远红外Te基硫系玻璃光子晶体光纤制备及其非线性光学性质研究

Photonic crystal fiber based on Te-chalcogenide glass (abbreviated to Te-PCF) is a novel far-infrared photonic crystal fiber, which possess the lowest phonon energy, widest IR transmission spectra and highest nonlinear refractive index among glass hosts. The PCF can be adopted to develop fiber laser or amplifier, energy transferring, biology sensor and nonlinear optic devices in mid and far-IR fields, especially, a far-IR supercontinuum (SC) generation can be observed in the high nonlinearity Te-PCF, and it will meet the need of high quality laser in far-IR, so, more and more researchers are focused on the Te-PCF, but it is perfectly fresh in China. In this project, more attention will be paid on the design of structure with little model field area of Aeff, and high nonlinearity for the Te-PCF, then, continually on the fiber fabrication and performances investigation. Here, a theoretic model will be built to the relations of fiber structure and optic nonlinearity, at last, a far-IR Te-PCF will be fabricated with low Aeff, high nonlinearity, controllable dispersion, low loss, perfect in shape and effective SC generation. This work will be succeeded in developing our own intellectual property on far-IR PCF fabrication in China, and then give helps in the development of far-IR PCF devices with basic theory and experiment data

Te基硫系玻璃光子晶体光纤（简称Te-PCF）是利用玻璃材料中声子能量最低、红外透过区域最宽且非线性折射率最高（石英的1万倍）的Te(碲)基硫系玻璃制备的一种新型远红外光子晶体光纤。它在中、远红外领域的光纤激光和放大器、能量传输、生物传感及非线性光器件等领域具有广泛应用前景，尤其是利用高非线性产生的超连续谱(SC)可展宽到远红外区域，解决远红外无高质量激光光源的科学难题，因此近年来Te-PCF已成为国际上讨论的PCF热点之一，而国内在此领域尚处于空白。本项目拟开展小模场面积Aeff、高非线性的Te-PCF设计、制备及性能研究，在理论上建立高非线性硫系PCF结构设计及非线性模型，制备出小Aeff、高非线性、色散可控、低损耗、结构完整、高效超连续谱产生的Te-PCF，旨在获得拥有自主知识产权的远红外光子晶体光纤的制备技术，为今后推动远红外光子晶体光纤器件应用和发展提供理论依据和科学的实验数据。

在高非线性玻璃光纤领域，通过积极探索基于Te玻璃基质的高三阶非线性硫系玻璃组分，优化光纤制备工艺，开发出超高非线性的光纤，同时进行基于光学三阶非线性产生超连续谱（SC）的光学性质研究。经过4年的努力，在远红外高非线性光学玻璃材料制备、性能表征、非线性模型、特种玻璃光纤制备及拉丝工艺和超连续谱光源方面积累了丰富的研究经验，基本探明了高折射度Te对玻璃三阶非线性的积极作用，并在光参量放大激光器(OPA)的泵浦下获得了历史最宽光纤SC谱（2～16μm）。项目研究的整体过程顺利，按期完成了项目合同的全部研究内容，具体表现有：基础理论上，阐明了硫系玻璃的非线性作用机理和超连续产生的物理机制，在技术领域上，攻克了易于析晶的Te基硫系玻璃的成纤性难题，消除传统红外光纤在制备过程中存在的一些缺陷，从而完成了多种结构高非线性硫系玻璃光纤的制作；解决了传统光子晶体光纤中的气孔在制备过程中容易出现变形的问题；在光纤拉丝过程中利用有机聚合物进行光纤保护，解决了硫系玻璃容易氧化和硫系玻璃光纤易脆等结构缺陷；规避了常规堆积法或钻孔法中的玻璃脆裂、结构缺陷等问题。鉴于此，基于较低温度的挤压法是实现高质量超低损耗高非线性硫系玻璃光纤的最具潜力的工艺之一，配合该项目的实施，有力推动了红外光纤在实际应用领域的快速发展进程。