[发明专利]基于薄膜铌酸锂波导的可实时调谐色散波产生系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂波导的可实时调谐色散波产生系统及方法。本发明利用高折射率对比度波导中的模式杂化特性，使特定波长处的色散特性发生突变，在最终产生的超连续谱中，该波长处可获得高功率、窄带宽、光谱孤立的模式杂化色散波。同时结合铌酸锂晶体的热光双折射效应，通过对波导温度进行热电调控实现对模式杂化色散波的实时调谐。本发明由超短脉冲激光器、可调直流稳压电源、偏振控制器、透镜光纤、薄膜铌酸锂芯片、金属加热电极、光学频谱分析仪以及连接它们的光纤和导线实现。本发明利用超短脉冲激光器，在单一薄膜铌酸锂波导上高效地、定向性地将能量转移到目标波长范围内，产生高功率、光谱孤立、可实时调谐的模式杂化色散波。

技术领域

本发明涉及非线性光学、非线性频率转换、高折射率波导中的模式杂化现象、色散波产生、超连续谱产生，具体涉及一种基于薄膜铌酸锂波导的可实时调谐色散波产生系统及方法。

背景技术

近十年中，诸多重要应用对相干光源的工作波段提出更高的要求，而目前已有的激光增益介质仍无法全面覆盖紫外、可见光、中红外等新波段，利用非线性效应是有效拓展光源至新波段的必要手段。在各种产生传统电信频段以外波段的相干激光源的机制方法中，超连续谱产生作为光学非线性过程一个关键分支，因其可以高效地将泵浦能量转移到极宽的频带，已在光学相干断层扫描、光谱学、光通信、光度量学等领域中得到广泛应用。色散波作为超连续谱产生的重要中间过程，具有定向性好、能量更集中的局域性光谱结构等优点，吸引了研究人员与科研单位的广泛兴趣。

色散波不仅可以实现高效的能量转换，还可以良好地保持泵浦源的相干性。色散波主要由高阶色散扰动产生，因此在已报道的工作中，色散波的中心波长可由色散工程通过几何结构调节或波导的周期性极化控制。显然，以这种方式在单个波导上实时调谐色散波非常具有挑战性，因为它需要具有不同几何结构的多个波导组成的集成波导阵列和繁琐复杂的波导切换及波导端面耦合操作。波导端面耦合依赖于多次的调校实验，多个波导的切换和端面耦合无法有效进行实时操作。

可实时调谐色散波生成的一种可能方案是使用具有强电光或热光效应的高非线性材料波导。绝缘体上薄膜铌酸锂平台同时具有强光场束缚、宽透明窗口(0.4～5μm)、较大的二阶和三阶非线性系数，以及能实现声场、光场和电场等多物理场耦合的优点，受到了业界的广泛关注。基于此平台，科研人员们研发出了诸多性能优越的有源和无源器件。与电光效应相比，薄膜铌酸锂的热光效应更强，并且不受直流漂移的影响。然而，由于热光效应所引起的有效折射率的绝对变化量不够大，因此仍然难以有效地调谐常规色散波。

最近几年，研究报道了在不同高折射率对比度的波导平台上发现的模式杂化现象，尤其是自2017年，美国国家标准与技术研究院的Hickstein等人实验观察到氮化铝条形波导中的模式杂化现象后。这种模式杂化现象发生在截面几何结构在垂直或水平方向上不对称的高折射率对比度的波导中。其中一个显著特征是两个正交偏振模式在杂化波长处具有近似的有效折射率和相似的模场分布，从而使得该波长附近群速度色散发生突变。因此，在该杂化波长附近的区域内，原来的反常色散将变为正常色散，从而达到色散波产生所需的相位匹配条件，激发“模式杂化色散波”。与常规色散波相比，模式杂化色散波具有较高的光谱强度和光谱孤立结构，这有利于能量集中和光谱定位。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于薄膜铌酸锂波导的可实时调谐色散波产生系统及方法。利用模式杂化现象，高效地、定向地产生高功率、窄带宽、具有光谱孤立结构的模式杂化色散波；通过对波导温度进行热电调控，可以实现对模式杂化色散波的实时调谐。