光子晶体光纤改变超短脉冲的波长

Uwe Brinkmann

当一个飞秒脉冲通过一段光纤传输时，输出脉冲通常和输入脉冲有很大不同。超快脉冲固有的光谱很宽，在光纤中传播会出现常规色散；而且，激光场被强有力地限制在光纤纤芯内，由此导致的高强度脉冲峰值将引发非线形光学效应。例如，高强度会改变折射，引发自相位调制的累积。通常会导致时间的延长和光谱的加宽。在使用光子晶体光纤（PCF）的过程中，无论在其物理性质还是潜在应用方面，研究者们都发现一些有趣的结果。

来自Max-Planck-Institut für Quantenoptik、Ludwig–Maximilians-Universität München和Lomonosov州立大学的研究人员们在理论和实验上都发现：当一个低于6飞秒的Ti:蓝宝石激光脉冲进入一个特别设计的PCF时，会分裂成不同脉冲，其中之一将变成孤波，在传输过程中波长不断变长。因此，采用主要输出峰值为670nm的Ti:蓝宝石激光脉冲能产生峰值波长为1064nm或更长的脉冲。

变化的散射
研究人员采用了两种PCF，其内芯直径分别是1.6和1.8μm，如图1，进入光子晶体光纤的超快脉冲具有宽带光谱（左）。图示为两种不同光子晶体光纤1（芯径为1.6μm）和2（芯径为1.8μm）的群速度色散效应（右方纵坐标）；左图中的小插图为光纤1横截面的照片。右图所示为脉冲的时间包络和相位啁啾。

图1 进入光子晶体光纤的超快脉冲

光子晶体光纤能“调制”出色散特性。倘若在波长显著不同处产生零群速度色散（GVD）效应，两种光纤的散射曲线会发生偏移。不规则色散时的GVD值为正，并且波脉冲越长，光传播得越慢。输入脉冲光谱的零GVD点对脉冲在光纤中传播的光谱和时间的转换来说非常重要。

考虑非线性效应的实验结果和理论相符。为了比较，作者们采用了非线性薛定谔方程，其中包含一个条件用以描述涉及声子的拉曼散射。声子和其它非线性作用对于解释实验现象是至关重要的。

在一些情况下，光谱中会出现孤波脉冲引起的相应波峰，见图2，输入脉冲为0.3nJ时，将长度为20厘米的光纤2的入射光谱（上方虚线）和出射光谱（上方实线）进行比较。出射光谱有一个最大红移。研究者认为通过增加光纤长度可以实现连续的红移。23厘米长的光纤1的出射光谱在中心波长为1060nm的波峰处产生一个孤波（如中间插图所示）。另外，激光镜的色散特性会改变入射光谱的形状，从而影响孤峰的位置（如右图）。

图2 光纤的入射光谱和出射光谱比较

其它波峰来自其它非线性作用或是更高阶的光纤模式，它们很容易被过滤掉。采用的孤波脉冲的持续时间在100fs量级，通过光线中的色散设计实现时间和光谱的精确控制，在实验中就能产生放大几周期脉冲，例如利用Nd:YAG激光器。最近，研究小组采用PCF中低于6飞秒的激光脉冲形成一个红移的孤波，显著简化了几周期波形参数放大器中的脉冲同步现象。

参考文献
1. E.E. Serebryannikov et al., Appl. Phys. B 81, 585 (2005).
2. E.E. Serebryannikov et al., Phys. Rev E 72, 056603 (2005).
3. C.Y. Teisset et al., Optics Express 13, 6550 (2005).