CN102751648A - 一种基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，该光纤光源为多泵浦双程后向结构，是采用掺铒光子晶体光纤作为增益介质的。980nm激光器的尾纤与第一波分复用器一端熔接；810nm激光器的尾纤与第三波分复用器一端熔接；665nm激光器的尾纤与第三波分复用器一端熔接；第一波分复用器的另两端与第二光谱滤波器、掺铒光子晶体光纤熔接；第二波分复用器一端与掺铒光子晶体光纤熔接，第二波分复用器的另两端与第一光谱滤波器、第三波分复用器熔接；第二光谱滤波器的出纤端与光纤隔离器的入纤端熔接，光纤隔离器的出纤端作为光输出端。本发明光纤光源利用多个特殊波长激光器同时泵浦来实现有效的光褪色，从而保证了在空间辐照环境下，掺铒光纤光源的平均波长和输出功率的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带光纤光源，更特别地说，涉及一种基于主动光褪色的抗辐射宽带光纤光源。
背景技术
作为一种有源光纤器件的增益和传输介质，掺铒光纤已经广泛的应用于陆地和海底长线或者高分布式通信系统。随着空间技术的不断发展，基于掺铒光纤的有源器件在空间的应用潜力已受到人们越来越多的关注。但太空充满宇宙射线的特殊环境必须引起人们重视。研究表明，在采用特殊的工艺技术时，泵浦激光器、普通光纤器件和器件尾纤已经具备较好的抗辐照能力，而掺铒光纤作为有源光纤器件的增益和传输介质，与普通光纤不同，除了掺Ge外，还根据需要掺杂了较高浓度的Al、Er和P等离子，这种材料结构使得掺铒光纤对辐照具有很高的敏感度。辐照射线能改变掺铒光纤的工作特性，甚至使之失效，这会对掺铒光纤光源与系统的可靠性和寿命造成严重影响，因此对掺铒光纤光源的防护技术的研究是空间应用必须解决的一项重要课题。
目前对掺铒光纤光源抗辐照问题的解决大都采用被动防护的方法，没有从本质上探索解决其抗辐照问题。被动防护法虽然能通过加重金属屏蔽来提高掺铒光纤光源的抗辐射性能，但在空间应用中过多的质量增加是不允许的。
专利申请号CN 201110307869.7中公开了“一种抗辐射的宽谱光纤光源”，980nm泵浦光经波分复用器耦合入掺铒光纤中，经铒离子的自发放大辐射后输出的混合光；混合光经第二波分复用器、反射镜后形成反射光；从第二波分复用器输出的残余980nm的泵浦光经980nm监控探测器转换成电压信号输出。该方法通过控制掺铒光纤中980nm泵浦光和光谱滤波技术实现宽谱光纤光源的抗辐射特性。
掺铒光纤中，辐照引起的损耗是由于色心的产生；色心是由材料中的带电结构缺陷以及本身的掺杂和不纯俘获高能射线电离的电子和空穴形成的，在热、光等作用下辐照产生的损伤会得到恢复，这一过程这被称为褪色效应。基于褪色效应的抗辐照技术主要有两种，一种是热褪色，另一种是光褪色。对于热褪色这种方法，需要加热到很高的温度（300℃）才能产生明显的褪色效应，而如此高的温度会对其它光学器件造成伤害，因此不适合空间应用。光褪色抗辐射技术具有方法简单、适用性强、褪色效率高的独特优点，对于空间应用而言，是一种具有广阔发展潜力的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，该光纤光源为双程后向结构；光路结构中掺铒光纤采用掺铒光子晶体光纤作为增益介质，该掺铒光子晶体光纤具有较低的截止波长，能保证多波长的光在所述掺铒光子晶体光纤中有效的传输；采用多个特殊波长激光器同时泵浦，大大增强了掺铒光纤辐射条件下的光褪色效应，结合光谱滤波技术从而保证光纤光源辐照环境中输出的超荧光具有较高的平均波长和输出功率稳定性。
本发明的一种基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其包括有980nm激光器（1）、810nm激光器（2）、665nm激光器（3）、第一波分复用器（4）、掺铒光子晶体光纤（5）、第二波分复用器（6）、第一光谱滤波器（7）、第三波分复用器（8）、第二光谱滤波器（9）和光纤隔离器（10）；
980nm激光器（1）的尾纤与第一波分复用器（4）的第一接头（41）熔接；
810nm激光器（2）的尾纤与第三波分复用器（8）的第二接头（82）熔接；
665nm激光器（3）的尾纤与第三波分复用器（8）的第三接头（83）熔接；
第一波分复用器（4）的第二接头（42）与第二光谱滤波器（9）的入纤端熔接，第一波分复用器（4）的第三接头（43）与掺铒光子晶体光纤（5）的第一接头（501）熔接；
掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）与第二波分复用器（6）的第一接头（61）熔接，第二波分复用器（6）的第二接头（62）与第一光谱滤波器（7）的第一接头（71）熔接，第二波分复用器（6）的第三接头（63）与第三波分复用器（8）的第一接头（81）熔接；
第二光谱滤波器（9）的出纤端与光纤隔离器（10）的入纤端熔接，光纤隔离器（10）的出纤端作为光输出端，所述光输出端用于输出稳定的超荧光。
