光子晶体光纤飞秒技术的实验研究进展及发展方向

摘 要：科学技术的不断创新，使光子晶体光纤在短短的十几年里迅猛发展，光子晶体光纤的类型与结构也越来越丰富，这也使光子晶体光纤飞秒技术的应用变得越来越广泛。为此，本文通过便对光子晶体光纤飞秒技术的实验研究进展进行探讨，特别是在高能量与高功率的飞秒技术研究现状与发展方向进行了深入阐述。

关键词：光子晶体；光纤；飞秒技术；研究进展

一、非增益型光子晶体光纤飞秒技术的实验研究进展及发展方向

现阶段飞秒技术在光子晶体光纤中的应用主要包括两类，分别是增益型与非增益性，其中，非增益型是指光子晶体光纤中不掺杂有激活离子，它在非增益型光子晶体光纤中的应用途径是频率变换与色散补偿。

（一）高非线性光子晶体光纤

高非线性光子晶体光纤又被称之为HNL-PCF，它是指在大空气填充率包层中增设微米量级的小芯径纤芯结构，HNL-PCF主要用于非线性类型的频率变换工作。21世纪初，Ranka等人提出利用飞秒脉冲能够在HNL-PCF中产生一种可见的超连续光波段。在此后众多学者便纷纷对这一现象的产生机理、抽运参数及HNL-PCF的特性这三者之间的关系进行大量的研究，由于光波段的产生机理和抽运脉冲的宽度是存在相关性的，因此通常情况下将这种超连续光波段分为两种，即皮秒-连续光与超连续飞秒脉冲。在2006年，Dudley等人对超连续光波段的研究成果进行了全面、细致的对比与总结，并在频率变换与飞秒超连续方面取得了较多实验研究成果。在2006年以后，学者们主要致力于研究新型光子晶体光纤的开发工作，并通过创造不同的实验条件来获得更高的输出参数。其中，方晓惠等人设计了一种多芯的高非线性光子晶体光纤，抽运源由飞秒激光放大装置替代，通过对该高非线性PCF的相干性、远场超连续光谱及模场分布的检测，结果表明，利用高非线性光子晶体光纤是产生高功率飞秒白光源的重要发展方向之一。

（二）AS-PBGF

AS-PBGF又被称之为全固型PBGF，PBGF是PCF进行导光时只能通过包层将部分带隙波长光限制在PCF芯区中。AS-PBGF是在2005年被Luan等人研制出来的，它是一种全硅材料的PCF，内部为全固态结构，AS-PBGF主要是在滤波器件与色散补偿器件中应用。在2006年，Nielsen等人将AS-PBGF用于掺Yb3+光纤振荡器的色散补偿，并取得了理想效果，但它的应用缺点是会产生较大损耗与TOD。在2008年，本课题组将全固型布拉格光纤与AS-PBGF进行结合研发出一种全固式光纤型滤波器，并取得了非常好的应用效果。在未来，众多学者将致力于利用AS-PBGF研发出更多性能强大的色散补偿器件与色散补偿器件，并正采取措施来克服它的应用缺点。

（三）空芯型光子晶体光纤

空芯型PBGF是上世纪末由Cregen等人研制出的，它是通过7根预制棒来构成大空气芯的，如今通常将具备大空气填充比包层与较大空气芯的PBGF统一称作空芯型PCF。空芯型PCF能够降低色散与损耗，且能够承受较大能量与光场功率，目前主要用于脉冲压缩与高功率激光传输。在2003年，Quzounov等人利用空芯型PCF对900nJ、100fs的孤子脉冲进行了成功传输。在后续的几年里，Wang等人于2012年通过实验将74?J、850fs的高能飞秒脉冲进行了传输，并实现了对105?J、850fs光脉冲进行压缩，使其成为300fs。在未来，空芯型PCF飞秒技术的飞秒脉冲传输速度将越来越快，压缩性能也越来越好，这也使其应用范围将逐步得到扩大。

二、增益型光子晶体光纤飞秒技术的实验研究进展及发展方向

所谓增益型光子晶体光纤是通过激光离子在PCF芯区中的掺入来形成增益波导。现如今，增益型PCF的类型主要有小芯径PCF、双包层大模场面积PCF、棒状PCF、大空气孔间隔包层PCF及多芯PCF等。掺杂的激光子离主要有稀土离子、Tm3+、Er3+、Bi3+及Yb3+。它和单干般的单模增益光纤有所差异的是，增益型PCF具备单模大模场面积与色散可控特点，这也使增益型PCF成为一种新型增益介质，通过飞秒激光技术在增益型PCF的应用，能够研发出体型更小、输出功率更高的飞秒激光器。现阶段，利用增益型PCF研发出的飞秒激光器在一定程度上已经超过了固体飞秒激光系统的激光参数，并逐渐成为一种新型的超快激光技术，这也使增益型PCF的研究已经成为光子晶体光纤未来发展的重要方向之一。其中，经过科研人员的大量实验研究，分别于1999年、2000年、2004年、2010年及2011年在小芯径PCF中陆续掺杂了Er3+、Yb3+、Nd3+、Bi3+及Tm3+离子，并已经将小芯径PCF应用于飞秒激光振荡器与飞秒激光放大器当中，从而取得了一系列的成果。在双包层大模场面积的PCF实验研究中，已经在工艺上实现了对空气外包层厚度的降低，从而增加双包层中的折射率差值，进而使其更适用于多模半导体激光器的抽运，其产品也将很快面世，这也进一步推动了高功率激光领域中增益型PCF的应用。与此同时，科研人员为了消除双包层大模场面积PCF低阈值热损害，通过缩短光纤长度，并加厚光纤石英玻璃包覆层，又进一步研发出了棒状PCF，这也使棒状PCF在飞秒激光振荡器与飞秒激光放大器中的应用能够获得更高功率的激光输出参数。由此可见，随着增益型光子晶体的不断研究，飞秒激光技术在增益型光子晶体中获得的激光输出参数也越来越高，这也使增益型光子晶体的研究在很大程度上促进了飞秒激光技术的发展，并已经成为推动飞秒激光技术不断发展的未来方向之一。

参考文献：

[1]柴路，胡明列，方晓惠，刘博文，宋有建，栗岩锋，王清月.光子晶体光纤飞秒激光技术研究进展[J].中国激光，2013，40（01）：7-20.

[2]胡明列，宋有建，刘博文，方晓惠，张弛，刘华刚，刘丰，王昌雷，柴路，邢岐荣，王清月.光子晶体光纤飞秒激光技术研究进展及其前沿应用[J].中国激光，2009，36（07）：1660-1670.

[3]石俊凯，柴路，赵晓薇，李江，刘博文，胡明列，栗岩锋，王清月.全光子晶体光纤单级直接放大產生34W高功率飞秒脉冲[J].中国激光，2014，41（02）：196-201.

作者简介：王振杰（1970—），男，汉族，河南漯河人，本科，学士，讲师，主要研究方向：应用物理与电工电子技术。