CN102360148A - 基于纳米光纤的超连续谱产生方法与系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于纳米光纤的超连续谱产生方法，是将飞秒激光脉冲按要求进行偏振与强度调整后使其进入由单模光纤或多模光纤制作且含有纳米光纤波导的超连续谱产生器中，通过纳米光纤波导形成超连续谱光脉冲后输出。一种基于纳米光纤的超连续谱产生系统，包括飞秒激光器、空间耦合装置、超连续谱产生器、超连续谱测量装置、偏振与强度调整器及显微镜，所述超连续谱产生器由单模光纤或多模光纤制作且含有纳米光纤波导，所述空间耦合装置由透镜和放置超连续谱产生器的三维调节台组成；飞秒激光器、偏振与强度调整器、透镜、超连续谱产生器和超连续谱测量装置依次设置在同一光路上，显微镜安装在超连续谱产生器的上方。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，特别涉及超连续谱的产生方法与产生系统。
背景技术
超连续谱(Supercontinuum，简称SC)的产生指的是当高功率的超短光脉冲在通过非线性光学介质(如固体、液体、气体和半导体等)的过程中，由于介质中的各种非线性效应作用，传输脉冲的光谱中会产生许多新的频率成份，使得输出脉冲光谱宽度远大于入射脉冲的谱宽。SC谱范围可从可见光一直延续扩展到紫外和红外区域，其频谱展宽机理来自非线性光学介质中的自聚集(Self Focus)、自相位调制(Self PhaseModulation，简称SPM)、交叉相位调制(Cross Phase Modulation，简称XPM)、四波混频(FourWave Mixing，简称FWM)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，简称SRS)等非线性效应的共同作用。R.R.Alfano和S.L.Shapiro于1970年利用倍频锁模钕玻璃皮秒激光脉冲泵浦块状硼硅酸盐(borosilicate)玻璃，首次获得分布在400～700nm可见光区域内的SC谱，从此宣告SC谱研究的开始。
光纤设计制作技术的迅速发展，促进了SC谱技术的发展完善，其应用领域不断地得到扩大。SC谱技术在激光度量学、生物医学、全光信号处理以及光通信系统等方面的主要应用如：超高精度的光频测量，光纤群速度及光脉冲波形测量，光学相干层析技术，全光模拟-数字信号转换器(ADC)及自频率变换，波分复用(WDM)系统中多波长载波光源。
现有超连续谱产生介质主要有块状介质(如蓝宝石)、光子晶体光纤(微结构光纤)、拉制到微米尺度的光子晶体光纤，当飞秒激光脉冲进入由上述介质制作的超连续谱产生器，则形成超连续谱光脉冲。上述块状介质产生的超连续谱虽然功率高，但是光束质量差；上述光子晶体光纤产生的超连续谱虽然光束质量好，但是由于光子晶体光纤的制作工艺复杂，成本昂贵，因而导致超连续谱产生系统的成本高，其普及受到限制，再则，由于光子晶体光纤属于微结构光纤，为了使其微结构不被破坏，此类光纤制作的超连续谱产生器中的产生连续谱的光纤波导直径不能过小(即达到纳米级)，因而在光集成领域的应用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于纳米光纤的超连续谱产生方法与产生系统，以大幅度降低成本，扩大超连续谱光脉冲的应用范围。
本发明所述基于纳米光纤的超连续谱产生方法，是将飞秒激光脉冲按要求进行偏振与强度调整后使其进入由单模光纤或多模光纤制作且含有纳米光纤波导的超连续谱产生器中，通过纳米光纤波导形成超连续谱光脉冲后输出。
本发明所述方法中，纳米光纤波导是直接将单模光纤或多模光纤剥去涂覆层之后用氢氧焰熔融法(见L.Tong，et al.，″Subwavelength-diameter silica wires for low-loss optical waveguiding，″Nature，vol.426，pp.816-819，2003.)拉制而成。所述纳米光纤波导优选以下两种结构：
1、纳米光纤波导为线状体，其直径为500nm～2000nm。
