功能化微纳光纤用于产生高效率二阶非线性光学频率变换的研究

Second-order nonlinearity is the lowest order nonlinearity, and optical frequency conversion based on it has been widely used in optical spectroscopy, low noise optical amplifying, ultrafast optical signal processing, quantum information, precision measurement and many other fields. Optical microfibers are able to confine the guided optical mode within a dimension on the order of wavelength along a distance of tens centimeters. Meanwhile, microfibers can be connected to conventional fibers via continuous tapers in-between, which enable a stable and highly efficient optical coupling in and out. All of these benefits promise optical microfibers a bright future in the applications in nonlinear optics. To functionalize optical microfibers with second-order nonlinearity, we propose to deposit organic/polymer coatings on it. By virtue of microscopic electrostatic force and chemical bonds, the moieties with second nonlinearity can be aligned radially on the microfibers, enabling optical microfibers with a large second-order nonlinearity. Moreover, long-period gratings on the microfibers can be employed for the phase-matching required in the second-order nonlinear processes, and thus enabling highly efficient optical frequency conversion. The functionalizing scheme in this proposal, combining the benefits of organics/polymer and optical microfibers, provides a new strategy for nonlinear optical frequency conversion in optical fibers, promising wide applications in the future.

二阶非线性是最低阶的非线性，基于二阶非线性的光学频率变换广泛地应用于光谱学、低噪声光放大、超快的光信号处理、量子信息和精密测量等许多重要领域。微纳光纤可对光场在数十厘米的距离上实现波长量级的强约束，同时，还可以通过不间断拉锥与普通光纤相连，实现高效稳定的光耦合输入和输出，因而，微纳光纤在非线性光学领域有着良好的应用前景。本项目结合有机物/聚合物与微纳光纤的优点，提出利用涂覆于微纳光纤表面的有机物/聚合物的功能化薄膜，使得微纳光纤具有二阶非线性。通过微观的静电力和化学键，实现薄膜中的非线性基团沿微纳光纤径向有序排列，以使得功能化微纳光纤具有显著的二阶非线性。微纳光纤表面的长周期光栅可用来辅助实现二阶非线性过程所需的位相匹配，从而在功能化微纳光纤中实现高效的光学频率变换。本项目提出的功能化微纳光纤的方法，有可能为光纤中产生高效二阶非线性频率变换提供新的方法，在诸多领域获得实际应用。

基于二阶非线性的光学频率变换广泛地应用于光谱学、低噪声光放大、超快的光信号处理、量子信息和精密测量等许多重要领域。微纳光纤可以实现对光场的长距离强约束，同时，还可以通过拉锥实现高效稳定的光耦合输入和输出，因而我们提出通过利用功能化微纳光纤产生非线性频率变换的研究设想。. 功能化微纳光纤的二阶非线性系数依然较弱，因此为了提高二阶非线性频率变换的效率，首先需要解决位相匹配的问题。微纳光纤表面的周期性结构可以实现这一效果，因此，本项目首先研究了利用高分子功能化薄膜（PMMA）在微纳光纤表面上实现长周期光栅的可行性。利用我们提出的通用的微纳光纤功能化方法，可以在微纳光纤表面涂覆一层纳米量级厚度的的PMMA薄膜。通过紫外光的逐点写入，在功能化的微纳光纤表面实现了高质量长周期光栅的写入。这为非线性频率变换所需的位相匹配打下了良好的基础。我们进一步还展示了这种微纳光纤长周期光栅的诸多应用。实验表明，这种微纳光纤长周期光栅的温度灵敏度、轴向应力与应变灵敏度分别是普通光纤长周期光栅的30倍与600多倍，因而具有良好的应用前景。. 非线性频率变换的效率与泵浦光的强度有关，因此将微纳光纤置于超短秒冲激光器的谐振腔中，可以实现高效的频率变换。本项目中，置于微纳光纤2微米波段的光纤飞秒激光器谐振腔中的微纳光纤在650 nm附近产生了强烈的红光，这表明产生了非线性频率变换。这一方面由于微纳光纤的直径可调，因此通过控制微纳光纤的直径，而实现泵浦光与信号光的位相匹配，另一方面，微纳光纤很强的非线性也大大提高了非线性频率变换的效率。这为光纤激光器中直接产生可见光提供了一种新的方法。. 本项目还研究了微纳光纤对超快激光非线性动力学的影响。微纳光纤可以提供其他光纤很难实现的色散调控和啁啾管理的能力，从而分别实现了在1微米波段的光纤展宽脉冲激光和2微米波段的耗散孤子激光器。这实际上为超短脉冲激光器的制作和色散管理，提供了行之有效的方法。