本发明的一种基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其光传播方式为：
第一光路的走向：980nm激光器（1）输出的980nm激光（101）经第一波分复用器（4）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第一接头（51）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对980nm激光（101）进行放大自发辐射，生成前向光（102）和后向光（104）；所述前向光（102）经第二波分复用器（6）后，由第一光谱滤波器（7）的第一接头（71）进入第一光谱滤波器（7）中；第一光谱滤波器（7）对所述前向光（102）进行反射，成为反射光（103）；所述反射光（103）经第二波分复用器（6）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对所述反射光（103）进行光放大，生成放大光（105）；所述后向光（104）与所述放大光（105）在掺铒光子晶体光纤（5）中会生成混合光（106）；所述混合光（106）经第一波分复用器（4）的第二接头（42）输出至第二光谱滤波器（9）中；
第二光路的走向：810nm激光器（2）输出的810nm激光（201）经第三波分复用器（8），经第二波分复用器（6）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对810nm激光（201）进行放大自发辐射，生成前向光（202）和后向光（204）；所述后向光（204）经第二波分复用器（6）后，由第一光谱滤波器（7）的第一接头（71）进入第一光谱滤波器（7）中；第一光谱滤波器（7）对所述后向光（204）进行反射，成为反射光（203）；所述反射光（203）经第二波分复用器（6）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对所述反射光（203）进行光放大，生成放大光（205）；所述前向光（202）与所述放大光（205）在掺铒光子晶体光纤（5）中会生成混合光（206）；所述混合光（206）经第一波分复用器（4）的第二接头（42）输出至第二光谱滤波器（9）中；
第三光路的走向：665nm激光器（3）输出的665nm激光（301）经第三波分复用器（8），经第二波分复用器（6）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对665nm激光（301）进行放大自发辐射，生成前向光（302）和后向光（304）；所述后向光（304）经第二波分复用器（6）后，由第一光谱滤波器（7）的第一接头（71）进入第一光谱滤波器（7）中；第一光谱滤波器（7）对所述后向光（304）进行反射，成为反射光（303）；
所述反射光（303）经第二波分复用器（6）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对所述反射光（303）进行光放大，生成放大光（305）；所述前向光（302）与所述放大光（305）在掺铒光子晶体光纤（5）中会生成混合光（306）；所述混合光（306）经第一波分复用器（4）的第二接头（42）输出至第二光谱滤波器（9）中；
褪色效应光路的走向：在铒光子晶体光纤（5）中，一方面接收980nm激光器（1）输出的980nm激光（101）、前向光（102）经第一光谱滤波器（7）反射的反射光（103）、810nm激光器（2）输出的810nm激光（201）、后向光（204）经第一光谱滤波器（7）反射的反射光（203）、665nm激光器（3）输出的665nm激光（301）、后向光（304）经第一光谱滤波器（7）反射的反射光（303）；在铒光子晶体光纤（5）中，另一方面输出反射光（103）放大后的放大光（105）、后向光（104）、反射光（203）放大后的放大光（205）、前向光（202）、前向光（302）、反射光（303）放大后的放大光（305）；在铒光子晶体光纤（5）中，由于泵浦能态的激发态吸收效应，会在前后两个方向上产生545nm的绿色超荧光（901）。
本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源的优点在于：
①本发明设计的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源包括有四路光路走向，其中前三路产生信号光，第四路光走向即光褪色效应光路走向，该路光走向综合了前三路，利用光褪色效应对掺铒光子晶体光纤5在辐照环境下形成的色心进行光褪色，最终结合光谱滤波技术保证输出光平均波长和功率在辐照环境下的稳定性。
②980nm激光器1出射980nm激光101、810nm激光器2出射810nm激光201、665nm激光器3出射665nm激光301，在本发明设计的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源中，几种激光既是泵浦光又是褪色光；当外界环境辐照条件（辐照总剂量，辐照剂量率）一定时，通过调节980nm激光器1、810nm激光器2、665nm激光器3的泵浦或褪色光功率，使本发明设计的光源具有很好的抗辐射性能，输出平均波长和光功率稳定的宽谱光。
