基于高掺锗石英光纤的相干超连续光源及用于产生TE01模式飞秒脉冲的研究

CS2-filled liquid-core fiber with highly Ge-doped multi-cladding is proposed. The fiber has a simple geometric structure to decrease difficulties in the fiber fabrication. The broadband and flat normal dispersion profile can be obtained by optimizing the geometric parameters and concentrations of germanium in the fiber. The zero dispersion wave can extend over 3000 nm, and the nonlinear coefficients are more than those in the conventional silica fiber by nearly 100 times. By using the Yb or Er-doped ultrashort fiber laser as a pumping source, the coherent supercontinuum spanning 800 – 3200 nm can be generated with the CS2-filled fiber. For studying femtosecond pulse generation from coherent supercontinuum with azimuthally polarized TE01 mode, the highly Ge-doped multi-cladding silica fiber with metallic core is proposed to transfer power from linearly polarized fundamental mode HE11 to the mode TE01. The reason is the loss of the mode TE01 is much lower than those of the other modes. Furthermore, the highly Ge-doped multi-cladding fiber has a broadband transmission window and flexible freedom degrees in tuning waveguide dispersions. The broadband normal dispersion profiles can be obtained for both modes HE11 and TE01 by a proper choice of fiber parameters. As a result, the output pulse with the mode TE01 can preserve the positive linear chirp. Finally, the ultrashort azimuthally polarized laser pulses with high qualities can be obtained by using broadband double-angled dispersion mirrors as the pulse compressor.

本项目提出了二硫化碳液芯高掺锗多包层石英光纤，简单的光纤结构有效降低了工艺难度。优化光纤几何尺寸和掺锗浓度分布可以获得宽带平坦的正常色散曲线，零色散波长可以达到3微米以上，同时具有高于普通石英光纤百倍以上的非线性系数。基于掺镱或掺铒超快光纤激光器作为泵浦光源，光纤可以产生波长范围0.8 -3.2微米的相干超连续光源。为了研究相干光源用于产生方位角偏振TE01模式飞秒脉冲，本项目提出在高掺锗多包层石英光纤的芯区引入金属芯，使得模式TE01的损耗远远大于其他模式，以实现线偏振基模HE11至TE01模式的转换。同时，高掺锗多包层光纤结构具有宽带透射窗口和灵活的波导色散设计自由度，合理设置光纤参数使得模式HE11和TE01均具有宽带的正常色散特性，以确保输出的TE01模式光脉冲仍然保持线性正啁啾特性。最后，利用宽带双角度啁啾镜进行色散补偿，以获得高质量的TE01模式超短脉冲。

本项目为了实现覆盖可视和近红外波段的相干超连续光纤激光源，针对高能量脉冲光纤激光源和高非线性正常色散光纤进行了理论和实验研究工作。提出了基于空芯光子晶体光纤填充非线性液体氯仿的结构，优化光纤结构参数可以在可视至近红外波段实现正常色散，在1060 nm泵浦波长附近的群速度色散值为−20 to −50 ps/nm/km，并且在小于1100 nm波长范围内具有高于0.7 W-1/m的非线性参数，用峰值功率为47 Kw，100 fs，中心波长1060 nm的掺镱光纤脉冲激光器作为泵浦源耦合到0.01m的光纤中，即可获得340 - 1360 nm( −20 dB带宽)近2个倍频波段的超连续相干光源；基于二硫化碳填充的双芯光纤提出一种可以用于被动锁模光纤激光器的可饱和吸收体，详细分析了该可饱和吸收体的特性，结果显示受激拉曼散射对于双芯光纤的非线性所致饱和特性具有重要作用，相比较受激拉曼散射效应自变陡效应对于透射特性影响较小。在此基础上结合掺铒光纤和掺铥光纤锁模激光器，数值分析了可饱和吸收体的应用，在全色散的条件下掺铒光纤激光器可以输出自相似锁模脉冲，而掺铥光纤的反常色散特性使得锁模光纤激光器可以输出耗散孤子脉冲,脉冲具有近似的抛物波形和方形频谱；理论和实验研究了正常色散被动锁模掺铒光纤激光器，通过优化激光器谐振腔，可以实验获得重复频率为17 MHz, 平均功率20 mW, 脉冲宽度约5ps, 波长带宽（-20 dB）1535 – 1580 nm的输出；输出的耗散孤子通过掺铒光纤放大器可以输出平均功率230 mW的脉冲光，光谱基本与初始脉冲保持一致，说明非线性效应对频谱展宽的影响可以忽略。基于放大的耗散孤子脉冲光可以在高数值孔径正常色散光纤中产生10 dB带宽范围为：1460 - 1950 nm的输出光谱,输出光平均功率由于高掺锗石英光纤中的受激拉曼散射所致损耗，降低为60毫瓦。本项目的研究成果对于研制覆盖可视至近红外波段的相干超连续光纤激光源具有重要的研究价值和应用前景。