光子晶體光纖的研究

光子晶體光纖的研究

1光子晶體光纖1991年，sh等人提出在二維光源晶體（pc）中引入線性缺陷，這是因為由于光帶（pbg）的作用，某些頻率的光可以限于線型錯誤，以達(dá)到傳播光的目的。于是,他們開始對光子晶體光纖(PCFs)進(jìn)行研究。由于受到制備工藝的限制,直到1996年才拉制出首根光子晶體光纖,其導(dǎo)光機(jī)制與傳統(tǒng)光纖的全內(nèi)反射導(dǎo)光機(jī)制類似。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),這根光纖具有無截止單模傳輸?shù)奶匦?而且這種特性并不依賴于包層孔的周期排布。對于包層孔無序排布的光纖,在特定條件下,也可實現(xiàn)無截止的單模傳輸。于是,在使用光子晶體光纖這個名稱的同時,研究人員也開始使用多孔光纖(holeyfibers,HFs)和微結(jié)構(gòu)光纖(microstructuredfibers,MFs)等名稱。1998年,出現(xiàn)了第一根依靠光子帶隙原理而非傳統(tǒng)的全反射原理導(dǎo)光的光子晶體光纖,人們把這種光纖叫作光子帶隙光纖(PBFs)。1999年第一根可以在空氣芯中傳導(dǎo)光的帶隙光纖的拉制成功將光子晶體和光子帶隙的概念引入光纖光學(xué),使得光纖光學(xué)的內(nèi)容發(fā)生了質(zhì)的變化。從第一根光子晶體光纖拉制成功至今已經(jīng)有十多年,光子晶體光纖也從最初討論其模式特性的理論分析階段,開始轉(zhuǎn)向理論研究和在非線性光學(xué)、光纖激光器、光纖通信、光器件等方面應(yīng)用并重的階段,開始向更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展。2有效分辨率nc系統(tǒng)按照不同的導(dǎo)光機(jī)制,光子晶體光纖可以分為:折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖和光子帶隙光纖。折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的導(dǎo)光機(jī)制與傳統(tǒng)光纖的全內(nèi)反射機(jī)制類似。通過在包層中引入空氣孔,降低包層的有效折射率nclad,使得纖芯折射率ncore大于包層折射率nclad,其模式折射率nmode滿足ncore>nmode>nclad。光子帶隙光纖的纖芯折射率ncore小于包層等效折射率nclad,不再滿足全內(nèi)反射的條件,但是由于光纖的包層為二維光子晶體,頻率處于光子帶隙內(nèi)的光不能在包層中傳播,所以這些頻率的光耦合進(jìn)纖芯后,將被限制在纖芯中,無法泄露出去,從而達(dá)到傳導(dǎo)光的目的。帶隙型光纖的模式折射率滿足如下條件:當(dāng)ncore>bH/k時,當(dāng)ncore<bH/k時,其中,bH為光子帶隙上邊界對應(yīng)的傳播常數(shù),bL為光子帶隙下邊界對應(yīng)的傳播常數(shù)。2.1分光光學(xué)法技術(shù)在光子晶體光纖中的應(yīng)用1996年,南安普敦大學(xué)的J.C.Knight等報道了第一根光子晶體光纖見圖1(a),1997年,T.A.Birks等發(fā)現(xiàn)這根光纖具有無截止單模傳輸特性。隨著對折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的深入研究,人們對于其模式的截止[6~9]、對稱特征、損耗[12~15]和彎曲損耗[16~19]等有了更清楚的認(rèn)識,大模面積特性[20~28],可調(diào)節(jié)的色散特性[29~45],高非線性[46~58]和高雙折射[58~69]等特性相繼被人們發(fā)現(xiàn),同時,隨著制備工藝的完善,光纖的損耗也不斷地降低。