吴元杰，叶慧琪，韩 建，肖 东*

1.中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，江苏 南京 210042 2.中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所)，江苏 南京 210042

引 言

随着光子晶体光纤应用于飞秒脉冲激光的光谱展宽，从单一激光源产生的超连续光谱已可覆盖一个乃至多个倍频程。这成为了从锁模飞秒激光器产生激光频率梳的关键技术，也极大扩大了激光频率梳的频率工作范围[1-4]。在天文光谱仪定标等应用中，需要对高重复频率的激光源进行光谱展宽。利用光子晶体光纤，使用中心波长520 nm的14 GHz飞秒激光源，实现了带宽235 nm的超连续光产生[5]；使用中心波长807 nm的1 GHz飞秒激光源，产生了波长范围550～890 nm的光谱[6]。得益于光子晶体光纤拉锥技术，使用中心波长850 nm的1 GHz飞秒激光源，得到了500～900 nm的波长覆盖范围[7]；使用中心波长1 050 nm的18 GHz飞秒激光源，更实现了470～1 620 nm的大于倍频程的光谱展宽[8]。

光子晶体光纤在进行超连续光产生工作中，其光谱展宽性能的退化通常不被注意到。这是因为通常使用的飞秒激光源具有较低的重复频率，为几十MHz至几百MHz数量级。这种情况下，单位时间内进入光纤的脉冲数较少。而当对GHz量级重复频率的飞秒激光源进行光谱展宽时，为保持良好的光谱展宽效果，需保持激光的飞秒单脉冲能量不变。这意味着激光源的平均功率需大幅度提升，单位时间内进入光纤的脉冲数相应增多，极大加快了光谱展宽性能的退化[9]。因此，在高重复频率激光源上实现宽带超连续光谱的产生后，光子晶体光纤是否可以长时间稳定工作，成为了其可否投入实际应用乃至商品化的关键因素。

文献[9-10]中已经报道，当使用重复频率18 GHz，中心波长520 nm的飞秒激光源时，光子晶体光纤的光谱展宽效果在几分钟至几小时内出现明显的退化。其退化产生的原因在于制作光纤纤芯的熔融石英材料经历多光子吸收过程，产生色心，扰乱了光在光纤纤芯中传输时的偏振态，进而导致光谱展宽效果的减弱。文献[9]报道了通过改用更长中心波长的1 040 nm飞秒激光源进行光谱展宽的方法，对色心的产生进行了有效的抑制。使用80%占空比的拉锥光子晶体光纤，产生的光谱在25小时时间范围内保持相对稳定。光谱覆盖范围为450～750 nm。文献[11]报道了使用氢或其同位素注入的方法延长光纤的使用寿命，但其主要涉及技术方法，对于原理等没有深入讨论。

本文中，选用三种不同占空比的光纤样品进行光谱展宽效果的演化测试。通过对比其退化的过程，对退化的原因进行探讨。为实现光谱展宽寿命的延长，利用改变光子晶体光纤的拉锥处理方式和调制激光源参数的方法进行对比实验，观察测试光纤光谱展宽寿命与实验参数变化的关系。

1 实验部分

1.1 光纤光谱展宽效果演化测试实验设计

研究光纤光谱展宽效果演化所使用的测试光路如图1所示。

实验选用输出参数为中心波长1 040 nm，重复频率25 GHz，脉冲宽度130 fs的激光源。脉冲宽度可通过脉冲压缩装置调节。输出功率可通过控制光纤放大器的泵浦强度调节，最高平均输出功率为15 W[12]。

为避免由于光纤光功率耦合效率的下降而引起光谱带宽的退化。拉锥光子晶体光纤样品均制备成裸纤跳线，即在光纤两端加装了光纤接头。使用带压电陶瓷的反射镜支架与位于光纤出射端的光电二极管构成反馈系统，保证光纤的光功率耦合效率始终维持在最高水平。光纤出射光经由90∶10非偏振分束器分束。光纤产生的光谱由光谱分析仪等时间间隔持续记录。由于在拉锥光子晶体光纤与光谱分析仪间使用了Nufern S405-XP光纤进行光传导(图1中并未画出)，记录光谱的长波长端截止波长为700 nm。

