用于CARS激發(fā)源的全光纖飛秒脈沖譜壓縮?

江俊峰 黃燦 劉琨 張永寧 王雙 張學(xué)智 馬喆 陳文杰于哲 劉鐵根

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,光纖傳感研究所,天津市光纖傳感工程中心,天津 300072)

用于CARS激發(fā)源的全光纖飛秒脈沖譜壓縮?

江俊峰?黃燦 劉琨 張永寧 王雙 張學(xué)智 馬喆 陳文杰于哲 劉鐵根

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,光纖傳感研究所,天津市光纖傳感工程中心,天津 300072)

非線性光纖光學(xué),光纖預(yù)啁啾,自相位調(diào)制,光譜壓縮

進(jìn)行了基于光纖預(yù)啁啾和自相位調(diào)制的多模/單模組合式全光纖啁啾譜壓縮研究.提出利用多模光纖模式估計(jì)群速度色散均值的方法,并將該估計(jì)值作為啁啾參量分析的計(jì)算參數(shù),仿真計(jì)算了50/125μm折射率漸變多模光纖的群速度色散均值及其與單模光纖在不同長(zhǎng)度比值下的光譜壓縮效果.采用三種折射率漸變多模光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析了折射率漸變多模光纖的芯徑大小及其與單模光纖的長(zhǎng)度比值對(duì)光譜壓縮效果的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用50/125μm折射率漸變多模光纖獲得光譜最大壓縮比為5.796,譜寬為2.243 nm,與理論仿真一致;使用105/125μm折射率漸變多模光纖,可進(jìn)一步提高壓縮比至152.941,輸出譜寬為0.085 nm的光脈沖.將此脈沖用于相干反斯托克斯拉曼散射光譜探測(cè),理論光譜分辨率可達(dá)1.386 cm?1.

1 引 言

采用飛秒脈沖進(jìn)行相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)成像是近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1?4],但飛秒脈沖的寬光譜限制了成像光譜分辨率.光譜壓縮處理可以有效地解決這一問(wèn)題,從而在CARS成像中實(shí)現(xiàn)高的光譜分辨率[5].

通過(guò)棱鏡對(duì)或光柵對(duì)給輸入脈沖提供負(fù)啁啾,可在單模光纖或光子晶體光纖中實(shí)現(xiàn)光譜壓縮[6?9].棱鏡對(duì)或光柵對(duì)可靈活調(diào)節(jié)啁啾參量,因而脈沖光譜壓縮量具有靈活可調(diào)的優(yōu)點(diǎn),但空間結(jié)構(gòu)也使其存在穩(wěn)定性較差和體積較大的問(wèn)題.采用全光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行光譜壓縮可以更好地滿足結(jié)構(gòu)緊湊的要求.目前研究人員提出的方法主要分為兩類,一類是基于光孤子自頻移效應(yīng)的光譜壓縮方法.如Fedotov等[10]利用光子晶體光纖的光孤子自頻移效應(yīng)實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖的光譜壓縮,壓縮比隨光孤子波長(zhǎng)增加而增大,脈沖寬度為50 fs、中心波長(zhǎng)為1270 nm的光脈沖被注入到40 m長(zhǎng)的光子晶體光纖中,在1580 nm波長(zhǎng)處獲得壓縮比為6.5.Nishizawa等[11]通過(guò)熔接多段單模光纖與色散位移光纖制作了具有梳狀色散分布的色散漸增光纖,將200 fs的光脈沖注入該特制光纖中,在1620—1850 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),壓縮比達(dá)到19.8—25.9,但該特制光纖需要精細(xì)控制多段光纖長(zhǎng)度,制作困難且光功率損耗大.Chuang和Huang[12]將脈寬為350 fs、中心波長(zhǎng)為1500 nm的脈沖輸入一段1 km長(zhǎng)且具有色散緩慢線性增加特性的光纖中,實(shí)現(xiàn)了壓縮比為15.5的光孤子光譜壓縮,隨后該課題組將輸入脈寬減小到112 fs,獲得壓縮比28.6[13].基于光孤子自頻移效應(yīng)的光譜壓縮方法不需要對(duì)輸入脈沖提供預(yù)啁啾,但光孤子自頻移帶來(lái)的輸出脈沖波長(zhǎng)移動(dòng)使之無(wú)法對(duì)單一固定中心波長(zhǎng)的脈沖進(jìn)行光譜壓縮.另一類方法是基于光纖預(yù)啁啾和自相位調(diào)制的光譜壓縮方法.如Toneyan等[14]將空心光纖與單模光纖串接實(shí)現(xiàn)全光纖光譜壓縮,壓縮比為8.4.該方法克服了基于光孤子自頻移效應(yīng)的光譜壓縮方法的局限性,但以往研究實(shí)現(xiàn)的壓縮比仍然較小,且未見(jiàn)詳細(xì)的理論分析.

