过程。通过模拟分析了脉冲在光纤中的演化过程，研究了脉冲的脉宽、峰 值功率、光纤非线性系数、长度等参数对脉冲展宽的影响。总结出通过定制入射 脉冲与光纤参数来优化超连续光源参数的指导理论。 2 基于光纤波导模式的矢量模传输方程，求解了拉锥光纤和大气孔比例的 实心光子晶体光纤的传播常数艘线，由此可得光纤与波长相关的经意阶色散蓝 线，该程序可求解任意已知材料色散及纤芯尺寸的双层光纤。求解出的各波长处 传播常数德力脉冲演纯搂拟和光纤参数优纯提供了蘸提。 3 。研制成功了基于掺锗醚基高非线性光纤和掺铒非线性偏振旋转镤模激光 器的超连续光源，获得了从l1 5 q 凇到1 7 5 0 搬的超宽带输出光谱。 4 研制成功了基于掺锗硅基离非线性光纤释掺镱嚣线性偏振旋转锬模激光 器盼超连续光源，获得了从1 0 3 0 n m 到1 4 燃的超宽带输出光谱。 本文剑新点和特色： 1 模拟非线性薛定谔方程时考虑自陡、受激拉曼散射项的精确表述及其相 互舔翔项，模型精度高。 2 提出根据计算求得的巍纤传播常数迭线计算非线性薛定谔方程色教项盼 中国科学技术大学硕士毕业论文 摘要 方法，解决了高阶色散不易精确求解的问题，减少色散项模拟时的误差。 3 研制成功的全光纤掺铒超连续光源获得了超平坦光谱，其中1 1 5 0 m 至 1 3 5 0 n m 波段平坦度优于3 d b ，1 6 0 0 n m 至1 7 0 0 n m 波段平坦度优于l d b ，并有很 好的向长波延展空间。 4 研制成功的全光纤掺镱超连续光源获得了1 0 3 0 1 1 1 1 1 1 4 3 0 1 1 i i l 的宽光谱，改 进激光器特性后该光源有很好的平坦化潜力。 关键词：超连续光；非线性薛定谔方程；高非线性光纤；非线性偏振旋转 中国科学技术大学硕士毕业论文摘要 a b s t r a c t s u p e r c o n t i i i u u mg e n e r a t i o nh a sn u m e r o u s 印p l i c a t i o n si ns u c hd i v e r s ef i e l d s 硒 w d m ，印p a r a ：t u st e s t i n g ，o p t i c a lc o h e r e n c ei m a g e ，o p t i c a l 丘e q u e n c ym e a s u r e m e n t 觚dp u l s ec o m p r e s s i o n s u p e r c o n t i m m ml i g h ts o u r c eo no p t i c a lf i b e rh a st l l em e r i t so f c o m p a c t ，l o wp o 、e rt h r e s h o l da n de a s yc o u p l i n g 谢t ho p t i c a lf i b e r s ，t h u sw i l lb e l e m 咖s 仃e 撇o fp r a c t i c a l 印p l i c a t i o n t h i st h e s i sc 硎e do u tas e r i e so fr e s e a r c ho n t l l e o r e t i c a la i l de x p e r i m e n t a li s s u e si nt h er e a l i z a t i o no fs u p e r c o n t i n u 啪s o u r c e ：o n t l l e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ee v o l u t i o no fp u l s em l r i n gp r o p a g a t i o ni sc a l c u l a t e d ，a sw e ua s m em o d ep r o p a g a t i o nc o n s 僦i ne a c hw a v e l e n g t l l o ne x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，t 、7 l ，o k i n d so fs u p e r c o n t i n u u ms o u r c ei sr e a l i z e d ，o n ei sb a s e do ng e - d o p e dh i g hn o n l i n e a r 肋e ra 1 1 dn o n l i n e a rp o l 撕z a t i o nr o t a t i o nm o d e - l o c k e d 丘b e rl a s e rw i 也e r - d o p e d 舶e r a n da l l o t h e rw i t hy b - d o p e d 肋e r w en o to n l yh a v eo b