高性能反谐振空芯光纤导光机理与实验制作研究进展

传统实芯光纤无法克服材料本身固有的非线性、色散、瑞利散射、光照损伤等缺陷,微结构空芯光纤有望解决这些本征性问题,可以为高功率激光、非线性光学、生物光子学、量子光学、光纤传感、光通信等应用提供一个理想而方便的媒介.在技术实现的道路上存在着光子禁带空芯光纤和反谐振空芯光纤两种选项.后者具有宽带导光和高激光损伤阈值等优点,但是一直受困于较高的传输损耗.这一情况随着最近几年人们对反谐振导光机理和光纤制作技术研究的快速推进正在逐渐发生转变.本文回顾了我们团队五年来开展的系统性的理论和实验工作,介绍了一套直观的可定量计算的反谐振导光机制理论,展示了最新研制的高性能光纤.通过合理利用光纤结构中的局域性和全局性特征,突破了半解析计算反谐振空芯光纤限制损耗的难题;通过对光纤拉制条件的精密控制,制作出了紫外到中红外波段的各型光纤;并对进一步提高光纤性能和在此基础上的更丰富的光学应用研究进行了展望.

基于液体纤芯光子晶体光纤的低阈值受激拉曼散射

为了研究微结构光纤在光流体技术中的应用,在空芯光子晶体光纤（hollow-core photonic crystal fiber,HCPCF）纤芯中充入四氯化碳（CCl4）制成液芯光学微池,用1 064 nm的光源泵浦,测量CCl4的受激拉曼散射特性.利用包层孔塌缩技术将纤芯直径10μm,长1.8 m的HC-PCF两端包层孔堵住,CCl4在毛细作用力及外部压力下充满纤芯,其后将两端切去,由于包层空气孔的有效折射率（约1.1）低于CCl4（约1.45）,保证了全反射原理导光.用中心波长1064 nm,重复频率200 kHz,脉宽186ps,可调谐输出功率为01 W的光纤激光器作为泵浦源,泵浦CCl4液芯光纤产生了两级拉曼斯托克斯谱线输出,分别在1118、1172.3 nm处.通过调节泵浦功率测得一阶拉曼阈值对应的峰值功率为0.94 kW.结果表明:微结构光纤是光流体技术的良好载体.

空芯光子晶体光纤熔接技术研究

空芯光子晶体光纤(HC-PCF)因其利用纤芯的空气导光而具有高损伤阈值、低损耗、低色散、低非线性等优点。此外,HC-PCF纤芯中空气的折射率温度系数、Verdet系数、Kerr系数远小于石英,在光纤陀螺中有独特的优势。但是在向实际应用迈进的过程中,必须要解决HC-PCF与普通单模光纤以及自身简便、低损耗的熔接问题。基于热致扩芯技术和过渡光纤两种模场匹配方法,研究了HC-PCF和普通单模光纤之间的熔接问题,将两者的熔接损耗由直接熔接的1.4dB降至0.73dB。此外,研究了HC-PCF与其自身的熔接,通过两步放电熔接法,得到高强度低损耗的熔点,熔接损耗为0.52dB。

空芯反谐振光纤及其高功率超短脉冲传输

拉制了两种低损耗、单模、近红外宽带传输的空芯反谐振光纤,并用于高功率超短皮秒脉冲传输。利用无节点结构的空芯反谐振光纤实现了平均功率为74 W、单脉冲能量为185μJ、峰值功率为10.8 MW的超短脉冲传输,且输出激光在频域和时域上均没有发生明显变化。

微纳结构光纤光谱学

微纳结构光纤光谱学是指以空芯微结构或微纳光纤为样品池,光和物质在纤芯内部或表面进行相互作用的光谱学技术。本文回顾空芯和微纳光纤导光的基本原理,介绍气体、液体样品池构建的理论和方法,综述基于光谱吸收、光热、光声、荧光、拉曼等效应的微纳结构光纤光谱学的最新进展及今后可能的发展方向。微纳结构光纤对光场的束缚能力强、模场能量在空气中的比例高,可实现光和物质在其中的高效、长距离相互作用。微纳结构光纤样品池的采用,可提升传统光谱学系统的性能或构建新型的光谱学系统;应用传输光纤与其他光学元器件进行柔性连接,可促进光谱学仪器和传感器的小型化和实用化。

反谐振空芯光纤及气体拉曼激光技术的研究进展

反谐振空芯光纤(HC-ARF)具有宽传输通带、低传输损耗、高损伤阈值和高模式纯度等优势,在高功率脉冲激光传输及压缩、超快非线性频率变换、短距离高速高容量光通信、生物化学分析和量子存储等领域展现出广阔的应用前景。简要回顾了空芯光子晶体光纤(HC-PCF)的发展历程,重点介绍了近年来出现的几种新型HC-ARF。对气体填充HC-ARF在新型拉曼激光频率变换应用领域中的关键技术及最新进展进行了讨论。

基于空芯光纤光热光谱技术的高灵敏度CO_(2)检测

研究了基于空芯光纤光热光谱技术的2μm波段CO2高灵敏度检测关键技术,采用基于反谐振空芯光纤的低锐度法布里-珀罗干涉仪实现光热相位解调。对于波长为2004.02 nm的CO2 R(18)吸收线,在180 mW的泵浦功率以及1 s的积分时间下,噪声等效体积分数约4.7×10-8。为提高系统测量的稳定性,对光纤端面镀膜以抑制泵浦光的干涉效应,同时将探测器波长锁定到干涉仪的工作点上。1 h内,体积分数为10-5的CO2标准气体对应的信号波动约4.7%。噪声分析表明,探测光源的相位噪声和强度噪声是当前系统的主要噪声来源。

紫外空芯反谐振光纤的研制

为实现紫外波段激光的柔性传输,拉制了一款包层有7根毛细玻璃管的空芯反谐振光纤。光纤的外径为95μm,纤芯直径为11μm;包层孔的直径平均为5μm,壁厚平均为319nm。经测试发现,该光纤可同时实现266nm、355nm两个重要的紫外激光波段的导光,传输损耗分别为0.25dB/m@266nm,0.8dB/m@355nm。测量光纤两个传输通带内的弯曲损耗,结果表明,当弯曲半径为5cm时,弯曲损耗分别为0.05dB/m@266nm,0.023dB/m@355nm。该光纤纤芯直径小,对弯曲不敏感,使设备进一步小型化成为可能。拉制的这款无节点空芯反谐振光纤有望在激光传输和紫外激光光谱学中发挥重要作用。

空芯反谐振光纤与单模光纤的低损耗熔接研究

光子晶体光纤因具有设计自由、导光机制新颖等优势而被人们广泛关注。相比于带隙型光子晶体光纤和Kagome光纤,空芯反谐振光纤(HC-ARF)由于具有结构简单、单模导光、传输谱宽且损耗低的特点,在紫外/中红外光传输、高功率激光产生、非线性光学及传感等领域都具有很好的应用。但是HC-ARF要真正得到广泛应用,其与普通单模光纤的熔接必须简便且损耗低,然而,HC-ARF包层特殊的毛细管孔结构在熔接过程中容易坍塌,且其模场直径不同于普通单模光纤,故直接熔接时损耗很大。为此,引入一段纤芯直径为20μm的实芯大模场光纤作为模场过渡,实现了HC-ARF和普通单模光纤之间的熔接,熔接损耗由直接熔接的3dB降至0.844dB。