图1 拉锥光子晶体光纤样品光谱展宽效果演化测试实验装置

1.2 光子晶体光纤的选择和拉锥样品制备

选用A, B, C三种光子晶体光纤样品，气孔结构分别如图2所示。其占空比依次为57%，80%和90%。三个光纤样品的制作材料均为熔融石英。光纤A与光纤B使用相同的预制棒制成。由于使用该预制棒难以制备80%以上占空比的光纤，因此光纤C具有与光纤A和光纤B不同的气孔结构。三个样品的光纤包层外径均为125 μm。纤芯均为椭圆形，均具有光传输的保偏特性。光谱展宽使用的入射光偏振方向均为沿光纤纤芯长轴方向。三个样品的纤芯长轴尺寸依次为4.05，3.28和4.70 μm。选择4 μm左右的纤芯长轴尺寸使得光纤对实验所选用的激光源具有良好的耦合效率，均可达到85%以上。

图2 光子晶体光纤样品气孔结构

使用文献[8]的方法对三个样品分别进行拉锥形状优化。拉锥时使用温度均为1 400 ℃，该温度下的光纤被足够软化以便拉锥，同时气孔在拉锥过程中不会因为温度过高而收缩乃至闭合。这样，光纤拉锥后的气孔与纤芯尺寸基本与光纤外径呈等比例变化。

优化拉锥形状后的三个光纤样品所产生的光谱展宽效果如图3所示。入射光单脉冲能量均为0.36 nJ。在谱线峰值下-20 dB水平上，三个光纤样品产生光谱短波长边缘可达到截止波长分别为495，450和430 nm。可见，选用更高占空比的光子晶体光纤达到了光谱展宽加宽的效果。

图3 光子晶体光纤拉锥样品光谱展宽效果

2 结果与讨论

2.1 光纤A, B, C的光谱演化测量结果

从光子晶体光纤A拉锥样品得到的展宽光谱演化如图4所示。在600 h的测试时间段内，光谱结构基本稳定，光谱宽度未发生退化。在600 h至测量结束时间段内，尽管光谱的短波长边缘截止波长并未发生明显改变，然而光谱的谱线结构随时间发生连续无规则变化，该变化不具有明显周期性。虽然可以通过光谱平坦系统[12]对结构不断变化的光谱进行实时光谱整形，但是光谱的变化反映着光纤内部物理性的变化是显著的。

图4 光子晶体光纤A拉锥样品光谱展宽效果演化

从光子晶体光纤B拉锥样品得到的展宽光谱演化如图5所示。在20 h的测试时间段内，光谱结构基本稳定，光谱宽度未发生退化。在20小时后，光谱结构开始发生变化。首先在650 nm处出现谱线缺口。之后在第21小时至26小时时间段内，650 nm处缺口愈合。从第26小时起，伴随着650 nm处缺口的复现与再度愈合，在540 nm处出现了长期存在的谱线缺口。同时，光谱短波长边缘截止波长呈现快速退化。直至第50小时，光谱各频段的强度均发生强烈弱化。自此，光纤已经无法正常提供高功率的宽带光谱输出。

图5 光子晶体光纤B拉锥样品光谱展宽效果演化

从光子晶体光纤C拉锥样品得到的展宽光谱演化如图6所示。可见，光谱短波长边缘截止波长并未出现较稳定的时期，而是从测试开始便发生退化，并伴随着光谱结构的不断改变。第5小时后，光谱各频段的强度弱化严重，已无法提供高功率的宽带光谱输出。