本文研究了基于光纖預(yù)啁啾和自相位調(diào)制的多模/單模組合式全光纖啁啾譜壓縮,提出了采用多模光纖進(jìn)行預(yù)啁啾的方法,利用多模光纖芯徑大、色散大的特點(diǎn),避免了引入啁啾時(shí)非線性效應(yīng)的影響,從而能夠獲得較好的啁啾效果.對(duì)50/125μm折射率漸變多模光纖(GI-MMF)的色散參數(shù)及其與780HP單模光纖(SMF)長(zhǎng)度比值對(duì)壓縮比的影響進(jìn)行了數(shù)值研究,獲得壓縮比5.230.使用搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了50/125μm,62.5/125μm以及105/125μm三種不同芯徑的GIMMF與SMF在不同長(zhǎng)度比值下的光譜壓縮結(jié)果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示使用50/125μm GI-MMF可獲得壓縮比5.796,與理論仿真結(jié)果一致;相比于其他兩種芯徑的GI-MMF,使用105/125μm GI-MMF可獲得最大壓縮比152.941,輸出譜寬為0.085 nm的光脈沖.

2 脈沖啁啾譜壓縮理論分析與仿真

2.1 脈沖啁啾譜壓縮理論分析

帶有初始啁啾的脈沖在單模光纖正常色散區(qū)傳播時(shí),由于自相位調(diào)制作用,光譜寬度會(huì)根據(jù)初始啁啾的不同發(fā)生不同的變化.若入射的脈沖為帶啁啾的高斯脈沖,則其光譜寬度Δω可以表示為[15]

式中Δω0,T0和C0分別為脈沖的初始譜寬、脈寬及啁啾;T(z)為脈沖寬度,C(z)為色散引起的線性頻率啁啾,CSPM(z)為自相位調(diào)制引起的頻率啁啾,它們均為傳播距離z的函數(shù),

式中z0表示光纖中脈沖寬度最小且啁啾為零時(shí)的位置,γ為光纖的非線性參量,

表示經(jīng)過(guò)線性頻率啁啾調(diào)制后的高斯脈沖振幅,E0為初始高斯脈沖振幅.光譜寬度的變化為

從(5)式可以看出,當(dāng)C0為負(fù)值時(shí),譜寬的一階導(dǎo)數(shù)也為負(fù),此時(shí)光譜逐漸被壓縮.因此帶有負(fù)啁啾的高斯脈沖在光纖中傳播時(shí),自相位調(diào)制會(huì)導(dǎo)致光譜發(fā)生壓縮.先用一段光纖為無(wú)啁啾初始脈沖提供負(fù)參量的預(yù)啁啾,再讓其在另一段具有正常色散的單模光纖中傳播,即可實(shí)現(xiàn)脈沖光譜壓縮.色散與非線性效應(yīng)均可產(chǎn)生啁啾量,由于多模光纖具有大芯徑的特點(diǎn),可以在引入啁啾時(shí)避免非線性效應(yīng)的影響,所以本文選用多模光纖進(jìn)行預(yù)啁啾.在傳輸距離z之后,色散效應(yīng)引起的啁啾量由C1變化為C2,計(jì)算公式為[16]