t a i n e di l l l p o r t a m tr e s u l t si n 也e s e1 1 i g ht c c h n 0 1 0 9 i e sb u ta l s op r 0 v i d e das o l i df i o u n d a t i o nf o rn e x t 、0 r ki n “sf i e l d n l ef o l l o wa r et h er e s l l l t sw eo b t a i n e di nt h i st l l e s i s ： 1 t h ee v 0 1 u t i o no fp u l s ei no p t i c a lf i b e rb yt l l ea l g o r i t h mo fn i t - s t e pf o u r i e r m e t h o di ss t i m u l a t e d t h es t i m u l a t i o ni sb a s e do nt h em o d e lo fn o n l i n e a rs c l l r 6 d i n g e r e q u a t i o n b ya i l a l y z i n gt h ee v o l u t i o no fp u l s ei nt h ef i b e r ，m ei n n u e n c eo fp u l s e d u r a t i o n ，p u l s ep e a ：k p o w e r ， n o n l i n e a ri n d e xo ff i b e ra n dl e n g t ho ff i b e ra r e d e m o n s t r a t e d s e v e r a lk e yp a r 锄t e r so ft h es u p e r c o m i m m ms o u r c ea r ep o i n t e do u t ， m em e 廿l o do fo p t i m i z i n gs u p e r c o n t i n m h ns o u r c ep a r a m e t e r sb y 删u s t i n gp u l s e c h a r a c t e r2 u n i df i b e rp 猢e t e ri sp u tf o n ) r 棚 2 o nt l l eb a s i so fv e c t o rm o d ep r o p a g a t i o ne q 谢i o n ，m ep r o p a g a t i o nc o n s t 觚t s c h e m ea n dh i g ho r d e rd i s p e r s i o ni n d e x ，i na r b i n a d ，、v a v e l e n g mo ft a p e r e df i b e ra r l d c e i r t a i nk i l l d so fs o l i dc o r ep h o t o n i cc 巧s t a lf i b e r ，a r ec a l c u l a t e d t h ec a l c u l a t e d p r o p a g a t i o nc o n s t a i l ti n 舶i t r a 巧w a v e l e n g t hp r o v i d e sf o u i l d a t i o nf o rt h es t i m u l a t i o n o fp u l s ee v o l u t i o n 赳l do p t i m i z a t i o no ff i b e rp a r a m e t e r s 3 s u p e r c o n t i n u 啪s o u r c eo nt h eb a s i so fg e n n a n i u i n d o p e dl l i g hn o n l i n e a rf i b e r 距dn o n l i n e a rp o l 撕z a t i o nm o d e l o c k e de 卜d o p e df i b e rl 弱e ri sm a n u f k 饥l r e d a n i i i - 皇里型兰垫查奎堂堡主望些丝奎 一 摘要 一- ：= u l 仃a - b r o a d b a l l ds p e c 饥l l l 】仔o m1l5 0 1 1 1 1 1t o17 5 0 i l l l li so b t a i n e d 4 s u p e r c o n t i n m i ms o u r c eo nt h eb a s i so fg e n 】= 1 a n i u m d o p e dl l i g hn o n l i n e a rf i b e r a i l dn