1 040 nm泵浦的光子晶體光纖超連續光譜產生性能退化研究

吳元杰，葉慧琪，韓 建，肖 東*

1.中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所，江蘇 南京 210042 2.中國科學院天文光學技術重點實驗室(南京天文光學技術研究所)，江蘇 南京 210042

引 言

隨著光子晶體光纖應用于飛秒脈沖激光的光譜展寬，從單一激光源產生的超連續光譜已可覆蓋一個乃至多個倍頻程。這成為了從鎖模飛秒激光器產生激光頻率梳的關鍵技術，也極大擴大了激光頻率梳的頻率工作范圍[1-4]。在天文光譜儀定標等應用中，需要對高重復頻率的激光源進行光譜展寬。利用光子晶體光纖，使用中心波長520 nm的14 GHz飛秒激光源，實現了帶寬235 nm的超連續光產生[5]；使用中心波長807 nm的1 GHz飛秒激光源，產生了波長范圍550～890 nm的光譜[6]。得益于光子晶體光纖拉錐技術，使用中心波長850 nm的1 GHz飛秒激光源，得到了500～900 nm的波長覆蓋范圍[7]；使用中心波長1 050 nm的18 GHz飛秒激光源，更實現了470～1 620 nm的大于倍頻程的光譜展寬[8]。

光子晶體光纖在進行超連續光產生工作中，其光譜展寬性能的退化通常不被注意到。這是因為通常使用的飛秒激光源具有較低的重復頻率，為幾十MHz至幾百MHz數量級。這種情況下，單位時間內進入光纖的脈沖數較少。而當對GHz量級重復頻率的飛秒激光源進行光譜展寬時，為保持良好的光譜展寬效果，需保持激光的飛秒單脈沖能量不變。這意味著激光源的平均功率需大幅度提升，單位時間內進入光纖的脈沖數相應增多，極大加快了光譜展寬性能的退化[9]。因此，在高重復頻率激光源上實現寬帶超連續光譜的產生后，光子晶體光纖是否可以長時間穩定工作，成為了其可否投入實際應用乃至商品化的關鍵因素。

文獻[9-10]中已經報道，當使用重復頻率18 GHz，中心波長520 nm的飛秒激光源時，光子晶體光纖的光譜展寬效果在幾分鐘至幾小時內出現明顯的退化。其退化產生的原因在于制作光纖纖芯的熔融石英材料經歷多光子吸收過程，產生色心，擾亂了光在光纖纖芯中傳輸時的偏振態，進而導致光譜展寬效果的減弱。文獻[9]報道了通過改用更長中心波長的1 040 nm飛秒激光源進行光譜展寬的方法，對色心的產生進行了有效的抑制。使用80%占空比的拉錐光子晶體光纖，產生的光譜在25小時時間范圍內保持相對穩定。光譜覆蓋范圍為450～750 nm。文獻[11]報道了使用氫或其同位素注入的方法延長光纖的使用壽命，但其主要涉及技術方法，對于原理等沒有深入討論。

本文中，選用三種不同占空比的光纖樣品進行光譜展寬效果的演化測試。通過對比其退化的過程，對退化的原因進行探討。為實現光譜展寬壽命的延長，利用改變光子晶體光纖的拉錐處理方式和調制激光源參數的方法進行對比實驗，觀察測試光纖光譜展寬壽命與實驗參數變化的關系。

1 實驗部分

1.1 光纖光譜展寬效果演化測試實驗設計

研究光纖光譜展寬效果演化所使用的測試光路如圖1所示。

實驗選用輸出參數為中心波長1 040 nm，重復頻率25 GHz，脈沖寬度130 fs的激光源。脈沖寬度可通過脈沖壓縮裝置調節。輸出功率可通過控制光纖放大器的泵浦強度調節，最高平均輸出功率為15 W[12]。