式中β2為群速度色散參量.可以看出當(dāng)啁啾量從零開(kāi)始變化時(shí),群速度色散參量β2＜0可獲得負(fù)啁啾量,且啁啾量的大小與β2的大小有關(guān).與階躍型多模光纖相比,GI-MMF激發(fā)模式數(shù)量較少且模間干擾小,便于進(jìn)行分析,所以選用GI-MMF提供預(yù)啁啾.

2.2 GI-MMF的模式平均群速度色散參量計(jì)算分析

光譜壓縮過(guò)程發(fā)生在SMF中,利用的是SMF中的基階模式光,而SMF中的基階模式光是由GI-MMF輸出的部分模式光(部分模場(chǎng)能量分布在SMF纖芯內(nèi)的模式)組成的,這些模式光的群速度色散不相同,因此不只有惟一β2可代入(6)式中計(jì)算.為簡(jiǎn)化分析,提出采用GI-MMF的群速度色散均值ˉβ2作為啁啾參量分析的計(jì)算參數(shù).GI-MMF被激發(fā)的模式可以分為不同的模式群,同一模式群中的各模式具有非常接近的傳播常數(shù)[17],相應(yīng)的群速度色散值也近似相等,因此取每個(gè)模式群第1個(gè)模式的群速度色散值代表該模式群的群速度色散值,假定(i=1,2,···,N)為第i個(gè)模式群的群速度色散值,N為模式群數(shù),ηi為第i個(gè)模式群的能量占比,則

采用標(biāo)準(zhǔn)50/125μm GI-MMF進(jìn)行數(shù)值分析.仿真分析參數(shù)如下:包層折射率n1=1.457,纖芯折射率n(r)=n2[1?2(n2?n1)(r/a)α]1/2(n2=1.472,a=25μm，α=2,0μm＜r＜25μm),入射光波長(zhǎng)λ=783 nm.圖1所示為前20個(gè)模式的歸一化能量圖，圖中相同顏色的模式屬于同一模式群，可以看出,模式能量隨階次的增加而減小,LP34模式能量與基模LP01相比已經(jīng)很小了,僅為L(zhǎng)P01模式能量的約2%.相比于高階模式,低階模式能量占據(jù)比重大,因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算,忽略比LP34模式更高階的模式,只采用前20種模式進(jìn)行分析,將其分為8個(gè)模式群[18].另外,由于脈沖光在經(jīng)過(guò)50μm芯徑的GI-MMF以后會(huì)再進(jìn)入芯徑約為5μm的SMF中,芯徑的差異將導(dǎo)致各模式的部分能量被濾掉,所以只取每個(gè)模式分布在半徑2.5μm之內(nèi)的能量,進(jìn)行各模式群能量占比ηi的計(jì)算,結(jié)果如表1所示.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)前20個(gè)模式的歸一化能量圖Fig.1.(color online)The normalized energy of the first 20 modes.

圖2所示為計(jì)算得出的上述8個(gè)模式群的λ-(i=1—8)群速度色散曲線. 當(dāng)入射波長(zhǎng)為783 nm時(shí),由(7)式可得群速度色散均值ˉβ2=?2.287×10?5fs2/nm,為負(fù)值可為脈沖提供負(fù)啁啾量,滿足光譜壓縮所需的預(yù)啁啾要求.

表1 (網(wǎng)刊彩色)模式群分類及其能量占比Table 1.(color online)The classi fi cation and energy ratio of mode groups.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)各模式群的群速度色散曲線圖Fig.2.(color online)The group velocity dispersion curves of mode groups.