o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nm o d e - l o c k e d y b d o p e df i b e rl a s e ri sm a l l u f a c t u r e d a b r o a ds p e c 饥n 舶ml0 3 0 硼t ol4 0 0 啪i sa c h i e v e d ，n l eo r i g 胁l i 皿o v a t i o ns p o ta n d d i s t i n g u i s h i n gf e 孤鹏： 1 a c c u r a t et e n n so fs t i m u l a t e dr 加1 觚s c a n e 咖ga n ds e l f s t e e p e n i n gi si n c l u d e d ， a sw e l la st h ei n t e 印l a yb e 帆e n t l l e m ，t h u s 低m o d e l i n gi sh i g 坶p r e c i s e 2 m e t h o do fc a l c u l a t i n gm ed i s p e r s i o nt e r mi nn o i l l i n e a rs c h r 6 d i n g e re 小脚i o n b y 廿1 es c h e m eo fd i s p e r s i o nc o n s t a i l ti sp u tf o r w a r d t h i sm e t i l o de l i m i n a t e st l l e i n a c c u r a c y 、：h i c hb r o u g h tb yt h ec a l c u l a t i o no fh i g ho r d e rd i s p e r s i o n ，t h e r e f o r em e e 1 1 1 0 ri 1 1d i s p e r s i o nt e n nc a i c u l a t i o ni sd e c r e a s e d 3 a nu l 仃a - b r o a d b a n ds u p e r c o n t i n u u i no f1 15 0 姗1 7 5 0 啪i sa c l l i e v e d t h e r i p p l eb e 铆e e n1 1 5 0 衄a i l d1 3 5 0 哪i sl e s st h a n3 d b ，a n d 廿l er i p p l e b e 铆e e n1 6 0 0 i l i i la i l d17 0 0 啪i sl e s st h a n1d b 1 1 1 es u p e r c o n t i n u 啪i se x p e c t e d t oe x t e n db r o a d l y i i lw a v e l e n g lo v e r17 5 0 i u l l 4 a nu l t r a b r o a d b a n d s u p e r c o n t i u u mo f10 3 0 啪14 3 0 n mi sa c h i e v e db v u t i l i z i n gg e m a n i l m 卜d 9 p e dh i 曲n o n l i n e a rf i b e ra n dn p rm o d e 1 0 c k e df i b e rl a s e r ，n l es u p e r c o n t i n u 啪s o w c eh a sa g o o dp o t e n t i a lo fn a 廿e n i n gw i 也a 1 1i m j ) r o v e dl a s e r s f u r c e k e yw o r d s ：s u p e r c o n t i n u u m ；n o n l i n e a rs c l 撙6 d i n g e re q u a t i o n ；l l i g hn o n l i n e a rf i b e r ； n o n l i n e a rp o l 撕z a t i o nr o t a t i o n i v 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 年月日 孛国科学技术大学硕掌整论文第一奄绪论 第一章绪论 超连续光是指光谱较窄的光在非线性介质中传输时，受到很强的非线性效应 或非线性与色敖效应共同作用而急剧展宽产生的光谱。超连续光最早由a l f a n o 等人于1 9 7 0 年在玻璃巾发现，隧后入们在匿体，有枫或无机液体，气体和许 多波导结构中都观测到了超连续光的产生。上世纪七十年代开始国际上对体材料 中的超连续光开展了广泛的研究，普通光纤中的超连续光也有相关报导。