群折射率匹配：克服藍光缺陷

圖2.群折射率的匹配對于增強藍光波段非常重要。耦合到光纖中的泵浦脈沖波長處在反常色散區(qū)，但是接近零色散點。它產(chǎn)生孤子會自頻移到長波段，同時也會產(chǎn)生短波輻射。由于長波和短波具有相同的群折射率，它們在光纖中同時傳輸，通過四波混頻繼續(xù)相互作用。這將使超連續(xù)譜向短波拓展直到孤子的結(jié)束，比如因為到了光纖的高耗損譜區(qū)。

       *終，紅外孤子不再頻移，可能是由于已經(jīng)移到光纖的高損耗區(qū)。在多數(shù)PCF中，紅外孤子頻移止步于2.5μm波長處，主要是由于光纖纖芯中的OH（氫氧鍵）。當(dāng)紅外脈沖被吸收或散射時，就不存在驅(qū)動短波輻射向更短波長拓展的機制了。結(jié)果是，對于給定的光纖，存在由于這種機制產(chǎn)生的*短波長。這個*短的波長與被嚴(yán)重衰減的長波孤子具有相同的群折射率。

       大多數(shù)商用的高亮度超連續(xù)譜激光器依賴于工作在1064nm的超快光纖激光器來泵浦PCF。結(jié)果，在這些系統(tǒng)中使用的PCF都設(shè)計成在非常接近1064nm泵浦光波長處具有零GVD。這樣的光纖已經(jīng)成為人們使用1064nm泵浦產(chǎn)生超連續(xù)譜的優(yōu)選（見圖3，左側(cè)小圖）。人們經(jīng)常提到的“無休止單模”（ESM）PCF可以在1030～1060nm范圍內(nèi)提供零GVD，同時也產(chǎn)生一種波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)，在整個超連續(xù)光譜上傳導(dǎo)基模。

圖3.塊狀石英、以前超連續(xù)光源中使用的無休止單模光纖（ESM）以及直徑為5μm的空氣孔環(huán)繞的石英光纖（大空氣孔的近似PCF）的實際群折射率曲線比較。這三條曲線在長波處的不同特性產(chǎn)生不同的短波。一般來說，PCF中的*大的空氣孔將產(chǎn)生更短的波長。對于其中兩種情況，垂直的點線表明了長波吸收邊沿（這里假設(shè)是2.5μm）和*短群折射率匹配波長的關(guān)系。

       基于我們對PCF中產(chǎn)生超連續(xù)譜的新認(rèn)識，ESM光纖并不是*優(yōu)化的設(shè)計，由于GVD曲線形狀限制了超連續(xù)譜的短波邊沿到達450～500nm波段。然而，通過改變所使用的光纖設(shè)計（見圖3，右側(cè)小圖），可以產(chǎn)生具有更短波長的超連續(xù)譜。

       這種新的認(rèn)識改變了PCF的設(shè)計目標(biāo)，其不再是優(yōu)化零GVD波長以及按照無休止單模光纖設(shè)計，新方法的目標(biāo)是優(yōu)化覆蓋整個光譜從紫外到紅外超過3μm的GVD曲線。光纖纖芯要求在5μm附近，這是要求零GVD波長合理地接近泵浦波長1.06μm所決定的。然而空氣填充率是一個自由參量，*高的空氣填充率可以產(chǎn)生*短的波長，*接近暴露在空氣中的薄石英片。

       設(shè)計結(jié)果令人振奮，與以前使用商用的ESM非線性光纖的結(jié)果相比，使用新型設(shè)計的光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜在藍光和紫外光譜部分多出了50～100nm。