2.3 脈沖啁啾譜壓縮計(jì)算分析

基于廣義非線性薛定諤方程和分步傅里葉算法[16]對(duì)飛秒脈沖(中心波長(zhǎng)為783 nm,脈寬120 fs,峰值功率為5.42 kW)依次通過(guò)GIMMF與SMF的輸出光譜進(jìn)行數(shù)值仿真.假設(shè)在飛秒脈沖傳輸過(guò)程中GI-MMF的群速度色散均值保持不變.SMF采用Nufern 780HP,其參數(shù)β2=4.79×10?5fs2/nm,γ=0.16×10?11W?1·nm?1.輸入脈沖光譜表達(dá)式為高斯型中心波長(zhǎng)λ0=783 nm,光譜半峰全寬w=13 nm,計(jì)算時(shí)間窗口為3000 fs,采樣數(shù)目為1212,GI-MMF到SMF的理論損耗為20 dB,GI-MMF長(zhǎng)度變化范圍為0.4—2.4 m,步長(zhǎng)0.2 m,SMF長(zhǎng)度保持2 m,以RL表示GI-MMF與SMF的長(zhǎng)度比值,其值在0.2—1.2范圍內(nèi)均勻變化.圖3(a)所示為初始輸入光譜以及RL分別為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2時(shí)的輸出光譜計(jì)算結(jié)果.可以看到飛秒脈沖初始輸入光譜譜寬(以半峰全寬w表示譜寬)為13.000 nm,依次通過(guò)GI-MMF與SMF以后發(fā)生了啁啾譜壓縮現(xiàn)象,光譜寬度明顯變窄,且隨著RL的增大,光譜壓縮效果越來(lái)越明顯,譜寬逐漸變窄,從(6)式可以看出這是由于隨著GI-MMF長(zhǎng)度的增加,GI-MMF所能提供的負(fù)參量預(yù)啁啾值也在增加,即輸入SMF時(shí)的初始啁啾量同時(shí)增加,由(1)式可得光譜譜寬會(huì)隨之減小.另一方面,輸出光譜逐漸出現(xiàn)旁瓣結(jié)構(gòu),這是由于頻率啁啾參量在時(shí)域上非單調(diào)變化,導(dǎo)致具有相同瞬時(shí)頻率的不同脈沖分量發(fā)生干涉,從而在頻譜上出現(xiàn)旁瓣結(jié)構(gòu),更窄的光譜譜寬會(huì)伴隨更多的旁瓣[19].

圖3 (a)不同RL條件下的輸出光譜仿真結(jié)果;(b)輸出光譜譜寬與譜寬壓縮比隨RL的變化Fig.3.(a)Simulated output spectra with different RL;(b)spectral width and compression ratio of output spectrum versus RL.

圖3(b)所示為每個(gè)輸出光譜的譜寬值及其一一對(duì)應(yīng)的譜寬壓縮比(輸入譜寬與輸出譜寬之比),從圖中可以看出,隨著RL的增大,輸出光譜譜寬呈指數(shù)下降,當(dāng)RL=1.2時(shí),譜寬達(dá)到最小值2.486 nm,對(duì)應(yīng)的壓縮比為5.230.通過(guò)上述分析可得仿真結(jié)果與理論相符,實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入脈沖的光譜壓縮.

