掺镱微结构光纤Yb2+/Yb3+共存时超连续谱产生机理的研究

This project intends to carry out the research on supercontinuum light-emitting mechanism in the double valence ions coexistence Ytterbium doped MSF. The main idea is: under the energy and momentum conservation conditions, combining with two kinds of ytterbium ions stimulated emission characteristic, the initial energy transfer is realized using femtosecond laser pulse in ytterbium doped MSF; and with optimal dispersion condition of MSF，supercontinuum is appeared. The main research contents include: firstly, through coexistence and transformation mechanism of Yb3+ and Yb2+, we get the Ytterbium doped quartz glass with double valence ions coexist, which is the core material of MSF. Secondly, by using the full vector finite element method and multipole method, we analyze MSF nonlinear and dispersion characteristics. Combined with Yb3+ and Yb2+ ions absorption, emission characteristics, we will focus on finding mechanism of energy transfer by adjusting zero dispersion wavelength of MSF to match femtosecond pulse wavelength conditions. Moreover, we will focus on finding spectrum broadening mechanism by matching the MSF group dispersion and stimulated radiation wavelengths of Yb3+/Yb2+ conditions. Finally, we will get wide supercontinuum (from UV to near IR waveband) by using the MSF we designed and prepared .The research of this project will expand the research field of rare earth doped MSF in nonlinear optics. The expected results can provide basic theory and device support for ultraviolet to the mid infrared continuum source.

本项目拟开展掺镱微结构光纤（MSF）中Yb2+/Yb3+共存时超连续谱产生机理的研究，其主要思想为：在动量能量守恒条件下，结合两种价态镱离子的受激发射特性，实现飞秒激光脉冲在掺镱MSF中初始能量的转移，并配合MSF的最优色散条件，得到光谱展宽。具体研究内容：首先，在玻璃网格理论指导下，通过研究Yb3+、Yb2+的共存及转化机制，研制出用于MSF纤芯的双价态共存的掺镱石英玻璃；其次，结合两种价态镱离子的光谱特性并使用全矢量有限元和多极法，探索MSF的能量转化、光谱合成和展宽机制；重点研究通过MSF的零色散点与飞秒脉冲泵浦波长相匹配实现能量高效转移的机理，通过MSF的群速度色散与两种价态镱离子的受激发射波长相匹配实现光谱展宽的机理；最终，在自制的掺镱MSF中得到从深紫外到近红外的超宽带超连续谱。本项目将拓展稀土掺杂MSF在光纤光学中的研究领域，其预期成果可为超连续光源提供基础理论与器件支撑。

本项目在超连续谱(Supercontinuum, SC）光源的迫切需求下，对产生超连续谱的有效介质——微结构光纤（Micro-Structure Fiber，MSF）开展了一系列相关研究。创新性的提出，具有非线性效应的微结构光纤结合稀土离子受激辐射特性，即双价态共存的掺镱MSF在飞秒脉冲抽运下，光纤各种非线性效应和两种价态镱离子吸收辐射的能量转换特性共同作用下，频率成分增加，从而导致整个超连续谱的波段展宽。开展的研究工作主要包括：首先，通过组分设计和制备工艺条件控制，研制出具有较好吸收和发射特性的双价态共存的掺镱石英玻璃；其次，通过理论仿真，探索出具有良好频率转换特性的三零色散点和四零色散点的MSF，通过拉制工艺条件的探索和完善，制备出多种掺镱MSF；此外，通过理论和实验研究掺镱MSF频率转换及光谱展宽特性，并使用飞秒脉冲序列泵浦，在自制的MSF中获得较好的频率转换和光谱展宽；最后，系统的对具有锥区的掺镱MSF进行超连续谱研究，在不同锥区长度和不同功率及波长的条件下，观察超连续谱的产生，并分析其能量转换机理。本项目发表期刊文章 12 篇，其中 SCI 检索文章 4 篇，EI 检索文章3篇；发表国际会议论文 1 篇并被EI检索；培养硕士研究生 8名。本项目所开展的研究内容为稀土离子在光纤光学中的应用拓展了新的思路，也为从紫外到中红外超连续谱光源的研制提供了较好的有效介质，为相关国家自然基金的继续研究奠定了良好的基础。