CN103022867A - 一种高功率高效率的超连续谱光源 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高功率高效率的超连续谱光源，通过合理设计光子晶体光纤的特性，采用长脉冲泵浦激光（皮秒，纳秒激光）作用于光子晶体光纤正常色散区，并使激发的前几级的拉曼斯托克斯峰的中心波长位于接近光子晶体光纤的零色散点的反常色散区，激发的拉曼斯托克斯激光峰就作为激发超连续谱的一个新的泵浦源，并且满足反常色散泵浦机制。该超连续谱光源兼具正常色散泵浦机制和反常色散泵浦机制的优势，可实现高平均输出功率，高光学转换效率和超连续光谱范围相对较宽的连续谱输出。该光源利用成熟的高功率光纤激光器技术、光子晶体光纤制造技术和光子晶体光纤后处理技术，降低了系统成本，便于工业化生产和应用。

Description

一种高功率高效率的超连续谱光源

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，特指一种能实现高平均输出功率，高光学转换效率和输出光谱相对较宽的全光纤化超连续谱光源。

背景技术

光子晶体光纤可在满足产生超连续谱所需的高非线性的同时又具有灵活的色散特性，利用光子晶体光纤能够产生性能优良的超连续谱。评价一个超连续谱光源，有许多指标：超连续谱的范围，超连续谱的平坦度，超连续谱的平均输出功率，超连续谱的光谱功率密度，超连续谱的相干性，超连续谱的输出光束质量等。不同的应用领域对于超连续谱光源的性能要求也会有所侧重。目前，已有超连续谱光源相关的授权专利公告，但公告号为CN 201147308 Y的中国专利报道了用于光学相干层析技术的超连续谱的光源，公告号为CN 201332211 Y的中国专利关注于可见光波段增强的超连续谱的光源，公告号为CN 101825826 B的中国专利更强调超连续谱的平坦度，公告号为CN 202487963 U的中国专利更注重选择激发超连续谱的泵浦激光器。但是，某些应用领域需要用到具有高平均输出功率和高光谱密度的超连续谱。另外，超连续谱光源的光学转换效率也很重要，较高的光学转换效率可以降低对泵浦激光的要求，还可以降低系统成本。

与超连续谱产生相关的非线性效应主要包括自相位调制，交叉位调制，调制不稳，四波混频，受激拉曼散射，孤子分解，孤子自频移，色散波产生，孤子（色散波）捕获，光脉冲分解等。泵浦激光的参数（工作波长，脉冲宽度，脉冲峰值功率）和非线性介质的特性（色散特性，非线性响应）共同决定了何种非线性效应可以发生以及最终输出的超连续谱形式。根据泵浦激光的脉冲宽度和非线性介质的色散特性，超连续谱产生过程大致可以分为以下四种情形：首先介绍短脉冲（亚皮秒量级）泵浦激光作用于非线性介质反常色散区的情形，在该情形下超连续谱的产生主要是基于孤子相关的效应。由于峰值功率足够高，泵浦脉冲一般可认为是高阶孤子。因高阶色散和受激拉曼散射等因素的扰动，高阶孤子在传输过程中会分解成一系列的基态孤子。由于脉冲内拉曼散射效应的作用，基态孤子的光谱会持续地红移。同时，孤子在传输过程中还伴随着短波方向匹配的蓝移色散波的产生。最后，产生的拉曼孤子和群速度匹配的色散波之间通过交叉相位调制作用发生耦合，使产生的超连续谱进一步向短波和长波拓展。对于脉宽较长的泵浦激光（脉宽为皮秒，纳秒甚至连续光）作用于非线性介质反常色散区的情形，由于长脉宽导致了泵浦激光的孤子阶数很大，孤子分解的特征长度变得很长，远远超过了实际使用的光纤长度。因此，在这种情形中，孤子分解效应在超连续谱的初始产生过程中并不明显。调制不稳效应（四波混频效应）取而代之，主导了超连续谱的初始产生过程。泵浦脉冲通过调制不稳过程作用，在时域上分解成一系列的子脉冲。后续的超连续谱展宽过程本质上就同短脉冲泵浦激光作用于非线性介质反常色散区的情形一样；每一个子脉冲都会经历孤子分解，孤子自频移，色散波产生等过程。

