（光学工程专业论文）掺镱大模场面积光子晶体光纤锁模激光器的特性研究.pdf

中文摘要 利用二极管激光器直接泵浦掺杂稀土元素的光子晶体光纤激光器产生超短、 超强的激光脉冲是实现低成本、集成化的飞秒激光脉冲技术的新手段，在工业、 科研等领域有广泛的应用前景。光子晶体光纤的无截止单模特性使得光纤纤芯尺 寸增加的同时保持单模，从而有效地降低了光纤的非线性，非常适合于高能量超 短激光脉冲的传输。本论文利用偏振型掺镱大模场面积光子晶体光纤作为增益介 质，通过半导体可饱和吸收镜引入被动调制，实现了自启动锁模，获得了高能量 的飞秒激光脉冲输出，并进一步系统研究了不同谐振腔色散的情况下，锁模的动 力学过程。本论文的工作可以概括为以下几部分： 1 阐述了飞秒激光的产生原理、飞秒激光技术的发展及光子晶体光纤的导光机 制，介绍了超短激光脉冲在非线性介质中传输的基本理论。 2 建立了光子晶体光纤锁模激光器的数值模型，对这种激光器的锁模动力学过 程进行了数值模拟，模拟的结果与实验很好的吻合。 3 实验研究了孤子锁模的光子晶体光纤激光器，获得了9 0 0m w 的高平均功率 脉冲输出，其单脉冲能量为l9n j ，脉冲宽度为5 7 0f s 。分析了光子晶体光纤 的偏振消光比对输出脉冲质量的影响，并精确测量了激光器输出的锁模脉冲 序列的能量波动与时间抖动等噪声特性。 4 实验研究了呼吸孤子锁模的光子晶体光纤激光器，最窄获得了7 8f s 的超短 激光脉冲输出，观察到束缚态孤子的产生，并对其产生机理进行了理论分析。 5 实验研究了全正色散锁模的光子晶体光纤激光器，获得了平均功率为2w ， 单脉冲能量为4 0n j ，脉冲宽度为3 6p s 的超短激光脉冲，经腔外色散补偿， 脉冲宽度压缩至4 1 0f s 。利用多通长腔加长光路，谐振腔的重复频率从5 0 m h z 降至1 1m h z ，得到了高达9 7n j 的单脉冲能量输出。 6 基于光子晶体光纤振荡级与放大级，开发了紧凑型的太赫兹时域光谱系统， 获得了高平均功率的近单周期太赫兹脉冲。 关键词：光子晶体光纤光纤激光器锁模飞秒激光太赫兹波 a b s t r a c t i n t e n s eu l t r a s h o r tl a s e rp u l s eg e n e r a t i o nf r o md i o d e p u m p e dr a r e - e a r t h - d o p e d p h o t o n i cc r y s t a lf i b e rl a s e r si san o v e la p p r o a c ht o a c h i e v el o w - c o s ta n d c o m p a c t f e m t o s e c o n dl a s e rs o u r c e ，w h i c hi sap r o m i s i n gw o r k - h o r s eo ni n d u s t r ya n ds c i e n t i f i c r e s e a r c h t h ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e rc a ns c a l eu pt h em o d ea r e aw h i l ek e e p i n gas i n g l e g u i d e dm o d ed u et ot h ee n d l e s ss i n g l em o d ep r o p e r t y , w h i c he f f e c t i v e l ys c a l ed o w n t h ef i b e rn o n li n e a r i t y , a n di si d e a lf o rh i g hp o w e rl a s e rp u l s ep r o p a g a t i o n ah i g h e n e r g ym o d e - l o c k e df i b e rl a s e ri sd e v e l o p e di n t h i st h e s i s as e g m e n to fs i n g l e p o l a r i z a t i o ny t t e r b i u md o p e dl a r g em o d ea r e ap h o t o n i cc r y s t a l f i b e rl a s e rs e r v e sa s t h eg a i nm e d i a ，w h i l eap i e c eo fs e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r