LEUKOS 400~2000nm超连续谱激光器的原理

LEUKOS通过在很大程度上异常色散状态下使用泵浦波的选择性光学耦合，提出了在光谱的可见部分扩展超连续谱产生的实验和数值研究，产生了400~2000nm超连续谱激光。例如Leukos的SAMBA，Opera，ELECTRO-VIS型号的超连续谱激光器。

LEUKOS发表的这篇文章的中文标题可以翻译为：微结构光纤中四波混频控制的可见超连续谱产生。光学和微波通信研究所提出了一项实验和数值研究，通过使用大体上反常色散体系中的泵浦波的选择性光学耦合，在光谱的可见部分扩展了超连续体的生成。宽带频率的产生是由一个初始的四波混合过程引起的，该过程将1064纳米的泵浦波转换成831纳米的反斯托克斯和1478纳米的斯托克斯波长。由于采用了特殊设计的微结构多模态光纤，相位匹配在如此大的频移上得到了保证。因此，在两个产生的边带周围，连续的生成得到了加强。

这篇文章是LEUKOS发表的，报道了SHG诱导的调制不稳定性在空气-二氧化硅多孔光纤中产生超宽带超连续谱，文章名为C.Lesvigne, V. Couderc, A. Tonello, P. Leproux, A. Barthélémy, S. Lacroix, F. Druon, P. Blandin, M. Hanna, and P. Georges, "Visible supercontinuum generation controlled by intermodal four-wave mixing in microstructured fiber," Opt. Lett. 32, 2173-2175 (2007)

超连续体（SC）的产生是基于线性和非线性现象的复杂结合，发生在具有克尔非线性的介质中。微结构光纤（MOFs）已被广泛研究，以创造巨大的光谱增宽，因为它们的高场限制和它们在定制色散曲线的灵活性。在该领域，一个常用的技术包括将光纤的零色散波长（ZDW）设置在激光激发波长的附近。调制不稳定性、四波混合（FWM）、孤子效应、拉曼位移以及与色散波的耦合是导致从窄激光线开始产生超宽光谱的主要效应。然而，仅仅通过选择与泵浦的ZDW相近的光纤，很难将标准激光源的1米波长有效地扩展到可见光。一个可能的方案是基于用泵浦激光器的基波和二次谐波辐射对光纤进行双波长激发。第二种解决方案是基于一个特殊的装置，通过拼接不同的光纤段，表现出递减的ZDW。在这种情况下，光谱成分通过ZDW两边的频率之间的FWM被加强到蓝色。锥形MOF的使用，即通过结构的缩小获得ZDW的减少，属于相同的技术，并提供类似的优势。通过长锥体的方式，平滑和可控的扩散曲线的演变甚至导致了SC的产生延伸到紫外线。

在这篇报道中，我们提出了一种替代方法来加强某些频段的频率转换，特别是在可见光区域。该技术依赖于一个初步的边带生成步骤，通过FWM的大频移，使高频反斯托克斯线落在感兴趣区域的ZDW周围。然后，前面提到的各种非线性效应，包括交叉相位调制，开始发挥作用，并在FWM线的两边带来新的光谱成分。在高功率下，会形成一个连续的宽光谱。这种情况只有在ZDW向短波长偏移的光纤中才可能出现。此外，将泵浦波长设置在1064纳米，远远进入了异常色散的领域，需要两个光纤模式之间的相位匹配，以便通过FWM获得一个接近异常色散的ZDW的高频率。

