摘要
空芯光子晶体光纤(亦称“空芯微结构光纤”)作为光纤光子学领域最重要的发明之一，其独特的科学研究价值和实际应用潜力极大地推动了现代光科学的进步。通过在光纤包层构建微结构，空芯光子晶体光纤可以摆脱纤芯固体介质材料的束缚实现空气导光，有望给激光、非线性光学、传感、通信、量子、生物等多个领域提供一个理想而方便的传输媒介和实验平台。一方面。作为一根中空可以弯曲的光导纤维，光沿着空芯光子晶体光纤的传播性质类似于自由空间，这就打破了固体介质材料吸收的限制，在光纤中创造出一个低色散、低非线性、低时间延迟的理想光学环境;另一方面，作为一个光与物质相互作用的平台(统称为“lab-on-a-fiber”)，将激光约束在微米量级的中空纤芯内长距离传输，这就打破了激光空间传输衍射极限的限制，极大地增强了光与物质的相互作用效果。 空芯光子晶体光纤包括光子带隙空芯光纤和反谐振空芯光纤两种类型，与光子带隙空芯光纤相比，反谐振空芯光纤具有宽传输通带、低传输损耗、高激光损伤阈值和高模式纯度等特点而成为近几年的研究热点，在高功率脉冲激光传输及压缩、非线性频率转换、短距离高速高容量光通信、生物化学分析以及量子存储等应用领域展现出广阔的发展前景。本课题主要对宽光谱传输和超低损耗的反谐振空芯光纤进行了理论与实验研究，将反谐振空芯光纤应用于超快激光传输等领域并取得数项突破性成果。在研制不同波段、低损耗、宽光谱传输的反谐振空芯光纤基础上，利用空芯光纤实现近红外、可见光及紫外波段高功率超短脉冲激光传输，并产生了高峰值功率、大能量的气体拉曼激光和超连续谱。 本论文的研究内容包括: 1.宽光谱传输的反谐振空芯光纤设计及制备 基于反谐振导光原理和半解析理论模型，设计并拉制了不同波段、低损耗、宽光谱传输的无节点反谐振空芯光纤。具体包括: 研制中红外波段跨倍频程传输的无节点反谐振空芯光纤，传输通带从1.2μm到4μm，光纤在波长3μm处的传输损耗为130dB/km。 研制两款近红外波段传输的无节点反谐振空芯光纤，一款光纤具有跨倍频程的传输通带，光谱范围从850nm到2700nm，另外一款光纤具有非常低的传输损耗，在1030砌波长处的传输损耗为7.6dB/km。 研制两款可见光波段传输的无节点反谐振空芯光纤，一款光纤具有近乎跨两个倍频程的传输通带，光谱范围从420nm到1400nm以上，另外一款光纤具有非常低的传输损耗，在610nm姗波长处的传输损耗为28dB/km。 研制两款紫外波段传输的无节点反谐振空芯光纤，一款光纤在紫外到可见光波段展现出三个传输通带，在三个通带中心波长处的传输损耗分别为0.13dB/m@300nm，0.17dB/m@375nm，O.3dB/m@515nm，另外一款空芯光纤可以同时覆盖三个重要激光波长(266nm、355nm和532nm)，在355nm和532nm波长处的传输损耗分别为O.3dB/m和0.9dB/m。 2.超低损耗的连体管状反谐振空芯光纤设计及制备 基于多层反谐振理论模型，设计了一种新型连体管状反谐振空芯光纤，理论预测和数值仿真显示，包层石英管内具体两个玻璃片结构的连体管状反谐振空芯光纤具有低至O.1dB/km的传输损耗极限。实验上对包层石英管内具有一个玻璃片结构的连体管状反谐振空芯光纤进行了拉制，测得光纤在1512nm具有2dB/km的超低传输损耗，同时该光纤还表现出宽的传输通带(横跨O-L通信带)、低的弯曲损耗、以及高的模式质量等优点，可有望对短距离低时延光通信、量子通信等战略性技术领域产生深远影响。 3.基于反谐振空芯光纤的高功率超短脉冲激光传输 利用无节点反谐振空芯光纤分别在近红外1μm、可见光532nm和紫外355nm实现高功率、高能量超短脉冲激光传输。具体包括: 在近红外1μm波段，实现平均功率74W、单脉冲能量185μJ、峰值功率10.8MW的超短脉冲皮秒激光传输。 在可见光532nm波段，利用3m长的空芯光纤实现平均功率32W的高功率超短脉冲激光传输，脉冲宽度80ps、重复频率58MHz:利用脉冲宽度20ps的大能量固体激光器，实现单脉冲能量144μJ的超快激光传输。 在紫外355nm波段，利用脉冲宽度20ps的大能量固体激光器，在1m长的空芯光纤实现单脉冲能量106μJ的超快激光传输。 4.基于反谐振空芯光纤填充气体的拉曼激光和超连续谱产生 利用高峰值功率的1μm固体激光器泵浦充有甲烷气体的反谐振空芯光纤，得到了高峰值功率的中红外2.8μm拉曼激光输出，最高单脉冲能量为113μJ，峰值功率达到9.5MW。分别利用高峰值功率的线偏振和圆偏振532nm固体皮秒激光器直接泵浦反谐振空芯光纤中的空气，得到了氮气振动和转动拉曼激光输出。进一步地利用532nm激光泵浦充有纯净氮气的空芯光纤，产生了一种全新机制拉曼主导的高能超连续谱，超连续谱的单脉冲能量高达几十微焦、光谱范围覆盖深紫外到近红外波段。
NETL