③该掺铒光子晶体光纤5的截止波长较低，传播各种波段泵浦激光的同时，能将铒离子泵浦能态的激发态吸收效应产生的短波长的超荧光（545nm绿色超荧光901）限制在纤芯中传播用于主动光褪色，另外，该掺铒光子晶体光纤5纤芯中掺杂了较低浓度的含铝的化合物和适当浓度的可变价不着色阳离子，自身具有一定的抗辐照能力。
④第一光谱滤波器7具有光谱选择性反射功能，反射掺铒光子晶体光纤5产生的前向光102、后向光204和后向光304，在调节输出光谱的同时增强光源输出超荧光功率。
⑤第二光谱滤波器9滤掉ASE信号光在辐射环境中变化比较剧烈的1560nm长波波段光谱输出1531nm波段的高斯光谱，该波段光谱在辐照环境中表现出较好的稳定性。
附图说明
图1是本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源的结构图。
图2A是本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源第一光路走向示意图
图2B是本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源第二光路走向示意图
图2C是本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源第三光路走向示意图
图2D是本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源褪色效应光路走向示意图。
图3A是本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源采用的实芯掺铒光子晶体光纤端面图。
图3B是本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源采用的实芯保偏掺铒光子晶体光纤端面图。
图3C是本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源采用的多芯掺铒光子晶体光纤端面图。
图4是本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源中第二光谱滤波器的滤波光谱。
图5是本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源中第二光谱滤波器输出的高斯光谱。
| 1.980nm激光器 | 2.810nm激光器 | 3.665nm激光器 | 4.第一波分复用器 |
| 41.第一接头 | 42.第二接头 | 43.第三接头 | 5.掺铒光子晶体光纤 |
| 501.第一接头 | 502.第二接头 | 51.A有源纤芯 | 511.B有源纤芯 |
| 512.C有源纤芯 | 52.第一包层 | 521.空气孔 | 522.A大空气孔 |
| 523.B大空气孔 | 53.第二包层 | 54.涂敷层 | 6.第二波分复用器 |
| 61.第一接头 | 62.第二接头 | 63.第三接头 | 7.第一光谱滤波器 |
| 71.第一接头 | 8.第三波分复用器 | 81.第一接头 | 82.第二接头 |
| 83.第三接头 | 9.第二光谱滤波器 | 10.光纤隔离器 |
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加明确，下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明设计的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源无需电路进行光的补偿控制，而仅利用光的褪色效应得到具有较高的平均波长和输出功率稳定的超荧光。本发明的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源是一种适用于低剂量辐射的光纤传感系统。
参见图1所示，本发明基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源包括有980nm激光器
1、810nm激光器2、665nm激光器3、第一波分复用器4、掺铒光子晶体光纤5、第二波分复用器6、第一光谱滤波器7、第三波分复用器8、第二光谱滤波器9和光纤隔离器10。
第一波分复用器4的三个光纤连接头分别称为第一接头41、第二接头42和第三接头43。
掺铒光子晶体光纤5的一端光纤称为第一接头501，掺铒光子晶体光纤5的另一端光纤称为第二接头502。
第二波分复用器6的三个光纤连接头分别称为第一接头61、第二接头62和第三接头63。
第三波分复用器8的三个光纤连接头分别称为第一接头81、第二接头82和第三接头83。
