作者:童利民等 来源:《光:科学与应用》 发布时间:2023/6/15 19:55:56
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高于10W!微纳光纤高功率连续光传输

 

近日,浙江大学郭欣副教授、童利民教授团队与清华大学李宇航副研究员合作实现了氧化硅微纳光纤的高功率(高于10W)连续光单模传输,比此前最高实验值提高了30倍,并预测微纳光纤的光学损伤阈值高于70W。基于微纳光纤高功率连续光传输,研究团队实现了空气中微液滴光力高速驱动以及高效非线性光学频率转换。该研究有望将微纳光纤技术拓展到高功率应用需求领域。

该研究成果以“High-power continuous-wave optical waveguiding in a silica micro/nanofibre”为题发表于Light: Science & Applications。

浙江大学光电科学与工程学院博士生张建彬和硕士生康仪为论文的共同第一作者,浙江大学光电科学与工程学院郭欣副教授、童利民教授和清华大学精密仪器系李宇航副研究员为论文的共同通讯作者。

微纳光纤是一种直径接近或小于传输光真空波长的一维光波导,一般由标准玻璃光纤在高温下通过物理拉伸方法制得,具有传输损耗低、光场约束能力强、倏逝场比例高、表面场增强、波导色散可选范围大以及力学性能优良等特性。近年来,微纳光纤作为一个微型化光纤光学平台,已经在光学近场耦合、光学传感、非线性光学、原子光学、光纤激光器和光力学等领域获得广泛关注和深入研究,展现出独特优势和应用前景。在基于微纳光纤的光纤激光器、非线性光学及光力相互作用等应用中,提升微纳光纤中传导模的光功率,是提高激光器输出功率、非线性频率转换效率及光力学响应等性能的有效途径之一。

然而,受限于光源功率、耦合效率及光学损耗等因素,已报道的微纳光纤的单模传输功率(连续光功率或脉冲光的平均功率)最高值为0.4W [AIP Adv. 4, 067124 (2014)]。为了满足微纳光纤高功率传输的应用需求,大幅提高微纳光纤的连续光传输功率以及深入研究微纳光纤的光学损伤阈值至关重要。

本文中,研究团队深入研究了氧化硅微纳光纤导波损耗机制,对微纳光纤及其绝热过渡区进行了高精度设计、制备及表面超净保护,大大减小了耦合输入损耗及表面散射等损耗因素,成功实现了氧化硅微纳光纤在1.55μm波长处的高功率连续光传输。如图1所示,实验系统采用全光纤连接方式实现微纳光纤两端的光输入和输出。

图1:微纳光纤高功率连续光传输实验装置图。

研究结果表明,在超净环境中,直径为1.1μm的微纳光纤可长时间稳定传输功率高达13W的连续光,表面未见异常散射点及损伤,光学透过率保持95%以上(图2)。与此前报道的微纳光纤的单模传输最高功率值0.4W相比,本研究中微纳光纤的传输光功率提高了30倍。

图2:微纳光纤在传输高功率连续光时的光学透过率(a)和表面散射照片(b)。

为进一步探索传输光功率极限,研究团队将微纳光纤打结成结型谐振腔,利用谐振腔的谐振峰移测量微纳光纤传输高功率连续光时的温度,结合散热模型推测出微纳光纤的光学损伤阈值高于70W(图3)。通过研究微纳光纤的光致发光光谱及透射光谱,研究团队推测微纳光纤的光学损伤主要来源于光纤拉制过程中产生的表面缺陷(如氧缺陷中心、氧悬挂键等)和水分子的吸收。

图3:微纳光纤光学损伤阈值测量示意图。

基于微纳光纤的高功率传输光场,研究团队对空气中附着于微纳光纤上的10μm尺寸的液滴实现了高速光力驱动(图4a)。当输入光功率为2.2W时,液滴的运动速度可达2.1mm s-1,比此前报道的微纳光纤光力驱动微粒的运动速度快了10倍(图4b)。此外,通过精确控制微纳光纤腰区直径和调谐输入光波长,成功实现了连续光激发下的高效非线性光学频率转换,包括二次谐波产生和三次谐波产生(图4c)。当微纳光纤的输入功率为11.3W时,二次谐波转换效率为8.2×10-8,三次谐波转换效率为4.9×10-6。得益于本项研究中微纳光纤的高功率传输、高精度准相位匹配及较长的非线性相互作用长度,与此前报道的脉冲光激发下的频率转换效率相比,本研究中的连续光激发下的二次谐波转换效率更高。

图4:基于微纳光纤连续光高功率传输的微液滴光力驱动(a,b)和非线性光学频率转换(c)实验结果。

本文报道了氧化硅微纳光纤中高达13W的连续光高功率单模传输,预测了高于70W的传输功率极限。基于微纳光纤高功率连续光传输,成功实现了空气中微液滴高速光力驱动以及高效非线性光学频率转换。上述研究结果有望将微纳光纤光学与技术拓展到高功率应用领域,在基于微纳光纤的非线性光学、光力学、光纤激光器、生物医学光子学等方面发展新的前沿技术。(来源:LightScienceApplications微信公众号)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41377-023-01109-2

 
 
 
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