图6 光子晶体光纤C拉锥样品光谱展宽效果演化

观察经过10 h测试后的光子晶体光纤C拉锥样品，发现光纤上在光谱展宽发生的区段出现多个不同颜色的亮点。这意味着在光纤上，有不同波长的光从光纤纤芯泄露进入光纤包层，进而耦合出光纤。由于在光谱展宽发生的区段，光纤具有最小的拉锥直径，因此光纤的损伤集中于该区域不难理解。同时观察到泄露的光具有较强的方向性，表现为沿着光纤中光的传输方向上最为强烈。在垂直光纤轴的方向上放置白板，观察到明显的彩色同心光环。类似的现象在光子晶体光纤A和B拉锥样品的测试中也被观察到。相比下，光子晶体光纤C拉锥样品的光谱展宽退化最为严重，亮点最为明显，泄露光的强度也最强。

2.2 光谱退化现象的讨论

文献[9-10]中讨论了光子晶体光纤在光谱展宽使用过程中色心的产生。其重要特点之一便是光纤上的色心聚集处呈现亮点，亮点发光不具有方向性。文献[10]中测量到光纤入射与出射光谱的差异，通过610 nm处的强吸收证实了非桥氧色心的产生。对光子晶体光纤C拉锥样品进行吸收谱线的测量，将是验证色心是否大量出现的简单有效的方法。

将经过10 h测试后的光子晶体光纤C拉锥样品使用方向调转，即原出射端改为入射端。这样，光纤未发生损伤的区段仍可产生完整光谱。经过损伤段的传输，可观察出射光中光谱组分的缺失。测量得到的结果如图7所示，图中蓝色曲线为全新光纤产生的可见光光谱；红色曲线为经过10小时使用后的光纤，将入射端与反射端交换后测量得到的可见光谱线。观察到光谱组分缺失集中出现在480和680 nm，而在610 nm处并未出现明显的光谱组分缺失。因此，光纤损伤的主要原因并非是大量的非桥氧色心的产生。

图7 光子晶体光纤C拉锥样品使用后吸收谱线测试

前文已经提及，光子晶体光纤C拉锥样品上亮点处泄露的光具有较强的方向性。针对这一特点，一个合理的解释是亮点处的光纤纤芯内形成了长周期光栅结构[13-16]。长周期光栅的产生在光子晶体光纤和高非线性光纤中均有报道，其形成过程类似于全息图的写入[14-15]。当达到相位匹配条件时，形成的长周期光栅可将光纤纤芯中传输的光耦合出纤芯，进入光纤包层，导致光纤出射光中某些光谱组分的缺失[13]。泄露光的波长与长光栅的周期有关。当由于光纤拉锥段拉锥直径变化等原因造成光纤纤芯中不同区域产生的光栅周期存在差异时，光泄露现象可以发生在多个波长处。这样，长周期光栅形成的理论可以解释观察到的泄露光的方向性和光纤出射光光谱组分的缺失。

对比三根光子晶体光纤拉锥样品，观察到光纤光谱展宽寿命随着光纤占空比的增加而急剧缩短。长周期光栅结构形成可能经历的多光子吸收过程的速率主要取决于入射光的强度和产生的短波长的高能量光子。由于三次测试选择的入射光强度相同，因此产生的短波长光子是最可能的造成光纤产生损伤的因素。图3中明显可见，在入射光强度相对不变的条件下，当光纤占空比增大，光纤的光谱展宽效果增强，产生更多短波长的光子。这些高能量的短波长光子破坏了制作光纤纤芯的熔融石英中的硅氧键，导致长周期光栅的写入效率提高，加快了光纤光谱展宽性能的退化。

本文的实验中，对光纤进行测试时需要使用光耦合凝胶覆盖整个光纤，将光纤包层中的光耦合出光纤，以保证光纤在使用高平均功率的激光源的条件下安全工作。进行完光谱演化测试后，难以对凝胶进行完全清理。因此目前受技术因素所限，未能通过显微镜直接观察到光纤纤芯中的折射率周期性变化结构，也难以直接测量亮点处泄露光的光谱。对长周期光栅产生理论的验证仍需更深入的研究。