第一光谱滤波器7一端的光纤连接头称为第一接头71。
本发明设计的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源的器件连接关系为：
980nm激光器1的尾纤与第一波分复用器4的第一接头41熔接；
810nm激光器2的尾纤与第三波分复用器8的第二接头82熔接；
665nm激光器3的尾纤与第三波分复用器8的第三接头83熔接；
第一波分复用器4的第二接头42与第二光谱滤波器9的入纤端熔接，第一波分复用器4的第三接头43与掺铒光子晶体光纤5的第一接头501熔接；
掺铒光子晶体光纤5的第二接头502与第二波分复用器6的第一接头61熔接，第二波分复用器6的第二接头62与第一光谱滤波器7的第一接头71熔接，第二波分复用器6的第三接头63与第三波分复用器8的第一接头81熔接；
第二光谱滤波器9的出纤端与光纤隔离器10的入纤端熔接，光纤隔离器10的出纤端作为光输出端，所述光输出端用于输出稳定的超荧光。
本发明设计的一种基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源的光传播方式为：
参见图2A所示，第一光路的走向：980nm激光器1输出的980nm激光101经第一波分复用器4后，由掺铒光子晶体光纤5的第一接头501进入掺铒光子晶体光纤5中；掺铒光子晶体光纤5对980nm激光101进行放大自发辐射，生成前向光102和后向光104；所述前向光102经第二波分复用器6后，由第一光谱滤波器7的第一接头71进入第一光谱滤波器7中；第一光谱滤波器7对所述前向光102进行反射，成为反射光103；所述反射光103经第二波分复用器6后，由掺铒光子晶体光纤5的第二接头502进入掺铒光子晶体光纤5中；掺铒光子晶体光纤5对所述反射光103进行光放大，生成放大光105；所述后向光104与所述放大光105在掺铒光子晶体光纤5中会生成混合光106；所述混合光106经第一波分复用器4的第二接头42输出至第二光谱滤波器9中。
参见图2B所示，第二光路的走向：810nm激光器2输出的810nm激光201经第三波分复用器8，经第二波分复用器6后，由掺铒光子晶体光纤5的第二接头52进入掺铒光子晶体光纤5中；掺铒光子晶体光纤5对810nm激光201进行放大自发辐射，生成前向光202和后向光204；所述后向光204经第二波分复用器6后，由第一光谱滤波器7的第一接头71进入第一光谱滤波器7中；第一光谱滤波器7对所述后向光204进行反射，成为反射光203；所述反射光203经第二波分复用器6后，由掺铒光子晶体光纤5的第二接头502进入掺铒光子晶体光纤5中；掺铒光子晶体光纤5对所述反射光203进行光放大，生成放大光205；所述前向光202与所述放大光205在掺铒光子晶体光纤5中会生成混合光206；所述混合光206经第一波分复用器4的第二接头42输出至第二光谱滤波器9中。
参见图2C所示，第三光路的走向：665nm激光器3输出的665nm激光301经第三波分复用器8，经第二波分复用器6后，由掺铒光子晶体光纤5的第二接头502进入掺铒光子晶体光纤5中；掺铒光子晶体光纤5对665nm激光301进行放大自发辐射，生成前向光302和后向光304；所述后向光304经第二波分复用器6后，由第一光谱滤波器7的第一接头71进入第一光谱滤波器7中；第一光谱滤波器7对所述后向光304进行反射，成为反射光303；所述反射光303经第二波分复用器6后，由掺铒光子晶体光纤5的第二接头502进入掺铒光子晶体光纤5中；掺铒光子晶体光纤5对所述反射光303进行光放大，生成放大光305；所述前向光302与所述放大光305在掺铒光子晶体光纤5中会生成混合光306；所述混合光306经第一波分复用器4的第二接头42输出至第二光谱滤波器9中。
参见图2D所示，褪色效应光路的走向：在铒光子晶体光纤5中，一方面接收980nm激光器1输出的980nm激光101、前向光102经第一光谱滤波器7反射的反射光103、810nm激光器2输出的810nm激光201、后向光204经第一光谱滤波器7反射的反射光203、665nm激光器3输出的665nm激光301、后向光304经第一光谱滤波器7反射的反射光303；
在铒光子晶体光纤5中，另一方面输出反射光103放大后的放大光105、后向光104、反射光203放大后的放大光205、前向光202、前向光302、反射光303放大后的放大光305；
在铒光子晶体光纤5中，由于泵浦能态的激发态吸收效应，会在前后两个方向上产生545nm的绿色超荧光901。
在铒光子晶体光纤5中，为了增加掺铒光纤中铒离子的溶解度和优化输出光谱特性，则需要共掺一定浓度的铝的化合物，而这种掺杂极大地增强了掺铒光纤的辐照敏感性。在伽玛射线辐照下，这种掺杂缺陷会吸收高能粒子电离出的电子和空穴形成色心，从而造成光纤光源光功率和光谱特性的下降。光褪色效应是指辐照条件下形成的色心在一定波长和功率的光的作用下色心逐渐消退的过程。
褪色效应光路走向是指第一光路走向、第二光路走向和第三光路走向的综合，该抗辐射掺铒光子晶体光纤光源的光褪色效应主要发生在掺铒光子晶体光纤5中。
