CN100418003C - 用于产生具有连续光谱的多色光的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种专用多色光产生设备(D)。本发明的设备(D)包括：光泵激装置(MP)，它用于传送具有至少两种不同激励波长(λ1，λ2)的辐射能；和光导装置(GL)，它用于当被辐射能以非线性交互方式所激励时在输出端(SGL)传送多色光。
Description
技术领域
本申请涉及光源领域，尤其涉及白光源。
背景技术
众所周知，可以用各种各样的方法来产生宽光谱白光。
第一种方法是：使用直接发射宽光谱白光的源，比如白炽灯、石英灯或氙弧灯。在这种情况下，发射光谱实际上是连续的，但释放的亮度相当弱且光发射是各向同性的，因此使得它不可能既聚焦到很小的区域又形成空间相干光束(即低发散的光束)。此外，这种光源其尺寸也相当大。再者，这些光源的寿命也相对较短。此外，弧光或白炽光源还产生了大量的热，因此效率差。
第二种方法包括：并行排列大量的单频激光二极管，这些二极管可发射不同波长的光子。在这种情况下，尺寸相对很小，但所提供的光谱是不连续的，所提供的功率相当低，分配噪声相当高，并且二极管之间强度也可能有差异。
第三种方法包括：用诸如固体激光器(比如钛/蓝宝石激光器)的单频激光器来泵激微结构光纤，这种激光器以脉冲方式工作，其脉冲级从微微秒到毫微微秒，重复频率范围从千赫到兆赫。这种泵激包括微结构光纤中的非线性效应，这种效应使得可以产生不同波长的光子。这种结构的具体情况可以参见J K Ranka等人的文献：OpticsLetters，vol.25，N°1，p.25-27，2000；以及J C Knight等人的文献：OpticsLetters，vol.26，N°17，p.1356-1358，2001。鉴于所用激光器的类型，这种光源非常昂贵又很笨重，因此不便在集成产品中使用。
由于没有完全令人满意的光源，因此本发明将着手改进这种状况。
发明内容
为此，本发明提出了一种用于产生多色光的设备，一方面包括：光泵激装置，它用于传送具有至少两种不同激励波长最好是两组不同波长的辐射能；另一方面包括：光导装置，它用于当被辐射能以非线性光/物质交互方式所激励时在输出端传送多色光。
根据本发明的设备可以采取多种形式，其中至少某些特性可以相互结合，具体地说：
●其光导装置可以具有色散分布(profile)，该色散分布包括与一个或多个所选波长有关的至少一个截止；而其光泵激装置可以用于以一些高于和低于所述所选波长且可选地分布在其任一边的激励波长来传送辐射能，
●其光导装置最好是单模的，使得，多色光最好是横向单模的，
●其光泵激装置可以用于以脉冲和时间同步的方式或以近乎连续的或连续的方式来传送辐射能，
●其光泵激装置可以包括以不同激励波长传送辐射能的激光源。在这种情况下，激光源可以例如包括这样一种激光器，它传送第一激励波长并提供给变频装置，变频装置以至少一个第二激励波长传送辐射能。这些变频装置可以例如采取一个或多个倍频器的形式(可选用非线性晶体类型)来实现，因此第二激励波长是第一激励波长的二分之一。在另一种实施方式中，变频装置可以例如采取至少一个三倍频器的形式来实现，因此第二和第三激励波长分别是第一激励波长的二分之一和三分之一。在另一种实施方式中，激光源可以包括以这些不同激励波长传送辐射能的参数振荡器。
●其光导装置可以包括例如安装在集成电路中的光导，
●其光导装置可以包括具有合理选择尺寸的光纤。在这种情况下，光纤可以是微结构的光纤，比如多孔光纤或光子光纤，
●其光导装置可以属于称为“极化选择”或“极化保持”的类型，
●它可以包括滤波装置，用于对其光导装置下游的某些波长进行滤波或选择。这种滤波装置可以例如包括一个或多个布拉格光栅，
●它可以包括耦合装置，用于使光泵激装置与光导装置的输入端耦合。
本发明可用于许多领域，尤其可用于：物理量值的计量学；光学显微镜学尤其是X射线断层成像以及三维显微镜学；光谱学；样本的医学分析尤其是流动血细胞计数；医学全息术；图像尤其是全息图像的传输；显微和亚显微尺寸的粒子或原子的操纵；和干涉测量学。
附图说明
本发明的其他特征和优点可以从如下详述及附图中看出，其中：
●图1示意说明了根据本发明的用于产生多色光的设备的第一实施方式，
