液态物质填充的空芯光子晶体光纤中超连续谱产生的研究

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1、http://www.paper.edu.cn液态物质填充的空芯光子晶体光纤中超连续谱产生的研究*121**张会，袁景和，常胜江1南开大学现代光学研究所，光电信息科学教育部重点实验室，天津3000712烟台大学光电信息科学与技术学院，烟台264005Email:sichang@nankai.edu.cn摘要：本文研究了在空芯光子晶体光纤（HC-PCF）的纤芯空气孔中填充高折射率高非线性系数的液态物质三氯甲烷后光子晶体光纤的色散性质，其零色散波长可在800nm左右调节。分析了中心波长800nm的钛宝石飞秒

2、激光脉冲在填充后的光子晶体光纤(PCF)反常色散区传输产生的超连续谱，因为填充物质较好的非线性性质及色散性质，激光脉冲可在较短的传输距离及较小的损耗下得到频谱范围600nm－1200nm的超连续谱。关键词：超连续谱，HC-PCF，光纤色散中图分类号：TN2521、引言光子晶体光纤超连续谱的产生一直是近年的研究热点，超连续谱也已经在很多领域中得[1][2]到了广泛的应用，如度量衡，光学相干层析成像，相干反斯托克斯拉曼散射(CARS）共[3][4]焦显微术等领域，特别是在CARS显微成像方面，超宽频多路CA

3、RS显微镜要求大于-12500cm带宽的超连续光源。超连续谱产生的主要机制为光纤的色散性质和光与纤芯物质的非线性作用产生的自相位调整、自变陡效应、脉冲内拉曼散射效应以及四波混频等非线性效[5][6]应。全反射式熔融石英芯的PCF由于石英非线性系数较小，要想得到较好的超连续谱只有通过增大激光脉冲的功率和传输距离来实现，但传输距离的增大会使脉冲损耗衰减增大，同时激光功率的增大也是有限的。如果采用高非线性系数的PCF，就有可能在较低的输入功率，较小的传输距离的情况下产生超连续谱。[7]因此在HC-PCF的空气

4、孔中填充各种气体、液体、液晶的研究得到了广泛关注，尤其是在HC-PCF中填充液晶分子，利用液晶分子折射率各向异性及液晶相列方向电场可调的特[8]性制造光开关或获得双折射光子晶体光纤。2006年俄国的A.B.Fedotov等人研究出一种高[9]非线性TF10玻璃制造的光子晶体光纤用于掺铬镁橄榄石激光脉冲的传输。此外一些具有较高的三阶非线性系数和良好光学性质的液态有机物和聚合物材料在光学领域的应用也逐*教育部博士点基金资助项目（批准号：20030055022）；国家自然科学基金项目(批准号：60277022

5、，60477009)；天津市科技攻关培育项目（批准号：043100811）；南开大学科技创新基金资助.**通讯联系人.E-mail:sjchang@nankai.edu.cnTEL：022-235045711http://www.paper.edu.cn[10]渐增加。如二硫化碳被用来填充空芯光纤来得到光谱展宽，但得到的光谱不是超连续谱而是一些孤立的峰，主要是因为入射激光脉冲波长不在光纤的反常色散区且中心波长没有接近光纤的零色散波长。本文利用包层折射率模型及慢变包络近似的标量波理论模拟了在空芯光子晶体光

6、纤纤芯空气孔中填充高折射率高非线性系数的液态物质三氯甲烷后PCF的色散性质。然后分析了中心波长800nm的钛宝石飞秒激光脉冲在填充了三氯甲烷的PCF反常色散区零色散波长附近传输产生的超连续谱。2、液体填充的HC-PCF的色散特性2.1HC-PCF在HC-PCF中纤芯的折射率较小所以当激光脉冲在这种光纤中传输时不遵循全反射原理，而是借助于光子禁带效应传播。PCF利用包层中高度有序排列的空气孔形成光子带隙（PBG），纤芯则是在PBG中引入缺陷，使光仅能在缺陷态中传播。剖面图如图1。PCF空气孔直径为2r，包

7、层空气孔间距为Λ，中心空气孔直径为2a，激光脉冲在HC-PCF中无限单模传[11]输，99％的能量在空气芯中传输。本文模拟在这种HC-PCF的中芯空气孔中填充高折射率高非线性系数的液态物质，使飞秒激光脉冲在这种填充的PCF中传播时遵循全反射原理，从而得到超连续谱。图1HC-PCF端面图2.2三氯甲烷的折射率色散[12]三氯甲烷(CHCL3)的折射率由以下公式给出：-28-413-6n=1.431364+5632.41××λ-2.080510××λ+1.261310×λ（λ单位nm）CHCL3[13]图2

8、给出了三氯甲烷的折射率与由包层有效折射率模型计算出的包层有效折射率(neff)的比较。只要填充液态的折射率大于包层有效折射率，则填充后的PCF即可遵循全反射原理，使脉冲在填充的纤芯中传输。2http://www.paper.edu.cn1.481.451.4n1.35CHCL31.3neff1.250.60.811.2λ/um图2三氯甲烷和PCF包层有效折射率比较-142三氯甲烷具有很高的非线性系数，其非线性折射率为1.7×10cm/W，比