色散近零平坦的氟碲酸盐光纤设计及其在中红外光频梳中的应用

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25μm中红外光频梳在空间大气通信、中红外天文光谱学、高速分子传感等领域以及遥感,测距等方面都有着重要应用。在光纤中,光频梳的产生是通过将具有固定频率间隔的两束或两束以上的连续光注入到光纤中,在级联四波混频效应的作用下产生频率间隔为GHz到THz可调谐的光频梳。目前,绝大多数的光纤光频梳是由色散近零平坦的石英基高非线性光纤产生,然而,石英玻璃材料受到其本身透过窗口的限制,导致其难以用于研制中红外波段的光频梳。另外,石英基玻璃光纤的非线性系数较低,限制了光频梳的带宽。针对上述问题,作者在攻读硕士期间,设计了一种非线性系数高、色散近零平坦的氟碲酸盐中红外玻璃光纤,并研究了这种光纤作为非线性介质产生中红外光频梳的潜力,具体研究成果如下:(1)设计了一种用于中红外光频梳产生的色散近零平坦的氟碲酸盐光纤。光纤的纤芯材料为70TeO2-20BaF2-10Y2O3(TBY)玻璃,包层材料为33AlF3-9BaF2-17CaF2-12YF3-8SrF2-11MgF2-10TeO2(ABCYSMT)玻璃。首先,在阶跃型结构氟碲酸盐光纤中,通过改变光纤的芯径,得到零色散波长位于2μm附近的色散曲线。为获得2μm波段更加平坦的色散特性,在上述阶跃型结构氟碲酸盐光纤的包层中加入一层高折射率的TBY玻璃环形结构,从而引入额外的波导色散。通过调节光纤芯径及环形结构厚度等参数,获得2μm波段近零平坦的色散曲线。其中,波长在18502150 nm范围内时,光纤的群速度色散值为-0.3ps/km/nm0.32 ps/km/nm。这种光纤兼具宽带中红外透过窗口、高非线性系数和近零平坦的色散特性,有利于产生宽带中红外光频梳。(2)研究了色散近零平坦的氟碲酸盐微结构光纤在中红外光频梳中的应用。通过使用对称分布傅里叶变换方法求解非线性薛定谔方程,研究了基于上述氟碲酸盐光纤产生中红外光频梳的结果。将重复频率为50 GHz的超短脉冲激光输入到上述色散近零平坦的全固态结构氟碲酸盐玻璃光纤中,在2 m长氟碲酸盐光纤中得到了光谱范围覆盖1.15μm的宽带光频梳。当泵浦光重复频率为10100GHz时,可获得重复频率为10100 GHz可调的宽带中红外光频梳。该结果表明利用色散近零平坦的氟碲酸盐光纤作为非线性介质可以产生频率间隔大范围可调谐的宽带中红外光频梳。
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