强激光与气体的长距离相互作用能产生许多新奇的物理效应, 而自由空间光束的自聚焦、衍射、散射等问题限制了该科技领域的发展。本文提出了一种新型多孔芯光子晶体光纤, 纤芯亚波长、低折射率空气孔可以传光, 具有宽带、低损耗、单模传输特性。利用倏逝波耦合效应, 研究了纤芯亚波长空气孔束缚光的原理。根据光波传输的电磁场理论, 分析了低折射率空气孔中的光强增大效应。强光在空气孔中长距离传输, 为光与物质的相互作用提供了新条件, 可以用于气体传感、非线性光学、高集成光子技术、原子操控等。由于纤芯空气孔可以传光, 改变空气孔的大小, 直接影响模场分布, 进而可以获得很高的结构双折射。通过光纤结构参数的合理设计, 分别获得了B=4×10-2的高双折射、纤芯直径5 μm的大模场高双折射、大模面积单偏振单模特性, 在光纤偏振器、光纤滤波器、光开关及光纤传感等领域有广泛的应用前景, 为新型光场调控提供了新方法。

通过研究发现双包层结构能降低石英基光子晶体光纤损耗, 并制备一种高非线性双包层结构石英基光子晶体光纤来进行实验研究.使用钛宝石飞秒激光器将实验室自制的石英基光子晶体光纤在反常色散区泵浦, 研究不同的泵浦功率和泵浦波长对中红外超短脉冲孤子的影响, 并分析了石英基高非线性光子晶体光纤中红外超短脉冲孤子产生的物理机理.结合实验发现在泵浦功率为827 nm, 功率从0.1 W增加到0.42 W时, 中红外第一个孤子随功率增加从1933 nm移动到2403 nm, 可调范围达到470 nm, 为石英基光子晶体光纤产生宽带可调超短脉冲源创造了很好的条件.

为了补偿光纤色散对高速信号传输的限制, 提出一种全固双层芯色散补偿光子晶体光纤.首先对该光纤模式耦合特性进行理论分析, 然后利用多极法进行模拟计算, 得到该光纤包层结构参数与色散值以及相位匹配波长之间的关系, 并对其规律进行研究.通过优化光纤结构参数, 得到在1 550 nm处, 色散值达到-32 620 ps/(nm·km)、损耗为0.29 dB/km、与标准单模光纤的熔接损耗为4.77 dB的色散补偿光纤.该光纤可补偿1 910多倍长度的SMF-28单模光纤的色散, 补偿能力远大于常规色散补偿光纤.与空气孔-石英结构色散补偿光子晶体光纤相比, 全固色散补偿光子晶体光纤具有易制备、易与传统通信光纤熔接等优点.

光子晶体光纤作为光学非线性良好介质, 对超连续谱产生具有重要作用。 深紫外超连续谱光源在许多应用中有急切的需求, 然而由于实验条件和光纤参数等方面的影响, 利用高非线性光子晶体光纤产生深紫外(<280 nm)超连续谱的报道较少。 通过理论和实验研究了高非线性光子晶体光纤在深紫外区的频率变换, 并分析其产生的物理机理。 使用钛宝石飞秒激光器将实验室自制的光子晶体光纤在反常色散区泵浦, 研究了不同泵浦功率和泵浦波长对深紫外区超连续谱的影响, 结果表明: 泵浦波长固定为860 nm时, 深紫外频率光谱展宽范围随泵浦功率的增加而逐渐展宽; 泵浦功率固定为0.4 W时, 泵浦波长的增加不仅展宽超连续谱范围而且极大的提高了深紫外区光谱的转换效率。 当泵浦波长为870 nm, 泵浦功率为0.4 W, 实验所用光子晶体光纤长度为1.45 m, 零色散波长为825 nm时, 光子与色散波的交叉相位调制使深紫外基模超连续谱扩展到最短波长212 nm。