掺铒光子晶体光纤5被980nm激光101，810nm激光201，665nm激光301泵浦，掺铒光子晶体光纤5中的铒离子产生前向光102、前向光202、前向光302和后向光104、后向光204、后向光304的同时，由于其泵浦能态的激发态吸收效应（也称为泵浦能态上转换效应），会在前后两个方向上产生545nm的绿色超荧光901。泵浦吸收发生在泵浦能态和一个非常短暂的能态2I11/2之间，通过一个辐射可见和红外光的中间能态无辐射地自发跃迁回泵浦态；在545nm可见绿光附近，2I11/2能态辐射最强（寿命约为0.7μs）。这种545nm的绿色超荧光901具有很高的褪色效率。由于掺铒光子晶体光纤5具有较低的截止波长，这种545nm绿色超荧光901协同980nm激光101，810nm激光201，665nm激光301和第一光路走向、第二光路走向和第三光路走向激发的超荧光共同参与掺铒光子晶体光纤5中色心的褪色作用，达到很好的光褪色效果。
（一）980nm激光器1
在本发明中，980nm激光器1用于输出980nm的激光101，该980nm激光101一方面泵浦铒离子产生前向光102和后向光104，另一方面对掺铒光子晶体光纤5辐照环境下产生的色心进行光褪色。
（二）810nm激光器2
在本发明中，810nm激光器2用于输出810nm的激光201，该810nm激光201一方面泵浦铒离子产生前向光202和后向光204，另一方面对掺铒光子晶体光纤5辐照环境下产生的色心进行光褪色。
（三）665nm激光器3
在本发明中，665nm激光器8用于输出665nm的激光301，该665nm激光301一方面泵浦铒离子产生前向光302和后向光304，另一方面对掺铒光子晶体光纤5辐照环境下产生的色心进行光褪色。
（四）第一波分复用器4
在本发明中，第一波分复用器4一方面把980nm激光101耦合进掺铒光子晶体光纤5；另一方面把掺铒光子晶体光纤5所产生的ASE（amplified spontaneousemission放大的自发辐射）后向光104，放大光105，前向光202，放大光205，前向光302，放大光305传输给第二光谱滤波器9。
（五）掺铒光子晶体光纤5
在本发明中，掺铒光子晶体光纤5一方面吸收980nm激光101、810nm激光201和665nm激光301进行放大自发辐射作用；另一方面对反射回的前向光102、后向光204和后向光304进行光放大。
掺铒光子晶体光纤5被980nm激光101，810nm激光201，665nm激光301泵浦，掺铒光子晶体光纤5中由于铒离子的泵浦能态激发态吸收效应（也称为泵浦能态上转换效应），在前后两个方向上产生545nm的绿色超荧光901。
参见图3A所示，掺铒光子晶体光纤5从里向外设有A有源纤芯51、第一包层52、第二包层53和涂敷层54；所述第一包层52中带有空气孔521；所述A有源纤芯51位于掺铒光子晶体光纤5的中心位置（虚线表示出），且所述A有源纤芯51的四周按照六角形分布有空气孔521；所述空气孔521用于调制第一包层52的折射率，使光沿A有源纤芯51传输；第二包层53中不设有空气孔，是为了保护第一包层52中折射率调制的稳定性；涂敷层54选用的材料为聚四氟乙烯；所述A有源纤芯51选用材料为掺杂有铒离子、铝离子、铈离子、磷离子的二氧化硅；所述第一包层52和第二包层53选用的材料为掺杂有铈离子的二氧化硅。
参见图3B所示，掺铒光子晶体光纤5从里向外设有A有源纤芯51、第一包层52、第二包层53和涂敷层54；所述第一包层52中带有空气孔521、A大空气孔522、B大空气孔523；所述A有源纤芯51位于掺铒光子晶体光纤5的中心位置（虚线表示出），且所述A有源纤芯51的四周按照六角形分布有空气孔521（四个小空气孔和2个大空气孔）；所述空气孔521、A大空气孔522、B大空气孔523用于调制第一包层52的折射率，使光沿A有源纤芯51传输；第二包层53中不设有空气孔，是为了保护第一包层52中折射率调制的稳定性；涂敷层54选用的材料为聚四氟乙烯；所述A有源纤芯51选用材料为掺杂有铒离子、铝离子、铈离子、磷离子的二氧化硅；所述第一包层52和第二包层53选用的材料为掺杂有铈离子的二氧化硅。在图3B中设计的掺铒光子晶体光纤5，在空气孔521的两侧设置的A大空气孔522、B大空气孔523，能够保证A有源纤芯51上光传输的两个方向的折射率存在较大差别，有利于偏振光的传输。因此图3B中的掺铒光子晶体光纤5也是一种保偏型光纤。
参见图3C所示，掺铒光子晶体光纤5从里向外设有A有源纤芯51、B有源纤芯511、C有源纤芯512、第一包层52、第二包层53和涂敷层54；所述第一包层52中带有空气孔521；掺铒光子晶体光纤5的中心位置设有一个空气孔，A有源纤芯51、B有源纤芯511和C有源纤芯512（虚线表示出）呈三角形布局在一个空气孔周围；A有源纤芯51、B有源纤芯511和C有源纤芯512的四周按照六角形分布有空气孔521；所述空气孔521用于调制第一包层52的折射率，使光沿A有源纤芯51、B有源纤芯511和C有源纤芯512传输；第二包层53中不设有空气孔，是为了保护第一包层52中折射率调制的稳定性；涂敷层54选用的材料为聚四氟乙烯；所述A有源纤芯51选用材料为掺杂有铒离子、铝离子、铈离子、磷离子的二氧化硅；所述第一包层52和第二包层53选用的材料为掺杂有铈离子的二氧化硅。在图3C中设计的掺铒光子晶体光纤5，三个有源纤芯能够实现三束光的传输。
