梳齿间距可调的光纤四波混频光频梳

光学频率梳的出现使很多重要的研究课题，如光钟、光频测量、天文学光谱标定等的发展成为可能。目前获得光频梳最常用的方法是锁模激光器，然而由于其梳齿间距很难达到10 GHz甚至更大，限制了它在天文学光谱标定、微波光子学、光波形合成、太赫兹波的产生等重要领域的应用。尽管近来提出的利用高Q环形谐振微腔可获得梳齿间距很大的光频梳，但其与锁模激光器类似，都借助了振荡器结构，因而从本质上难以实现梳齿间距的灵活调谐。在很多应用中，光频梳的可调谐性是一个重要的先决条件。调谐并精确控制单根梳齿的绝对频率和梳齿间距，从而控制整个光频梳的绝对位置情况，在光谱学应用中尤为关键。本项目拟研究采用光纤级联四波混频产生稳定、梳齿可调的光频梳的技术。采用两个自制的稳定连续掺铒光纤激光器作为泵浦源，将拍频信号注入到参数优化的高非线性光纤中，通过级联的四波混频过程产生宽光谱的光频梳，实现大的梳齿间距以及灵活可调的梳齿频率。

梳齿间距可调谐对于光学频率梳的广泛应用是十分重要的特性。基于四波混频的光学频率梳从本质上满足这一特性。我们对光纤中的级联四波混频过程进行了模拟分析及实验研究，对光纤四波混频的产生和优化的物理过程得到较深入的理解，并在此基础上利用两种不同的方法拓宽级联四波混频的谱宽，得到了谱宽较宽，信噪比较高的宽带四波混频结果。通过研究非线性薛定谔方程和四波混频耦合波方程，我们分析得到输入场特性，非线性光纤特性以及级联四波混频过程引入噪声对产生频谱的性能的影响规律。以此为基础，我们搭建了高非线性光纤中产生级联四波混频的实验，并研究通过引入光纤闭环反馈结构改善产生频谱特性的方法。引入光学反馈的机制类似于光学参量振荡器，通过反馈结构使输出重新输入，不断放大信号光和闲频光，并且当反馈回输入端的光功率比例变大时，闲频光的功率明显增加，即转换效率和光谱带宽都显著增加。利用此方法，在输入场总功率仅0.5W的情况下可得到150nm以上的级联四波混频光谱。另外，我们通过将色散渐减的光纤级联，一方面加快了四波混频的产生，这使得利用较短光纤产生优质的四波混频频谱成为可能，避免了使用长光纤带来的诸多弊端。另一方面，这种方法进一步拓宽了四波混频的频谱，并提高了转换效率，在合理的设计下，转换效率可提高50%以上。.在光纤级联四波混频光频梳的研究基础上，我们还对克尔光频梳进行了较深入的研究。首先我们对克尔光频梳产生过程中的级联四波混频过程的相位匹配进行了定量的分析，稳定的克尔光梳产生过程是由于克尔效应引起的非线性色散精确地补偿环形腔线性色散的过程，一旦非线性色散与线性色散达到某种平衡，便可形成稳定的腔孤子。当两者不能精确补偿时，微环腔可能产生呼吸孤子。在频域上，由于非线性的牵引作用，非线性色散和线性色散呈现周期性地补偿效应，导致呼吸孤子的产生。我们对克尔光频梳腔孤子的载波包络相移进行了解析和分析，腔孤子的载波包络相移与泵浦光相位偏离保持恒等关系。据此我们解释了腔孤子的峰值功率与泵浦光相位偏离间存在线性关系，呼吸孤子的出现伴随着载波包络相移的周期性变化。进一步研究了拉曼散射和克尔自陡效应对呼吸孤子激发条件和相干性的影响。