图1. MOF前两个空间模式的数值计算色散系数。插图，由扫描电子显微镜成像的纤维截面。

我们的实验只是用一个Nd:YAG Q开关的微芯片激光器耦合到fiber，使用各种光学元件来调整输入光束的功率、大小和偏振方向[15]。输出的光束用光谱分析器、照相机和功率计进行表征。激光器在1064纳米处提供600ps的脉冲，其能量为37.5J，重复率为6kHz。泵的偏振和功率可以通过一个波板和偏振器系统进行精细控制。泵脉冲通过一个聚焦透镜被注入MOF。请注意，透镜的焦距f=2.3毫米是为了得到一个比光纤芯小的激光点。通过纤芯中心相对于激光光斑的横向运动，我们可以选择激发基本模式LP01或光纤前两个模式的超级位置LP01+LP11。空气-二氧化硅MOF是在XLIM实验室设计和制造的，采用了堆积和拉拔技术。光纤的横截面在图1中显示为一个插图。包层是由一个平均直径为1.85米、间距为2.6米的三角形孔格组成的，因此空气填充率d/等于0.71。由于在纤芯两侧引入了几个大的对称孔，纤芯明显呈现出椭圆形状。这些孔的直径为3.3和3.6米。在P=1064纳米时，基模的有效面积为5.3平方米。在这个波长上，四个不同的核心模式可以被引导，即两个基本的LP01,k和两个二阶偶数的LP11,k模式，其中k代表光纤原理轴的x或y的polarization（见图1的插图）。强不对称的几何形状引起了大的相位和群双折射，对于1064纳米的基底模式，分别等于B=210-3和Bg=-310-3。我们通过使用有限元方法的模态解算器，直接在基底横截面的扫描电子显微镜图像上，数值计算了所有导引模式的色散曲线。结果显示在图1中。LP01,x的ZDW为827nm，而LP01,y的ZDW则接近866nm。LP11,x和LP11,y模式的ZDW分别位于757和764nm处。因此，在泵浦波长P=1064纳米的所有引导模式都在一个大的反常色散系统中传播。在这封信中，我们把注意力限制在泵浦极化状态在光纤原理轴之一上排列的情况。我们在图2中展示了LP01和LP11被激发时，沿光纤X轴方向的泵浦场的输出辐射的光谱和空间分析。除了泵浦线的几乎对称的拓宽之外，我们还观察到在831和1478纳米附近产生的两个波段。请注意，反斯托克斯边带明显由LP11,x携带，而斯托克斯边带则由LP01,x携带。这与支配这一过程的相位匹配方程很一致。

图2：泵浦波长为1064纳米（X极化）的模态FWM过程的计算（上部曲线）和确定的边带。插图，导引模式的空间远场分布，与重新升起的光谱窗口有关。

其中，下标表示泵（P）、斯托克斯（S）和反斯托克斯（A）波矢量，以及相关的模式。这四种波沿X轴线性地波化。频率失谐可以从斯托克斯和反斯托克斯波矢量的通常泰勒扩展中得到，至少在一阶上忽略了非线性贡献。从公式（1）中，我们得到

对于h=2，我们得到=2k01-k11/k01+k11，其中k01,k11代表每单位长度的群延迟，k01,k11代表群速度色散（GVD）。在我们的例子中，由于大的频率失谐，一个正确的预测需要一个泰勒扩展，至少到传播方程的h=6阶。我们在图2中比较了实验光谱（X轴上的泵）和传播的数值模拟结果。该模型计算了四个耦合的非线性薛定谔方程系统，每个引导模式都有一个。我们在强双折射的限制下解决了这些方程，其中相干耦合项可以被忽略掉。图2中的标记表示通过求解方程（2）的零点得到的边带位置。我们的建模分析和实验研究得出了相同的相位匹配波长。

在实验中，我们使用了50厘米的短光纤，并逐步增加激光功率。对于耦合在光纤中的峰值功率，低于700W，没有观察到FWM效应(见图3)。在泵浦附近出现了几个来自标量调制不稳定性的边带。当功率达到1000W的中间水平时，FWM过程变得清晰可见(见图3)。斯托克斯分量和反斯托克斯分量之间的距离超过158太赫兹。我们测量到从泵浦到边带的能量转移高达7%。注意，虽然反斯托克斯辐射位于800纳米附近，斯托克斯波落在电信范围，因此表明这里没有进一步的潜在应用。

图3所示。50厘米长的光纤与x偏振峰值功率的实验光谱。最大峰值功率在MOF耦合:2100W

当泵浦峰值功率增长到1000W以上时，由于大的GVD、脉冲衰减、孤子形成和拉曼效应的综合作用，中心带以净不对称的方式扩展以阻挡较长的波长。由于GVD接近于零但略有异常，反斯托克斯带以相当对称的形状变宽。最后，泵浦周围产生的广谱与以斯托克斯波长为中心的广谱融合在一起。在光纤输入所能承受的最大功率下，可以得到平坦的宽频带光谱，覆盖在泵浦的一侧，直到Stokes1478nm边带。在泵浦的另一侧，由于靠近Stokes波的红外连续谱能量所诱导的交叉相位调制过程，连续谱产生向蓝色波长不对称增长。该机制类似于Champert等人[9]所演示的机制，他们使用了双波长泵浦方案。

图4所示。两种不同选择耦合的实验SC谱:双模激励LP01,x和LP11,xLP01+LP11:单模激励LP01,x(LP01)。

如此大的FWM过程导致可见的SC产生发生在两个导模被激发时，然后可以通过简单地横向移动光纤输入端来选择性地激发基芯模来关闭。在这个位置，只观察到从1000到1750nm的红外SC产生，这证明了FWM对可见SC形成的多峰效应(图4)。

这样的原位定位有利于在可见区域中进一步产生大光谱。对应的斯托克斯分量出现在红外区域，该区域可以归类为电信光谱范围。通过将泵浦耦合到高度不对称的核心MOF的两个导模中来实现相位匹配。在高功率水平下，我们观察到大波段FWM过程在两个区域产生了大光谱展宽的现象。