随着光 纤制作技术的不断进步，特别是光子晶体光纤与拉锥光纤等新型光纤的出现，九 十年代开始光纤中的超连续光产生有了长足的发展。超连续光有着光谱宽度大、 谱功率密度高、方向性好等优点，在波分复用、光学相干断层摄影，高精度频率 测量，超短脉冲压缩和光学仪器测试等众多领域有着广泛的应用，各种应用对其 参数要求不尽相同。 光纤超连续光源的泵浦光源既可以采用固体激光器，也可以采用光纤激光 器。与体材料产生超连续光相比，非线性介质采用光纤结构时有着结构简单紧凑， 方便与其他光纤连接，功率阈值低等优点，因此目前已有成熟的商用超连续光源 面世。在超连续光源设计中，需要针对应用的特殊需求选取合适的激光器和光纤。 1 1 超连续光研究概况 1 9 7 0 年，a l 蠡毽。和熟印i 约等人用波长5 3 0 瓣、5 m j 的皮秒脉冲入射到8 k 7 玻璃中，观察到了4 0 0 n m 至7 0 0 n m 的白光【1 】，当时普遍认为强光束的自聚焦效 应使得光束能量密度急剧增大是导致超连续光的先决条件，自聚焦导致的极高光 强下会出现其他高阶非线性效应如盘陡，多光子吸收，自由电子等离子体等，从 而展宽光谱【2 ，3 】。由于同时涉及脉冲的空间和时间效应，体材料超连续光产生中 起作用的机理很多，表现形式也相当复杂，直到2 0 0 0 年，大家才普遍接受这样 静模型：盘聚焦和皇陡导致的脉冲后沿的光学冲击为体材料中各种非线性作用怠| j 造了基础，因此体材料中的超连续光是空间和时间作用相结合的产物。 1 9 7 6 年l i n 和s 幻l e 藏等人采用峰值功率千瓦量级，中心波长1 3 0 0 蛳左右的 纳秒染料激光器产生了谱宽约2 0 0 t h z 的超连续光【4 】，其主要机理被认为是受激 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 拉曼散射( s r s ) 和自相位调制( s p m ) ，同时交叉相位调制( x p m ) 和四波混 频( f w m ) 也有一定影响。h a s e g a w a 和t a p p e i r t 在1 9 7 3 年使用非线性薛定谔方 程描述超连续光产生的物理过程，同时预测了在靠近零色散点的反常色散区，飞 秒量级的短脉冲可能会导致孤子分裂现象 5 】。但由于缺乏长波段的飞秒激光器， 该预测很长一段时间内未能从实验上证实。 随后的近二十年里普通光纤中的超连续光产生理论进一步完善，但实验条件 限制了该领域的发展，文章总数相对较少，直到九十年代后期光子晶体光纤等一 批能够调整色散曲线的新型光纤问世后，超连续光才再次成为许多研究小组关注 的重点。1 9 9 8 年b a t h 大学的r u s s e u 等人展示了如何通过设计光子晶体光纤的包 层结构改变光纤的色散曲线 7 】，该小组又先后证实了孤子分裂在超连续光产生 中的作用 8 】。在2 0 0 0 年b e u 实验室的r a n k a 等人在零色散点7 6 5 r m l 的光子晶 体光纤中产生了4 0 0 m 至16 0 0 n m 的宽光谱 9 】。此后超连续光领域迅猛发展， 各种调制色散曲线的新型光纤纷纷被用于超连续光研究，如拉锥光纤、色散平坦 光纤、色散位移光纤等，超连续光源也进一步走向商用化。世界上还有许多科研 小组活跃在这一领域，如u n i v e r s 时o f b m ) ( e l l e s ，m i t ，u n i v e r s 埘o f b o r u l ，h e l s i n k i u 血v e r s 时o ft e c h l l o l o g y 等，尤其是b o l l n 大学在拉锥光纤的制备，超连续光产 生的模拟和色散曲线调制等方面卓有成效 1 0 1 4 】。 国内也有不少机构从上世纪末开始这个领域的研究工作，如南开大学、天津 大学、清华大学、中国科技大学和上海光机所等单位，在数值模拟、光源研究以 及通信应用等方面取得了一定的进展 1 5 1 8 】。 1 2 用于产生超连续光的光纤与光源 1 2 1 高非线性光纤 普通的单模光纤也能够产生超连续光，并被最早用于研究光纤中超连续光产 生，由于非线性和色散效应均可以积累，因此理论上只要有足够长度的光纤都能 在一般入射功率下产生足够的展宽。然而事实上这样却并不方便：较长光纤会带 来额外的损耗，偏振色散和随机扰动也会使出射光质量下降，另外由于色散曲线 已由光纤半径固定下来，要追求较大的展宽就只能选择入射光波长在普通光纤的 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 帅t 斛棚i a 瑚獬 图1 3 拉锥光纤示意图 u 渤p e 伯d 铂r 光纤的色散主要由介质色散，波导色散和模间色散组成。在拉锥光纤中光 处于基模传输且很难由于扰动转换到高阶模，同时介质色散可由s e l l m e i e r 公式 求得且无法调整 3 0 ，3 1 】，因此对色散的调制完全来自不同纤芯直径带来的波导色 散。普通光纤波导色散可由标量近似的模传输方程求得，但对于拉锥光纤来说， 由于纤芯和空气折射率相差很大，必须用矢量模传输方程求解不同波长处的传播 常数再求解色散曲线。