稀土掺杂石英基异构集成式微结构光纤特性及超连续谱产生机理的研究

Microstructure fiber with tailorable disperison and high nonlinearity, is one of the most effective medium for supercontinuum generation. In this project, the nonlinear dynamics process for femtosecond laser transmiting in microstructure fibers which are single doped with Er3+，Yb3+，Nd3+，Ho3+ and Tm3+ is researched. To achieve supercontinuum from ultraviolet to mid-infrared, the pumping energy transformation mode and optical spectrum broadening mechanism in single doped microstructure fibers are studied and the optimal structure and fabrication technology are discussed. The main research contents include: The transimission model of femtosecond laser in single doped microstructure fiber is established to study the the nonlinear dynamics process of spectrum broadening. The phase mismatch between pumping pulse's central wavelength and rare earth's stimulated luminescence wavelength is discussed under different group velocity to enhance the pump energy's red and blue shift in short fiber by employing both four-wave mxing and stimulated luminescence mechanism. The structural parameters's influences on the disperison and nonlinearity properties of the microstructure fiber is resesarched and the relations between fiber properties and spectrum broadening are explored to optimal the single doped microstructure fiber's design and their combinations. The integrated microstructure fiber is fabricated and the pump coupling codition and supercontinuum output conditon is optimaized to achieve ultra-broadband supercontinuum generation. The expected achievement can provide fudanmental theory and component for supercontinuum source from ultraviolet to mid-infrared.

微结构光纤（Microstructure Fibre, MSF）色散可调、非线性高，是产生超连续谱的最有效介质。本项目拟在研究飞秒激光在分别单掺铒、镱、钕、钬、铥的石英MSF中传输的非线性动力学基础上，重点探索单掺MSF中泵浦能量转移模式、光谱展宽机理，优化设计并研制异构集成式MSF，最终实现紫外到中红外连续谱展宽。主要研究内容：建立飞秒脉冲在单掺MSF中传输模型，以研究其在单掺MSF中展宽时非线性动力学过程；探索单掺MSF群速度特性与泵浦源中心波长、稀土离子受激发光波长相位失配量的关系，使四波混频和受激发光共同作用，以解决短光纤长度泵浦能量红移与蓝移难题；研究不同波导结构下单掺MSF色散、非线性特性及其与光谱展宽的关系，以最优化单掺MSF特性及其组合；研制异构集成式MSF并优化泵浦耦合及光谱输出条件，最终实现极宽带连续谱光源。本项目预期成果可为紫外到中红外连续光源提供基础理论与器件支撑。

宽带、平坦超连续谱在战场感知、密集波分复用系统、光学相干成像等许多方面有重要应用。微结构光纤具有许多传统光纤难以达到的新颖特性，如色散可调及高非线性特性。配合具有高峰值功率的飞秒激光作为泵浦，可以使输入光谱在数厘米的光纤长度内实现极大展宽。探索微结构光纤光谱展宽过程中波长转换新机制，研究基于微结构光纤的平坦超连续谱输出最优条件成为短光纤距离内实现宽带、平坦连续谱输出的关键。因此，本项目对以下几方面问题进行了研究：.首先，对掺稀土玻璃及微结构光纤制备工艺及特性进行了研究，利用等离子体熔融及堆积法制备出掺Yb3+、Tm3+和Yb3+/Ho3+共掺等多种微结构光纤。研究表明制备掺稀土石英玻璃时，使用纯氧气氛将降低或抑制三价稀土离子的变价问题。.其次，理论和实验研究了掺稀土微结构光纤的模式特性，单模传输条件，上、下转换发光特性及发光效率等，发现Yb3+/Ho3+共掺微结构光纤在975nm激光泵浦下，产生上转换发光的同时，实现了能量从Yb3+向Ho3+的转化，并导致Ho3+的5I7激发态能级回到基态5I8，产生2014nm的下转换发光。.然后，对单零、多零色散点及色散平坦微结构光纤的相位失配及波长转换特性进行了理论研究。分析了泵浦光位于不同色散区间时的相位匹配条件及组数；发现了满足多级相位匹配的光纤结构及泵浦条件；设计了适宜进行平坦、宽带超连续谱产生的高非线性近零色散平坦微结构光纤。.接着，实验研究了多种微结构光纤的波长转换及光谱展宽特性。利用850 nm 的飞秒激光作为泵浦，在三角形结构微结构光纤中利用四波混频效应实现高效波长转换：位于551nm处的反斯托克斯信号与残余抽运波强度比值高达73；在微结构光纤节区实现了相位匹配，实验得到了在可见及红外大于300nm 的宽带色散波。.最后，进行了基于微结构光纤的宽带连续谱产生的实验研究。利用波长810nm，脉宽120fs的钛蓝宝石飞秒激光作为泵浦，当泵浦功率达到500mW时，实现了366～2450nm覆盖紫外、可见、近红外、中红外的超连续谱。.本项目研究过程中，项目组成员在国内外期刊发表与项目相关文章16篇，其中SCI检索10篇，EI检索6篇;培养研究生7名，其中博士研究生1名。本项目的研究，可为超短脉冲泵浦下微结构光纤中平坦、宽带超连续谱的产生，为国防安全、生物医学和光通信等领域用高性能光源的研制提供理论支撑。