為避免由于光纖光功率耦合效率的下降而引起光譜帶寬的退化。拉錐光子晶體光纖樣品均制備成裸纖跳線，即在光纖兩端加裝了光纖接頭。使用帶壓電陶瓷的反射鏡支架與位于光纖出射端的光電二極管構成反饋系統，保證光纖的光功率耦合效率始終維持在最高水平。光纖出射光經由90∶10非偏振分束器分束。光纖產生的光譜由光譜分析儀等時間間隔持續記錄。由于在拉錐光子晶體光纖與光譜分析儀間使用了Nufern S405-XP光纖進行光傳導(圖1中并未畫出)，記錄光譜的長波長端截止波長為700 nm。

圖1 拉錐光子晶體光纖樣品光譜展寬效果演化測試實驗裝置

1.2 光子晶體光纖的選擇和拉錐樣品制備

選用A, B, C三種光子晶體光纖樣品，氣孔結構分別如圖2所示。其占空比依次為57%，80%和90%。三個光纖樣品的制作材料均為熔融石英。光纖A與光纖B使用相同的預制棒制成。由于使用該預制棒難以制備80%以上占空比的光纖，因此光纖C具有與光纖A和光纖B不同的氣孔結構。三個樣品的光纖包層外徑均為125 μm。纖芯均為橢圓形，均具有光傳輸的保偏特性。光譜展寬使用的入射光偏振方向均為沿光纖纖芯長軸方向。三個樣品的纖芯長軸尺寸依次為4.05，3.28和4.70 μm。選擇4 μm左右的纖芯長軸尺寸使得光纖對實驗所選用的激光源具有良好的耦合效率，均可達到85%以上。

圖2 光子晶體光纖樣品氣孔結構

使用文獻[8]的方法對三個樣品分別進行拉錐形狀優化。拉錐時使用溫度均為1 400 ℃，該溫度下的光纖被足夠軟化以便拉錐，同時氣孔在拉錐過程中不會因為溫度過高而收縮乃至閉合。這樣，光纖拉錐后的氣孔與纖芯尺寸基本與光纖外徑呈等比例變化。

優化拉錐形狀后的三個光纖樣品所產生的光譜展寬效果如圖3所示。入射光單脈沖能量均為0.36 nJ。在譜線峰值下-20 dB水平上，三個光纖樣品產生光譜短波長邊緣可達到截止波長分別為495，450和430 nm?？梢?，選用更高占空比的光子晶體光纖達到了光譜展寬加寬的效果。

圖3 光子晶體光纖拉錐樣品光譜展寬效果

2 結果與討論

2.1 光纖A, B, C的光譜演化測量結果

從光子晶體光纖A拉錐樣品得到的展寬光譜演化如圖4所示。在600 h的測試時間段內，光譜結構基本穩定，光譜寬度未發生退化。在600 h至測量結束時間段內，盡管光譜的短波長邊緣截止波長并未發生明顯改變，然而光譜的譜線結構隨時間發生連續無規則變化，該變化不具有明顯周期性。雖然可以通過光譜平坦系統[12]對結構不斷變化的光譜進行實時光譜整形，但是光譜的變化反映著光纖內部物理性的變化是顯著的。

圖4 光子晶體光纖A拉錐樣品光譜展寬效果演化

從光子晶體光纖B拉錐樣品得到的展寬光譜演化如圖5所示。在20 h的測試時間段內，光譜結構基本穩定，光譜寬度未發生退化。在20小時后，光譜結構開始發生變化。首先在650 nm處出現譜線缺口。之后在第21小時至26小時時間段內，650 nm處缺口愈合。從第26小時起，伴隨著650 nm處缺口的復現與再度愈合，在540 nm處出現了長期存在的譜線缺口。同時，光譜短波長邊緣截止波長呈現快速退化。直至第50小時，光譜各頻段的強度均發生強烈弱化。自此，光纖已經無法正常提供高功率的寬帶光譜輸出。

圖5 光子晶體光纖B拉錐樣品光譜展寬效果演化

從光子晶體光纖C拉錐樣品得到的展寬光譜演化如圖6所示?？梢姡庾V短波長邊緣截止波長并未出現較穩定的時期，而是從測試開始便發生退化，并伴隨著光譜結構的不斷改變。第5小時后，光譜各頻段的強度弱化嚴重，已無法提供高功率的寬帶光譜輸出。