在本发明中，辐照引起的光纤损耗是由于色心的产生，三种结构的掺铒光子晶体光纤5是特制的实心掺铒光纤，具有小于500nm的截止波长，能把泵浦光和由于铒离子泵浦能态的激发态吸收效应产生的短波段超荧光限制在纤芯（A有源纤芯51、B有源纤芯511和C有源纤芯512）中，增强自身光褪色效应。
（六）第二波分复用器6
在本发明中，第二波分复用器6将665nm激光器3产生的665nm激光301，810nm激光器2产生的810nm激光201、反射光103、反射光203和反射光303传输给掺铒光子晶体光纤5。另一方面，将前向光102、后向光204和后向光304传输给第一光谱滤波器7。
（七）第一光谱滤波器7
在本发明中，第一光谱滤波器7反射掺铒光子晶体光纤5产生的前向光102、后向光204和后向光304。
在本发明中，第一光谱滤波器7能调节光源输出光谱形状，同时增强光源输出光功率。
（八）第三波分复用器8
在本发明中，第三波分复用器8将665nm的激光301，该810nm激光201通过第二波分复用器6耦合进掺铒光子晶体光纤5中。
（九）第二光谱滤波器9
在本发明中，第二光谱滤波器9起截止滤波作用，滤掉ASE信号光在辐射环境中变化比较剧烈的波段从而得到稳定的信号光给光纤隔离器10。
混合光106，混合光206和混合光306统称为ASE信号光。
在本发明中，第二光谱滤波器9的通带滤波范围为1510nm～1537.5nm。第二光谱滤波器9选用ADF公司GFF002-BH滤波器。
在本发明中，第二光谱滤波器9起截止滤波作用，滤掉辐射环境中变化比较剧烈的1560nm波段的信号光；滤掉ASE信号光在辐射环境中变化比较剧烈的1560nm波段的信号光，从而得到相对稳定的1531nm波段的高斯光谱输出给光纤隔离器10。第二光谱滤波器9的滤波谱和滤波后得到的输出光谱如图4和图5。图4滤波器滤波光谱1510nm～1537.5nm波段范围内的光可以无损耗透过，1537.5nm之后的光存在有损耗，因此1560nm波段的信号光透过时被滤除。图5即为ASE信号光通过第二光谱滤波器9后的1531nm波段稳定的信号光的输出光谱。
（十）光纤隔离器10
在本发明中，光纤隔离器10保证稳定的信号光单向传输的同时消除反馈光对光源系统的影响，降低掺铒光纤的放大噪声，输出稳定的宽谱光。
在本发明中，各个光学器件均采用尾纤熔接方式连接。
本发明提供的抗辐射掺铒光纤光源具有多种结构，980nm激光器1，810nm激光器2和665nm激光器3的泵浦方式可以互换。
本发明一种基于光褪色技术的抗辐射宽谱光纤光源的原理：掺铒光纤中，为了增加掺铒光纤中铒离子的溶解度，避免铒离子团簇效应需要共掺一定浓度的铝离子、磷离子、铈离子，而这种掺杂极大地增强了掺铒光纤的辐照敏感性，本发明的掺铒光子晶体光纤5中仅掺杂很低浓度的铝,在一定程度上抑制了其辐照敏感性；另外，为了提高掺铒光子晶体光纤5的抗辐照能力，纤芯中掺杂少量可变价不着色阳离子（铈离子），因此本发明的掺铒光子晶体光纤5自身具有一定的抗辐射能力。
在掺铒光纤器件抗辐射技术中，光褪色抗辐照技术具有方法简单、适用性强、褪色效率高的独特优点，因此对于空间应用而言，是一种具有广阔发展潜力的抗辐照方法。本发明利用主动抗辐射技术实现掺铒光纤光源在辐射环境中的稳定输出，保证输出的自发辐射超荧光具有很高的平均波长和输出功率稳定性。
当掺铒光纤被980nm光泵浦时，可以观察到它不断地向外辐照绿色荧光，这是由铒离子泵浦能态的激发态吸收效应（也称为泵浦能态上转换效应）产生的。泵浦吸收发生在泵浦能态和一个非常短暂的能态2I11/2之间，通过一个辐射可见和红外光的中间能态无辐射地自发跃迁回泵浦态。在545nm可见绿光附近，2I11/2能态辐射最强（寿命约为0.7μs）。受一般掺铒光纤截止波长的限制，大部分光功率不能集中在纤芯中，会通过光纤包层溢出，但这部分波长的光却具有很高的光褪色效率。
考虑到光子晶体光纤的无限单模传输特性，通过仿真优化制作具有适当截止波长的掺铒光子晶体光纤，使各种波段的泵浦激光和铒离子泵浦能态上转换效应所产生的绿光波长大于光子晶体光纤的截止波长，这部分光在光纤纤芯中仅能以基模的形式传播，能量集中，这样就将光功率限制在光纤纤芯中，增强掺铒光纤褪色效应。
另外经研究，810nm，665nm等有源区短波长的光具有很高的光褪色效率，该抗辐射掺铒光纤光源利用980nm激光器1，810nm激光器2和665nm激光器3三个泵浦激光器作为泵浦光源，它们即是泵浦激光器，又是褪色用激光器，泵浦功率均可调。当外界环境辐照条件（辐照总剂量，辐照剂量率）一定时，通过控制980nm激光器1、810nm激光器2、665nm激光器3的泵浦或褪色光功率，三个激光器共同作用，使光源具有与辐照环境相匹配的光褪色效率。
