基于氟化物和硫化物光子晶体光纤的覆盖紫外到中红外光波段的超连续光源

基于石英光子晶体光纤的覆盖紫外到2微米的全光纤超连续白光激光器已经在光学测量、光学频标以及生物医学成像等领域发挥了重要的作用。进一步将超连续相干光源波长拓展到中红外波段，研制全光纤紧凑型覆盖紫外到10微米的超连续相干光源是非常有意义的，也是目前光子学研究领域的热点课题之一。申请人最近首次利用单模氟化物光纤产生了覆盖紫外到6.28微米的超连续光源，该光源是目前报道的全光纤超连续相干光源中光谱最宽的。本项目拟在我们前期工作的基础上，通过研究基于氟化物和硫化物光子晶体光纤的覆盖紫外到中红外光波段的超连续相干光源器件中的物理机制、光子晶体光纤设计和拉制、器件结构和性能参数等问题，阐明超短激光脉冲在氟化物和硫化物光子晶体光纤中传输时所经历的各种非线性过程，最后研制出全光纤紧凑型覆盖200nm到10微米波段的超连续相干光源，并探索该类器件在光学测量、中红外光学传感、生物医学成像以及军事等领域的应用。

全光纤超连续光源在基础科学、生物医疗、环境监测和国防安全等领域有着重要应用。实现高平均功率宽波段超连续相干光源是世界上各主要发达国家学术界和工业界努力追求的目标。目前覆盖紫外到2微米波段超连续光源的功率已经接近百瓦量级，并已经商业化。但波长大于2微米的中红外波段超连续光源研究才刚刚起步。本项目提出研制全光纤紧凑型的中红外波段超连续光源，该光源有望在光学测量、中红外光学传感、生物医学成像以及光电对抗等领域获得重要应用。在本项目的资助下，我们重点研究了该类器件中的基本物理问题，特种光纤结构设计与拉制，2微米超短脉冲激光产生与放大，以及中红外超连续光源产生中的光谱调控、相干性控制、色散与非线性管理、原理方案等关键技术。在理论方面，通过数值模拟研究了在单模氟化物光纤中宽波段超连续光谱的产生，研究了泵浦激光脉冲宽度、泵浦激光脉冲峰值功率、光纤限制损耗等对超连续光谱带宽、转换效率等的影响，获得了平坦的、覆盖0.9到5微米波段的超连续光谱，其在中红外光波段（>2.5微米）的能量转换效率可达44.6%；通过设计氟化物光子晶体光纤的结构、泵浦激光的参数等，获得了调谐范围为1.93-3.95微米的中红外拉曼孤子光源；利用2微米超短脉冲激光作为泵浦源，以色散调控的硫化砷微结构光纤作为非线性介质，通过数值模拟优化获得了覆盖1到7.5微米波段的超连续光源。在实验方面，以2微米超短脉冲光纤激光为泵浦源，利用氟化物光纤作为非线性介质，研制出了平均功率为0.8W、覆盖2到4微米的全光纤超连续光源；以1.56微米飞秒脉冲光纤激光为泵浦源，利用自制的掺铥碲酸盐微结构光纤作为非线性介质，研制出了平均功率百毫瓦量级、覆盖1.2到2.7微米的超连续光源；制备出了芯径为1.1 μm、具有双零色散波长的碲酸盐微结构光纤，利用该类光纤研制出了宽调谐中红外波段飞秒拉曼孤子光源（1.56-2.4微米），并首次实现了基于光纤中光克尔效应的光控群速度色散，它不仅可以用于实现具有THz甚至PHz带宽的超高速全光信息处理器件而且有助于非线性光学新现象的发现，具有重要的科学意义。项目资助期间，发表论文26篇，其中SCI收录24篇，EI收录2篇，国内外会议邀请报告2个；申请发明专利5项；获2011年国家自然科学奖二等奖（项目负责人均排名第三）；培养博士研究生7名，硕士研究生6名，其中毕业博士研究生4名，硕士研究生3名。