典型的拉锥光纤的色散曲线如图1 4 所示。光谱在拉锥光 纤中的展宽主要来自拉锥束腰的贡献，束腰到未拉锥处的锥形过渡区也有一定的 贡献，但可以忽略。 图1 4 拉锥光纤的色散曲线，图a 为8 5 0 姗波长时色散随直径的变化，图 b 为不同直径时的色散曲线 拉锥光纤的优点在于制作成本低廉，与普通单模光纤连接损耗极低，且可 以通过改变束腰半径方便地调节色散曲线。b o 皿大学的研究小组甚至报导了将 束腰浸入一定折射率的液体中，通过改变纤芯和外包层折射率差的方式进一步调 制色散 1 2 】。然而拉锥光纤也有一定的局限性：拉锥部分过细因此物理强度较低； 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 由于光束聚焦在很小的截面上，单根拉锥光纤的通光功率闽值有限且容易因为表 面附着灰尘等而熔毁。 3 高非线性光纤 掺锗高非线性光纤：高非线性光纤的主要材料为硅基掺锗光纤，该材料能 够提供较高的非线性系数，其芯径一般在1 微米左右。高非线性材料与较细的模 场面积使得该光纤能够提供比普通单模光纤高5 7 倍的非线性系数。由于折射率 与芯径经过调整，该光纤色散曲线较平坦，且零色散点在1 4 5 0 m 一1 5 0 0 m 左右 3 2 ，3 3 ，适合该波段超连续光产生。高非线性光纤较前述两种光纤容易购得，因 此也适合制作长波段的超连续光源。随掺杂浓度、纤芯直径等参数不同，光纤的 色散曲线和非线性系数会略有差异。虽然该高非线性光纤的直径远比普通单模光 纤细，但仍可与单模光纤焊接，与光子晶体光纤相比更为便捷。 掺铋高非线性光纤：掺铋高非线性光纤有很高的非线性系数，比普通单模 光纤高三个数量级，因此能够为很小的脉冲能量提供极大的非线性展宽。同时该 种光纤的芯径比普通单模纤细，故色散曲线也有所不同，其截面图与色散曲线如 图1 5 所示。这种光纤问世不久，还处于实验室研究阶段，参数仍有待进一步优 化。 0 1 e k 埘潮 二一“ 一蕊一k 一一 ，1 。0 “i 一i 。镶强i 镒： r 、 j 一一 一； 二， ? 、。善j j _ 一 ? ? 、_ 。；删鼍_ 哪w ； 黻穷 l | _ 1 驰b 翻均，辨铷i1 铂2 嘴 w b d _ q 南i _ i 图1 5 掺铋光纤的截面及色散曲线 总的来说，非线性系数方面，普通单模光纤( 以s m f 2 8 为例) 的非线性系 _e产&一塞lii量g 中国科学技术大学硕士学位论文第章绪论 数，为0 0 0 3 ( w 木m ) ；高非线性光纤由于纤芯材料改变和较小的有效模场面积， y 较大，为约o 0 1 4 ( w 幸m ) o 0 2 0 ( w 书m ) ；拉锥光纤的芯径可细至0 5 微米，此 时光将无法全部局限于纤芯中，因此有效模场面积比纤芯面积大，但在考虑这一 修正后拉锥光纤的非线性系数也比普通单模光纤大7 0 倍左右【2 5 】；类似地，光 子晶体光纤中纤芯直径决定了非线性系数的大小，其，可达0 1 1 ( w 掌m ) 【2 0 。 改变纤芯直径可以改变其中的模式传输特性，从而影响光纤的波导色散， 不同的直径对色散调制的调制作用将在第三章进行研究。 1 2 2 脉冲激光光源 对不同的超连续光要求，泵浦光的参数要求也不同。常用的有钛蓝宝石激 光器、n d ：y a g 激光器、掺镱光纤激光器、掺铒光纤激光器等。 t i ：a 1 2 0 3 激光器：激光波长在6 6 0 n m 1 1 0 0 i l i l l 范围内连续可调，是目前调 谐范围最宽的激光器之一。通过正负频率线性调制组合，钦宝石激光器可直接输 出脉宽短至6 5 f s 的激光脉冲，单脉冲能量可达n j 。这样高功率、短脉宽的入射 脉冲对获得大宽度、高稳定性的光谱十分有利。 n d ：y a g 激光器：中心波长为1 0 6 4 n m ，采用氪灯作为激励源，出射脉宽一 般在皮秒量级。该激光器加入倍频晶体后可以方便地组成1 0 6 4 衄+ 5 3 2 r u i l 双波 长同步泵浦源，采用该系统的超连续光源已有报导。 掺e “，y b 离子光纤非线性偏振旋转锁模( n p r ) 激光器：该类型激光器以 掺e r y b 离子光纤作为工作物质，中心波长在1 0 5 3 删1 5 5 0 i l i l l 附近。脉宽为 1 0 5 0 0 p s ，输出脉冲一般带比较强的非线性啁啾。由于此啁啾量无法直接测得， 因此实验结果一般与模拟相差较大。 掺e 洲b 离子光纤s e s a m 锁模激光器：同样以掺e 胛b 离子光纤作为工 作物质，以半导体可饱和吸收体( s e s a m ) 为被动调制元件，脉宽可达5 0 0 f s ，输 出脉冲为高斯型，啁啾量较n p r 激光器小得多。 超连续光产生中展宽效果最好的机理为孤子分裂，该过程要求入射脉冲的 巾霹辩学技术大学醭士学位论文第章缝谂 中心波长在光纤的零色散点附避。由于激光嚣受工作物质增益谱的限制，波长笋# 毒 镬意可调，因诧应当调铡淹纾的色散鼗线与激光器波长檑匹配，圈量6 嚣鸯两 稀常用激光器及蒸波长匹酝鲶毙纤。 