涡旋光场注入相位匹配调控的中红外光纤参量振荡器的基础研究

Mid-infrared (mid-IR) optical fiber parametric oscillator (OFPO) is widely used in many fields, such as biomedicine, national defense, environmental protection and public safety. The objective of this project is to research the mid-IR OFPO with the wavelength longer than 5 μm theoretically and experimentally, explore and solve the problems that are blocking the development of mid-IR OFPO over 5 μm. For the problem that the phase matching is difficult to be satisfied in OFPO over 5 μm, we will inject optical vortex field to control the phase matching conditions, which will induce the idle wave to shift to longer wavelengths in the chalcogenide fiber pumped in the normal dispersion region. Wideband tunable optical vortex fields with high conversion efficiencies will be generated experimentally. The control of phase matching by different polarization and phase vortices will be studied. The chalcogenide fiber with high nonlinearity will be designed and fabricated by considering the adjustment of dispersion curve and the propagation of optical vortex field, simultaneously. The lateral microstructure of fiber will be optimized to improve the gain of parametric oscillation. Finally, the phase matching will be realized over the mid-IR wavelength over 5 μm, resulting in the output of idle wave in this waveband. The generated idle wave will be tuned in a wide spectral range experimentally. The research of this project will promote the development of optical parametric oscillator to the mid-IR waveband longer than 10 μm, and is of great significance for expanding the practical application of mid-IR optical parametric oscillator.

中红外波段光纤参量振荡器在生物医学、国防、环境保护和公共安全等诸多领域具有广泛应用。本项目拟对中红外超过5微米波段的光纤参量振荡器进行理论和实验研究，探索并解决目前阻碍超过5微米波段光纤参量振荡器发展的主要问题。针对光纤参量振荡器中超过5微米波段难以实现相位匹配的问题，拟通过注入涡旋信号光场调控相位匹配条件，使正色散区泵浦的硫系光纤中产生的闲频光向长波移动。实验产生高转换效率的宽带可调谐涡旋光场，并研究不同分布的偏振和相位涡旋光场对相位匹配的调控。同时考虑色散曲线的调节和涡旋光场的传播，设计并制作高非线性硫系光纤，优化光纤横向微结构，提高参量振荡增益。最终实现超过中红外5微米波长的相位匹配，产生该波段参量振荡闲频光输出，并对产生的参量振荡闲频光进行宽波长范围调谐。本项目的研究，将推动光纤参量振荡器向中红外10微米及以上波段发展，并对拓展中红外光纤参量振荡器的实际应用具有重要意义。

中红外光源在生物医学、环境保护和公共安全等诸多领域具有广泛应用。稀土离子掺杂光纤激光器只能覆盖对应于稀土离子特定能级跃迁的几个波段，其功率水平受到稀土离子掺杂浓度的限制。利用四波混频等光纤非线性效应，可在高非线性光纤介质中产生任意波段的激光输出。.通过项目的研究，开展了中红外光纤参量振荡器的理论研究，研究了不同光场注入情况下的2和5微米波段参量放大过程，经分析可通过高阶模场注入实现4.8-5.9μm范围的中红外激光输出，增益达到28dB，转换效率达到24%。设计了传输中红外矢量光场的硫系光子晶体光纤，可传输四种矢量光场（HE11、TE01、HE21和TM01）模式。通过优化中心区域和中心孔直径，这四种矢量光场损耗1dB的截止波长分别为8.9、8.6、8.8和9.4μm。研究了涡旋光场信号光的产生，实验产生LP11模式包含的四个简并模式（TE01, TM01, HE21odd和HE21even），并利用偏振片测得这四个模式对不同偏振角的响应情况，利用光束整形器和少模光纤布拉格光栅的配合，最终能够输出稳定的涡旋光场模式。开展光纤参量振荡器泵浦源的实验研究，基于SnSe、Sb2Se3、TiCN、ReS2、In2S3、Bi2S3等材料制成可饱和吸收体，应用于光纤激光器腔内产生2微米波段超短脉冲，经放大可达1W。用反射镜沉积Bi2S3颗粒作为可饱和吸收体，实现2.8微米波段被动调Q锁模脉冲，重复频率为28.64MHz，信噪比约为58dB。开展高阶模式光纤参量振荡的验证及5微米波段光场产生实验研究，利用柱矢量光束激光器与波长可调谐窄线宽激光器实现光纤参量过程，验证了高阶模式参与四波混频过程的可行性。与合作单位丰田工业大学和东北大学联合开展实验，研制基于硫系As-Se玻璃的阶跃折射率和微结构光纤，产生覆盖5微米波段的超连续光谱。.通过本项目的研究，将中红外激光波长从近红外波段延伸到中红外波段，进一步扩展光纤激光的应用范围。为中红外激光器的实用化开辟新的途径，可促进中红外波段光纤激光器的发展，在生物、医疗、传感和测量等方面具有广阔的应用前景。