●图2示意说明了泵激模块的一种可选实施方式，
●图3是一个举例说明强度I(任意单位)与波长λ(毫微米(nm))的关系的曲线图：一条曲线表示根据本发明的设备所传送的多色光，另一条曲线表示单频光源泵激所传送的光，
●图4是一个举例说明的曲线图：一条曲线表示光纤的色散Dcx(ps/nm/km)随波长(微米)的变化情况(与左边的y轴有关的递增曲线，零色散出现在约等于0.8μm的波长处)，另一条曲线表示光纤的基模的有效指数neff随波长(毫微米)的变化情况(与右边的y轴有关的递减曲线)，
●图5细致地示意说明了微结构光纤的截面图，
●图6示意说明了根据本发明的用于产生多色光的设备的第二实施方式，
●图7示意说明了根据本发明的用于产生多色光的设备的第三实施方式。
这些附图不仅可以补充本发明，而且还可以适当地界定本发明。
具体实施方式
首先参照图1，来描述根据本发明的用于产生多色光的专用设备D的第一实施方式。
根据本发明的设备D首先包括光泵激模块MP，用于传送具有至少两种不同激励波长λ1和λ2最好是两组不同波长的辐射能。当然，这种光泵激模块MP还可以传送具有两种以上(比如三种、四种甚至更多种)不同波长或两组以上(比如三组、四组甚至更多组)不同波长的光子。
多波长的光泵激模块MP可以采用多种方法来产生。例如，它可以采取含有参数振荡器的激光源的形式。如图2中所示，它还可以比如采取与变频装置(如倍频器DF)耦合的单波长激光源SL的形式。在这种情况下，激光源SL向倍频器DF提供具有第一波长λ1(比如等于1064nm)的光子(或辐射能)，而倍频器DF在其输出端SMP传送第一波长λ1的光子(或辐射能)和第二波长λ(等于λ1的一半，这里为532nm)的光子(或辐射能)。
此外，多波长光泵激模块MP既可以以脉冲和时间同步的方式又可以以近乎连续的或连续的方式进行工作。
根据本发明的设备D还包括光导装置GL，这种装置用于，当被含有光泵激模块MP所传送的若干个波长的辐射能以非线性光/物质交互方式所激励时，在输出端SGL传送与“连续光谱”相应的多色光。
这里，“多色光”是指具有图3中所示的那种光谱(介于波长350nm和750nm之间的第一条曲线)的光，即实际上其波长(λ)在整个宽带上是连续而非离散的。从图中可以看出，光导装置GL所传送的多色光的强度I(这里以任意单位)在约420nm与约700nm的范围内变化很小。
在利用负色散方式(与图4中的小于800nm(0.8μm)的波长相应的正常色散)的单模光纤中，单频光源的泵激引起了趋向于高波长的离散喇曼线(如图3中介于波长500nm和700nm之间的第二条曲线所示)。因此，在低于泵激信号的波长处不可能产生信号(或只产生极弱信号)。所产生的喇曼线的数随注入信号的强度而增加。
在利用至少两个合理选择波长(或两组波长，每组都至少有一个波长)进行泵激的情况下，在光谱分布图中可以看到两种修改。如图3中的第一条曲线(介于波长350nm和750nm之间)所示，均匀对称的光谱加宽实际上出现在泵激波长的任一边，也就是说最大限度地减小喇曼分量。这一加倍修改主要是因为非线性效应之间的竞争现象。光谱加宽通过综合自相位调制效应、交叉相位调制效应和参数效应(四种波的混合)来解释。附加第二泵激功率使得可以启动中心大约在532nm和1064nm(本例中)的波长之间的相位调整以及对其出现门限低于喇曼效应的参数效应的定位。
光导装置GL最好具有色散分布，该色散分布包括与一个或多个所选波长λc有关的一个或多个截止波长。在这种情况下，最好选用构成光泵激模块MP的一个或一些单元，以便利用高于和低于所选波长λc的激励波长来传送光子(辐射能)。在有两个以上的激励波长时，这些激励波长最好分布在所选波长λc的任一边。因此，多色光的光谱实际上均匀连续地分布在所选波长λc的任一边，因而分布在激励波长λ1和λ2的任一边。
光导装置GL可以用不同的方式来构成。它们可以例如采取在衬底上所形成的具有选定尺寸的光导(或波导)的形式。例如，波导(或光导)由诸如掺杂玻璃的材料制成，以便控制与色散的截止波长相应的波长。波导(或光导)最好是单模的，使得，多色光最好是横向单模的。
这里，所谓“横向单模”是指光束的特殊空间结构，其特征在于，它只有一种空间模式，而与特殊情况下所发射的光谱的波长无关。