2001年,K.Suzuki等報導(dǎo)了在1550nm處,損耗為1.3dB/km,模式雙折射高達(dá)1.4×10-3的高偏振光子晶體光纖。2003年,B.Zsigri等利用長度為5.6km,在1550nm處衰減為1.7dB/km的光子晶體光纖做了10Gbit/s數(shù)據(jù)傳輸實驗。2004年,KatsusukeTajima等制備的光子晶體光纖,在1310nm和1550nm處,損耗分別為0.37dB/km和0.71dB/km。2005年,丹麥技術(shù)大學(xué)的M.D.Nielsen等報道了在1550nm處模場面積高達(dá)1550mm2、損耗僅為0.48dB/km的光子晶體光纖。折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的優(yōu)異特性,使其在科研和生產(chǎn)許多方面都表現(xiàn)出重要的應(yīng)用價值。在1999~2001年期間,科研工作者就折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖在非線性光學(xué)[73~86]、生物醫(yī)學(xué)[87~90]、光纖通信、光器件[93~97]、激光器和放大器[23,24,27,28,98,99,100,101],光纖傳感[98~102]等方面的應(yīng)用作了探索。2002年至今,如何提升基于光子晶體光纖的各種應(yīng)用和器件的性能,將其實用化、商用化,成為人們研究的重點。2.2金屬空氣填充率空芯光纖第一根依靠光子帶隙原理導(dǎo)光的光纖出現(xiàn)于1998年,其端面如圖2(a)。通過實驗,PaulineRigby等發(fā)現(xiàn)光能量主要是集中于芯區(qū)附近的石英中,并非在中心的空氣孔中。1999年,R.F.Cregan等拉制出了第一根在空氣中傳光的帶隙型光纖[圖2(b)]。由于拉制工藝的限制,光纖結(jié)構(gòu)并不完美,因此光纖的衰減很大。為了設(shè)計性能優(yōu)異的帶隙光纖,很多科研人員對三角形結(jié)構(gòu)、蜂窩狀包層結(jié)構(gòu)甚至是矩形結(jié)構(gòu)包層進(jìn)行了研究。通過對三角形結(jié)構(gòu)包層研究發(fā)現(xiàn),在其中引入合適尺寸的間隙孔,可以增大帶隙寬度,尤其是使低階帶隙的寬度顯著增大,更加有利于實現(xiàn)光在空氣芯中傳播。YanfengLi等通過計算表明,在蜂窩狀包層中引入間隙孔,也可以有效地增加帶隙寬度。但現(xiàn)有的工藝水平,在實際制備光纖的過程中,很難精確控制間隙孔的尺寸,所以,大空氣填充率的三角形結(jié)構(gòu)空芯光纖成為了制備的重點,并且取得了重大突破。2003年,T.P.Hansen等報道了傳輸距離可達(dá)345m的光子帶隙光纖。CharleneM.Smith等制備的帶隙光纖,其傳輸窗口大于400nm,在1500nm處的損耗達(dá)到了13dB/km[圖2(d)]。通過研究,他們發(fā)現(xiàn),在空芯帶隙光纖的纖芯和石英的分界面處,存在著一類特殊的模式———表面模。表面模的存在,對損耗有很大的影響[122~124]。消除表面模式法的提出[125~127],為進(jìn)一步降低光子帶隙光纖的損耗提供了可靠的理論依據(jù)。2004年,巴斯大學(xué)的B.J.Mangan等展示了在1565nm處,損耗為1.72dB/km的帶隙光纖[圖2(c)],其光能量的98.3%被限制在空芯中,1.0%在包層孔中,僅有0.7%能量在石英中。2005年,巴斯大學(xué)的P.J.Roberts等將帶隙光纖的最低損耗降低到了1.2dB/km。燕山大學(xué)紅外光纖與傳感研究所在國內(nèi)率先進(jìn)行了光子晶體光纖的研制,已制備出多種結(jié)構(gòu)規(guī)則,性能優(yōu)良的折射率引導(dǎo)型和空芯光子帶隙型光子晶體光纖,見圖1(b~f)和圖2。