图6所示的光纤C的光谱退化进程较快，过程特征较为明显，有利于与改变参数后的实验结果进行对比，可将该退化过程作为参考标准。为便于量化，将从测量开始至光谱显著高峰消失的时间段作为光纤的光谱展宽寿命。这样，参考标准实验中光纤的光谱展宽寿命为5 h。

2.3 拉锥温度对光谱退化的影响

文献[10]与文献[17]中提到了熔融石英内部存在着一些不规则的硅氧键，这些硅氧键的键能低于规则的硅氧键，在接受光子辐照时，更容易发生光子吸收效应而产生断裂。不规则硅氧键的形成和数量比例与制造光纤时的光纤冷却条件有关。因此，尝试改变光纤拉锥时使用的温度，可能影响熔融石英中的硅氧键结构组成，进而影响光纤的光谱展宽演化。文献[10]中，将拉锥温度由1 467 ℃提高到1 529 ℃，在使用520 nm绿光激光源时，光纤的光谱展宽寿命由12 min提高到了1 050 min以上。

首先，将参考标准实验中使用的光纤拉锥温度1 400 ℃提高到1 480 ℃。对拉锥光纤进行测试，得到的光谱展宽效果演化如图8所示。整体上的光谱的退化过程与参考实验结果类似。根据上文定义，光纤的光谱展宽寿命为10 h。相对参考实验，取得了光纤光谱展宽寿命延长的效果。

图8 拉锥温度1 480 ℃的光子晶体光纤拉锥样品光谱展宽效果演化

进一步提高拉锥温度至1 540 ℃。发现光纤在拉锥后的光传输效率变为0，这意味着拉锥温度过高，气孔在高温下被封闭。因此在拉锥过程中对气孔进行了施压处理以抵御气孔的收缩效应。得到的拉锥光纤光谱展宽演化测试结果如图9所示。光纤的光谱展宽寿命大致为14 h，寿命相对拉锥温度1 480 ℃的光纤再次略有延长。

图9 拉锥温度1 540 ℃的光子晶体光纤拉锥样品光谱展宽效果演化

综上两个实验结果，拉锥温度的提升使得光纤的光谱展宽寿命在一定程度上得以延长。但同时需注意到，拉锥温度的提升导致了光纤的初始光谱展宽效果稍有减弱，即光谱宽度窄化。这可能来自于高温导致的气孔形变。因此总体上，提高拉锥温度对延长光纤的光谱展宽寿命作用不佳。

2.4 光纤气孔氩气填充对光谱退化的影响

氢氧根OH在熔融石英中的出现可造成材料对某些波长的吸收已经被广泛研究[18-19]。OH在1 400 nm处造成的光谱吸收较为显著，可能导致在吸收强烈的光纤局部形成高温，通过应力腐蚀[20]等作用改变熔融石英材料结构，影响光纤的光谱展宽效果。文献[10]中对不同OH掺杂浓度材料的光子晶体光纤进行了520 nm绿光泵浦的光谱展宽寿命对比，但并未得到明确的对比实验结果。

首先对作为参考标准的光纤样品进行测试，观察1 400 nm处的光谱吸收情况。作为参考标准的光纤在储存、拉锥、测试等步骤中始终处在空气氛围中，因此气孔内的气体环境为湿度50%左右的空气。对比试验中，将光纤样品的气孔一端注入氩气，并在拉锥过程中保持氩气的注入。拉锥过程结束后，使用电弧放电的方法迅速对光纤两端的气孔进行封闭，尽量降低光纤气孔中空气的残留。两个样品产生的超连续光在1 400 nm左右的谱线如图10所示。可见，经过氩气注入过程，光纤中的OH含量被显著降低。