对于短脉冲泵浦激光作用于非线性介质正常色散区的情形，自相位调制主导了光谱的初始展宽。泵浦脉冲的脉冲越窄，非线性光谱展宽就越宽。对于长脉冲泵浦激光作用情形，初始光谱展宽得益于四波混频和拉曼散射过程。如果泵浦波长离光子晶体光纤的零色散点较远时，参量过程的参量边带与泵浦波长的失谐过大，则拉曼散射过程将主导光谱的展宽。如果泵浦波长接近光子晶体光纤的零色散点时，则四波混频效应的作用更明显，因为四波混频效应的增益要大于拉曼增益。对于正常色散区泵浦的情形，当展宽的光谱越过光子晶体光纤的零色散点进入到反常色散区时，孤子机制又会发挥作用，并将逐渐主导整个超连续谱的光谱展宽过程。一般来说，泵浦激光作用于非线性介质反常色散区产生的超连续光谱的范围比作用于正常色散区情形要宽，特别是短波方向的超连续谱。

根据超连续谱产生的相关机理，为实现超连续光谱的极大展宽，要求泵浦激光工作波长应该选择在靠近光子晶体光纤零色散点的反常色散区。但是高功率泵浦源的输出尾纤的纤芯直径一般都大于10微米，色散特性与之匹配的光子晶体光纤的纤芯直径小于10微米，两者之间存在较大的模场不匹配，这使得高功率泵浦激光到光子晶体光纤的耦合十分困难，限制了超连续谱光源输出功率的提升。

采用工作波长位于光子晶体光纤的正常色散区的激光作为泵浦源，同样可以产生超连续谱，虽然产生的超连续光谱范围相对基于采用反常色散泵浦机制的超连续谱光源要窄，但是它有自己的优势。有文献记载采用正常色散泵浦机制可以实现高效率的超连续谱产生，但是实验中没有采用全光纤结构，这降低了系统的稳定性，不利于实际应用。另外，如果采用正常色散泵浦机制，则可使用纤芯直径相对较大的光子晶体光纤来产生超连续谱。这样就降低了光子晶体光纤与泵浦光纤激光输出尾纤之间的模场不匹配，可以耦合更高功率的泵浦激光到光子晶体光纤中，提升超连续谱光源的输出功率。

发明内容

为克服现有基于光子晶体光纤的超连续谱产生技术中的不足，本发明提出一种能实现高平均输出功率，高光学转换效率和和输出光谱相对较宽的全光纤化超连续谱光源。

本发明提出的超连续谱光源由带输出尾纤的泵浦激光器，光子晶体光纤两部分组成。把选用的泵浦激光器的输出尾纤同光子晶体光纤的输入端进行熔接，即构成了全光纤化的超连续谱光源。

其工作原理为：通过合理设计光子晶体光纤的特性，采用长脉冲泵浦激光（皮秒，纳秒）作用于光子晶体光纤正常色散区，拉曼散射过程主导光谱的初始展宽；并使激发的前几级（最好为第一或者第二级）的拉曼斯托克斯峰的中心波长位于接近光子晶体光纤的零色散点的反常色散区，激发的拉曼斯托克斯激光峰就作为激发超连续谱的一个新的泵浦源，并且满足反常色散泵浦机制；同过合理的优化光纤长度，使得在使用的光纤长度范围内受激拉曼效应都能够有效激发，保证泵浦激光的能量都能够转移到拉曼斯托克斯激光峰。该超连续谱光源兼具正常色散泵浦机制和反常色散泵浦机制的优势，即可实现高功率高效率的、超连续光谱相对较宽的全光纤化超连续谱输出。

所述的泵浦激光器为：工作波长位于光子晶体光纤的正常色散区，并且当它作用于光子晶体光纤时，激发的前几级拉曼斯托克斯激光峰的中心波长位于接近光子晶体光纤的零色散点的反常色散区；所用泵浦激光应该为长脉冲泵浦激光(皮秒或者纳秒脉冲激光)；带尾纤输出，并且从尾纤中输出的激光的光束质量好，为基横模或者接近基横模；输出激光进入到光子晶体光纤中能够有效地激发超连续谱。

所述的泵浦激光器可以为掺稀土离子（镱、铒、铥、钬、铋等）光纤激光器或者基于非线性效应的光纤激光器(拉曼光纤激光器，参量光纤激光器)，也可以为固体激光器或者半导体激光器，通过耦合系统把输出激光耦合到光纤中，构成带输出尾纤的泵浦激光器。

所述的光子晶体光纤是超连续谱产生介质。对光子晶体光纤的要求为：光子晶体光纤的特性需要特殊设计，使得泵浦激光的前几级拉曼斯托克斯激光峰的中心波长位于接近光子晶体光纤的零色散点的反常色散区；具有一定的非线性特性，满足一定功率条件即可产生超连续谱。

所述的光子晶体光纤的特性可以通过合理设计光纤来实现，设计光子晶体光纤主要是考虑光纤的端面结构。光子晶体的端面由光纤基底材料，纤芯和与光纤基底材料折射率不同的孔组成。通过改变各个部分的折射率，几何尺寸和排布方式，可以实现不同的光纤特性。

