基于非硅基大模场光子晶体光纤的高功率中红外宽带频谱展宽的理论和实验

高峰值功率短脉冲的中红外光源是空间通信、激光医疗、激光光谱以及科学研究领域的重要工具和手段。本项目研究非硅基中红外光子晶体光纤结构与其模式、色散、非线性特性之间的关系，探索非硅基中红外光子晶体光纤的拉制工艺和技术，解决软玻璃光子晶体光纤拉制过程中粘滞系数、导热系数、软化和结晶温度等力学和热学问题，设计并制备非硅基大模场高功率和高非线性光子晶体光纤；与超快超强激光和光参量放大技术相结合，深入开展中红外光子晶体光纤激光频率变换的新理论、新方法和新技术研究，利用非硅基高非线性光子晶体光纤进行脉冲压缩、频率转换和光谱展宽的实验，揭示非硅基大模场高功率光子晶体光纤产生宽带中红外光谱的机理，为进一步研制中红外波段的高功率宽带激光源奠定基础。

高峰值功率短脉冲的中红外光源是空间通信、激光医疗、激光光谱以及科学研究领域的重要工具和手段。本项目完成了如下内容：（1）研究了几种典型的非硅基玻璃的热力学和光学性质，为光纤设计、材料选择、预制棒及光纤的制备奠定了基础。（2）开展非硅基中红外光子晶体光纤的理论研究并设计了多种类型的非硅基光子晶体光纤，如As2Se3为基质材料的多芯光子晶体光纤，有望实现空芯光束和大模场高功率传输；基于共振隧道效应的碲化锌玻璃三芯光子晶体光纤偏振分束器，与结构参数相同的石英光纤相比碲化锌玻璃光纤具有较高的消光比和较低的耦合损耗，在光通信的1.55微米附近ERA=-164.3dB, ERC=-37.2dB，耦合损耗低于0.02dB。设计了一种硫化物纤芯碲玻璃包层多芯光子晶体光纤，该光纤同时具有高非线性系数和大有效模式面积，在波长0.8微米处纤的非线性系数为31.4W-1.m-1, 在波长1.55微米的非线性系数为11.2W-1.m-1。（3）研究了不同基质材料光子晶体光纤制备过程中的热学和力学问题，实验制备了具有4孔结构的As2S3高非线性光子晶体光纤，其纤芯面积10.8平方微米，这种具有高非线性系数的光纤适合于产生中红外波段的超宽带连续谱。制备了纤芯具有6孔结构的碲酸盐玻璃高非线性光子晶体光纤，其纤芯面积25.5平方微米。制备了一种石英基高空气填充率高非线性光子晶体光纤，在波长1.55微米该光纤的非线性系数可达12.8W-1.m-1。（4）开展中红外光子晶体光纤激光频率变换的新方法和新技术研究。在具有4个气孔的As2S3玻璃光纤中输入中心波长1900nm的OPO激光脉冲，获得了光谱展宽从900nm到3000nm的总谱宽达2100nm的宽带连续谱。将中心波长1550 nm的飞秒激光脉冲输入铅硅酸盐光子晶体光纤中，当入射功率达到100 mW时，其20dB光谱从900nm到2500nm。该光谱不仅可以覆盖整个通信波段，而且其平坦部分正好位于光通信低损耗波段，有望应用于光通信的波分复用系统。（5）探索与光子晶体光纤有关的其它新效应和新现象的研究。设计了多种类型的材料填充型光子晶体光纤器件，如偏振滤波器、传感器等。本项目揭示了非硅基光子晶体光纤产生宽带中红外光谱的机理，实现了从紫外、可见、近红外到中红外波段的超连续谱，为进一步研制中红外波段的高功率宽带激光源奠定了坚实的理论和实验基础。