CN101764350B - 基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源，脉冲型可调谐单模掺镱光纤激光器作为激发源通过单模光纤连接到内充高压氢气(H2)的空芯光子晶体光纤一端，空芯光子晶体光纤另一端连接到单模光纤作为输出端。本发明相对于传统的光纤激光器，其阈值更低，波长选择灵活，覆盖光谱范围更宽，作为一种扩展激光波长的重要方法可在一些重要波段获得常规激光器无法获得的激光。
Description
技术领域：
本发明涉及光学技术领域，具体是一种基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源。
背景技术：
气体拉曼(Raman)激光在非线性光学、激光光谱学以及高精度痕量气体探测等方面发挥着重要作用。但对于气体等低密度介质，由于光学非线性系数低，使得物质产生受激拉曼散射(SRS)效应的阈值很高，对激发光功率要求极高；同时，受光波传输过程中衍射效应等因素影响，传统方法中光波与气体间的有效相互作用距离短，因此很难观察到斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(Anti-stokes)光的产生。近年来，人们将空芯光子晶体光纤(HCPCF)作为光波与低密度气体介质非线性相互作用的平台。由于HCPCF纤芯为一直径较大的孔，在纤芯孔内可填充不同的气体或其它低密度介质，利用HCPCF优良的波导特性，可将光波能量限制在纤芯中以基模传输，纤芯中能量密度高、与填充介质间的相互作用面积小，可大大增强非线性相互作用效果，同时HCPCF的低损耗波导传输特性克服了光波空间传输时衍射效应的影响，相互作用距离长，可进一步增强非线性相互作用效果。
但迄今为止，基于HCPCF的气体SRS效应大多采用大功率的固体激光器或高功率的双包层光纤激光器泵浦方案，泵浦复杂、功耗大，严重制约了利用拉曼增益发展小型化气体拉曼激光器的进程。对激发光而言，若采用紧凑型低功耗的稀土掺杂单模光纤激光器泵浦方案，不但可以实现整个气体拉曼激光光源系统的全光纤化，同时利用掺杂光纤本身的宽带增益特性，通过引入可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)对光纤激光器宽带调谐，从而实现可调谐气体拉曼激光的输出。
基于空芯光子晶体光纤(HCPCF)的可调谐气体拉曼激光光源，即在HCPCF中填充气体，两端与单模光纤熔接构成高压气室，在一般功率的脉冲激光泵浦下，通过HCPCF增强的气体SRS效应，获得较高的拉曼增益，激发光通过该高压气室时发生受激拉曼散射(SRS)，其散射光谱存在相对入射光有一定频移的成分，即实现了激光波长变换。结合激发光的宽带可调谐特性，实现宽带可调谐气体拉曼激光的输出。相对于传统的光纤激光器，基于HCPCF的可调谐拉曼气体激光光源阈值更低，波长选择灵活，覆盖光谱范围更宽，作为一种扩展激光波长的重要方法可在一些重要波段获得常规激光器无法获得的激光。
发明内容：
本发明的目的是以空芯光子晶体光纤(HCPCF)为平台，通过可调谐脉冲激发光与HCPCF纤芯中气体之间的非线性相互作用，提出了一种基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源，弥补了常规激光器无法获得某些重要波段的不足，实现了激光波长的扩展，并具有较灵活的波长选择性。
本发明采用的技术方案：
基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源：激发源通过单模光纤连接到内充高压氢气(H2)的空芯光子晶体光纤一端，空芯光子晶体光纤另一端连接到单模光纤作为输出端。
所述的激发源为脉冲型可调谐单模掺镱光纤激光器，腔镜由萨格奈克(Sagnac)全反射环镜与可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)共同构成，基于3dB耦合器构成的萨格奈克(Sagnac)全反射环镜连接到波分复用耦合器，所述的脉冲型可调谐单模掺镱光纤激光器，还具有一半导体激光器，半导体激光器连接到波分复用耦合器，波分复用耦合器连接到单模掺镱光纤，单模掺镱光纤连接到声光调制器，声光调制器连接到可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)，可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)连接到单模光纤。
所述的单模光纤与空芯光子晶体光纤之间的接触点，是采用熔接的方式进行连接。
本发明的设计思想：
基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源的实现：采用脉冲型可调谐单模掺镱光纤激光器进行激发，高压气室中的氢气(H2)发生SRS效应，其散射光频率发生频移，实现气体拉曼激光的输出。受激拉曼散射(SRS)产生斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(Anti-stokes)光的公式为：ωs＝ωp-ωv和ωas＝ωp+ωv(其中ωp为单模掺镱光纤激光器产生的激发光频率，ωv为原子或分子振动或转动能级改变时所对应的光学声子频率，ωs和ωas分别为斯托克斯光和反斯托克斯光频率)，转换成波长公式，可以表示为：C/λs＝C/λp-ωv和C/λas＝C/λp+ωv(其中λp为单模掺镱光纤激光器产生的激发光波长，C为光速，λs和λas分别为斯托克斯光和反斯托克斯光波长)。以H2作为拉曼介质，存在转动SRS效应和振动SRS效应，两者对应的ωv不同，分别约为18THz和125THz，但受到HCPCF本身传输带宽和激发源功率(即单模掺镱光纤激光器输出功率)的限制，仅能获得由纯转动SRS效应产生的一阶Stokes光。
