在天文学上,利用高分辨天文光谱仪对恒星进行多普勒光谱分析,可以测量其视向速度变化从而探测系外行星。实际使用时对天文光谱仪的校准需要一个非常稳定的校准源,该校准源还应具有可见光波段、宽带光谱和光谱平坦等特点,基于超快激光的天文光梳是一个较好的选择。

以往的方法使用800 nm钛宝石激光做二倍频产生可见光,但是带宽只有15 nm,光谱仪的精度无法保证。2018年,Aakash Ravi等人利用中心波长位于800 nm的超短脉冲在拉锥光纤中产生了覆盖530-690 nm,平坦度1．2 dB的可见光超连续谱,使用的拉锥光纤结构如图1:光纤沿轴向被分成五段(如图1所示),长度分别为50 μm, 5．5 mm, 900 μm, 5．5 mm, 9．55 mm。初始芯径和最小芯径分别为2．8 μm和1．4 μm。其中渐变段为余弦函数变化趋势。图1b, c分别是显微镜观察的光纤截面图和剖面图。通过改变纤芯直径,光纤的色散曲线和有效模场直径将发生改变。

图1 拉锥光纤几何结构

图2描绘了脉冲在拉锥光纤中的光谱和脉冲演化:脉冲在拉锥光纤中的演化可以分成四个阶段。(1)SPM导致的光谱对称展宽;(2) 纤芯逐渐变小,非线性增强,出现孤子分裂;(3)孤子接近色散零点时产生可见光波段色散波,并且随着芯径不断变小,色散零点发生连续移动,在较宽的范围内连续产生色散波,得到宽带平坦超连续谱;(4)纤芯变大,非线性减弱,光谱逐渐稳定。基于理论模拟,作者进行了实验验证,在530-690 nm波段产生了平坦度为1．2 dB的可见光超连续。改变入射光偏振态,可以将光谱范围拓展至490 nm,但平坦度降低至3．2 dB。

图2 模拟拉锥光纤中的光谱和脉冲演化。(a)拉锥光纤芯径变化,(b)光谱演化,(c)输出光谱,(d)脉冲演化,(e)输出脉冲

在超连续产生的应用中,光谱宽度以及平坦度非常关键,除此之外,在超连续谱用于显微成像时,光谱相对强度变化将引起背景噪声,严重降低图像对比度。

2019年,Rasmus Dybbro Engelsholm等人理论上研究了拉锥光子晶体光纤中基于调制不稳定性的超连续谱产生,使用的拉锥光子晶体光纤的结构以及性质如图3所示:光纤内的模场直径变化通过改变空气孔间距但保持孔直径和孔间距之比不变来实现,结构如图3d所示,中间为线性渐变区域。随着孔间距的减小,右侧色散零点逐渐靠近左侧色散零点。

图3 拉锥光纤结构及性质。(a)不同孔间距的色散曲线和损耗曲线;(b)不同孔间距的群速度曲线;(c)色散零点(黑色虚线)随孔间距的变化;(d)光纤结构变化趋势

作者模拟了四种不同结构的拉锥光纤中光谱和相对强度噪声的演化,结果如图4所示。对于前两种情况,光谱在光纤中持续展宽,其噪声谱比较稳定。而对于后两种光纤结构,光纤末尾的孔间距更小,光谱左侧有明显的能量堆积。

在Early类型中,光谱在拉锥部位的展宽非常迅速,当第二个色散零点到达了1500nm时,往色散零点右侧的能量转移变缓慢,相对强度噪声都有减弱的趋势。在Late类型中,光谱在拉锥部位的展宽和Early类似,而相对强度噪声在拉锥部位迅速改善,并保持稳定。

图4 四种不同结构的拉锥光纤中光谱和相对强度噪声的演化

作者通过观察脉冲在拉锥结构附近的spectrogram分析相对强度噪声被抑制的原因,其中Late类型的spectrogram如图5所示:(a)调制不稳定性产生的孤子不断发生碰撞,形成大孤子,在短波长处产生色散波。(b) 随着光纤孔间距逐渐减小,第二个色散零点逐渐蓝移,孤子在长波正色散区域产生色散波。(c)随着第二个色散零点不断蓝移,相位匹配条件也不断变化,产生的色散波覆盖极大的波段范围。(d)两个色散零点之外的色散波由于正色散将逐渐扩散开。而在两个色散零点中间,孤子被局限在该区域,光谱互相重叠,噪声相互抵消。

图5a, b, c, d分别对应四个不同的状态。总之,这两篇文章的工作表明,通过精确控制拉锥光纤的各段参数,优化光纤的色散和非线性,可以大大改善超连续谱某些性质,满足特定的应用需求

参考文献

[1] Ravi A , Beck M , Phillips D F , et al． Visible-Spanning Flat Supercontinuum for Astronomical Applications[J]． Journal of Lightwave Technology, 2018, PP(99):1-1．

[2] Rasmus, Dybbro, Engelsholm, et al． Supercontinuum noise reduction by fiber undertapering．[J]． Optics Express, 2019．