2、纳米光纤波导为直径500nm～2000nm的线状体绕成的“线状体-圆环-线状体”复合结构。
本发明所述基于纳米光纤的超连续谱产生系统，包括飞秒激光器、空间耦合装置、超连续谱产生器、超连续谱测量装置、偏振与强度调整器及显微镜，所述超连续谱产生器由单模光纤或多模光纤制作且含有纳米光纤波导，所述空间耦合装置由透镜和放置超连续谱产生器的三维调节台组成；飞秒激光器、偏振与强度调整器、透镜、超连续谱产生器和超连续谱测量装置依次设置在同一光路上，显微镜安装在超连续谱产生器的上方；飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲经偏振与强度调整器调整后通过透镜进入超连续谱产生器形成超连续谱光脉冲输出，通过超连续谱测量装置检测。
本发明所述超连续谱产生系统中，超连续谱产生器有以下两种结构：
1、超连续谱产生器为整体式结构，依次由飞秒激光注入波导、纳米光纤波导和超连续谱导出波导连接而成，所述纳米光纤波导为线状体，其直径为500nm～2000nm，长度L1＝10mm～40mm。
2、超连续谱产生器为分体式结构，由飞秒激光注入波导、纳米光纤波导和超连续谱导出波导组成，所述纳米光纤波导是由直径500nm～2000nm的线状体绕成的“线状体-圆环-线状体”复合结构，其长度L2＝10mm～40mm，所述纳米光纤波导位于飞秒激光注入波导与超连续谱导出波导之间，其两端分别与飞秒激光注入波导、超连续谱导出波导搭接。所述纳米光纤波导的圆环内径优选100μm～200μm。
本发明所述超连续谱产生系统中，偏振与强度调整器有以下两种结构：
1、偏振与强度调整器由一个1/2λ波片和一个偏振片组成；当偏振片不动时，旋转1/2λ波片可以在保证输入超连续谱产生器的飞秒激光偏振方向不变的情况下，连续调整飞秒激光强度；当1/2λ波片不动时，旋转偏振片则可既改变飞秒激光的强度，又改变飞秒激光的偏振方向；若同时旋转1/2λ波片和偏振片可以在保证输入超连续谱产生器的飞秒激光强度不变的情况下，调整飞秒激光的偏振方向。
2、偏振与强度调整器由一个1/2λ波片与产生飞秒激光的飞秒激光器组成或一个1/4λ波片与产生飞秒激光的飞秒激光器组成；通过旋转1/4λ波片可以将输入超连续谱产生器的飞秒激光调整为圆偏振光和不同的椭圆偏振光，通过旋转1/2λ波片可以将输入超连续谱产生器的飞秒激光调整为不同偏振方向的线偏振光，通过调整飞秒激光器可控制输入超连续谱产生器的飞秒激光的强度。
本发明所述超连续谱产生系统中，超连续谱测量装置由光谱仪和光纤功率计组成，为市售商品。
本发明与现有技术相比具有以下有益技术效果：
1、由于超连续谱产生器由普通通信光纤——单模光纤或多模光纤制作且含有纳米光纤波导，因而不仅弥补了在微纳波导中产生超连续谱的空白，扩大了超连续谱光脉冲的应用范围，特别是在光集成领域的应用，而且大幅度降低了成本，与光子晶体光纤制作超连续谱产生器相比，降低成本5000倍以上。
2、超连续谱产生器为整体式结构，系统整体稳定、简洁，便于飞秒激光脉冲的注入和尾端的功率、光谱测量。
3、超连续谱产生器为分体式结构，飞秒激光注入波导、纳米光纤波导和超连续谱导出波导三个分离器件之间的光依靠纳米线的倏逝波耦合方式进行传输，可以方便的对纳米光纤波导进行操作控制，便于研究不同纳米光纤波导参数对超连续谱产生的影响。
4、偏振与强度调整器的设置，可根据要求方便地调整进入超连续谱产生器的飞秒激光的强度和偏振方向。
附图说明
图1是本发明所述基于纳米光纤的超连续谱产生系统的一种结构示意图；
图2是本发明所述基于纳米光纤的超连续谱产生系统的另一种结构示意图；
图3是本发明所述基于纳米光纤的超连续谱产生系统中超连续谱产生器的一种结构示意图；
图4是本发明所述基于纳米光纤的超连续谱产生系统中超连续谱产生器的另一种结构示意图；
图5是图3所述超连续谱产生器在三维调节台上放置的示意图；
图6是图4所述超连续谱产生器在三维调节台上放置的示意图；
图7是使用本发明所述基于纳米光纤的超连续谱产生系统，在将不同功率的飞秒激光注入超连续谱产生器所形成的超连续谱光谱图。