图10 光纤样品在1 400 nm处的光谱吸收

测量氩气注入处理光纤的光谱展宽效果演化，结果如图11所示。相对参考实验, 光谱退化过程略有不同，主要表现为在测量开始后的1小时内，光谱短波长边缘截止波长基本保持不变。随着进一步的光谱演化，光纤的光谱展宽寿命截止于3 h。因此，降低光纤材料中OH的含量无法有效延长光纤光谱展宽寿命。

图11 氩气注入的光纤样品光谱展宽效果演化

2.5 保持激光源的平均功率，降低激光源脉冲的峰值功率对光谱退化的影响

使光纤产生宽带光谱展宽的必要条件是激光源具有较高的脉冲峰值功率。调节激光器中的脉冲压缩装置，可以加宽脉冲宽度，降低激光源脉冲的峰值功率，并保持平均功率不变。实验中证实，适当调节脉冲压缩装置，可以使拉锥光纤的展宽光谱不出现在可见光区。令一根全新的拉锥光纤样品工作在低脉冲峰值功率条件下，每10 min进行脉冲宽度优化、记录光谱、脉冲宽度还原操作，每次该三步操作耗时约20 s。得到的光谱演化如图12所示。可见，光谱仍然出现了退化，但退化速度大大减缓。光纤的损伤极可能只发生在光纤每次短暂产生宽带可见光区光谱时。可以得出结论，光纤损伤的必要条件是光纤接收高峰值功率脉冲，产生可见光区的宽带光谱展宽。

图12 工作于低峰值功率脉冲的光纤样品光谱展宽效果演化

2.6 保持激光源的峰值功率，降低激光源脉冲的平均功率对光谱退化的影响

上一小节证明了高峰值功率脉冲对光纤光谱展宽效果的伤害，那么减少单位时间内光纤接受的高峰值功率脉冲的数量将是有效的延长光纤寿命的方法。选择使用斩波器，斩波器不同的占空比可使激光源的平均功率以相应比例降低，同时不改变单脉冲的峰值功率，使得光纤的光谱展宽效果得以保持。相应的，光纤的出射光平均功率也按比例降低。

使用占空比为50%的斩波器工作于激光源与光纤之间，得到的拉锥光纤光谱展宽效果演化如图13所示。可见，拉锥光纤的光谱展宽寿命被延长到了12 h，相当于参考标准实验中光纤寿命的两倍。

图13 使用50%占空比的斩波器时光纤样品光谱展宽效果演化

使用占空比为25%的斩波器，得到的光谱展宽效果演化如图14所示。拉锥光纤的光谱展宽寿命再次被延长，达到了25 h，相当于参考标准实验中光纤寿命的四倍。

图14 使用25%占空比的斩波器时光纤样品光谱展宽效果演化

以上两个实验结果说明，在对光纤的输出平均功率要求不高的前提下，可以通过选择一定占空比的斩波器以延长光纤的光谱展宽寿命。该实验也证明了，光纤的损伤效果决定于光纤接收的高峰值功率的脉冲总数。

3 结 论

使用三个具有不同占空比的光子晶体光纤拉锥样品，测量得到光纤的光谱展宽寿命随占空比的增大而缩短。实验中观察到大占空比光纤可以产生的短波长光子数量更多，即高能量的光子更多，加剧了对光纤纤芯材料的破坏。通过测量分析光纤在长时间使用后的表现，排除了光纤中非桥氧色心的大量产生，推测光纤中被写入了长周期光栅。通过四组对比实验，分别通过改变光子晶体光纤的拉锥处理方式和调制激光源参数两个途径，研究对拉锥光子晶体光纤光谱展宽寿命的影响。实验结果表明，为实现光纤光谱展宽寿命的延长，使用斩波器是较为可行的方法。光纤寿命延长的效果与斩波器的占空比有直接关系。这一实验也证实了光纤接受的高峰值功率脉冲总量是影响拉锥光纤损伤程度的重要因素。该结论对光纤光谱展宽寿命的研究具有重要意义。