b e rm i r r o ri su s e df o r s e l f - s t a r t e dm o d el o c k i n go p e r a t i o n t h em o d el o c k i n gd y n a m i c su n d e rv a r i o u sc a v i t y d i s p e r s i o ni ss y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d t h et h e s i sc a nb ed i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n g 6p a r t s ： 1 t h ef u n d a m e n t a l so ff e m t o s e c o n dg e n e r a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to ff e m t o s e c o n d l a s e rt e c h n o l o g ya sw e l la st h ew a v e g u i d em e c h a n i s mo fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r a r ep r e s e n t e d t h et h e o r yo fn o n l i n e a rp r o p a g a t i o no fu l t r a s h o r tl a s e rp u l s e si n m e d i ai si n t r o d u c e d 2 an u m e r i c a lm o d e lo fm o d e 1 0 c k e dp h o t o n i c c r y s t a lf i b e rl a s e ri sb u i l t ，w h i c hi s u s e dt os i m u l a t et h ep u l s ed y n a m i c si nt h ef i b e rl a s e r t h es i m u l a t e dr e s u l t sf i tt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r yw e l l 3 s o l i t o nm o d e 1 0 c k e dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e rl a s e ri se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d l a s e rp u l s e sw i t h9 0 0m wo fa v e r a g ep o w e r , 19n jo fs i n g l ep u l s ee n e r g ya n d 5 7 0f so fp u l s ed u r a t i o na r ea c h i e v e df r o mt h ef i b e rl a s e r t h ei n f l u e n c eo f p o l a r i z a t i o ne x t i n c t i o nr a t i oo fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e ro no u t p u tp u l s eq u a l i t yi s a n a l y z e d t h en o i s eo f t h el a s e r , i n c l u d i n ge n e r g yf l u c t u a t i o na n dt i m i n gji t t e ri s a l s om e a s u r e d 4 s t r e t c h e ds o l i t o nm o d e 1 0 c k e dp h o t o n i cc r y s t a l f i b e r l a s e ri se x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d ，p u l s ed u r a t i o na ss h o r ta s 7 8f si sa c h i e v e df r o mt h el a s e r t h e b o u n d e ds o l u t i