所述的光子晶体光纤的基底材料要根据所需超连续谱的波段进行合理选择，可以是纯石英（主要产生可见光和近红外波段超连续谱），也可以是碲化物，硫化物和氟化物材料（主要产生红外波段超连续谱）。

所述的光子晶体光纤的纤芯的折射率可以与光纤基底材料相同，也可以不同。各个纤芯的折射率和几何形状可以相同，也可以不同。纤芯的材料中可以掺稀土元素，也可以不掺。

所述的光子晶体光纤端面的孔可以是空气孔，也可以由其它高折射率材料填充。单个孔的形状可以是圆形，椭圆形或其它的形状，每一个孔与其它的孔可以一样，也可以不一样。孔的整体排布可以是允许的任意形状（正六边形，正八边形，正十二边形，圆形等）。

所述的对光子晶体光纤的长度的优化主要是考虑泵浦光如何有效地激发拉曼斯托克斯光谱峰，特别是泵浦激光为皮秒激光时，走离效应对受激拉曼效应的影响较大，光纤长度与脉冲的走离长度基本一致。

所述的光子晶体光纤的外径沿光纤纵向可以是均匀的，也可以是非均匀。

所述的泵浦激光器的输出尾纤同光子晶体光纤的输入端进行熔接时，可以运用光子晶体光纤后处理技术，对光子晶体光纤端面进行处理，进一步减小熔接损耗。光子晶体光纤后处理技术已有文献“光子晶体光纤的后处理技术”记载。

本发明的优点在于：本发明提出一种全光纤化超连续谱光源，由带输出尾纤的泵浦激光器，光子晶体光纤两部分组成。通过合理设计光子晶体光纤的特性，采用长脉冲泵浦激光（皮秒，纳秒激光）作用于光子晶体光纤正常色散区，并使激发的前几级的拉曼斯托克斯峰的中心波长位于接近光子晶体光纤的零色散点的反常色散区，激发的拉曼斯托克斯激光峰就作为激发超连续谱的一个新的泵浦源，并且满足反常色散泵浦机制。该超连续谱光源兼具正常色散泵浦机制和反常色散泵浦机制的优势，可实现高平均输出功率，高光学转换效率和光谱范围相对较宽的连续谱输出。特别适合于对平均输出功率和光谱密度要求较高的应用领域。该光源还利用成熟的高功率光纤激光技术、光子晶体光纤制造技术和光子晶体光纤后处理技术，降低了系统成本，便于工业化生产和应用。

附图说明

图1为本发明提出的超连续谱光源的结构示意图。

图2为具体实施例一中采用的光子晶体光纤的端面结构示意图。

具体实施方式

图中：1为带输出尾纤的泵浦激光器；2为光子晶体光纤；3为带输出尾纤的泵浦激光器的输出尾纤；4为熔接点；5为光子晶体光纤的基底材料；6为光子晶体光纤的纤芯；7为小孔。

以下结合附图与具体实施例对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明提出的基于正常色散泵浦的超连续谱光源的结构示意图。如图所示，本发明提出的超连续谱光源包括带输出尾纤的泵浦激光器1，光子晶体光纤2，其中，带输出尾纤的泵浦激光器的输出尾纤3与光子晶体光纤2的一个端面进行熔接构成全光纤结构，熔接点4。泵浦激光耦合进入到光子晶体光纤2，由于各种非线性效应的作用，在光子晶体光纤2中形成超连续谱，产生的超连续谱从光子晶体光纤2的另一个端面输出。

在本发明的具体实施例一中，泵浦激光器1采用皮秒脉冲掺镱光纤激光器，工作波长在1.06 微米附近，脉冲宽度为20皮秒左右，脉冲重复频率为500 兆赫兹,平均功率为56 瓦，输出尾纤3为纤芯直径为15微米，内包层直径130微米的双包层光纤；该泵浦激光器从尾纤输出的激光光场为基模分布。

图2为具体实施例一中采用的晶体光纤的端面结构示意图。该光子晶体光纤的基底材料5为纯石英，光子晶体光纤的纤芯6为正六边，端面上小孔7成正六边形排布，并且都是孔直径相同的圆形空气孔，孔直径为3.5微米，任意相邻两个孔的孔间距为5.4微米，纤芯是通过取消对应位置的一个空气孔形成的。该光子晶体光纤的零色散点大约在1.11微米附近，1.064微米泵浦激光激发的第一级拉曼斯托克斯峰在1.12微米附近。 实施例中光子晶体光纤的外径沿光纤纵向是均匀的，通过模拟计算优化长度为3 m；