此外，如图1中所示，光导装置GL可以采取其非线性特性随其结构和尺寸而变的光纤的形式来实现。例如，采用被称为微结构光纤的光纤。这种光纤具有可调整的“光几何”结构，这种结构使得可以控制色散分布，并允许在硅石的整个传输带上最好以横向单模传播方式进行传播。再者，这种光纤使得可以大大提高对所引导电磁场的限制，从而减小负责光谱加宽的非线性现象的出现门限。
例如，光纤GL可以是其截面如图5中所示类型的多孔光纤。这种光纤详见欧洲专利号1148360。这种微结构光纤由一些与光纤GL的纵轴平行的空心通道CC构成，这些通道相互按所选间距并排地排列在光纤纤芯CF的周围以便定义一种晶格(lattice)结构(称为光子晶体)，并成形于构建包围光纤GL的硅石纤芯CF的外壳GF的材料中。应当记住，光子晶体是一种具有受限光子波段的结构，这种结构包含有一些定义晶格(比如方形或三角形)的衍射要素(在这种情况下是空心通道CC)，这些要素的物理特性使得可以控制光的传播。这种结构可以例如通过在拉丝模具中进行拉丝形成，参见如下公布：Jean-MichelLourtioz，“les cristaux photoniques”，p.324，Editions Hermes，2003。在图5所示的例子中，光纤GL的纤芯CF的直径估计约为3μm，而晶格的间距约为3-4μm。
激励光子转换成连续光谱的光子的效率主要取决于光泵激模块MP所传送的峰值功率、光纤GL的硅石纤芯CF的尺寸以及所述光纤GL的“有效”长度。因此，传送高功率(联合所有激励波长)的光泵激模块MP使得可以使用较短的光纤(或波导)。
例如，在有分别为1064nm和532nm的两种激励波长λ1和λ2时，可以使用其纤芯的直径为3μm长度为几米的微结构硅石光纤GL。
在此，与宽光谱多色光的产生相应的光谱加宽发生在穿过微结构光纤GL的单一通路中。然而，还可以在若干个通路中进行。值得注意的是，光谱加宽实际上与光纤GL(或波导)的色散的符号无关，因此，使得可以减少对光导装置GL的光几何参数的约束。
当多色光必须极化时，光导装置GL可以可选地属于“极化选择”或“极化保持”的类型。
光泵激模块MP的输出端SMP与光导装置GL的输入端EGL之间既可以直接进行耦合，如图1中所示的例子那样；也可以间接进行耦合，如图6中所示的第二个例子那样。
直接耦合可以设想，尤其当光泵激模块MP在含有光导装置(比如光(或波)导或光纤部分)的输出端SMP传送激励光子(辐射能)时。
在间接耦合情况下，根据本发明的设备D包括耦合装置MC，它可以采取插入到光泵激模块MP的输出端SMP与光导装置GL的输入端EGL之间的透镜形式(参见图6)来实现。
此外，如上所述的根据本发明的设备D适合于传送宽光谱的连续多色光、可见光和/或紫外线和/或红外线。不过，可以设想它耦合到(或包含)滤波装置MF，以便对光导装置GL产生的连续光谱的光子进行滤波(或选择)，从而传送连续光谱中的所选波长或所选部分的光子(或辐射能)。这使得可以合成所制做的光源。
可以设想各种各样的滤波装置MF。不过，它们最好以熟练技术人员众所周知的例如一个或多个布拉格光栅(串联排列)的形式集成到光导装置GL中。事实上，例如通过根据所选的间距和长度的局部指数调制，布拉格光栅可以界定在与光导装置GL的输出端SGL耦合的末端内或者这一输出端SGL的末端内，如图1中所示。在这种情况下，通过合理选择一个或多个布拉格光栅的结构，可以合成发射一个或多个所选波长的源。
作为一种变形，可以设想使用一个或多个Fabry-Perot空腔(串联排列)。
不过，滤波装置MF可以在光导装置GL外面并构成一个附加元件。在这种情况下，它们可以例如与光导装置GL的输出端SGL耦合，如图7中所示，并包括一个衍射光栅RD，它被平行光束所照亮并用于对光进行衍射，以便将单色光束传送到另一个光导FO(比如光纤FO)，用于进行光谱选择的空间滤波。这种技术上比布拉格光栅简单的配置使得可以产生这样一种光源，其波长可在多色光源的发射范围内连续调谐。因此，通过转动衍射光栅RD可以获得波长调谐。
正是由于所产生的光的横向相干和多色性，本发明可以用于许多领域。
第一领域是物理量值的计量学。根据本发明的设备D可以构成例如如法国专利2738343中所述类型的微地层学光学设备中的白光源。在这种设备中，白光由光纤传送到显微镜物镜，物镜将白光聚焦到样本(或对象)。显微镜物镜具有选定的色差，以便在Z坐标中聚焦白光中所含的所有波长。检测按具有测量轴的色度编码的共焦模式进行。可以用光谱仪来分析样本所反射的光谱，并推断出样本的某些特性，比如样本相对于检测器的位置以及形成该样本的层次的光学厚度。