并在天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院超快激光研究室進(jìn)行了飛秒激光脈沖產(chǎn)生超連續(xù)譜的實驗和光子帶隙的測量,得到了良好的結(jié)果,證明了制備的光纖具有優(yōu)異的性能。光子晶體光纖發(fā)展的歷史可見表1。3充填法16,16,16制備光子晶體光纖的方法主要有[49,143,144,145,146,147]:堆積法、擠壓法、酸腐蝕法、填充法、溶模法、疊片法、發(fā)泡法等。下面就常用的堆積法和擠壓法進(jìn)行簡單的介紹。3.1空芯光纖的制備堆積法是現(xiàn)階段制備光子晶體光纖,尤其是以石英為基質(zhì)制備光子晶體光纖最主要的方法,其制備過程如下:1)將中間帶有空氣孔的石英棒拉制成所需尺寸的毛細(xì)管,把毛細(xì)管按合適長度截斷后,緊密地堆積在套管(即中心有空芯的石英棒)中。2)在呈三角結(jié)構(gòu)排列的毛細(xì)管中引入缺陷,作為光子晶體光纖的纖芯。如果要制備實芯光纖,就用一根或幾根與毛細(xì)管同樣徑向尺寸的石英棒替換套管中部的毛細(xì)管,如制備空芯光纖,則抽出套管中部的某些毛細(xì)管即可。3)將預(yù)制棒放到拉絲機(jī)上拉絲。堆積法的優(yōu)點:預(yù)制棒的制作過程簡單,傳統(tǒng)光纖的拉制設(shè)備就可滿足光子晶體光纖的制備(圖3),基本不需要其他特殊設(shè)備。缺點:預(yù)制棒的制作所需時間長,無法滿足大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn);無法制備特殊結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖,比如包層孔為矩形分布的光子晶體光纖。3.2制作光纖基質(zhì)材料擠壓法名稱的由來與堆積法相似,也是根據(jù)預(yù)制棒的制作方法命名的。首先,按照所需光纖結(jié)構(gòu)制作相應(yīng)的模具,然后將要制作光纖的基質(zhì)材料加熱到熔融狀態(tài),灌入模具中,待冷卻定型后,使模具與預(yù)制棒分離,最后將預(yù)制棒放到拉絲機(jī)中進(jìn)行拉絲。擠壓法的優(yōu)點:模具制成后,可反復(fù)利用,提高了預(yù)制棒的制作效率,適合于大規(guī)模的生產(chǎn)。缺點:只適合于軟化溫度較低的材料,如復(fù)合玻璃SF6,SF57等;結(jié)構(gòu)不同的光纖需要不同的模具。4有效光束結(jié)構(gòu)4.1無材料傳輸?shù)膯文６嗄鬏斣陔A躍光纖中,為了保證單模傳輸,必須滿足其中,V為歸一化頻率,r為纖芯半徑,l為波長,NA=(n2core-n2clad)0.5為光纖的數(shù)值孔徑。利用歸一化頻率V研究折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖時,式(3)需要做一定的改變。T.A.Birks等用孔間距L代替?zhèn)鹘y(tǒng)光纖V參數(shù)中的r,用包層空氣填充基模折射率作為包層的有效折射率,這樣光子晶體光纖的歸一化頻率V定義為其中,nclad為空氣填充基模的折射率。在傳統(tǒng)階躍光纖中,數(shù)值孔徑NA幾乎不隨波長變化而變化。由公式(3)可知,當(dāng)波長減小至某一值時,階躍光纖將不再滿足V<2.4048的單模傳輸條件。而在折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖中,由圖4可以看到,在光子晶體光纖中,波長趨近于零時,V值趨近于某一個常數(shù),且V隨著空氣孔相對孔徑d/L的減小而減小。這就為光纖無截止單模傳輸提供了可能。因為使用了空氣孔間距L和空氣填充基模的折射率來代替?zhèn)鹘y(tǒng)光纖的芯徑和包層折射率,2.4048已經(jīng)不能再作為判別光子晶體光纖是否單模傳輸?shù)慕缦?。