超快非线性光学技术：超连续谱中色散波产生的半解析理论-德赢Vwin官网网

在过去30年中，在具有三阶非线性的波导中产生超连续谱（Supercontinuum）一直是超快非线性光学中的重要研究课题，其背后的物理机制包含多种非线性过程，色散波产生（Dispersive wave generation）是其中非常重要的一种。传统的观点认为，在超连续谱产生初期，高阶孤子分裂产生多个基孤子（fundamental solitons），它们受到高阶色散的扰动，从而辐射出色散波。但最新的研究结果表明，色散波产生不但可能发生在孤子分裂之前，而且初始脉冲也可以处在不能形成孤子的正色散区域；换句话说，色散波产生与是否存在光孤子或者高阶孤子是否分裂，并无直接联系。

理论上，色散波作为超连续谱的一部分，可以通过数值求解广义非线性薛定谔方程来精确仿真。鉴于未发生孤子分裂的状态下，脉冲演化的规律较为简单，参考文献［1］避开了繁琐的vwin 和复杂的近似计算，试图用一种直观且统一的方法来诠释色散波产生的过程。该理论工作将色散波产生的过程分为两个阶段。

在第一阶段，脉冲演化由自相位调制和色散主导。自相位调制负责产生新的频率成分，色散负责在时间上改变这些频率成分的相对位置。在脉冲传播到一定距离时，部分频率成分会在时域中相互重合。

对于正色散区域的初始脉冲（图1．a），自相位调制所引起的最大红移频率以最快速度向脉冲前沿移动，并与前沿的中心频率成分相遇并重合。自相位调制所引起的最大蓝移频率以最慢速度向脉冲后沿移动，并与后沿的中心频率成分相遇并重合。

对于负色散区域的初始脉冲（图1．b），自相位调制所引起的最大红移频率速度最慢，向后沿移动，最大蓝移频率速度最快，向前沿移动。两者会相遇并重合。

图1：频率产生和移动方向，虚线代表功率，实线代表频率

作者通过定义广义的非线性长度（式1）和色散长度（式2），提出了一种近似方法，可从初始脉冲参数估计上述重合频率，以及重合时的传播距离。

在第二阶段，相互重合的频率发生四波混频（图2），从而产生色散波。图2 （a）－（d）分别为正常色散区和反常色散区的色散波和级联色散波产生过程，红线为通过广义非线性薛定谔方程进行数值模拟的结果，绿线标注了四波混频过程，黑色虚线为中心频率和分析所得色散波和级联色散波频率，橙线标注了自相位调制产生频率的范围，右上角小图为群速度色散曲线。

在图2（a，b）中，通过引入三阶色散，使重合频率与产生的色散波频率满足相位匹配条件，可实现基于一次四波混频的色散波产生（正常色散区：，反常色散区：）。

在图2（c，d）中而通过引入四阶色散甚至更高阶色散，令开始的四波混频过程满足群速度匹配（正常色散区：，反常色散区：），最后一次四波混频过程满足相位匹配（正常色散区：，反常色散区：），可实现基于级联四波混频的色散波产生。

图2：（a）－（d）分别为正常色散区和反常色散区的色散波和级联色散波产生过程：（a）（b）基于一次四波混频；（c）（d）基于级联四波混频。

在此基础上，文章利用这种直观的模型成功地解释了其他组早期报道过的超连续谱产生的工作（图3）。图3 （a）展示了不同传播距离处的光谱和分析所得级联色散波与色散波频率，7．5mm为频率重合时的传播距离；（b）展示了广义色散和非线性长度的倒数随传播距离的变化，波导长度稍长于频率重合时的传播距离；（c）展示了可以在脉冲中心重叠的频率和可以发生的四波混频过程；（d）展示了各频率间的线性相位失配，绿线为群速度匹配处。

图3：利用该模型解释早期的实验工作。

最后，该文作者利用该理论作为指导，设计了一种兼容工业生产的毫米量级硅波导，在正色散区域 1550nm泵浦的情况下该波导支持倍频程的超连续谱（图4），展示了这种新分析方法的应用潜力。图4（a）展示了硅波导输出的光谱，绿线为不考虑高阶非线性的光谱（如双光子吸收），蓝线为考虑高阶非线性的光谱；（b）展示了广义色散和非线性长度的倒数随传播距离的变化；（c）展示了β1（群速度倒数）随频率的变化，绿色区域为可在脉冲前沿重合的频率，第一次四波混频中S为泵浦光，中心频率为信号光，P为闲频光，第二次四波混频中P为泵浦光，S为信号光，级联色散波为闲频光；（d）展示了第二次四波混频中各频率间的线性相位失配，绿线为群速度匹配处。