图中，1-飞秒激光器，2-1/2λ波片或1/4λ波片，3-透镜，4-三维调节台，5-显微镜，6-超连续谱产生器，7-超连续谱探测装置，8-偏振片，9-飞秒激光注入波导，10-纳米光纤波导，11-超连续谱导出波导，12-水平面上X方向的移动平台，13-水平面上Y方向的移动平台，14-垂直方向的移动平台，15-固定式支撑台。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明所述基于纳米光纤的超连续谱产生方法与系统作进一步详细说明，但它仅用于说明本发明的一些具体的实施方式，而不应理解为对本发明保护范围的任何限定。
下述实施例中，飞秒激光器由美国相干公司(coherent)生产，振荡级-mantis系列，放大级-legend系列；超连续谱测量装置由光谱仪〔美国海洋光学公司(ocean optics)生产〕和光纤功率计(瞬秒公司生产)组成；透镜的规格：焦距f＝50mm，直径
三维调节台为精密光学移动平台，型号：GCM120302(中国大恒公司生产)，1/2λ波片、1/4λ波片和偏振片均为市售商品；超连续谱产生器中的飞秒激光注入波导、纳米光纤波导和超连续谱导出波导由型号为SMF-28e的单模光纤(美国康宁公司生产)剥去涂覆层之后用氢氧焰熔融法(见L.Tong，et al.，″Subwavelength-diameter silica wires for low-lossoptical wave guiding，″Nature，vol.426，pp.816-819，2003.)拉制而成。
实施例1
本实施例中，基于纳米光纤的超连续谱产生系统的结构如图1所示，由飞秒激光器1、空间耦合装置、超连续谱产生器6、超连续谱测量装置7、偏振与强度调整器及显微镜5构成。所述超连续谱产生器6的结构如图3所示，为整体式结构，依次由飞秒激光注入波导9、纳米光纤波导10和超连续谱导出波导11连接而成，所述纳米光纤波导10为线状体，其直径为1000nm，长度L1＝20mm。所述空间耦合装置由透镜3和放置超连续谱产生器的三维调节台4组成，三维调节台包括水平面上X方向的移动平台12，水平面上Y方向的移动平台13和垂直方向的移动平台14。偏振与强度调整器由一个1/2λ波片2与产生飞秒激光的飞秒激光器1组成。超连续谱产生器6固定在三维调节台4和固定式支撑台15上，其放置方式如图5所示。飞秒激光器1、1/2λ波片2、透镜3、超连续谱产生器6和超连续谱测量装置7依次设置在同一光路上，显微镜5安装在超连续谱产生器6中的纳米光纤波导10上方。
实施例2
本实施例中，基于纳米光纤的超连续谱产生系统的结构如图2所示，由飞秒激光器1、空间耦合装置、超连续谱产生器6、超连续谱测量装置7、偏振与强度调整器及显微镜5构成。所述超连续谱产生器6的结构如图4所示，为分体式结构，由飞秒激光注入波导9、纳米光纤波导10和超连续谱导出波导11组成，所述纳米光纤波导10为直径800nm的线状体绕成的“线状体-圆环-线状体”复合结构，其长度L2＝40mm，圆环的内径为150μm，所述纳米光纤波导10位于飞秒激光注入波导9与超连续谱导出波导11之间，其两端分别与飞秒激光注入波导9、超连续谱导出波导11搭接。所述空间耦合装置由透镜3和放置超连续谱产生器的三维调节台4组成，三维调节台包括水平面上X方向的移动平台12，水平面上Y方向的移动平台13和垂直方向的移动平台14。偏振与强度调整器由一个1/2λ波片2和一个偏振片8组成。超连续谱产生器6固定在三维调节台4和固定式支撑台15上，其放置方式如图6所示。飞秒激光器1、1/2λ波片2、偏振片8、透镜3、超连续谱产生器6和超连续谱测量装置7依次设置在同一光路上，显微镜5安装在超连续谱产生器6中的纳米光纤波导10上方。
实施例3
本实施例使用实施例1所述基于纳米光纤的超连续谱产生系统，将飞秒激光器1调整为飞秒激光的输出功率为125mW，飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲经1/2λ波片2、透镜3进入超连续谱产生器6形成超连续谱光脉冲输出，通过超连续谱测量装置7检测，得到图7中a所示的超连续谱光谱图。
