基于表面等离子共振效应, 提出了三种不同非对称因素引入的金镀膜偏振相关滤波光子晶体光纤, 利用全矢量有限元法研究了光子晶体光纤偏振相关滤波传输特性.当非对称纤芯模单独作用时, 波长1.55 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为5.58 dB/cm和461.58 dB/cm, 两偏振方向损耗比为83; 当非对称金属表面等离子模单独作用, 且镀膜厚度为55 nm时, 其谐振波长1.31 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为2.02 dB/cm和412.91 dB/cm, 两偏振方向损耗比高达204, 镀膜厚度19.5 nm时其谐振波长1.55 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为5.29 dB/cm和536.25 dB/cm, 两偏振方向损耗比为101; 当纤芯模和表面等离子模同时引入非对称因素时, 通信波长1.55 μm处y偏振纤芯模谐振强度高达802.08 dB/cm, 而x偏振纤芯模损耗仅为5.57 dB/cm, 两偏振方向损耗比为144.数值比较可知, 在金属表面等离子模中或两种模式同时引入非对称因素, 可获得两偏振方向偏振损耗比更高的强偏振相关滤波传输特性的光子晶体光纤, 该研究对光子晶体光纤偏振相关滤波器及相关偏振器件的设计与应用具有一定参考意义.

利用Ti宝石激光器生成的飞秒激光脉冲入射高非线性双零色散光子晶体光纤, 进行非线性光谱实验.抽运脉冲的中心波长为800 nm, 位于接近零色散点的反常色散区, 在正常色散区观测到双零色散光子晶体光纤产生的超宽带连续光谱输出, 相对于单零色散光子晶体光纤, 转换效率更高、谱带稳定而平滑, 不仅获得了高效宽带蓝移色散波, 还获得了长波段正常色散区的宽带红移色散波.实验结果与理论分析的相位匹配条件一致, 阐明了色散波产生的物理机理.随泵浦功率的增大, 长波段红移色散波发生明显红移, 可见波段蓝移色散波强度显著增长, 当泵浦功率为0.68 W时, 泵浦光几乎全部转化, 蓝移色散波与残余泵浦的输出功率之比大于257∶1, 光谱转换效率极高, 达到99.6%以上.蓝移色散波的宽带达到了309 nm, 近红外波段的红移色散波与孤子波相连, 形成超连续谱, 带宽可达628 nm.实验结果对超短脉冲激光频率转换和宽带光源的研究具有参考价值.

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。

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。

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.

与传统光纤不同, 光子晶体光纤可以具有多个零色散波长, 在四波混频光谱中, 具有更丰富的相位匹配特性。 目前很多文献报道了光子晶体光纤非线性光学特性的实验结果, 但对其产生机理及光谱的变化规律缺乏详细的理论分析。 为此对光纤中四波混频原理进行了分析, 给出了高增益的相位匹配条件。 利用多极法计算了光子晶体光纤的非线性系数及色散特性。 对具有多个零色散波长光子晶体光纤的相位失配特性进行了分析, 得到了相位匹配波长随泵浦波长及泵浦功率的变化规律。 给出了相位匹配曲线, 分析了不同色散曲线的相位匹配波长特点, 两个零色散波长光子晶体光纤, 在四波混频光谱中将激发出四个新的波长。 实验得到了两个零色散波长光子晶体光纤的四波混频光谱, 与理论分析一致, 验证了相位匹配理论的可靠性。 多个零色散波长光纤, 能产生丰富的相位匹配曲线, 会出现更多的四波混频波长, 可以有效的控制光孤子及超短脉冲的四波混频及共振散射产生的光谱特性。 为光子晶体光纤中基于四波混频的波长变换及超连续谱的研究提供了理论指导。

The various mode effective indices of the doped photonic crystal fibers (PCFs) are compared, the mode field distributions of the fundamental mode and the second-order mode are analyzed, and the single-mode condition is presented. The mode effective indices of large-core doped PCFs with different core indices and structure parameters are simulated by the finite element method (FEM). The relations of the core index with the fiber structure parameters of pitch, hole-to-pitch ratio and core diameter are obtained for single-mode propagation. In the design and fabrication of the doped PCF, we can adjust the core index and fiber structure parameters to achieve large mode area and single-mode propagation.

The effective index of the cladding fundamental space-filling mode in photonic crystal fiber (PCF) is simulated by the effective index method. The variation of the effective index with the structure parameters of the fiber is achieved. For the first time, the relations of the V parameter of Yb³⁺-doped PCF with the refractive index of core and the structure parameters of the fiber are provided. The single-mode characteristics of large-core Yb³⁺-doped photonic crystal fibers with 7 and 19 missing air holes in the core are analyzed. The large-core single-mode Yb³⁺-doped photonic crystal fibers with core diameters of 50 μm, 100 μm and 150 μm are designed. The results provide theory instruction for the design and fabrication of fiber.