圖6 光子晶體光纖C拉錐樣品光譜展寬效果演化

觀察經過10 h測試后的光子晶體光纖C拉錐樣品，發現光纖上在光譜展寬發生的區段出現多個不同顏色的亮點。這意味著在光纖上，有不同波長的光從光纖纖芯泄露進入光纖包層，進而耦合出光纖。由于在光譜展寬發生的區段，光纖具有最小的拉錐直徑，因此光纖的損傷集中于該區域不難理解。同時觀察到泄露的光具有較強的方向性，表現為沿著光纖中光的傳輸方向上最為強烈。在垂直光纖軸的方向上放置白板，觀察到明顯的彩色同心光環。類似的現象在光子晶體光纖A和B拉錐樣品的測試中也被觀察到。相比下，光子晶體光纖C拉錐樣品的光譜展寬退化最為嚴重，亮點最為明顯，泄露光的強度也最強。

2.2 光譜退化現象的討論

文獻[9-10]中討論了光子晶體光纖在光譜展寬使用過程中色心的產生。其重要特點之一便是光纖上的色心聚集處呈現亮點，亮點發光不具有方向性。文獻[10]中測量到光纖入射與出射光譜的差異，通過610 nm處的強吸收證實了非橋氧色心的產生。對光子晶體光纖C拉錐樣品進行吸收譜線的測量，將是驗證色心是否大量出現的簡單有效的方法。

將經過10 h測試后的光子晶體光纖C拉錐樣品使用方向調轉，即原出射端改為入射端。這樣，光纖未發生損傷的區段仍可產生完整光譜。經過損傷段的傳輸，可觀察出射光中光譜組分的缺失。測量得到的結果如圖7所示，圖中藍色曲線為全新光纖產生的可見光光譜；紅色曲線為經過10小時使用后的光纖，將入射端與反射端交換后測量得到的可見光譜線。觀察到光譜組分缺失集中出現在480和680 nm，而在610 nm處并未出現明顯的光譜組分缺失。因此，光纖損傷的主要原因并非是大量的非橋氧色心的產生。

圖7 光子晶體光纖C拉錐樣品使用后吸收譜線測試

前文已經提及，光子晶體光纖C拉錐樣品上亮點處泄露的光具有較強的方向性。針對這一特點，一個合理的解釋是亮點處的光纖纖芯內形成了長周期光柵結構[13-16]。長周期光柵的產生在光子晶體光纖和高非線性光纖中均有報道，其形成過程類似于全息圖的寫入[14-15]。當達到相位匹配條件時，形成的長周期光柵可將光纖纖芯中傳輸的光耦合出纖芯，進入光纖包層，導致光纖出射光中某些光譜組分的缺失[13]。泄露光的波長與長光柵的周期有關。當由于光纖拉錐段拉錐直徑變化等原因造成光纖纖芯中不同區域產生的光柵周期存在差異時，光泄露現象可以發生在多個波長處。這樣，長周期光柵形成的理論可以解釋觀察到的泄露光的方向性和光纖出射光光譜組分的缺失。

對比三根光子晶體光纖拉錐樣品，觀察到光纖光譜展寬壽命隨著光纖占空比的增加而急劇縮短。長周期光柵結構形成可能經歷的多光子吸收過程的速率主要取決于入射光的強度和產生的短波長的高能量光子。由于三次測試選擇的入射光強度相同，因此產生的短波長光子是最可能的造成光纖產生損傷的因素。圖3中明顯可見，在入射光強度相對不變的條件下，當光纖占空比增大，光纖的光譜展寬效果增強，產生更多短波長的光子。這些高能量的短波長光子破壞了制作光纖纖芯的熔融石英中的硅氧鍵，導致長周期光柵的寫入效率提高，加快了光纖光譜展寬性能的退化。

本文的實驗中，對光纖進行測試時需要使用光耦合凝膠覆蓋整個光纖，將光纖包層中的光耦合出光纖，以保證光纖在使用高平均功率的激光源的條件下安全工作。進行完光譜演化測試后，難以對凝膠進行完全清理。因此目前受技術因素所限，未能通過顯微鏡直接觀察到光纖纖芯中的折射率周期性變化結構，也難以直接測量亮點處泄露光的光譜。對長周期光柵產生理論的驗證仍需更深入的研究。