在最大泵浦激光功率下，具体实施例一的基于正常色散泵浦的超连续谱光源输出平均功率为50 W，光谱范围为700—1700 纳米的超连续谱，光学转换效率达到90%。

具体实施例三为泵浦源采用工作波长为1.5-1.6微米左右的掺铒光纤激光，光子晶体光纤的基底采用零色散点在1.62微米附近的ZBLAN材料。

具体实施例四为泵浦源采用工作波长为2微米左右的掺铥或者掺钬的光纤激光，光子晶体光纤的基底采用零色散点在2微米附近的SF57材料。

具体实施例五为泵浦源采用工作波长为2微米左右的掺铥或者掺钬的光纤激光，光子晶体光纤的基底材料采用零色散点在2.29微米附近的Bi材料。

具体实施例六为泵浦源采用工作波长为2微米左右的掺铥或者掺钬的光纤激光，光子晶体光纤的基底材料采用零色散点在2.24微米附近的ZnTe材料。

Claims (9)

1.一种高功率高效率的超连续谱光源，包括带输出尾纤的泵浦激光器、光子晶体光纤，其特征在于，把选用的泵浦激光器的输出尾纤同光子晶体光纤的输入端进行熔接，即构成了全光纤化的超连续谱光源；

具体为：采用长脉冲泵浦激光作用于光子晶体光纤正常色散区，拉曼散射过程主导光谱的初始展宽；并使激发的前几级的拉曼斯托克斯峰的中心波长位于接近光子晶体光纤的零色散点的反常色散区，前几级为第一或者第二级，激发的拉曼斯托克斯激光峰作为激发超连续谱的一个新的泵浦源，并且满足反常色散泵浦机制；光纤长度为：使用的光纤长度范围内受激拉曼效应都能够有效激发，保证泵浦激光的能量能够转移到拉曼斯托克斯激光峰； 

所述的泵浦激光器为：工作波长位于光子晶体光纤的正常色散区，并且当它作用于光子晶体光纤时，激发的前几级拉曼斯托克斯激光峰的中心波长位于接近光子晶体光纤的零色散点的反常色散区；所用泵浦激光为长脉冲泵浦激光；带尾纤输出，并且从尾纤中输出的激光的光束为基横模或者接近基横模；输出激光进入到光子晶体光纤中能够有效地激发超连续谱。

2.根据权利要求1所述的一种高功率高效率的超连续谱光源，其特征在于，泵浦激光器为掺稀土离子光纤激光器，稀土离子包括镱、铒、铥、钬、铋，或者为基于非线性效应的光纤激光器，包括拉曼光纤激光器、参量光纤激光器；或者为固体激光器，或者为半导体激光器，通过耦合系统把输出激光耦合到光纤中，构成带输出尾纤的泵浦激光器。

3. 根据权利要求1所述的一种高功率高效率的超连续谱光源，其特征在于，所述的光子晶体的端面由光纤基底材料，纤芯和与光纤基底材料折射率不同的孔组成，通过改变各部分的折射率、几何尺寸和排布方式，可以实现不同的光纤特性。

4.根据权利要求1所述的一种高功率高效率的超连续谱光源，其特征在于，所述的光子晶体光纤的基底材料可以是纯石英，也可以是碲化物、硫化物或者氟化物。

5.根据权利要求1所述的一种高功率高效率的超连续谱光源，其特征在于，所述的光子晶体光纤的纤芯的折射率可以与光纤基底材料相同，也可以不同，各个纤芯的折射率和几何形状可以相同，也可以不同，纤芯的材料中可以掺稀土元素，也可以不掺。

6.根据权利要求1所述的一种高功率高效率的超连续谱光源，其特征在于，所述的光子晶体光纤端面的孔可以是空气孔，也可以由其它高折射率材料填充，单个孔的形状可以是圆形，椭圆形或其它的形状，每一个孔与其它的孔可以一样，也可以不一样，孔的整体排布可以是允许的任意形状。

7.根据权利要求1所述的一种高功率高效率的超连续谱光源，其特征在于，所述的光子晶体光纤的外径沿光纤纵向可以是均匀的，也可以是非均匀。

8.根据权利要求1所述的一种高功率高效率的超连续谱光源，其特征在于，泵浦激光器的输出尾纤同光子晶体光纤的输入端进行熔接时，可运用光子晶体光纤后处理技术，对光子晶体光纤端面进行处理，进一步减小熔接损耗。

9.根据权利要求1所述的一种高功率高效率的超连续谱光源，其特征在于，所述的光子晶体光纤具有非线性特性，满足功率条件即可产生超连续谱条件。

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