NielsAsgerMortensen等研究得出,對纖芯是由單根石英棒替換毛細(xì)管形成的且包層為三角形結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖而言,單模傳輸?shù)臈l件應(yīng)該改為其單模與多模的邊界為其中,a=2.80±0.12,g=0.89±0.02。由式(6)可以得到,當(dāng)d/L<0.4時,光子晶體光纖可以看作是無截止單模傳輸?shù)?。T.A.Birks等經(jīng)過測試,發(fā)現(xiàn)第一根光子晶體光纖,其在337~1550nm范圍內(nèi)可以單模傳輸。CrystalFibreA/S公司生產(chǎn)的編號為LMA-5的光子晶體光纖,L=2.9mm,d/L=0.44,其單模截止波長為430nm,并且具有較低的損耗。4.2光子晶體光纖色散是衡量光纖性能的一個重要參數(shù),光纖的色散D可以看作有兩部分組成,即其中,Dw為波導(dǎo)色散,Dm為材料色散。下面以三角形包層結(jié)構(gòu)為例說明光子晶體光纖的色散可調(diào)特性。描述三角形光子晶體光纖包層結(jié)構(gòu)的參數(shù)為:孔間距L和孔直徑d。圖5(a)表示的是當(dāng)孔直徑d不變,而孔間距改變時光子晶體光纖的色散隨波長的變化關(guān)系。圖5(b)表示的是當(dāng)孔間距L不變,孔直徑改變時色散隨波長變化的關(guān)系。由圖5(a)中可以看出,隨著孔間距的減小,色散曲線的振蕩加劇,并且出現(xiàn)了多個零色散點,當(dāng)孔間距變得比較大時,色散曲線隨著波長的增大單調(diào)遞增。由圖5(b)可以看出,色散曲線的振蕩幅度隨著孔徑的增大而增大,并且零色散點向短波處移動,甚至可以移至可見光區(qū),這在傳統(tǒng)光纖中是很難實現(xiàn)的。2000年,J.C.Knight等展示了零色散點在700nm的大空氣孔光子晶體光纖。A.Ferrando等通過優(yōu)化空氣孔孔徑和孔間距的大小,設(shè)計出兩種近零色散平坦光子晶體光纖:L=3.02mm,d=0.73mm時,在543nm帶寬范圍內(nèi),色散在±1ps/(nm·km)波動;L=2.64mm,d=0.63mm時,在428nm帶寬范圍內(nèi),色散在±0.5ps/(nm·km)波動;2002年,巴斯大學(xué)的W.H.Reeves等按照上述參量,對兩種光纖進(jìn)行了制備。雖然最后的參量和設(shè)計值有一定的偏離,但仍保持了色散平坦的特性。兩種光纖的色散值分別為:從1.24mm到1.44mm色散波動為0±0.6ps/(nm·km);從1mm到1.6mm色散波動為0±1.2ps/(nm·km)。但是由于空氣孔較小,即使包層具有11層空氣孔的情況下,此種光纖損耗仍然在分貝每米的量級。通過逐層改變空氣孔的大小,科研工作者也設(shè)計出了近零超平坦色散光子晶體光纖。G.Renversez等設(shè)計的包層為7層孔的光子晶體光纖,在1.5-1.6mm波段,色散波動僅為3.0×10-3ps/(nm·km),損耗小于0.2dB/km。K.Saitoh等設(shè)計了包層具有5層空氣孔,且孔徑依次增大的光子晶體光纖,在1.23-1.72mm波段,色散在0±0.4ps/(nm·km)區(qū)間波動,且波長低于1.72mm時,損耗低于0.1dB/km。為了避免空氣孔逐層變化對于制備工藝要求較高的限制,Tzong-LinWu等通過合理選擇包層第一、二層孔徑d1和第三、四層孔徑d2的值,設(shè)計出了1.295-1.725mm波段,色散波動小于±0.25ps/nm·km)的色散平坦光纖。JingyuanWang等將包層第一層的圓孔替換成橢圓孔,也得到了寬帶平坦色散光子晶體光纖。通過縮小包層第四層空氣孔的孔徑,F.Gér$me等設(shè)計出了在1550nm處,具有-2200ps/(nm·km)的雙層芯色散補(bǔ)償光纖。YiNi等設(shè)計的雙芯大負(fù)色散光纖,在1551nm處,色散絕對值達(dá)到了18000ps/(nm·km)。