所作测量的精度取决于白光源随时间的稳定性和光度平衡，光度平衡主要取决于光源的能量亮度(每单位表面和每单位立体角的发射功率)。根据本发明的光源可以提供这些特性。举例来说，上述设备可以结合根据本发明的设备，根据本发明的设备可以传送具有如下特性的光束，这些特性比如是：纤芯直径6μm，功率3mW，数字口径等于0.4，和平均亮度(在400nm与700nm之间)等于200W.mm-2.sr-1。与目前所用的光源(石英灯或氙弧灯)相比，根据本发明的光源强上千倍，因此使得在同等信噪比情况下可以将综合时间减少到千分之一。这种时间上的收效尤其适用于与产品(比如塑料膜或玻璃或塑料包装)生产中的质量控制相关的应用中。
第二领域是光学显微镜学尤其是生物或非生物物质的X射线断层成像。例如，根据本发明的设备D可以构成用于如法国专利2738140中所述类型的生物体表皮的光学X线断层摄影术的设备的白光源。这种设备利用多通道分析光谱仪构成具有纵向色度编码的共焦显微镜。这种设备需要具有足够亮度的白光源，使得可以在生物媒介中获得视频序列的图像。因此，根据本发明的光源尤其适用于这种设备。当光学X线断层摄影术属于所谓的相干类型时，比如在需要具有低瞬时相干的宽带光源的“光学相干X线断层摄影术”的OCT技术的情况下，尤其如此。这种OCT技术尤其适用于高分辨率的活组织检查。在这种OCT应用中，根据本发明的光源的光谱宽度不再需要同时使用以不同波长为中心的若干个光源。
第三领域是三维显微镜学，尤其适用于诸如表面光度测量或生物细胞检查(比如血液细胞)等应用中。
第四领域是综合了相衬和影象学(strioscopy)的分析，它们需要具有很大空间相干的光源以便用平行光照亮相位对象。这两种应用中，光源的图像形成于成像设备的焦平面上。该图像相对于观察中的对象所衍射的光被终止(影象学)或被相移(相衬)。在共轭平面上观察衍射导致的对象的图像。这种应用需要作为光点且很亮(这两者都是根据本发明的光源的特性)的光源。这些分析尤其适用于生物学领域中的光学显微镜(比如用于研究低折射细胞)以及计量学中(比如在精密光学仪器中用于测量微观表面粗糙度)。尤其值得一提的是利用所构造的光投影的测量技术和利用白光进行操作的Shack-Hartmann波前分析仪(这些白光可以消除激光粒度噪声(即“斑点”效应))。因此，本发明与单色光相比具有较大的优点。
第五领域是干涉测量学，尤其是所谓的低相干干涉测量学。事实上，可以利用根据本发明的光源来监测很高精度的精密光学仪器，比如紫外线的照相平版印刷术中所用的精密光学仪器，尤其可以参见如下公布：A.Courteville，“Méthodes et techniques nouvelles pourl’industrie”，conference of the SFO at Belfort on 17-21 November2003。本发明的光源还可以应用于美国专利2002/085208中所述类型的光纤干涉测量仪中，或者应用于如下公布中所述类型的生物学和/或化学传感器的领域中：“Optical biosensors.Monitoring studies ofglycopeptide antibiotic fermentation using white light interference”，Analytical Chemistry，vol.73，N°17，September 1，2001。
第六领域是建筑物或纪念碑的监测或观测。这在例如如下公布中已经提出：F.Figuera et al，“Evaluation of white light Fabry-Perotinterferometry fiber-optic gages for small strains”，ExperimentalTechniques，p.31-36，July/August 2003，用于将白光源耦合到Fabry-Perot空腔中，以形成尤其可用于监测民用工程建筑的张力计。这种应用需要一种高可靠的测量张力的系统，这主要取决于各种传感器的白光源的寿命(有时并行安装许多传感器)。