光子晶体光纤非线性光谱特性的理论与实验研究

光子晶体光纤具有特殊的导光机制和结构可调性,可以产生奇异的色散特性及高非线性,为非线性光纤光学领域的研究提供了新的条件。受多种非线性光学效应的共同作用,在不同泵浦光脉冲参数条件下,不同结构参数及传输特性的光子晶体光纤能产生丰富的非线性光谱。利用分步傅里叶方法求解非线性薛定谔方程,模拟飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输过程,获得输出光谱与入射光脉冲参数(泵浦光峰值功率P、泵浦光波长λ、光脉冲形状、光脉冲宽度T_(FWHM))、光纤结构参数(孔间距Λ、空气填充比d/Λ、光纤长度z)、传输特性(色散、非线性系数)的关系,分析拉曼孤子、色散波、自相位调制等非线性效应产生的光谱特性。利用光子晶体光纤包层节区进行非线性光学实验研究,获得了孤子波和色散波的宽带光谱输出。理论分析与实验测量的光谱中都包括了波长0.5μm附近可见光波段的蓝移色散波、0.82μm波段的剩余泵浦光、1.1μm波段的孤子波、2μm附近的红移宽带色散波。理论分析与实验测量结果一致,阐明光子晶体光纤中非线性光谱产生的物理原理,实现了对宽带光谱的可控输出,为高非线性光子晶体光纤的结构设计、制备及非线性光谱的应用研究奠定基础。

光子晶体光纤四波混频光谱中相位匹配特性的研究

与传统光纤不同,光子晶体光纤可以具有多个零色散波长,在四波混频光谱中,具有更丰富的相位匹配特性。目前很多文献报道了光子晶体光纤非线性光学特性的实验结果,但对其产生机理及光谱的变化规律缺乏详细的理论分析。为此对光纤中四波混频原理进行了分析,给出了高增益的相位匹配条件。利用多极法计算了光子晶体光纤的非线性系数及色散特性。对具有多个零色散波长光子晶体光纤的相位失配特性进行了分析,得到了相位匹配波长随泵浦波长及泵浦功率的变化规律。给出了相位匹配曲线,分析了不同色散曲线的相位匹配波长特点,两个零色散波长光子晶体光纤,在四波混频光谱中将激发出四个新的波长。实验得到了两个零色散波长光子晶体光纤的四波混频光谱,与理论分析一致,验证了相位匹配理论的可靠性。多个零色散波长光纤,能产生丰富的相位匹配曲线,会出现更多的四波混频波长,可以有效的控制光孤子及超短脉冲的四波混频及共振散射产生的光谱特性。为光子晶体光纤中基于四波混频的波长变换及超连续谱的研究提供了理论指导。

多孔芯光子晶体光纤及其偏振特性

强激光与气体的长距离相互作用能产生许多新奇的物理效应,而自由空间光束的自聚焦、衍射、散射等问题限制了该科技领域的发展。本文提出了一种新型多孔芯光子晶体光纤,纤芯亚波长、低折射率空气孔可以传光,具有宽带、低损耗、单模传输特性。利用倏逝波耦合效应,研究了纤芯亚波长空气孔束缚光的原理。根据光波传输的电磁场理论,分析了低折射率空气孔中的光强增大效应。强光在空气孔中长距离传输,为光与物质的相互作用提供了新条件,可以用于气体传感、非线性光学、高集成光子技术、原子操控等。由于纤芯空气孔可以传光,改变空气孔的大小,直接影响模场分布,进而可以获得很高的结构双折射。通过光纤结构参数的合理设计,分别获得了B=4×10-2的高双折射、纤芯直径5μm的大模场高双折射、大模面积单偏振单模特性,在光纤偏振器、光纤滤波器、光开关及光纤传感等领域有广泛的应用前景,为新型光场调控提供了新方法。

三个零色散波长光子晶体光纤及相位匹配特性

利用多极法对光子晶体光纤的色散特性进行了模拟,通过结构参数的精确设计,得到了具有三个零色散波长的单模光纤,获得了色散值极低的超平坦色散曲线。对三个零色散波长光子晶体光纤特殊的相位匹配特性进行了研究,在不同光纤结构参数下,得到了相位匹配波长随抽运波长及抽运功率的变化规律,分析了不同色散曲线对应的相位匹配波长特点。三个零色散波长光纤能实现两个反常色散区之间光孤子的高效波长变换,可以获得6个新的四波混频相位匹配波长,产生更多光子对,为高效、多波长四波混频的产生及超连续谱的研究提供了新的物理环境。