基于碲酸盐和硫化物高非线性微结构光纤的布里渊激光器理论和实验研究

Recently, non-silica fibers have been the object of extensive researches. Among these fibers, tellurite and chalcogenide fiber have both high nonlinearity and wide spectral transmission range. The Brillouin gain coefficients of tellurite and chalcogenide fiber are much higher than those of silica fibers. The transmission of acoustic wave in fibers can be controlled by the structure design of microstructured optical fibers (MOFs). Thus, the Brillouin threshold and gain can be controlled. The objective of this project is to study the Brillouin fiber laser (BFL) based on tellurite and chalcogenide high nonlinear MOF theoretically and experimentally. Compared to the BFL based on silica fibers, the BFL based on tellurite and chalcogenide fiber can decrease the threshold, improve the gain and output efficiency, and decrease the fiber length to simplify the laser system. By the research of this project, the applications of stimulated Brillouin scattering (SBS) will be expanded further: the distributed fiber sensors based on SBS can be extended to mid-infrared region; wider tunable range of frequency can be obtained in the generation of microwave signal and high-frequency ultra-short pulse by Brillouin lasing; further temporal advance or delay can be obtained in the control of optical velocity by SBS.

近年来，基于非石英玻璃的光纤逐渐成为研究热点。其中，碲酸盐和硫化物光纤既具有高非线性，又具有宽光谱透射范围。碲酸盐和硫化物光纤的布里渊增益系数是普通石英光纤的几倍到几十倍。通过控制微结构光纤的结构，可以改变光纤中的声波场传输特性，进而控制受激布里渊散射的阈值和增益。本项目拟对基于碲酸盐和硫化物高非线性微结构光纤的布里渊激光器进行理论和实验研究。相比较基于石英光纤的布里渊激光器，基于碲酸盐和硫化物微结构光纤的布里渊激光器能降低阈值，提高增益及输出效率，同时缩短光纤长度以降低激光系统的复杂性。预计通过本项目的研究，可进一步拓展受激布里渊散射的应用空间：将基于受激布里渊散射的分布式光纤传感扩展到中红外波段；在基于布里渊激光的微波信号和高频超短脉冲的产生中，可获得更宽的微波频率和脉冲频率调谐范围；在基于布里渊散射的光速控制中，可获得更大幅度的光速提前或光速减慢。

近年来，基于非石英玻璃的光纤逐渐成为研究热点。其中，碲酸盐和硫化物光纤既具有高非线性，又具有宽光谱透射范围。碲酸盐和硫化物光纤的布里渊增益系数是普通石英光纤的几倍到几十倍，可以提供高的布里渊增益。另外，通过控制微结构光纤的结构，可以改变光纤中的声波场传输特性，进而控制受激布里渊散射的阈值和增益。因此碲酸盐和硫化物光纤是布里渊光纤激光器的理想增益介质。. 本项目中，利用线性腔环和形腔结构建立基于软玻璃光纤的布里渊激光器理论模型，分析了碲酸盐光纤中布里渊频移随有效模折射率和泵浦波长的变；分析了碲酸盐光纤中布里渊阈值与有效光纤长度的关系；模拟了碲酸盐光纤中小信号布里渊增益与泵浦功率的关系，以及饱和增益随输入斯托克斯功率的变化。. 对三孔、四孔和六孔吊芯硫化物MOF中产生布里渊效应光场和声场进行模拟。并且分析四孔吊芯结构硫化物MOF的微结构和空气孔填充物（酒精、水、CHCL3）变化对重叠因子的影响。在直径为6.0-2.0μm时，空气孔无填充情况下光场强度最高，填充CHCL3时光场强度最低；空气孔无填充时声场最低；填充水时声场最强。当直径为1.0μm时，光场情况与前面相同；填充酒精时声场最低，无填充时声场最强，相差约29.13%。. 实验研究了基于高非线性光纤和石英光纤的布里渊激光器，在线形腔中获得4阶布里渊信号；在复合腔中获得超过10阶布里渊信号，并且获得30nm范围可调谐多阶布里渊信激光。. 实验研究了碲酸盐和硫化物光纤与普通单模光纤之间的耦合问题。并实验研究基于碲酸盐光纤的线形腔和复合腔布里渊激光器。线形腔情况下可产生超过30阶的布里渊信号光，获得最大布里渊激光输出功率为56mW。复合腔情况下可产生超过40阶的布里渊信号光，获得最大布里渊激光输出功率为21mW。. 通过本项目的研究，可进一步拓展受激布里渊散射的应用空间，应用于基于受激布里渊散射的分布式光纤传感、基于布里渊激光的微波信号和高频超短脉冲的产生和基于布里渊散射的光速控制等。