通过研究不同辐照剂量对掺铒光纤光源输出原始谱的1531nm和1560nm双峰的影响，发现辐照剂量的积累使光谱1560nm的长波波段变化比较剧烈。通过在双程后向光路结构中加特殊的滤波器滤掉输出光谱中随辐照剂量变化剧烈的1560nm波段光谱，保留相对稳定的1531nm波段作为输出，这样便大大提高了输出光谱的辐照稳定性，最终形成具有稳定平均波长和输出功率的抗辐射掺铒光纤光源。
Claims (10)
1.一种基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其特征在于抗辐射宽谱光纤光源的光传播方式为：
第一光路的走向：980nm激光器（1）输出的980nm激光（101）经第一波分复用器（4）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第一接头（51）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对980nm激光（101）进行放大自发辐射，生成前向光（102）和后向光（104）；所述前向光（102）经第二波分复用器（6）后，由第一光谱滤波器（7）的第一接头（71）进入第一光谱滤波器（7）中；第一光谱滤波器（7）对所述前向光（102）进行反射，成为反射光（103）；所述反射光（103）经第二波分复用器（6）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对所述反射光（103）进行光放大，生成放大光（105）；所述后向光（104）与所述放大光（105）在掺铒光子晶体光纤（5）中会生成混合光（106）；所述混合光（106）经第一波分复用器（4）的第二接头（42）输出至第二光谱滤波器（9）中；
第二光路的走向：810nm激光器（2）输出的810nm激光（201）经第三波分复用器（8），经第二波分复用器（6）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对810nm激光（201）进行放大自发辐射，生成前向光（202）和后向光（204）；所述后向光（204）经第二波分复用器（6）后，由第一光谱滤波器（7）的第一接头（71）进入第一光谱滤波器（7）中；第一光谱滤波器（7）对所述后向光（204）进行反射，成为反射光（203）；
所述反射光（203）经第二波分复用器（6）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对所述反射光（203）进行光放大，生成放大光（205）；所述前向光（202）与所述放大光（205）在掺铒光子晶体光纤（5）中会生成混合光（206）；所述混合光（206）经第一波分复用器（4）的第二接头（42）输出至第二光谱滤波器（9）中；
第三光路的走向：665nm激光器（3）输出的665nm激光（301）经第三波分复用器（8），经第二波分复用器（6）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对665nm激光（301）进行放大自发辐射，生成前向光（302）和后向光（304）；所述后向光（304）经第二波分复用器（6）后，由第一光谱滤波器（7）的第一接头（71）进入第一光谱滤波器（7）中；第一光谱滤波器（7）对所述后向光（304）进行反射，成为反射光（303）；
所述反射光（303）经第二波分复用器（6）后，由掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）进入掺铒光子晶体光纤（5）中；掺铒光子晶体光纤（5）对所述反射光（303）进行光放大，生成放大光（305）；所述前向光（302）与所述放大光（305）在掺铒光子晶体光纤（5）中会生成混合光（306）；所述混合光（306）经第一波分复用器（4）的第二接头（42）输出至第二光谱滤波器（9）中；
褪色效应光路的走向：在铒光子晶体光纤（5）中，一方面接收980nm激光器（1）输出的980nm激光（101）、前向光（102）经第一光谱滤波器（7）反射的反射光（103）、810nm激光器（2）输出的810nm激光（201）、后向光（204）经第一光谱滤波器（7）反射的反射光（203）、665nm激光器（3）输出的665nm激光（301）、后向光（304）经第一光谱滤波器（7）反射的反射光（303）；在铒光子晶体光纤（5）中，另一方面输出反射光（103）放大后的放大光（105）、后向光（104）、反射光（203）放大后的放大光（205）、前向光（202）、前向光（302）、反射光（303）放大后的放大光（305）；在铒光子晶体光纤（5）中，由于泵浦能态的激发态吸收效应，会在前后两个方向上产生545nm的绿色超荧光（901）。
2.根据权利要求1所述的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其特征在于：
所述抗辐射宽谱光纤光源包括980nm激光器（1）、810nm激光器（2）、665nm激光器（3）、第一波分复用器（4）、掺铒光子晶体光纤（5）、第二波分复用器（6）、第一光谱滤波器（7）、第三波分复用器（8）、第二光谱滤波器（9）和光纤隔离器（10）；