由于目前使用的白炽灯其寿命比根据本发明的光源(尤其当采用激光源时)短得多，因此，本发明尤其适用于这种应用。一般而言，根据本发明的光源使得可以满足与耦合到布拉格光栅的光纤复用的传感器光栅所强加的关于光谱和能量的许多要求，参见如下公布：A.Othonos，“Fiber bragggratings：Fundamentals and applications in telecommunications andsensing”，Artech House Optoelectronics Library，Hardcover，June1999。
第七领域是LIDAR观测(表示“光检测和测距”)。LIDAR测量设备尤其在美国专利5394243中已经提出，用于测量低海拨(一般在10m到100m之间)的风速。这种设备包括Fabry-Perot干涉测量仪在发射阶段和接收阶段所滤波的宽光谱光源。大气层所漫射的光的光谱学使得可以确定多普勒效应并由此推断出速度矢量(尤其当光束遭到锥形频摆时)。因此，根据本发明的光源尤其适用于这种应用，当允许长距离调焦时，它在宽范围的波长上提供了高功率并且其噪声比目前使用的多模激光二极管所产生的分配噪声小得多。更一般地说，本发明尤其适用于固体、液体和气体的光谱学。特别地，本发明使得可以设想用于检测和用滴定法测量气体种类的大气层LIDAR类型的应用，以及用于多路测量元件类型的应用(尤其可以参见如下公布：“Two-mirror multipass absorption cell”，Applied Optics，vol.20，N°6，15 March 1981。
第八领域是微观对象的光谱学，它要求可将激励光聚焦到很小的点。由于根据本发明的光源能够以紫外线、可见光和红外线进行发射并容易聚焦，因此，它尤其适用于微观对象(比如细胞的自然发色团)的光谱分析。因此，可以按细胞级或子细胞级来研究红细胞的光学特性。此外，根据本发明的光源所提供的高功率还使得它可应用于通量显微光谱学的领域，尤其适用于研究衍射图形中所得到的色彩排列现象，参见如下公布：Kerker，“The scattering of light and otherelectromagnetic radiation”，p.396，1969。
第九领域是利用光纤进行的图像(可能是全息图像)的传输。数据传输利用光谱调制技术来执行，这种技术要求波长范围宽功率高的光有完全不变的光谱分布，以便补偿传输光纤中的固有损耗。因此，根据本发明的光源鉴于其特性尤其适用于这种应用。
此外，还可以设想许多其他应用，尤其是白光全息术和所谓的Lippmann摄影术的领域中的应用，或者原子或粒子操纵的领域中的应用(以便例如覆盖原子体系的一条或多条光吸收谱线，参见如下文献：“Atom cooling by white light”，Applied Physics B54，p.428-433，1992)。
本发明并不局限于以上只作为例子所述的白光产生设备的实施方式，而包括熟练技术人员在随后的权利要求书的范围内所能设想的所有变化。
Claims (21)
1. 一种用于产生多色光的设备(D)，其特征在于，该设备包括：光泵激装置(MP)，它能够在输出端(SMP)传送具有至少两种不同激励波长(λ1，λ2)的辐射能；和由掺杂玻璃制成的光导装置(GL)，它具有耦合到所述光泵激装置(MP)的所述输出端(SMP)的输入端(EGL)并且用于当被所述辐射能以非线性交互方式所激励时在输出端(SGL)传送非线性效应之间的竞争所得到的多色光。
2. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述由掺杂玻璃制成的光导装置(GL)具有色散分布，该色散分布包括与至少一个所选波长(λc)有关的至少一个截止；还在于，所述光泵激装置(MP)用于以一些高于和低于所述所选波长(λc)的激励波长(λ2，λ1)来传送所述辐射能。
3. 如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述由掺杂玻璃制成的光导装置(GL)属于单模类型，以便在其输出端传送横向单模多色光。
4. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光泵激装置(MP)用于以脉冲和时间同步的方式来传送所述辐射能。
5. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光泵激装置(MP)用于连续或准连续地传送所述辐射能。
6. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光泵激装置(MP)包括能够以所述不同激励波长(λ1，λ2)传送所述辐射能的激光源(SL)。
7. 如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述激光源包括能够传送第一激励波长(λ1)的激光器(SL)；还在于，所述光泵激装置(MP)包括变频装置(DF)，该变频装置由所述激光器(SL)提供辐射能并能够以至少一个第二激励波长(λ2)传送所述辐射能。
8. 如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述变频装置(DF)可以采取至少一个倍频器的形式，该倍频器能够以是所述第一激励波长(λ1)二分之一的第二激励波长(λ2)传送所述辐射能。
9. 如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述变频装置(DF)可以采取至少一个三倍频器的形式，该三倍频器能够以是所述第一激励波长(λ1)二分之一的第二激励波长(λ2)和是所述第一激励波长(λ1)三分之一的第三激励波长(λ3)传送所述辐射能。
10. 如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述激光源(SL)包括能够以所述不同激励波长(λ1，λ2)传送所述辐射能的参数振荡器。
11. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述掺杂玻璃的光导装置(GL)包括光导。
12. 如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述光导安装在集成电路中。
13. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述掺杂玻璃的光导装置(GL)包括具有所选尺寸的光纤。
14. 如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述光纤(GL)是微结构的。
15. 如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述光纤(GL)选自包括至少如下的集合：一种多孔光纤和一种光子光纤。
16. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述掺杂玻璃的光导装置(GL)属于称为极化选择的类型。
17. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述掺杂玻璃的光导装置(GL)属于称为极化保持的类型。
18. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，它包括滤波装置(MF)，适于对所述掺杂玻璃的光导装置(GL)下游的辐射能的某些所述波长进行滤波。
19. 如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述滤波装置(MF)包括至少一个布拉格光栅。
20. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，它包括耦合装置(MC)，用于使所述光泵激装置(MP)与所述掺杂玻璃的光导装置(GL)的输入端(EGL)耦合。
21. 如上述权利要求中任一项所述的设备(D)的用途，适用于这样的范围，该范围选自包括至少如下各项的集合：物理量值的计量学；光学显微镜学尤其是X射线断层成像以及三维显微镜学；光谱学；样本的医学分析尤其是流动血细胞计数；医学全息术；图像尤其是全息图像的传输；显微和亚显微粒子的操纵；和干涉测量学。
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