基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源，激发源为脉冲型可调谐单模掺镱光纤激光器：以单模掺镱光纤为激光器的工作物质，采用尾纤型声光调制器，腔镜由萨格奈克(Sagnac)全反射环镜与可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)共同构成，改变可调FBG的工作波长，激发源可以实现可调谐调Q激光脉冲输出。
基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源的方法：以HCPCF为平台，两端与普通单模光纤熔接，内充高压H2，构成高压气室。单模掺镱光纤激光器产生的激光经单模光纤进入高压气室，获得的气体拉曼激光经单模光纤输出。
本发明的优点：
本发明提供的基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源，相对于传统的光纤激光器，其阈值更低，波长选择灵活，覆盖光谱范围更宽，作为一种扩展激光波长的重要方法可在一些重要波段获得常规激光器无法获得的激光。
附图说明：
图1为本发明激光光源系统结构图；
图2为本发明激光光源系统(激发光波长为1064nm时)输出光谱图；
图3为本发明激光光源系统激光波长可调谐方案实例。
具体实施方式：
参见图1：
基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源，其特征在于：激发源1通过单模光纤2连接到内充高压氢气(H2)的空芯光子晶体光纤3，空芯光子晶体光纤3连接到单模光纤4作为输出端。
所述的激发源为脉冲型可调谐单模掺镱光纤激光器，腔镜由萨格奈克(Sagnac)全反射环镜5与可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)6共同构成，基于3dB耦合器构成的萨格奈克(Sagnac)全反射环镜5连接到波分复用耦合器7，所述的脉冲型可调谐单模掺镱光纤激光器，还具有一半导体激光器8，半导体激光器8连接到波分复用耦合器7，波分复用耦合器7连接到单模掺镱光纤9，单模掺镱光纤9连接到声光调制器10，声光调制器10连接到可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)4，可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)4连接到单模光纤2。
所述的单模光纤2、4与空芯光子晶体光纤3之间的接触点11，是采用熔接的方式进行连接。
该系统中，基于3dB耦合器(OC)构成的萨格奈克(Sagnac)全反射环镜和可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)共同为单模掺镱光纤激光器的腔镜，可调FBG同时作为激光器的输出端，半导体激光器(LD)输出的975nm泵浦光经波分复用耦合器(WDM)耦合进单模掺镱光纤(YDF)，利用尾纤型声光调制器(AOM)，单模掺镱光纤激光器实现调Q脉冲输出。两端与单模光纤(SMF)熔接的空芯光子晶体光纤，内充高压氢气(H2)，构成高压气室，高压气室通过单模光纤与可调FBG相连。设置AOM调制频率为5kHz，上升沿为10ns，可调FBG置于中心波长(1064nm)处，当LD的泵浦功率增大到160mW时，光谱仪检测到波长为1135nm的气体拉曼激光输出(图2)，继续增大泵浦功率，拉曼激光输出幅度增加。将泵浦功率固定于180mW，改变可调FBG的工作波长，输出气体拉曼激光波长随之变化，当可调FBG的工作波长在1064±5nm范围内变化，相应输出拉曼激光的波长在1129～1142nm范围内实现调谐。
Claims (2)
1.基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源，其特征在于：激发源通过单模光纤连接到内充高压氢气(H2)的空芯光子晶体光纤一端，空芯光子晶体光纤另一端连接到单模光纤作为输出端；激发源为脉冲型可调谐单模掺镱光纤激光器，所述的脉冲型可调谐单模掺镱光纤激光器，腔镜由萨格奈克(Sagnac)全反射环镜与可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)共同构成，萨格奈克(Sagnac)全反射环镜连接到波分复用耦合器，所述的脉冲型可调谐单模掺镱光纤激光器，还具有一半导体激光器，半导体激光器连接到波分复用耦合器，波分复用耦合器连接到单模掺镱光纤，单模掺镱光纤连接到声光调制器，声光调制器连接到可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)，可调光纤布拉格光栅(Tunable FBG)连接到单模光纤。
2.根据权利要求1所述的基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源，其特征在于：所述的单模光纤与空芯光子晶体光纤之间的接触点，是采用熔接的方式进行连接。
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