2007年,A.Huttunen等設(shè)計出了絕對值高達(dá)59000ps/(nm·km)的雙層芯大負(fù)色散光子晶體光纖。ShailendraK.Varshney等設(shè)計出了多種色散補(bǔ)償光子晶體光纖拉曼放大器。其中一種設(shè)計,在1550nm處色散值為-530ps/(nm·km),用三路優(yōu)化后的抽運源抽運長度為2.7km的上述光纖,信號的拉曼增益達(dá)到了8.4dB,波動僅為±0.2dB,另外一種設(shè)計,則實現(xiàn)了對s波段的色散補(bǔ)償和信號放大。4.3光子晶體光纖模場面積的擴(kuò)大模面積光子晶體光纖和傳統(tǒng)的大模面積光纖相比,具有以下優(yōu)勢:1)通過調(diào)節(jié)包層中空氣孔的大小,可以很精確地控制光子晶體光纖包層和纖芯的折射率差Δn,使其達(dá)到極小的值,從而有效增大模場面積。2)較小的包層空氣填充率還可保證大模面積光子晶體光纖在很寬的帶寬實現(xiàn)單模傳輸,使輸出光具有良好的光束質(zhì)量。但包層的空氣填充率太小,會造成較大的限制損耗和彎曲損耗。所以,如何設(shè)計和制備具有低損耗和彎曲損耗的單模大模面積光子晶體光纖是研究的難點和重點。1998年,J.C.Knight等首次拉制出了大模面積光子晶體光纖。2003年,N.A.Mortensen等發(fā)現(xiàn),用三根石英棒替代毛細(xì)管作為纖芯,拉制出的具有近似三角形芯的光子晶體光纖,和普通結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖相比,在彎曲損耗等性能基本相同的情況下,模場面積可比普通結(jié)構(gòu)增大30%左右。隨后,又出現(xiàn)了模場面積為600mm2,1000mm2的大模面積光子晶體光纖,其高階模損耗遠(yuǎn)大于基模,同時具有比較低的彎曲損耗。2007年,YukihiroTsuchida等設(shè)計了在1.064mm處,模場面積達(dá)1400mm2,高階模損耗大于1dB/m,彎曲半徑可達(dá)5cm,光束質(zhì)量因子M2=1.15的大模面積光子晶體光纖。摻雜稀土元素的大模面積光子晶體光纖是高功率光子晶體光纖激光器的關(guān)鍵器件,J.Limpert等制備的摻鐿光子晶體光纖模場面積高達(dá)1000mm2,而L.Li等制備的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光子晶體光纖的模場面積也達(dá)到了400mm2。為了得到更大模場面積的雙包層光子晶體光纖,科研人員在光纖外面加了一層很厚的石英壁,不僅增強(qiáng)了光纖的機(jī)械強(qiáng)度,還避免了由于光纖彎曲帶來的損耗過大的問題。2005年,J.Limpert等首次展示了這種被其稱為棒狀光纖的大模面積雙包層光子晶體光纖,2006年,利用這種方法制作的大模面積雙包層光子晶體光纖的模場面積達(dá)到了2000mm2(摻鐿)和4500mm2(未摻雜)。4.4單模單偏振光子晶體光纖光纖中模式雙折射產(chǎn)生的原因可以分為幾何形狀效應(yīng)和應(yīng)力感應(yīng)效應(yīng)。傳統(tǒng)的熊貓光纖和蝴蝶結(jié)型光纖屬于應(yīng)力致雙折射光纖,其模式雙折射可達(dá)Dn≈5×10-4。2001年,TheisP.Hansen等指出,由于纖芯和包層折射率差Dn可以很大,同時,利用堆積法制備光纖,可以很容易地在光纖中引入不對稱性,光子晶體光纖的模式雙折射值可以比傳統(tǒng)光纖大一個數(shù)量級以上。通過在包層中引入大小不一的空氣孔[58~62],引入對襯度低的芯[63~65],或者改變包層空氣孔形狀的方法,人們設(shè)計和制備了許多性能優(yōu)異的高雙折射光纖。