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)本文所述的全光纖啁啾譜壓縮技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.圖4為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖.從飛秒光纖激光器輸出的無(wú)啁啾空間脈沖光(峰值功率和仿真一致)通過(guò)光纖耦合器耦合進(jìn)入GI-MMF中傳輸,傳輸過(guò)程中獲得負(fù)參量啁啾,再進(jìn)入2 m長(zhǎng)的780HP SMF中傳輸實(shí)現(xiàn)脈沖光譜壓縮,最后采用光譜分析儀(OSA,Yokogawa AQ6370,光譜分辨率為0.02 nm)測(cè)量記錄光譜信息.實(shí)驗(yàn)分別使用50/125μm,62.5/125μm以及105/125μm三種GI-MMF與SMF進(jìn)行熔接,熔接損耗分別為20.1 dB,22.6 dB以及26.7 dB,后續(xù)實(shí)驗(yàn)可通過(guò)改進(jìn)GI-MMF與SMF的熔接方式來(lái)降低熔接損耗,比如在GI-MMF與SMF的熔接點(diǎn)處進(jìn)行拉錐處理[20]或?qū)MF靠近熔接點(diǎn)處的區(qū)域進(jìn)行局部增大芯徑的熱處理[21].實(shí)驗(yàn)中,三種GI-MMF長(zhǎng)度變化范圍均為0.4—2.4 m,步長(zhǎng)0.2 m.

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4.Schematic of the experiment setup.

3.1 GI-MMF與SMF長(zhǎng)度比值對(duì)光譜壓縮效果的影響

圖5(a)所示為原始輸入光譜以及50/125μm GI-MMF與SMF長(zhǎng)度比值分別為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2時(shí)的輸出光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果.可以看出輸出光譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果一致,隨著RL的增大壓縮效果越來(lái)越明顯,同時(shí)旁瓣逐漸增加,當(dāng)RL為1.2時(shí),譜寬達(dá)到最小值2.243 nm,對(duì)應(yīng)的壓縮比為5.796.與仿真結(jié)果不同的是,在同一RL下實(shí)驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)了更多的旁瓣,也使得壓縮后的譜寬更窄,這是因?yàn)樵诜抡嬷泻雎粤烁唠A色散的影響,而實(shí)際上高階色散也會(huì)導(dǎo)致旁瓣的產(chǎn)生[14].另一方面,與仿真結(jié)果相比,實(shí)驗(yàn)輸出光譜圖的中心波長(zhǎng)發(fā)生了小范圍浮動(dòng),浮動(dòng)范圍為0.743—0.569 nm,如圖5(b)所示,這可能是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同長(zhǎng)度的GI-MMF受外力影響發(fā)生了不同程度的微彎,導(dǎo)致模式間的能量耦合發(fā)生了變化,從而引起輸出光譜中心波長(zhǎng)的浮動(dòng)[22],可通過(guò)嚴(yán)格控制GI-MMF光纖的彎曲度降低影響.相比于輸入光譜較寬的譜寬范圍,這種中心波長(zhǎng)的微小波動(dòng)可以忽略.

圖5 (a)不同RL條件下的輸出光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)輸出光譜中心波長(zhǎng)隨RL的變化Fig.5.(a)Experimental output spectra with different RL;(b)central wavelength of output spectrum versus RL.

3.2 GI-MMF纖芯直徑改變對(duì)光譜壓縮效果的影響

不同纖芯直徑的GI-MMF具有不同的群速度色散值以及非線性參量,這會(huì)引起光脈沖在傳輸過(guò)程中發(fā)生不同的色散效應(yīng)和自相位調(diào)制效應(yīng),從而導(dǎo)致輸出光譜壓縮效果不同.因此,分別對(duì)纖芯直徑為50,62.5,105μm的GI-MMF進(jìn)行對(duì)比分析.圖6(a)為原始輸入光譜,圖6(b)—圖6(d)所示為RL=1.2時(shí),分別使用三種不同纖芯直徑的GI-MMF得到的輸出光譜.從圖中可以看出,使用不同纖芯直徑的GI-MMF與SMF組合均能對(duì)輸入光譜進(jìn)行壓縮,且隨著纖芯直徑增大,輸出光譜譜寬變窄,同時(shí)旁瓣增加.使用105/125μm的GI-MMF可以得到最窄的輸出光譜譜寬,使用50/125μm的GI-MMF時(shí)譜寬為前者的26.388倍.這是因?yàn)?05/125μm多模光纖纖芯直徑最大,模式最多,有效模場(chǎng)面積最大,從而具有最大的群速度色散值以及最小的非線性參量,能夠在獲得最多預(yù)啁啾量的同時(shí)受到最小的自相位調(diào)制影響,故使用105/125μm的多模光纖能夠獲得最好的壓縮效果.另外,從圖6所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,輸出光譜均存在旁瓣過(guò)高的情況,這是因?yàn)槊}沖光在通過(guò)GI-MMF后激發(fā)出多種模式進(jìn)入后續(xù)SMF中,此時(shí)出現(xiàn)的旁瓣結(jié)構(gòu)是每種模式造成的旁瓣共同疊加的結(jié)果.旁瓣過(guò)高會(huì)影響CARS光譜質(zhì)量,考慮到壓縮后的光譜譜寬較窄,可以在后續(xù)系統(tǒng)中使用光纖光柵濾出主峰,從而降低旁瓣對(duì)后續(xù)應(yīng)用的影響.