圖6所示的光纖C的光譜退化進程較快，過程特征較為明顯，有利于與改變參數后的實驗結果進行對比，可將該退化過程作為參考標準。為便于量化，將從測量開始至光譜顯著高峰消失的時間段作為光纖的光譜展寬壽命。這樣，參考標準實驗中光纖的光譜展寬壽命為5 h。

2.3 拉錐溫度對光譜退化的影響

文獻[10]與文獻[17]中提到了熔融石英內部存在著一些不規則的硅氧鍵，這些硅氧鍵的鍵能低于規則的硅氧鍵，在接受光子輻照時，更容易發生光子吸收效應而產生斷裂。不規則硅氧鍵的形成和數量比例與制造光纖時的光纖冷卻條件有關。因此，嘗試改變光纖拉錐時使用的溫度，可能影響熔融石英中的硅氧鍵結構組成，進而影響光纖的光譜展寬演化。文獻[10]中，將拉錐溫度由1 467 ℃提高到1 529 ℃，在使用520 nm綠光激光源時，光纖的光譜展寬壽命由12 min提高到了1 050 min以上。

首先，將參考標準實驗中使用的光纖拉錐溫度1 400 ℃提高到1 480 ℃。對拉錐光纖進行測試，得到的光譜展寬效果演化如圖8所示。整體上的光譜的退化過程與參考實驗結果類似。根據上文定義，光纖的光譜展寬壽命為10 h。相對參考實驗，取得了光纖光譜展寬壽命延長的效果。

圖8 拉錐溫度1 480 ℃的光子晶體光纖拉錐樣品光譜展寬效果演化

進一步提高拉錐溫度至1 540 ℃。發現光纖在拉錐后的光傳輸效率變為0，這意味著拉錐溫度過高，氣孔在高溫下被封閉。因此在拉錐過程中對氣孔進行了施壓處理以抵御氣孔的收縮效應。得到的拉錐光纖光譜展寬演化測試結果如圖9所示。光纖的光譜展寬壽命大致為14 h，壽命相對拉錐溫度1 480 ℃的光纖再次略有延長。

圖9 拉錐溫度1 540 ℃的光子晶體光纖拉錐樣品光譜展寬效果演化

綜上兩個實驗結果，拉錐溫度的提升使得光纖的光譜展寬壽命在一定程度上得以延長。但同時需注意到，拉錐溫度的提升導致了光纖的初始光譜展寬效果稍有減弱，即光譜寬度窄化。這可能來自于高溫導致的氣孔形變。因此總體上，提高拉錐溫度對延長光纖的光譜展寬壽命作用不佳。

2.4 光纖氣孔氬氣填充對光譜退化的影響

氫氧根OH在熔融石英中的出現可造成材料對某些波長的吸收已經被廣泛研究[18-19]。OH在1 400 nm處造成的光譜吸收較為顯著，可能導致在吸收強烈的光纖局部形成高溫，通過應力腐蝕[20]等作用改變熔融石英材料結構，影響光纖的光譜展寬效果。文獻[10]中對不同OH摻雜濃度材料的光子晶體光纖進行了520 nm綠光泵浦的光譜展寬壽命對比，但并未得到明確的對比實驗結果。

首先對作為參考標準的光纖樣品進行測試，觀察1 400 nm處的光譜吸收情況。作為參考標準的光纖在儲存、拉錐、測試等步驟中始終處在空氣氛圍中，因此氣孔內的氣體環境為濕度50%左右的空氣。對比試驗中，將光纖樣品的氣孔一端注入氬氣，并在拉錐過程中保持氬氣的注入。拉錐過程結束后，使用電弧放電的方法迅速對光纖兩端的氣孔進行封閉，盡量降低光纖氣孔中空氣的殘留。兩個樣品產生的超連續光在1 400 nm左右的譜線如圖10所示。可見，經過氬氣注入過程，光纖中的OH含量被顯著降低。