其中,A.Ortigosa-Blanch等通過在包層中引入四個小孔,制備出了在1540nm處Dn=3.7×10-3的高雙折射光纖;KunimasaSaitoh等設(shè)計出了在1.48~1.6mm慢軸光能量損耗低于0.1dB/km的在單模單偏振光纖;2004年,他們報道了相位雙折射Dn為4.5×10-3,群雙折射高達(dá)7.5×10-3的非線性高雙折射光子晶體光纖;HiirokazuKubota等通過增大芯區(qū)附近的兩個空氣孔,得到了可有效工作在1450nm及以上波長的單模單偏振光子晶體光纖。通過在纖芯附近施加應(yīng)力的方法,也制備出了高雙折射光子晶體光纖,其中,T.Schreiber等通過在光纖包層中引入20個應(yīng)力單元,制備的單模單偏振大模面積光纖,其模面積高達(dá)700mm2,當(dāng)以10dB衰減為界,彎區(qū)半徑為0.25m時,其單模單偏振工作帶寬可達(dá)800nm。4.5對限制損耗和有效模場面積的分析光纖的非線性系數(shù)定義為其中,n2是材料的非線性折射率系數(shù),Aeff為光纖有效模場面積。在光子晶體光纖中,減小包層空氣孔間距和提高包層空氣填充率,可以有效地減小芯區(qū)面積,增大纖芯和包層折射率差,極大地減小有效模場面積。但是,當(dāng)光子晶體光纖芯徑過小時,將會有很大一部分光能量泄漏到包層中,不僅增大模場面積,也增加了光纖的損耗。VittoriaFinazzi等對光子晶體光纖的限制損耗和有效模場面積隨光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參量和波長變化的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的討論。由圖6可以看到,在相同的包層空氣填充率的情況下,當(dāng)?shù)刃Юw芯直徑2L-d小于工作波長時,光纖限制損耗隨著纖芯的減小而迅速增大。并且,由圖6的插圖可知,模場面積并非隨著纖芯半徑的減小而單調(diào)遞減,而是存在著一個最小點。VittoriaFinazzi等經(jīng)計算得到,三角形結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖在1550nm處,模場面積的最小值約為1.7mm2,非線性系數(shù)高達(dá)52W-1·km-1。由于在最小模面積處,光纖存在著較大的限制損耗,在實際的應(yīng)用中,應(yīng)綜合考慮模場面積和限制損耗。在利用高非線性光纖的各種應(yīng)用中,除了要求光纖有較大的非線性系數(shù)外,對光纖的色散特性還有諸多要求。具有高非線性特性和色散可調(diào)特性的光子晶體光纖,具有良好的應(yīng)用前景。表2列舉了幾種高非線性光子晶體光纖。5空芯光子晶體光纖問題的解決由于具有無截止單模傳輸、靈活可調(diào)的色散特性等許多傳統(tǒng)光纖難以達(dá)到的優(yōu)良特性,光子晶體光纖在許多領(lǐng)域,如:光纖激光器和放大器[23,24,27,28,98,99,100,101,102,103]、非線性光學(xué)[75~85]、光纖通信、光纖傳感[103~112]等都有著重要的應(yīng)用和廣闊的前景。在此,僅就其在非線性光學(xué)和光纖激光器方面的應(yīng)用作一個簡單的介紹。光子晶體光纖的高非線性和色散可調(diào)的優(yōu)良特性,使其成為產(chǎn)生各種非線性效應(yīng)[73~85],諸如孤子自頻移、四波混頻、孤子壓縮、孤子分裂等的理想載體,因此,光子晶體光纖的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了非線性光學(xué)的研究。由于孤子自頻移、自相位調(diào)制、高階孤子分裂、群速度色散、三階色散、四波混頻、交叉相位調(diào)制等諸多效應(yīng)對光子晶體光纖中超連續(xù)光譜的形成都有貢獻(xiàn),并且超連續(xù)光源在生物醫(yī)學(xué),光譜檢測和高精度頻率測量等方面有重要應(yīng)用,利用光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究在與光子晶體光纖相關(guān)的非線性光學(xué)的研究中占有重要的地位。