圖6 RL=1.2時(shí)使用三種不同芯徑GI-MMF得到的輸出光譜 (a)原始輸入光譜;(b)50/125μm;(c)62.5/125μm;(d)105/125μmFig.6.Experimental output spectra of GI-MMIs with three different core diameters when RLis 1.2:(a)Original spectrum;(b)50/125μm;(c)62.5/125μm;(d)105/125μm.

圖7 使用不同纖芯直徑GI-MMF時(shí)(a)輸出光譜譜寬及(b)譜寬壓縮比隨RL的變化Fig.7.(a)Full width at half maximum and(b)compression ratio of output spectrum versus RLwhen GI-MMFs with different core diameters are used.

圖7為采用三種GI-MMF進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所獲得的輸出光譜譜寬值以及譜寬壓縮比隨RL變化的曲線.隨著RL的增大,輸出光譜譜寬均呈指數(shù)下降,下降速度逐漸變緩,而相應(yīng)的壓縮比逐漸增大.對(duì)于105/125μm的GI-MMF,當(dāng)RL增加到0.8以后,輸出光譜譜寬變化平緩,輸出光譜最小譜寬為0.085 nm.對(duì)于50/125μm的GI-MMF,壓縮比近似呈直線上升,對(duì)于62.5/125μm和105/125μm的GI-MMF,壓縮比呈非線性上升,其中105/125μm的GI-MMF譜寬壓縮比變化曲線逐漸趨于飽和,可獲得的最大壓縮比為152.941.

4 結(jié) 論

針對(duì)CARS應(yīng)用進(jìn)行了多模/單模光纖組合的全光纖飛秒脈沖光譜啁啾壓縮研究.提出利用多模光纖的群速度色散均值作為啁啾參量分析的計(jì)算參數(shù),仿真計(jì)算了50/125μm GI-MMF的群速度色散均值及其與780HP SMF不同長(zhǎng)度比值下的光譜壓縮效果,獲得最小譜寬為2.486 nm,壓縮比為5.230.搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并分別使用50/125μm,62.5/125μm以及105/125μm三種GI-MMF進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,使用50/125μm GI-MMF可獲得最小譜寬2.243 nm,對(duì)應(yīng)的壓縮比為5.796,與理論仿真一致.對(duì)比分析了使用三種GI-MMF的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其中使用105/125μm GI-MMF可獲得最小輸出譜寬為0.085 nm的脈沖,對(duì)應(yīng)最大壓縮比為152.941.將此脈沖用于CARS探測(cè),理論光譜分辨率可達(dá)1.386 cm?1.研究的全光纖飛秒脈沖光譜啁啾壓縮方法具有高壓縮比、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光譜壓縮比可控等特點(diǎn),光纖熔接損耗帶來(lái)的影響可通過(guò)提高輸入脈沖功率或改進(jìn)GI-MMF與SMF的熔接方式得以解決,為全光纖高光譜分辨率CARS激發(fā)源的研究打下基礎(chǔ).