o np a i r sa r ea l s oo b s e r v e di nt h ef i b e rl a s e r 5 a l ln o r m a ld i s p e r s i o nm o d e 1 0 c k e dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e rl a s e ri se x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d ，l a s e rp u l s e sw i t h2wo fa v e r a g ep o w e r , 4 0n j o fs i n g l ep u l s e e n e r g y ( c o r r e s p o n d i n gt o 5 1m h zo fr e p e t i t i o nr a t e ) a n d3 6p so fp u l s ed u r a t i o n a r ea c h i e v e d ，w h i c hc a nb ed e c h i r p e dt o410f s b ye x t r a - c a v i t yd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n 9 7n jl a s e rp u l s e sa tar e p e t i t i o nr a t eo f11m h z a r ea c h i e v e db y a d d i n gam u l t i - p a s sc a v i t yt ol e n g t h e nt h ec a v i t yp a t h 6 ac o m p a c tt e r a h e r zt i m ed o m a i ns p e c t r a ls y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do np h o t o n i c c r y s t a lf i b e rl a s e ra n da m p l i f i e r , n e a r l ys i n g l ec y c l eh i g hp o w e rt e r a h e r zp u l s e s a r eg e n e r a t e d k e yw o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , f i b e rl a s e r ，m o d el o c k i n g ，f e m t o s e c o n d l a s e r t h z 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：亲确走 签字日期： 撕多 年f 月 f e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤蓥查堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：翔直 签字日期：撕7 年月 l e l 导师签名：硼 签字日期：歹锣矿年易月7 e l 第1 章绪论 1 1 超短激光脉冲技术 第1 章绪论 对自然界中超快现象的探索是近代科学最重要的前沿之一，并代表着人类科 技文明的水平。近3 0 年来，科学家们对作用时间在飞秒( 1f s = 1 0 - 1 5 s ) 尺度的化学 反应动力学过程及半导体、固体材料的能带弛豫过程都有了深入的理解，甚至捕 捉到了阿秒( 1 a s = 1 0 _ 1 8 s ) 尺度的电子绕原子核的运动过程。而这些令人叹为观止 的突破都得益于具有极高时间分辨率的超短激光脉冲技术的发展。 在1 9 6 0 年m a i m a n 的第一台激光器问世后的第六年，就出现了皮秒 ( 1 p s = 1o - ns ) 锁模的钕玻璃激光器1 7 1 6 一倒二8 0 年代初，f o r k 等人利用碰撞脉冲锁 模( c o l l i d i n gp u l s em o d e 1 0 c k i n g ，c p m ) 的染料激光器首次获得了飞秒量级的激光 脉冲瞄j 。9 0 年代出现的钛宝石固体飞秒激光器已经可以直接输出亚1 0f s 的超短 激光脉冲，利用在腔外的充惰性气体的中空光纤的非线性传输及精确色散控制， 脉冲宽度可以压缩至2 6 飞秒19 | ，这仅相当于1 3 个光学周期。而基于飞秒激光 脉冲的高次谐波产生( h i g h o r d e rh a r m o n i cg e n e r a t i o n ) 技术，把人类可以获得的时 间尺度推至阿秒【l 。 