缀鼯酾o 2 01 毒1 o 霞0 略 嗽撼l 耪辨辨b 粥畸 圈1 6 常雳鲶掺钛蘸宝石激光器耱掺锤激光器与棚匹黧抟光终 1 3 超连续光的应用及参数要求 嘻。3 超连续光的应用方向 超连续光兼其宽光游，葡光源亮度，方淘性好等优点，耩对传统光源魏荧 光| 灯、放大自发辐射光源( a s e 和级联多量予阱l e d 等有着独特的优势：与 荧光灯楣跣超连续巍源有徽嵩的功率密度穗缀商的空闻棚子性，与a s 糕光源粳 逮冀光谱宽度大，光谱平超，与s 毛毯羚程院在光谱宽度，功率密度等方匿蚜宥优 势【3 4 。3 8 】，因诧有着独特斡应用价值帮广阔的感用前景。光谱黠院如图1 。7 所汞e 隧l ，7 超连续光源与藕他光源的耽较 客 瓣嚣童塞pli谲趣量搀鬻雾醛 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 超连续光源匿前应用最成熟的主要有以下蹬个方向： 1 波分复用： 超连续光展宽光谱能够在光纤的通信窗霹附近提供更大的可调谐宽度。随 着对传输速率要求的不断提高，波分复用技术已经成为一种有效提高信道容量的 技术。现有的波分复用传输系统依赖一系列的d f b 连续光激光器，每个激光器 作为单波长光源，由于d f b 激光器对温度较敏感，该结构对电源，温度控制的 要求都非常高，成本也比较高昂。一些改进器件如半导体放大器( s o a ) 和掺铒 光纤放大器( e d f a ) 都能够提供一定宽度的光谱，但它们在信道数量或信道线 宽上有着各鲁的缺点。与s o a 和e d 融相比，超连续光源可以提供足够平坦和 足够宽度的光谱，通过频率梳转化成一系列信道，从而筒化信号发射端的复杂程 度并提高其稳定性【3 9 4 3 】。产生超连续光及波分复用的一个结构示意图如图1 8 。 o ，、扛瓣il r 1i 2 光学相干成像 光学相干成像( o c t ) 能够对组织微结构的不同截面成像，无需破坏结构， 因此在生物和医学方面有着广泛的应用f 4 4 4 8 】。在此成像方法中，纵向分辨率的 大小与光源的带宽和光源的中心波长戒反比，因此光源频谱宽度对分辨率有决定 性影响。一些传统光源也可用于o c t ，基于多量子阱结构的光源熊够傻分辨率 达到1 0 一1 5 微米，而基于钛蓝宝石锁模激光器的光源更能将分辨率提高到1 5 微 米，但钛蓝宝石锁模激光器昂贵的售价制约了其广泛使用。成本较低的光纤激光 器的超连续光源可以提供极宽的光谱，能使o c t 的纵向分辨率提高到2 微米左 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 右。 图1 9o c t 系统，可用于8 0 0 n m 和1 3 0 0 n m 图1 9 为超连续光o c t 系统的一个简单示意图。超连续光产生后被l ：1 分束至扫描臂和参考臂，扫描臂由反射式检流计控制，在参考臂上加入玻璃以补 偿样品在扫描臂引入的色散。扫描薏的信号与参考信号在平衡接收器处干涉以减 捧超连续光的模式噪声，处理后的信号最后被放大，滤波并显示出来。 3 频率测度 精确频率测量需要瞪知准确频率的激光器，这一激光器通常通过一个基准 频率进行校正，然而此工作机理下的激光器并非绝对稳定，腔内工作物质的热效 应等扰动会使其偏离基准频率，而且这一偏离误差6 是动态的，无法精确预估。 然而当能够获得一个超过倍频的超连续光谱时，这误差6 可以通过差频的方式 获得：设基频为f ，则超连续光得到的频率为2 f + 6 ，另一路光经倍频晶体后得 到的频率为2 f + 26 ，此时差频即可得到6 的频率，从而得到作为测度的基准光 的绝对频率【4 9 ，5 0 】，因此超连续光源能够为频率测度提供一个最终的解决方案， 如图1 1 0 。由于该方案是建立在稳定脉狰序列的基础上的，因此对超连续光入射 脉冲的稳定性有很高酶要求，还应当尽量避免高功率下调制不稳定性带来的影 响。 - l 良 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 0 倍频与超连续光展宽后的二倍频进行差频的实验原理图 4 光学仪器测量 超连续光很宽的光谱可以用来测试光学器件，如1 5 5 0 砌附近s ，c 和l 波 段光纤的衰减情况，或者用来测试可见光波段的聚合物波导参数。其较宽的光谱 能一次测量多个频段，速度快且结构简单。同时，超连续光较高的谱功率密度可 以确保能够在衰减较大的场合中使用。 另外，在光纤陀螺、超短脉冲产生以及材料光谱学等方面超连续光也有重 要的应用价值 5 1 5 5 】。光纤陀螺需要较大的光谱宽度以抵消光在传输过程中受到 的拉曼散射、布里渊散射等带来的影响，宽光谱无疑会提高其精度；超宽的光谱 使获得近似傅立叶变换极限的超短脉冲成为可能，已有报道利用超连续光源获得 了短至3 f s 的超短脉冲。材料光谱学中对材料光谱进行分析时，超宽的光谱能够 一次得到不同频率下的大量信息，从而提高效率，同时这种光源避免了其他方案 中需要使用的大量不同波段光源，降低系统复杂度和成本。 