实施例4
本实施例使用实施例1所述基于纳米光纤的超连续谱产生系统，将飞秒激光器1调整为飞秒激光的输出功率为100mW，飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲经1/2λ波片2、透镜3进入超连续谱产生器6形成超连续谱光脉冲输出，通过超连续谱测量装置7检测，得到图7中b所示的超连续谱光谱图。
实施例5
本实施例使用实施例2所述基于纳米光纤的超连续谱产生系统，偏振片不动，旋转1/2λ波片将透过偏振片后的飞秒激光功率调整为65mW，飞秒激光脉冲经透镜3进入超连续谱产生器6形成超连续谱光脉冲输出，通过超连续谱测量装置7检测，得到图7中c所示的超连续谱光谱图。
实施例6
本实施例使用实施例2所述基于纳米光纤的超连续谱产生系统，偏振片不动，旋转1/2λ波片将透过偏振片后的飞秒激光功率调整为50mW，飞秒激光脉冲经透镜3进入超连续谱产生器6形成超连续谱光脉冲输出，通过超连续谱测量装置7检测，得到图7中d所示的超连续谱光谱图。
Claims (9)
1.一种基于纳米光纤的超连续谱产生方法，其特征在于将飞秒激光脉冲按要求进行偏振与强度调整后使其进入由单模光纤或多模光纤制作且含有纳米光纤波导的超连续谱产生器中，通过纳米光纤波导形成超连续谱光脉冲后输出。
2.根据权利要求1所述的基于纳米光纤的超连续谱产生方法，其特征在于所述纳米光纤波导(10)为线状体，其直径为500nm～2000nm。
3.根据权利要求1所述的基于纳米光纤的超连续谱产生方法，其特征在于所述纳米光纤波导(10)为直径500nm～2000nm的线状体绕成的“线状体-圆环-线状体”复合结构。
4.一种基于纳米光纤的超连续谱产生系统，包括飞秒激光器(1)、空间耦合装置、超连续谱产生器(6)、超连续谱测量装置(7)，其特征在于还包括偏振与强度调整器及显微镜(5)，所述超连续谱产生器(6)由单模光纤或多模光纤制作且含有纳米光纤波导(10)，所述空间耦合装置由透镜(3)和放置超连续谱产生器的三维调节台(4)组成；
飞秒激光器(1)、偏振与强度调整器、透镜(3)、超连续谱产生器(6)和超连续谱测量装置(7)依次设置在同一光路上，显微镜(5)安装在超连续谱产生器(6)的上方，飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲经偏振与强度调整器调整后通过透镜进入超连续谱产生器(6)形成超连续谱光脉冲输出，通过超连续谱测量装置(7)检测。
5.根据权利要求4所述的基于纳米光纤的超连续谱产生系统，其特征在于超连续谱产生器(6)为整体式结构，依次由飞秒激光注入波导(9)、纳米光纤波导(10)和超连续谱导出波导(11)连接而成，所述纳米光纤波导(10)为线状体，其直径为500nm～2000nm，长度L1＝10mm～40mm。
6.根据权利要求4所述的基于纳米光纤的超连续谱产生系统，其特征在于超连续谱产生器(6)为分体式结构，由飞秒激光注入波导(9)、纳米光纤波导(10)和超连续谱导出波导(11)组成，所述纳米光纤波导(10)为直径500nm～2000nm的线状体绕成的“线状体-圆环-线状体”复合结构，其长度L2＝10mm～40mm，所述纳米光纤波导(10)位于飞秒激光注入波导(9)与超连续谱导出波导(11)之间，其两端分别与飞秒激光注入波导(9)、超连续谱导出波导(11)搭接。
7.根据权利要求6所述的基于纳米光纤的超连续谱产生系统，其特征在于所述纳米光纤波导(10)中圆环的内径为100μm～200μm。
8.根据权利要求4至7中任一权利要求所述的基于纳米光纤的超连续谱产生系统，其特征在于偏振与强度调整器由一个1/2λ波片和一个偏振片(8)组成。
9.根据权利要求4至7中任一权利要求所述的基于纳米光纤的超连续谱产生系统，其特征在于偏振与强度调整器由一个1/2λ波片与产生飞秒激光的飞秒激光器(1)组成或一个1/4λ波片与产生飞秒激光的飞秒激光器(1)组成。
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