超短激光脉冲不仅具有超快的时间分辨率，而且还有峰值功率高、光谱范围 宽等特点，其应用范围遍及光学频率标准、时域分辨的化学研究、太赫兹产生等 基础研究领域，光学相干层析摄像、激光眼科手术等生物医学领域，精密微纳加 工等工业领域【1 1 】，以及激光受控核聚变和第三代光源等大科学工程研究领域【1 2 】。 1 1 1 锁模激光器 锁模( m o d el o c k i n g ) 1 5 j | 13 j 是指激光器内的纵模相位锁定，发生多脉冲干涉，使 激光器在时域中产生周期性的短脉冲输出。激光工作介质的增益谱越宽，激光腔 内可以被锁定的纵模数量就越多，从而支持更窄的激光脉冲输出，其峰值功率也 就更高。 锁模的方式可以分为主动锁模与被动锁模。主动锁模需要在激光器内引入调 制器，一般由电信号控制对腔内损耗产生正弦调制。从频域上看，若腔内振荡的 一个纵模的频率为y ，振幅调制频率为厂，则产生频率为d 一厂和u + 厂的相位相 关的边带。如果厂恰好对应于激光腔的纵模间距a v ，就可以使频率为y 的纵模 与它相邻的两个纵模相位锁定。同样地，这两个被锁定的纵模又可以锁定与它们 相邻的纵模，直到激光器增益带宽内的纵模全部被锁定，如图1 1 ( a ) 所示。锁模 第l 章绪论 建立的过程在时域上看更为直接：如果振幅调制器的周期同步于光场完成一次腔 循环的时间疋，那么激光器在每一次腔循环周期内都会出现一个窄的净增益窗 口，从而使激光器工作在窄脉冲运转状态，如图l - 1 ( b ) 所示。主动锁模获得的超 短脉冲的最短脉冲宽度受到外部调制器带宽的限制，一般只能支持皮秒量级的光 脉冲。 非饱和燎盛 u k 一k频率百i 碥 图l 一1 主动锁模。( a ) 主动锁模的频域描述，其中，v 表示纵模间隔，g 表示增益谱线的 半极大半宽度。( b ) 主动锁模的时域描述，t r 表示谐振腔周期，t r = i a v 。 被动锁模不需要引入外加调制信号，而是通过腔内器件的非线性产生调制函 数的形状，这种实现振幅调制功能的器件称为可饱和吸收体。如图1 - 2 ( b ) 所示， 可饱和吸收体对光的吸收随强度的增加而降低，形成一个窄的净增益窗口，从而 使得振荡器内脉冲运转占有绝对优势。 l o s sl o s sl o s s 1 g a i n u 图1 2 被动锁模。( a ) 慢可饱和吸收体被动锁模；( b ) 快可饱和吸收体被动锁模；( c ) 慢可 饱和吸收体与动态增益饱和的被动锁模。 图1 - 2 ( b ) 所示的可饱和吸收体对于脉冲的响应是即时的，其锁模动力学过程 2 第1 章绪论 称为快可饱和吸收体锁模。事实上，许多可饱和吸收材料，如染料【8 j 、半导体l l4 1 、 碳纳米管【l5 】等在入射光强足够高时会被“漂白，从被“漂白”到恢复可饱和吸 收作用需要一定的时间，称为恢复时间。当净增益窗口的宽度小于恢复时间，就 可以获得比吸收体的恢复时间更短的脉冲，称为慢可饱和吸收体锁模，如图 1 - 2 ( a ) 所示。慢可饱和吸收体与动态增益饱和的共同作用同样会形成一个净增益 窗口，从而有效压缩脉宽，其动力学机制如图1 - 2 ( c ) 所示。 1 1 2 超短激光脉冲技术的发展 上世纪8 0 年代的染料锁模激光器开创了飞秒激光时代，由于染料介质的上 能级寿命比较短( 只有纳秒量级) ，一般采用慢可饱和吸收体与动态增益饱和的 共同作用的锁模方式，如图1 - 2 ( c ) 所示，最短获得了2 7 f s 的超短激光脉冲输出【l 6 1 。 但是，染料激光器结构复杂，调整困难，染料需要循环，还有毒性，难以普及。 掺杂过渡元素的固体介质具有很宽的增益谱，如掺钛蓝宝石( t i ：s ) 晶体荧光 光谱在6 5 0 n m 1 1 0 0 n m 之间，理论上可以支持4 届的超短激光脉冲。然而，固 体掺杂介质的上能级寿命较长，使其不可能像染料那样通过动态增益饱和效应与 慢可饱和吸收体实现锁模。注意力很自然的集中到开发适合于固体激光器的快可 饱和吸收体的方向上来。1 9 9 1 年，钛宝石飞秒激光器的问世开辟了固体飞秒激 光技术的新时代i l7 1 1 1 8 。事实上，钛宝石激光器不需要引入任何可饱和吸收体就 能实现短脉冲运转，这种“自锁模”机制可以用克尔自聚焦效应理解：短脉冲在 钛宝石晶体中的自聚焦效应与有限增益孔径结合等效于快可饱和吸收体，使得脉 冲中部不断放大，而两翼不断衰减，如图1 3 ( b ) 所示。这种脉冲压缩的机制称为 克尔透镜锁模( k e r rl e n sm o d e 1 0 c k i n g ，k l m ) 。至今，克尔透镜锁模的钛宝石激 光器仍然保持着被动锁模激光器最短脉冲记录：从钛宝石激光器可以直接获得的 最短脉冲宽度可达6 届州；而经过腔外超连续光谱产生过程和精确色散补偿，最 短得到2 6f s 的超短激光脉冲【9 1 。 