980nm激光器（1）的尾纤与第一波分复用器（4）的第一接头（41）熔接；
810nm激光器（2）的尾纤与第三波分复用器（8）的第二接头（82）熔接；
665nm激光器（3）的尾纤与第三波分复用器（8）的第三接头（83）熔接；
第一波分复用器（4）的第二接头（42）与第二光谱滤波器（9）的入纤端熔接，第一波分复用器（4）的第三接头（43）与掺铒光子晶体光纤（5）的第一接头（501）熔接；
掺铒光子晶体光纤（5）的第二接头（502）与第二波分复用器（6）的第一接头（61）熔接，第二波分复用器（6）的第二接头（62）与第一光谱滤波器（7）的第一接头（71）熔接，第二波分复用器（6）的第三接头（63）与第三波分复用器（8）的第一接头（81）熔接；
第二光谱滤波器（9）的出纤端与光纤隔离器（10）的入纤端熔接，光纤隔离器（10）的出纤端作为光输出端，所述光输出端用于输出稳定的超荧光。
3.根据权利要求1所述的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其特征在于：
该抗辐射宽谱光纤光源的设计原理是基于掺铒光纤的主动光褪色效应；其中泵浦激光器有980nm激光器（1），810nm激光器（2）和665nm激光器（3），它们既是泵浦激光器，也是褪色用激光器，为光源工作提供泵浦光和褪色激光。
4.根据权利要求1所述的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其特征在于：
作为该抗辐射宽谱光纤光源的前向泵浦光，980nm激光器（1）的光功率可调；第一波分复用器（4）一方面将980nm泵浦光耦合进掺铒光子晶体光纤（5），另一方面将掺铒光子晶体光纤（5）产生的超荧光传输给第二光谱滤波器（9）。
5.根据权利要求1所述的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其特征在于：
掺铒光子晶体光纤（5）从里向外设有A有源纤芯（51）、第一包层（52）、第二包层（53）和涂敷层（54）；所述第一包层（52）中带有空气孔（521）；所述A有源纤芯（51）位于掺铒光子晶体光纤（5）的中心位置，且所述A有源纤芯（51）的四周按照六角形分布有空气孔（521）。
6.根据权利要求1所述的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其特征在于：
掺铒光子晶体光纤（5）从里向外设有A有源纤芯（51）、第一包层（52）、第二包层（53）和涂敷层（54）；所述第一包层（52）中带有空气孔（521）、A大空气孔（522）、B大空气孔（523）；所述A有源纤芯（51）位于掺铒光子晶体光纤（5）的中心位置，且所述A有源纤芯（51）的四周按照六角形分布有空气孔（521）；A有源纤芯（51）的两侧是A大空气孔522、B大空气孔（523）。
7.根据权利要求1所述的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其特征在于：
掺铒光子晶体光纤（5）从里向外设有A有源纤芯（51）、B有源纤芯（511）、C有源纤芯（512）、第一包层（52）、第二包层（53）和涂敷层（54）；所述第一包层（52）中带有空气孔（521）；掺铒光子晶体光纤（5）的中心位置设有一个空气孔，A有源纤芯（51）、B有源纤芯（511）和C有源纤芯（512）呈三角形布局在一个空气孔周围；A有源纤芯（51）、B有源纤芯（511）和C有源纤芯（512）的四周按照六角形分布有空气孔（521）。
8.根据权利要求1所述的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其特征在于：
第二光谱滤波器（9）起截止滤波作用，对ASE信号光整形滤波得到辐照环境中稳定的信号光；第二光谱滤波器（9）的通带滤波范围为1510nm～1537.5nm。
9.根据权利要求1所述的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其特征在于：
作为该抗辐射宽谱光纤光源的后向泵浦光，810nm激光器（2）和665nm激光器（3）光功率可调；第二波分复用器（6）将665nm泵浦光（301）、810nm泵浦光（201）和被第一光谱滤波器（7）反射回的前向光（102）、后向光（204），后向光（304）耦合进掺铒光子晶体光纤。
10.根据权利要求1所述的基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源，其特征在于：
第三波分复用器（8）将665nm激光器（3）产生的665nm激光（301）和810nm激光器（2）产生的810nm激光（201）经第二波分复用器（6）传输给掺铒光子晶体光纤（5）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20121024 |