氣體的非線性效應(yīng)是非線性光學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。如何找到一種載體,既可作為盛放氣體的容器,又可作為限制光能量的波導(dǎo),是研究氣體非線性急需解決的問題。空芯光子晶體光纖的出現(xiàn)為這一問題提供了完美的答案。科研人員提出了很多種制作基于空心帶隙光纖的氣室的方法[154~156],并對基于氣體的高能孤子的產(chǎn)生,相干反斯托克斯拉曼散射,受激拉曼散射,四波混頻等非線性效應(yīng)作了深入研究[81~85]。光子晶體光纖中豐富的非線性現(xiàn)象,可應(yīng)用到生產(chǎn)和生活的很多方面,如光學(xué)相干層析成像[86~89]、光學(xué)參量放大器、頻率轉(zhuǎn)換器、脈沖整形等。下面僅就光學(xué)相干層析成像方面的進(jìn)展進(jìn)行簡單介紹。利用中心波長分別為1.3mm,1.1mm和809nm的基于光子晶體光纖的超連續(xù)譜等實現(xiàn)了縱向分辨率為2.5mm,1.8mm,1.5mm的相干層析成像系統(tǒng)[87~89]。AaronD.Aguirre等利用CrystalFibreA/S公司生產(chǎn)的NL-1050-ZERO-2型光子晶體光纖(兩個零色散點分別位于1022nm和1075nm),以平均功率為78mW,中心波長為1064nm的85fs脈沖為抽運,得到了雙峰值超連續(xù)譜,其在800nm附近,平均功率為30mW,譜寬大于110nm,在1300nm附近,平均功率為48mW,譜寬大于150nm?；诖顺B續(xù)譜的相干層析成像系統(tǒng),在1300nm和800nm處,分辨率分別低于5mm和3mm。光纖激光器由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點,引起了研究人員的廣泛關(guān)注。由于具有超大的模面積、寬帶單模傳輸、大幅度可調(diào)的色散特性等優(yōu)點,基于光子晶體光纖的光纖激光器有著更為廣闊的應(yīng)用前景。從2000年首臺光子晶體光纖激光器問世到現(xiàn)在,短短幾年間,大模面積光子晶體光纖激光器、主動鎖模光子晶體光纖激光器、被動鎖模光子晶體光纖激光器、高偏振光子晶體光纖激光器、雙包層光子晶體光纖激光器等紛紛出現(xiàn)。其中,大模面積雙包層光子晶體光纖激光器是研究的熱點之一。圖7給出了兩種摻鐿大模面積雙包層光纖的端面圖。2003年,J.Limpert等利用長度為2.3m的圖6(a)所示光纖,在光纖一端加高反射的二色鏡,另一端利用光纖端面4%的菲涅爾反射,構(gòu)成共振腔,用976nm的激光二極管做抽運源,得到了80W的功率輸出,其中,抽運耦合效率為55%,斜率效率為78%,M2=1.2±0.1。2006年,他們利用長度僅為58cm的圖7(b)所示光纖制作的大模面積雙包層光子晶體光纖激光器,實現(xiàn)了320W連續(xù)波的輸出,出光效率高達(dá)550m/W,抽運光的吸收高達(dá)30dB/m。光子晶體光纖具有眾多優(yōu)異的性能,使得其在很多方面都有廣闊的應(yīng)用前景。僅使用數(shù)厘米長的高非線性光子晶體光纖,就可產(chǎn)生各種非線性效應(yīng),實現(xiàn)基于各種光學(xué)非線性現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)更加緊湊,體積更加小巧的全光器件,比如超連續(xù)譜光源、波長轉(zhuǎn)換器等。利用數(shù)米長的摻雜稀土離子的光纖,可以制造出效率高、光束質(zhì)量好的光子晶體光纖激光器,特別是利用相干合成技術(shù)和多芯光子晶體光纖,使得具有幾百千瓦輸出功率的超大功率激光器成為了可能;隨著制備工藝的不斷完善,光子晶體光纖的損耗不斷降低