与此同时，掺杂d “，c r “，n d 3 + ，y b “，e r “，t m 3 + 等元素的全固态激光器也取 得了长足的发展，并且大有取代钛宝石激光器之势。这是因为，这类固体激光器 允许大功率激光二极管( 1 a s e rd i o d e ，l d ) 直接泵浦，并利用半导体可饱和吸收镜 实现自启动锁模，其成本低廉，结构紧凑，出光效率高，而且输出波长覆盖了 7 0 0 n m 1 5 5 0 n m 的波段。在高脉冲能量方面，y b ：y a g 薄片激光器在中心波长 1 0 3 0 n m 处得到脉宽为7 9 1 届、单脉冲能量为11 3 的超短脉冲，平均输出功率 达4 5w 1 2 0 | 。在短脉冲方面，c r 3 + ：l i c a f 激光器也获得了1 0 届的超短脉冲输出 【2 1 1 0 固体锁模激光器已经成为目前最成熟、应用最为广泛的飞秒激光源，最高峰 第1 章绪论 值功率、最短脉冲宽度等输出指标都由它保持，但是它距离超短脉冲技术的普及 化还有差距。这是因为，固体激光器中大量使用分离器件以及光路在自由空间中 传输，使其操作复杂，维护成本高，且需要在苛刻的超净环境中使用，极大限制 了其应用范围。 掺d 3 + 、砀3 + 稀土元素的光纤锁模激光剁2 2 】是与固体锁模激光器同步发展起 来的一种新型超短脉冲光源，掺西3 + 光纤激光器的发射谱在1 5 5 0 n m 波段，广泛 应用于光通信；掺场3 + 光纤工作在1 0 6 肌，具有超过8 0 的泵浦光激光转化效 率，适于开发高功率光纤激光系统。本质上讲，光纤激光器也属于固体激光器。 然而，它具有许多固体激光器无可比拟的优势： 光束完全被封闭在纤芯中，不再受周围环境的影响，将飞秒激光器从超净、 恒温和防震的高级实验室中解放出来。而且，对于具有全光纤结构的光纤激 光器，可以省却精密的空间光路调节，结构紧凑，易于维护。 光纤具有很大的表面积一体积比，具有极好的散热效果，在大功率运转时甚 至不需要冷却装置。 光纤激光器可以获得衍射极限的光束质量。 光纤的单次通过增益高，具有最佳的泵浦光激光转换效率。 这些优势使得光纤激光器最有可能成为普及化的飞秒激光技术。 光纤激光器具有比固体激光器更强的色散和非线性( 克尔效应) ，色散来自 于在光纤中的长距离传输，而非线性来源于微米量级的单模纤芯对光场的紧束 缚。这使得光纤激光器与固体激光器相比，有更加丰富的锁模机制。 光纤激光器常用非线性偏振旋转效应( n o n l i n e a rp o l a r i z a t i o ne v o l u t i o n ， n p e ) 2 3 】实现脉冲成形，它等效于快可饱和吸收体。其原理如图1 - 3 ( a ) 所示：把 入射脉冲转化成椭圆偏光耦合致光纤中，脉冲在光纤中传输时会积累与光强相关 的非线性相移，形成与光强相关的偏振态，如果在光纤出射端引入检偏器，就可 以把偏振态的调制转化成损耗调制，实现脉冲压缩。 粒偏 渡跨 悫尔介磺 辁馏 固正 、心瓷 咎 台一口阁一 ( a ) f b ) 图1 3 等效的可饱和吸收体。( a ) 非线性偏振旋转，利用轴向克尔效应，使偏振态与光强 相关，并利用检偏器转化为损耗调制；( b ) 克尔透镜，利用截面克尔效应，使光斑直径与光 强相关，并利用增益孔径转化为损耗调制。 4 第1 章绪论 谐振腔呈反常色散的情况下，光纤中的色散与非线性效应的平衡支持光孤子 的产生，利用这种孤子效应压缩脉冲宽度的锁模机制称为孤子锁模( s o l i t o n m o d e 1 0 c k i n g ) 1 2 4 1 。与可饱和吸收体锁模不同的是，利用孤子成型机制可以获得比 激光器的净增益窗口窄得多的超短脉冲，腔内引入的可饱和吸收体仅起到启动锁 模并稳定孤子的作用1 2 5 。 工作于1 5 5 0 n m 通讯波段的光纤激光器常利用孤子锁模获得超短脉冲，光纤 在这一波段可以呈现反常色散，与非线性的平衡支持孤子成形。然而，这种孤子 锁模激光器一般情况下仅可以获得几十皮焦耳、数百飞秒的激光脉冲。过高的能 量会引入更大的非线性相移，破坏稳定的锁模运转。 呼吸孤子锁模( s t r e t c h e d p u l s em o d el o c k i n g ) 2 7 】【2 8 】可以有效提高单脉冲能量 并压缩脉宽。其基本思想是在激光器内引入色散量相近而符号相反两种色散机 制，这样，孤子脉冲在传输的过程中周期性地展宽、压缩，可以有效地降低脉冲 的峰值功率，使得这种激光器支持的单脉冲能量比孤子锁模激光器高一个数量 级。利用这种锁模方式，从掺y b 3 + 光纤激光器中得到了脉冲能量为1 3n j ，脉冲 宽度为8 5f s 的超短激光脉冲输出【2 鲥。