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All- fi ber spectral compression of femtosecond pulse for coherent anti-Stokes Raman scattering excitation source?

Jiang Jun-Feng?Huang Can Liu Kun Zhang Yong-Ning Wang Shuang Zhang Xue-Zhi Ma ZheChen Wen-JieYu ZheLiu Tie-Gen

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Key Laboratory of Opto-Electronics Information Technology of the Ministry of Education,Institue of Optical Fiber Sensing,Tianjin Optical Fiber Sensing Engineering Center,School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

24 March 2017;revised manuscript

8 June 2017)

Coherent anti-Stokes Raman scattering(CARS)imaging of femtosecond pulses has been a research hotspot in recent years,but the wide spectrum of the femtosecond pulse limits the spectral resolution of CARS imaging.Spectral compression is considered as an e ff ective method to solve this problem.In this work,an all- fi ber chirp spectral compression method of graded-index multi-mode fi ber/single-mode fi ber(GI-MMF/SMF)structure based on fi ber pre-chirp and selfphase modulation is presented.It can be used as a CARS excitation source to increase the spectral resolution of CARS imaging.In the section of numerical simulation,the mean group velocity dispersion value of GI-MMF is used as a numerical parameter of the chirp analysis,which is estimated by analyzing modes of GI-MMF.On one hand,the mode fi eld distributions in GI-MMF are simulated numerically by the fi nite-di ff erence time-domain method,and these different modes are divided into eight mode groups.On the other hand,the energy proportion of each mode group is regarded as a weight value.Then we can obtain a mean group velocity dispersion value of 50/125μm GI-MMF,which is?2.287×10?5fs2/nm,by calculating the sum of group velocity dispersion weight values of mode groups.The results of spectral compression with different length ratios of 50/125μm GI-MMF to 780HP SMF are also analyzed based on the generalized nonlinear Schr?dinger equation and split-step Fourier algorithm.The spectral width of 2.486 nm and the compression ratio of 5.230 are calculated,when the length ratio of 50/125μm GI-MMF to 780HP SMF is 1.2.In the section of experiment,three kinds of GI-MMFs with different core diameters are used in the experiment,the in fl uences of the core diameter and the length ratio of GI-MMF to 780HP SMF on the spectral compression are investigated.The results show that the spectral width of 2.243 nm,corresponding to the compression ratio of 5.796 is obtained,when the length ratio of 50/125μm GI-MMF to 780HP SMF is 1.2,which is consistent with the simulation result.Under the condition of the same length ratio,the use of 105/125μm GI-MMF can raise the compression ratio to 152.941,and the spectral width of output pulse is 0.085 nm.When the pulse is applied to CARS spectrum detection,the theoretical spectral resolution can be 1.386 cm?1.The experimental results show that the spectral compression way to improve spectral resolution of CARS imaging is e ff ective.This spectral compression system is characterized by simple structure,and high and controllable compression ratio,which provides theoretical and experimental basis for the all- fi ber high spectral resolution CARS excitation source research.

nonlinear fi ber optics, fi ber pre-chirp,self-phase modulation,spectral compression

(2017年3月24日收到;2017年6月8日收到修改稿)

10.7498/aps.66.204207

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61378043,61675152,61227011,61475114,61505139)、國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):2013YQ030915)、天津市自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):13JCYBJC16200)和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):JCYJ20120831153904083)資助的課題.

?通信作者.E-mail:jiangjfjxu@tju.edu.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:42.81.–i,42.65.–k,42.65.DrDOI:10.7498/aps.66.204207

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61378043,61675152,61227011,61475114,61505139),the National Instrumentation Program of China(Grant No.2013YQ030915),the Natural Science Foundation of Tianjin,China(Grant No.13JCYBJC16200),and the Shenzhen Science and Technology Research Project,China(Grant No.JCYJ20120831153904083).

?Corresponding author.E-mail:jiangjfjxu@tju.edu.cn