圖10 光纖樣品在1 400 nm處的光譜吸收

測量氬氣注入處理光纖的光譜展寬效果演化，結果如圖11所示。相對參考實驗, 光譜退化過程略有不同，主要表現為在測量開始后的1小時內，光譜短波長邊緣截止波長基本保持不變。隨著進一步的光譜演化，光纖的光譜展寬壽命截止于3 h。因此，降低光纖材料中OH的含量無法有效延長光纖光譜展寬壽命。

圖11 氬氣注入的光纖樣品光譜展寬效果演化

2.5 保持激光源的平均功率，降低激光源脈沖的峰值功率對光譜退化的影響

使光纖產生寬帶光譜展寬的必要條件是激光源具有較高的脈沖峰值功率。調節激光器中的脈沖壓縮裝置，可以加寬脈沖寬度，降低激光源脈沖的峰值功率，并保持平均功率不變。實驗中證實，適當調節脈沖壓縮裝置，可以使拉錐光纖的展寬光譜不出現在可見光區。令一根全新的拉錐光纖樣品工作在低脈沖峰值功率條件下，每10 min進行脈沖寬度優化、記錄光譜、脈沖寬度還原操作，每次該三步操作耗時約20 s。得到的光譜演化如圖12所示?？梢?，光譜仍然出現了退化，但退化速度大大減緩。光纖的損傷極可能只發生在光纖每次短暫產生寬帶可見光區光譜時。可以得出結論，光纖損傷的必要條件是光纖接收高峰值功率脈沖，產生可見光區的寬帶光譜展寬。

圖12 工作于低峰值功率脈沖的光纖樣品光譜展寬效果演化

2.6 保持激光源的峰值功率，降低激光源脈沖的平均功率對光譜退化的影響

上一小節證明了高峰值功率脈沖對光纖光譜展寬效果的傷害，那么減少單位時間內光纖接受的高峰值功率脈沖的數量將是有效的延長光纖壽命的方法。選擇使用斬波器，斬波器不同的占空比可使激光源的平均功率以相應比例降低，同時不改變單脈沖的峰值功率，使得光纖的光譜展寬效果得以保持。相應的，光纖的出射光平均功率也按比例降低。

使用占空比為50%的斬波器工作于激光源與光纖之間，得到的拉錐光纖光譜展寬效果演化如圖13所示?？梢?，拉錐光纖的光譜展寬壽命被延長到了12 h，相當于參考標準實驗中光纖壽命的兩倍。

圖13 使用50%占空比的斬波器時光纖樣品光譜展寬效果演化

使用占空比為25%的斬波器，得到的光譜展寬效果演化如圖14所示。拉錐光纖的光譜展寬壽命再次被延長，達到了25 h，相當于參考標準實驗中光纖壽命的四倍。

圖14 使用25%占空比的斬波器時光纖樣品光譜展寬效果演化

以上兩個實驗結果說明，在對光纖的輸出平均功率要求不高的前提下，可以通過選擇一定占空比的斬波器以延長光纖的光譜展寬壽命。該實驗也證明了，光纖的損傷效果決定于光纖接收的高峰值功率的脈沖總數。

3 結 論

使用三個具有不同占空比的光子晶體光纖拉錐樣品，測量得到光纖的光譜展寬壽命隨占空比的增大而縮短。實驗中觀察到大占空比光纖可以產生的短波長光子數量更多，即高能量的光子更多，加劇了對光纖纖芯材料的破壞。通過測量分析光纖在長時間使用后的表現，排除了光纖中非橋氧色心的大量產生，推測光纖中被寫入了長周期光柵。通過四組對比實驗，分別通過改變光子晶體光纖的拉錐處理方式和調制激光源參數兩個途徑，研究對拉錐光子晶體光纖光譜展寬壽命的影響。實驗結果表明，為實現光纖光譜展寬壽命的延長，使用斬波器是較為可行的方法。光纖壽命延長的效果與斬波器的占空比有直接關系。這一實驗也證實了光纖接受的高峰值功率脈沖總量是影響拉錐光纖損傷程度的重要因素。該結論對光纖光譜展寬壽命的研究具有重要意義。