光子晶体光纤中的非线性光学效应

论文摘要

光子晶体光纤可具有超宽带单模传输性、增强的模式限制特性、色散可调控等优点,在光通讯、光谱学、传感器等领域被广泛应用。光子晶体光纤中的非线性光学效应在近十年内成为研究热点,且促进了其他研究领域的发展。例如,光子晶体光纤中超连续光谱产生在光相干层析技术、高精密光学测量等领域有很重要应用价值。其他非线性频率转换过程如四波混频过程在纠缠光子对制备、光参量放大和振荡器方面有应用潜力;光子晶体光纤中的三次谐波过程可用以产生紫外光源。另外,光子晶体光纤中的部分非线性光学过程产生的物理机制并不十分清晰,有关这些问题的探究将丰富非线性光学的内容,具有很大的科学价值。本文采用掺钛蓝宝石飞秒激光系统,开展了飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输特性的实验研究。主要关注光子晶体光纤中的非线性光学效应,包括超连续光谱产生、四波混频过程、色散波产生,并探索其潜在的应用价值。全文的主要研究内容、结论与创新性如下:（1）利用有限元方法设计了具有高折射率复合纤芯的Bragg光纤,其零色散点在1.55μm附近,最大非线性系数可达40 W-1Km-1。（2）在双折射光子晶体光纤中实现了基于高阶孤子分裂的超连续光谱产生。经计算用脉冲俘获条件较合理地解释了高阶孤子分裂过程中产生的色散波和红移光孤子的波长关系,该工作对于研究孤子分裂及色散波产生的物理机制有一定价值。（3）在大占空比的光子晶体光纤的多个具有不同色散特性的次芯中实现了多重频率转换过程,所用次芯的尺寸比早期文献中的报道大并首次关注次芯的双折射特性。揭示了空气孔随机分布的多孔微结构光纤在频率调谐器、传感器的应用潜力。（4）利用亚纳焦量级的飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中获得接近倍频的蓝光,经分析蓝光是参量四波混频过程产生的信号光,蓝光的转换效率高达15%。伴随信号光产生的闲置光可以处于太赫兹波段,实验也预示了通过四波混频过程在光纤内产生太赫兹波的可能性。（5）在实验上详细研究了光子晶体光纤次芯中的三种偏振调控的蓝移非孤子辐射产生。蓝移辐射的波长可在一定范围内调节,且具有优于早期报道的特性,如窄线宽性（小于10 nm）或具有空心光束模式等,在可调谐光源研制、光镊技术等领域有应用潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 非线性光纤光学的研究历史回顾
• 1.2 光子晶体光纤
• 1.3 光子晶体光纤在非线性光学方面的应用及前景展望
• 1.4 选题意义、研究内容及其创新点
• 2 基于有限元方法的光子晶体光纤特性分析
• 2.1 传输方程的推导
• 2.2 采用有限元方法计算电磁场的原理
• 2.3 光子晶体光纤的特性参数
• 2.4 高折射率纤芯Bragg型光子晶体光纤的设计
• 2.5 光子晶体光纤次芯中的模式及其色散计算
• 2.6 本章小结
• 3 光子晶体光纤中的非线性光学效应理论基础
• 3.1 超短激光脉冲在光纤中传输的基本方程
• 3.2 光子晶体光纤中几种重要的非线性光学效应
• 3.3 本章小结
• 4 光子晶体光纤中的超连续光谱产生的实验研究
• 4.1 双折射光子晶体光纤中基于孤子分裂的超连续光谱产生
• 4.2 光子晶体光纤次芯中的超连续光谱产生
• 4.3 本章小结
• 5 光子晶体光纤中反斯托克斯波及蓝移非孤子辐射产生
• 5.1 光子晶体光纤中接近倍频的蓝光产生
• 5.2 光子晶体光纤内基于四波混频过程的绿光产生
• 5.3 光子晶体光纤内偏振调控的蓝移辐射产生
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 主要研究内容与结论
• 6.2 需要更深入研究的内容与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间申请专利目录