1 3 2 超连续光源的主要参数 由上所述，超连续光的不同应用对其参数提出了不同的要求，如波分复用。 技术中要求光谱在通信窗口附近足够平坦，脉冲之间稳定性高，相干成像要求侧 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 重较大的光谱宽度，频率测度学中则要求脉冲之间随机扰动一定要足够小，即必 须抑制受激拉曼散射和调制不稳定性的影响。不同应用有不同的侧重点，这些可 以归结为超连续光源的几个参数要求。 总的来说，超连续光源需要注意的参数主要有以下五个：光谱宽度，光谱 中心波长，光谱平坦度，脉冲序列稳定性与光源强度。这些参数很难同时达到最 优值。例如当入射光强很大的时候，非线性效应显著，自位相和交叉位相调制比 较明显，然而当入射波长在负色散区时，高峰值功率也会导致显著的调制不稳定 效应，从而使脉冲之间的稳定度下降。使入射光中心波长在光纤正色散区可以有 效避免调制不稳定带来的影响，然而由于此时展宽机理中起主导作用的仅有自位 相调制，因此光谱宽度远比零色散点附近入射低。 口 搋 蠹 省 藤 图1 1 1 相干性测试光路，其中删为衰减片，e c d c 为色散控制单元 在上述五个参数中，光谱宽度，光谱中心波长，光谱平坦度与光源强度均 可由常见仪器测得，脉冲序列稳定性的测量仪器需要自行设计。图1 1 1 为测量 超连续光源稳定性的一个结构示意图，通过调整迈克尔逊干涉仪中两臂的光程 差，可以使脉冲序列中的前后脉冲相干，从c c d 上获得的干涉图样即可看出脉 冲序列的稳定性。当脉冲之间抖动较明显时，干涉图样将变得模糊。 不同的应用对超连续光源的参数要求不尽相同，如何选择合适的激光器与 光纤，并通过优化参数等方式获得合适参数的光谱展宽，正是本文下面部分所要 讨论的。 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本论文主要工作 本论文主要针对超连续光产生中激光器和光纤种类较多，各类应用要求差 别较大的特点，对不同激光器和光纤的应用方向进行比较，并在模拟和实验上分 别开展了一系列研究。本文研究了拉锥光纤、高非线性光纤和光子晶体光纤色散 曲线的求解方法，以非线性薛定谔方程和分步傅立叶算法为基础，实现了在上述 光纤中脉冲传播演化的精确模拟，研究了不同功率，不同波长下超连续光的产生 情况，并得到优化值。根据实验室现有条件，实验方面研制了基于掺铒镱光纤 非线性偏振旋转锁模激光器的超连续光源。其中采用掺铒光纤非线性偏振旋转锁 模激光器与高非线性光纤的超连续光源获得的光谱在1 1 5 0 胁至1 3 5 0 啪波段平 坦度优于3 d b ，1 6 0 0 i 姗至1 7 0 0 1 1 i i l 波段平坦度优于1 d b ，并有很好的向长波延 展空间。基于掺锗硅基高非线性光纤和掺镱非线性偏振旋转锁模激光器的超连续 光源，获得了1 0 3 0 姗1 4 3 0 n m 的宽光谱，改进激光器特性后该光源有很好的平 坦化潜力。 论文第一章，概述了本论文的研究背景及意义。 论文第二章是本文的理论基础。本章从从麦克斯韦方程组、光纤模式理论 和缓变振幅近似出发，介绍了描述脉冲在光纤中传播的非线性薛定谔方程，并介 绍了该方程的误差。本章介绍了求解光纤色散参量的矢量方法，以麦克斯韦方程 组为基础，该方法能够精确地求解不同波长下的色散参量，可为数值模拟提供可 靠参数。最后介绍求解非线性薛定谔方程的数值解法，并分析其精度。 论文第三章介绍了超连续光产生的数值模拟部分工作。求解了拉锥光纤的 色散曲线，该工作为进一步模拟脉冲演化和通过模拟结果优化光纤参数提供了基 础。本章以分步傅立叶方法和非线性薛定谔方程为基础，模拟了脉冲在光纤中的 演化，该模拟细致考虑了受激拉曼散射作用项并完整地考虑了自陡效应和受激拉 曼散射的相互作用，精度较高，可为实验提供更可靠的参考依据。最后结合实际 应用需求总结了超连续光源的搭建的指导思想。 论文第四章介绍了分别利用1 0 5 3 i l i i l 及1 5 5 0 啪波段的锁模激光器研制的超 连续光源。基于掺铒光纤非线性偏振旋转锁模激光器的超连续光源采用住友公司 g p s 8 5 5 k a 型高非线性光纤，获得了从1 1 5 0 衄到1 7 5 01 1 1 1 1 的超宽带输出光谱， 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 其中1 1 5 0 砌至1 3 5 0 姗波段平坦度优于3 d b ，1 6 0 0 i u n 至1 7 0 0 衄波段平坦度优 于1 d b ，并有很好的向长波延展空间，在长波段的特殊应用如环境探测等方面有 很好的应用前景。基于掺镱光纤非线性偏振旋转锁模激光器的超连续光源同样采 用g p s 8 5 5 k a 型高非线性光纤，其频谱起伏较大，对其展宽机理进行分析有助 于进一步加深对超连续光实验的理解。 