对飞秒脉冲泵浦下, 不同锥长及锥腰直径的微结构光纤的超连续谱产生进行了实验研究。 采用“快速低温拉锥方法”, 在保持d/Λ不变的情况下, 对实验室自制的空气孔间距Λ=6.53 μm, 归一化孔径d/Λ=0.79的微结构光纤进行了拉锥, 分别得到6, 8, 10 mm等不同锥长微结构光纤。 理论计算表明, 随着锥长变长, 锥腰直径变小, 锥腰处零色散波长向短波移动: 未拉锥及6, 8和10 mm锥微结构光纤锥腰处零色散波长分别为1 129, 885, 806和637 nm。 利用中心波长为810 nm, 重复频率76 MHz, 脉宽120 fs的钛蓝宝石飞秒激光器对拉锥后微结构光纤进行了实验研究: 锥长为6 mm时, 泵浦光中心波长位于整根光纤的正常色散区, 锥腰的零色散点附近, 内脉冲拉曼散射和级联四波混频是光谱初始展宽的主要因素。 泵浦功率达到450 mW时, 在可见波段390～461 nm及红外波段1 134～1 512 nm形成-5 dB的平坦宽带连续光谱。 泵浦功率达到500 mW时, 出现366～2 450 nm覆盖紫外、 可见、 近红外、 中红外的超连续谱, 其光谱红蓝移边缘已经接近实验用微结构光纤的传输带宽。 锥长为8 mm、 泵浦功率为450 mW时, 在群速度匹配和群加速度失配的共同影响下, 连续谱蓝移边缘达到366 nm, 比6 mm锥时蓝移9 nm; 锥长为10 mm时, 由于锥腰处零色散点移动到可见光区域, 可见区光谱仍能满足相位匹配条件。 通过级联四波混频效应, 在可见区域实现了频率上转换及光谱蓝移。 泵浦光功率达到500 mW时, 在382～412 nm得到谱宽仅为30 nm, 转换效率达到27.7%的频率上转换。

光子晶体光纤具有特殊的导光机制和结构可调性, 可以产生奇异的色散特性及高非线性, 为非线性光纤光学领域的研究提供了新的条件。 受多种非线性光学效应的共同作用, 在不同泵浦光脉冲参数条件下, 不同结构参数及传输特性的光子晶体光纤能产生丰富的非线性光谱。 利用分步傅里叶方法求解非线性薛定谔方程, 模拟飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输过程, 获得输出光谱与入射光脉冲参数(泵浦光峰值功率P、 泵浦光波长λ、 光脉冲形状、 光脉冲宽度TFWHM)、 光纤结构参数(孔间距Λ、 空气填充比d/Λ、 光纤长度z)、 传输特性(色散、 非线性系数)的关系, 分析拉曼孤子、 色散波、 自相位调制等非线性效应产生的光谱特性。 利用光子晶体光纤包层节区进行非线性光学实验研究, 获得了孤子波和色散波的宽带光谱输出。 理论分析与实验测量的光谱中都包括了波长0.5 μm附近可见光波段的蓝移色散波、 0.82 μm波段的剩余泵浦光、 1.1 μm波段的孤子波、 2 μm附近的红移宽带色散波。 理论分析与实验测量结果一致, 阐明光子晶体光纤中非线性光谱产生的物理原理, 实现了对宽带光谱的可控输出, 为高非线性光子晶体光纤的结构设计、 制备及非线性光谱的应用研究奠定基础。

将钛宝石激光器产生的飞秒激光脉冲泵浦实验室自制的高非线性双折射光子晶体光纤,脉冲的中心波长为820 nm,位于光子晶体光纤的接近于零色散的反常色散区.实验结果表明：随着泵浦功率的增加,一阶孤子的中心波长发生了红移,同时产生的色散波的中心波长则发生蓝移进入可见光区.当泵浦功率达到0.45 W时,色散波与残余泵浦的输出功率比为42.67,色散波的带宽达到81 nm,而处于近红外波段的红移孤子带宽可达231 nm.利用高非线性光子晶体光纤产生近红外波段宽带孤子和可见区高效色敬波的实验对飞秒激光频率转换和光谱展宽具有很好的借鉴意义.

设计了一种包层为椭圆孔排列的六边形结构SF57软玻璃光子晶体光纤,在其纤芯区域引入了菱形排列的四个小椭圆孔.利用有限元法模拟了该光子晶体光纤的双折射和有效模场面积,获得了波长1.55μm处双折射为1.01×10-1,x和y偏振的有效模场面积分别为1.52μm2、1.55μm2的高双折射低有效模场面积光子晶体光纤.且对该光纤的结构参数进行了实验制作的容差性分析,得到了较大的制作容差对其光纤的双折射影响很小,具有较好的偏振稳定性.