图4：基于硅波导的超连续谱产生

该文章所提出的物理图像非常直观，通过简单的相位匹配和群速度匹配关系，不仅能很方便的计算色散波产生的频率，还可以结合第一阶段的近似解，从研究者想要产生的频率开始，逆向设计所需的色散曲线和初始脉冲参数。对于利用片上波导产生超连续谱，该文章提供了一种强有力的分析和设计方法。

审核编辑：符乾江

声明：本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人，不代表德赢Vwin官网网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用，如有内容侵权或者其他违规问题，请联系本站处理。举报投诉

毫米波

毫米波

+关注

关注
21

文章
1923

浏览量
64778
光学技术

光学技术

+关注

关注
0

文章
50

浏览量
9688

非线性负载分为哪些类型

非线性负载是指其电流波形与电压波形不成线性关系的负载，这类负载在电力系统中较为常见，会对电网产生一系列不良影响。根据不同的分类标准，非线性负

发表于 12-18 15:18

什么是超表面光学技术？

光学超表面目前，超表面光学技术备受关注。简单来说，超表面光

发表于 12-18 06:25 •79次阅读

非线性负载为什么会产生谐波？

谐波。开关电源在现代电子设备中广泛应用，其高频开关动作会产生高次谐波。谐波的产生主要由于非线性负载的存在。这些负载在电力系统中引入的谐波会对电网的稳定性、电能质量以及设备的正常运行

发表于 12-10 15:41 •170次阅读

线性光学和非线性光学有什么区别?

密切相关的其他现象有关的科学 ”。根据光与物质相互作用的方式，光学可分为线性光学和非线性光学。线性

发表于 12-10 06:31 •95次阅读

非线性负载产生谐波的原因及危害

其带来的主要危害。 非线性负载是指在电路中电流与电压不成比例的负载。当电流流经这些负载时，其波形会发生畸变，不再是正弦波，从而产生谐波。谐波是频率为基波频率整数倍的正弦波分量，根据傅立

发表于 12-04 16:51 •259次阅读

上海光机所在基于强太赫兹与超表面的硅基非线性光学研究上取得进展

图1. 复合超表面示意图：(a)俯视图;(b)局部放大图;(c)侧视图。(d)复合超表面增强硅SHG和THG示意图。近日，中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室在硅基非线性光学研

发表于 11-06 06:37 •207次阅读

上海光机所在基于空芯光纤的超快脉冲压缩与紫外飞秒激光产生研究中取得进展

罗素先进光波科学中心团队在基于空芯光纤的气体非线性光学研究中取得进展。相关研究成果以“Octave-wide broadening of ultraviolet dispersive wave

发表于 11-05 06:25 •192次阅读

PGA309的非线性曲线是如何产生的？

类似PGA309的信号调节器，我公司约500万片的需求，对PGA309不是很了解，有些问题要请教 PGA309的非线性曲线是如何产生的？ EEROM表中数据是如何写进去的？ PGA309DK能做些什么事？有无批量自动校准的方

发表于 09-23 06:48

超透镜的设计与分析

**摘要 ** 透镜是一种透射光学装置，通过改变光的相位使光聚焦或散焦。与传统透镜不同，超透镜的优点是能够在非常薄的层中实现所需的相位变化，使用的结构尺寸在波长量级及以下，而不需要复杂和体积庞大

发表于 08-06 13:48

西安光机所在超表面非线性光子学领域获得新进展

图1.超表面结构的电场分布(a-b)没有ENZ薄膜(d-f)有ENZ薄膜近日，中科院西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室非线性光子技术

发表于 04-25 06:34 •436次阅读

GGII：新上市快充车型超15款，中国快充版车型销量有望超5万辆

GGII预计2024年中国新上市快充车型（平均充电倍率大于2C）超15款，中国快充版车型销量有望超5万辆。

发表于 04-15 09:17 •811次阅读

什么是超透镜技术，它如何彻底改变光学？

超透镜是使用超表面来聚焦光线的平面透镜。超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等

发表于 04-07 06:33 •509次阅读

FS6212系列是以 CMOS 工艺制造的高精度超快响应低压差线性稳压器

FS6212系列是以 CMOS 工艺制造的高精度超快响应低压差线性稳压器

发表于 03-04 21:07 •428次阅读

COMSOL Multiphysics在超材料与超表面仿真中的应用

材料是一种具有人工设计的微观结构的新型材料，能够展现出自然界中不存在的物理性质。超表面则是一种特殊类型的超材料，其主要功能是通过人工设计的光学结构，实现对入射光的特殊控制。

发表于 02-20 09:20

光纤色散是什么？如何进行色散补偿？光纤色散对光信号的影响

信号码元在时域上发生扩展，从而造成靠近传输末端的信号码间干扰，影响信号质量。光纤色散主要分为两种类型：色散波动和色散排列。色散波动是指由于光纤本身的

发表于 12-27 14:09 •2506次阅读