参考文献： 1 a i f h o ，r r ，s l s h a p i r 0 ，19 7 0 ，e m i s s i o ni l ln l er e g i o n4 0 0 0t o7 0 0 0a v i a f o u r - p h o t o nc o u p l i n gi ng l a s s 叨，p h y s r e v l e t t ，2 4 ，5 8 4 - 5 8 7 2 r 0 t h e n b e r g ，j e ，l9 9 2 ，s p a c e t i m ef o c u s i n g ：b r e a k d o w no ft l l es l o w l yv a r y i n g e n v e l o p e 印p r o x i m a t i o ni nt 1 1 cs e l 筋c u s i n go ff e m t o s e c o n dp u l s e s 叨，o p t l e t t ， 1 7 ，1 3 4 0 - 1 3 4 2 3 w e m c k e ，w ，l a ua ，p f e i f f e rm ，e ta l ，1 9 7 2 ，a na i l o m a l o u s 舭q u e n c y b r o a d e n i n gi nw a t e r 叨，o p t c o 眦吼，4 ，4 1 3 _ 4 1 5 4 l i n ，c ，趾l ds t o l e nr h ，19 7 6 ，n e wn a r l o s e c o i l dc o n t i m l 哪f o re x c i t e d - s t a t e s p e c 们s c o p y j 】，a p p l p h y s l 嘣，2 8 ，2 1 锄l 8 5 s t 0 1 e n r h ，l e ec ，a i l dj a i l lr k ，l9 8 4 ，d e v e l o p m e n to f m es t i n l u l a t e dr 锄趿 s 1 弦c t n 蚰i ns i n g l e - m o d es i l i c a 助e r s 叨，j o p t s o c a m b ，1 ，6 5 2 - 6 5 7 6 h a s e g 鲫v a ，a ，a n dt a p p e nf ，1 9 7 3 ，t i a n s m i s s i o no f 北n i o 彻r yn 硼s m i s s i o no f s t a t i o n a 巧n o n l i n e a ro p t i c a lp u l s e si nd i s p e r s i v ed i e l e c 仃i c 肋e r s 阴，a p p l p h y s l e t t ，2 3 ，1 4 2 7 m o g i l e v t s e v ，d ，b h bt a ，a 1 1 d r u s s e up s t j ，19 9 8 ，g 衲u p v e l o c 埘 d i s p e r s i o ni np h o t 0 i l i cc d ，s t a if i b e r s j 丁，o p t l e t t ，2 3 ，16 6 2 一l 6 6 4 8 r a m 【a ，j k ，w i n d e l e rr s ，a r l ds t e n t za j ，2 0 0 3 ，n o i l l i n e a ro p t i c a lp u l s e si n d i s p e r s i v ed i e l e c t r i cf i b e r si ：a n o m a l o u sd i s p e r s i o n ，a 】p p l p h y s l e t t ，2 3 ， 1 4 2 _ 1 4 4 9 r a i l l 【a 瓜，w i n d e l e rr s ，s t e n t za j ，2 0 0 0 ，v i s i b l ec o n t i n u l 唧g e n e 础o ni i l a n s i l i c a 觚c r o 蚰m c n l r eo p t i c a lf i b e r sw i t l l 锄o i i l a l o u sd i s p e r s i o na t8 0 0 啪叨， 0 i p t l 甜，2 5 ，2 5 - 2 7 1 4 孛謇辩学技零犬学矮主学位论文筹一章绪论 1 0 1 u r k e d ，p r i c l ( i n gs ， h u s a k o u a ，2 0 0 7 ， c o h e r e n c eo f s u b s e q u e n t s u p e 怒。瓶翔王u mp 滋s e sg e 懿e r a l e di 鼗穗p e 羚d 基b e f si nl 辩纯搽l o s e e o l 通羚g i m e ， o p t i c s 翻译r e s s ，l5 ( 5 ) ，2 7 3 2 l1 t e i p e lj 6 r n ，t n r k ed