最近的一篇报道中，利用精确的色散控制， 从掺y b 3 + 光纤激光器中得到了2 8 砖的超短脉冲输出【3 0 1 。 正常色散的光纤可以使脉冲在非线性传输的过程中积累的相移“线性化”， 使锁模激光器支持更高的单脉冲能量。正常色散的光纤激光器可以利用可饱和吸 收体锁模，然而由于缺少了孤子压缩机制，得到的最窄脉冲宽度受到了很大的限 制。因此，开发适合正色散锁模的脉冲压缩机制成为超短脉冲光纤激光器研究领 域的新热点。 理论和实验都表明，超短激光脉冲在正常色散的光纤放大器中可以自相似 ( s e l fs i m i l a r ) 1 3 1 j 地传输，使脉冲演化成抛物线型的脉冲形状和线性的啁啾，这可 以有效地避免脉冲放大过程中的光波分裂1 2 6 ，从而获得更高能量的光脉冲。由 于在放大的过程中，脉冲在幅度和时间都指数增长的坐标系下传输时保持形状不 变，具有孤子的特性，因此称为自相似子( s i m i l a r i t o n ) 。光纤激光器中同样支持脉 冲的近自相似演化，条件是谐振腔内引入一定形式的线性反常色散，以补偿脉冲 在正常色散光纤中自相似演化积累的正啁啾，从而使激光器实现自洽。2 0 0 4 年， l l d a y 等人首先在掺y b 3 + 光纤激光器中实现了自相似锁模运转【3 2 1 。激光器的主体 是一段6m 的普通单模光纤，利用一段2 3c m 长的掺y b 3 + 光纤提供增益，由光 栅对提供线性色散补偿。在谐振腔呈净正常色散的情况下，最高得到了14n j 的 单脉冲能量输出。由于激光介质的有限增益带宽会破坏脉冲的自相似演化，从而 限制脉冲能量的进一步提高。从激光器直接输出的脉冲宽度为5p s ，注意到脉冲 在光纤中的自相似演化积累线性相移并有效地展宽光谱，经腔外线性色散补偿， 第l 章绪论 得到了1 7 0f s 的变换极限脉冲【2 9 1 。 2 0 0 6 年，a c h o n g 等人报道了一种全正色散锁模( a l ln o r m a ld i s p e r s i o n m o d e 1 0 c k i n g ) f 3 3 】的光纤激光器，在没有任何腔内色散补偿的情况下，通过在谐振 腔内插入一片窄带滤波片实现了高能量飞秒脉冲输出。实际上，由于正常色散光 纤激光器中传输的脉冲具有强烈的线性啁啾，滤波片的有限滤波窗口可以将光谱 调制转化为自振幅调制，从而起到压缩脉冲的作用【3 4 】f 3 5 】。基于这种全正色散的 光纤激光器可以获得能量为2 5n j ，脉冲宽度为1 4 0f s 的超短激光脉冲输出【3 6 】。 在没有滤波片的情况下，激光增益介质的有限增益带宽可以起到相似的压缩脉冲 的作用，这种机制称为增益引导孤子锁模【3 7 】。 以上锁模机制的讨论均基于普通单模光纤。近年来，光纤技术的迅猛发展为 锁模光纤激光器的研究注入了新的活力。比如，利用保偏光纤可以有效改善光纤 激光器的环境稳定性l 蹦j 。新型的双包层增益光纤允许大功率多模l d 直接泵浦， 使得从光纤激光器获得高平均功率输出成为可能【3 9 】【删【4 1 1 。而真正的突破来自于 光子晶体光纤，它使得锁模光纤激光器的各项输出参数真正做到“量身订做”【4 2 1 。 1 2 光子晶体光纤 光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ，p c f ) 1 4 3 】【删【4 5 】f 4 6 】【4 7 】【4 8 】【4 9 】【5 0 1 是一种截面 具有光波长量级的微结构的光纤。与普通光纤不同，光子晶体光纤可以由单一材 料构成，其包层中具有周期性排布的贯穿整个光纤长度的空气孔结构。微结构的 引入，为传统光纤注入了新的导波机制，并使光纤的色散、非线性及偏振等参数 的设计获得了更大的自由度，极大地拓宽了光纤在工业和科研等领域中的应用。 按照导光原理的不同，光子晶体光纤可以分为全内反射型光子晶体光纤 ( t i r p c f ) 和光子带隙型光子晶体光纤( p b g p c f ) 。 1 2 1 全内反射型光子晶体光纤 全内反射型光子晶体光纤由单一材料，如熔石英构成，在包层中引入周期性 排布的空气孔结构，则包层的有效折射率 5 2 】低于纤芯折射率，使得只有满足全 内反射条件的光才能在纤芯中传输。虽然导光机制与传统光纤相同，但是由于其 包层中空气孔的结构，孔大小和间距灵活可调，全内反射型光子晶体光纤有许多 独特的特性。 6 第1 章绪论 幽i 4 全内反射型光于晶体光纤。伯) 高非线性光子晶体光纤，纤芯直径为8 0 0n m ，零色 散波长在5 6 0 ”( b ) 双折射光予晶体光纤：( c ) 大模场面积光子品体光纤纤芯直径为 6 0 a m ，空气包崖数值孔径为0 6 。 无截止单模特性：光子晶体光纤可以支持所有波段内的单横模传输，1 9 9 6 年英国b a t h 大学首次报