CN103151687A - 一种在放大器中直接产生中红外超连续谱的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在放大器中直接产生中红外超连续谱的方法，目的是解决现有中红外超连续谱光纤激光器输出功率低及转换效率低的问题。技术方案是先构建由脉冲种子光源，种子放大器，超连续谱放大器组成的中红外超连续谱产生系统，超连续谱放大器由泵浦光源，合束器，增益光纤组成。用种子放大器对脉冲种子光源的输出光即种子光进行功率放大，产生信号激光；信号激光与泵浦光源的输出激光通过合束器合束之后同时入射到增益光纤中，得到中红外超连续谱光源输出。采用本发明突破了芯径对超连续谱输出功率的限制，半导体泵浦光到超连续谱的光光转换效率得到了大幅提升，实现了高功率、高转换效率的中红外超连续谱光源的输出。

Description

一种在放大器中直接产生中红外超连续谱的方法
技术领域
本发明属于激光光电子技术领域，特别涉及一种在放大器中直接产生中红外超连续谱的方法。
背景技术
窄带脉冲在介质中由于极度的非线性光谱展宽效应而产生的宽带连续谱被称为超连续谱(Supercontinuum)。超连续谱光源具有光谱范围宽、相干性好等优点，在生物医学、非线性光谱学、光学相干层析、光频率计量学等领域有着重要的应用。如今利用光子晶体光纤可实现光谱范围覆盖可见到近红外波段的超连续谱光源，丹麦的NKT光子公司、武汉安扬激光技术公司等已有商用的超连续谱光源产品，输出光谱范围可覆盖400-2400nm，最大输出功率超过8W。近年来随着激光技术的发展和实际应用的需求，如何提高超连续谱的输出功率，以及如何将超连续谱光源的光谱范围向紫外和中红外波段扩展是超连续谱光源发展的最新趋势和新的研究热点。
近年来，2-5μm波段的中红外光源在生物医学、红外物理、红外对抗、环境监测、工业过程控制等民用领域都有广泛的应用前景。利用化学激光器、光学参量振荡器、光学参量放大器和量子级联激光器等都可以实现中红外波段的激光光源，但是输出光谱带宽受到限制，而其它宽光谱光源，亮度和相干度又很低。高平均功率2-5μm中红外超连续光源（Mid-IR SC）能同时提供高的亮度、相干度和宽的光谱带宽，在特定条件下使用性能和便捷性将大大优于其他中红外光源，可成为多领域的常备仪器。
目前，已有的2-5μm超连续相干光源都是采用激光器泵浦高非线性软玻璃光纤包括光子晶体光纤的方案来实现的。如申请号为201210276184.5的中国专利“超连续光源激励的中红外超连续谱光纤激光器”中所述，将放大的脉冲激光通过一段石英光子晶体光纤产生2-3μm的超连续谱，再将此2-3μm的超连续谱耦合进一段硫系玻璃光纤中，得到2-5μm的超连续谱激光输出，其中涉及的石英光子晶体光纤和硫系玻璃光纤均是单模无源光纤，纤芯小，不利于高平均功率中红外超连续谱的产生，同时转换效率比较低。
发明内容
本发明针对现有的中红外超连续谱光纤激光器的不足之处，提供一种在放大器中直接产生中红外超连续谱光源的方法，用以解决现有中红外超连续谱光纤激光器输出功率低及转换效率低的问题，实现高功率、高转换效率的中红外超连续谱光源的输出。
本发明提供的在放大器中直接产生中红外超连续谱光源的方法，具体包括以下步骤：
第一步，构建中红外超连续谱产生系统.中红外超连续谱产生系统由脉冲种子光源，种子放大器，超连续谱放大器组成。超连续谱放大器由泵浦光源，合束器，增益光纤组成。脉冲种子光源通过光纤与种子放大器相连，种子放大器输出端通过光纤与合束器的信号臂相连，泵浦光源通过光纤与合束器的泵浦臂相连，合束器的输出尾纤与增益光纤采用机械对接或者熔接的方式连接。脉冲种子光源输出光脉宽为ps量级或ns量级，脉冲种子光源输出光的中心波长在增益光纤的增益范围内即可，功率小于100mW。种子放大器由一级或者多级放大结构组成，种子放大器的输出功率上百mW。超连续谱放大器的增益光纤为双包层光纤，其光纤基底包括：氟化物光纤、硫化物光纤、碲化物光纤；增益光纤的掺杂离子可从以下6种中任选一种：铒、镱、铒镱共掺、铥、钬、铥钬共掺；增益光纤的长度根据其吸收系数的大小决定，其吸收系数x（dB/m）与长度L（m）的关系满足：x*L≈20dB。泵浦光源3的输出光中心波长根据增益光纤中掺杂离子的能级结构以及脉冲种子光源的输出中心波长来确定，功率为W量级。合束器的信号光输入臂中心波长与脉冲种子光源的中心波长相等，泵浦光输入臂与泵浦光源中心波长相等。
第二步，用种子放大器对脉冲种子光源的输出光（称为种子光）进行功率放大，产生功率为几百mW的信号激光，此信号激光可以是仅对种子光的功率放大得到的激光，也可以是对种子光的功率、光谱范围同时放大得到的激光；
第三步，种子放大器输出的信号激光与泵浦光源的输出激光通过合束器合束之后同时入射到增益光纤中，得到中红外超连续谱光源输出。
采用本发明可以达到以下技术效果：
1.由于本发明产生中红外超连续谱的非线性光纤是超连续谱放大器中的增益光纤，此光纤为大芯径双包层光纤，相对以前方案（如背景技术中的单模光子晶体光纤、单模硫系玻璃光纤）中的光纤芯径可以成倍增加，大大突破了以前方案中芯径对超连续谱输出功率的限制。
2.由于本发明是从超连续谱放大器中直接输出中红外超连续谱，因此半导体泵浦光到超连续谱的光光转换效率得到了大幅提升。
综上，采用此发明比“激光器泵浦高非线性光纤（包括光子晶体光纤）”方案更适合产生高平均功率中红外超连续谱光源。
附图说明
图1为本发明在放大器中产生中红外超连续谱光源的方法流程示意图；
图2为本发明第一步构建的中红外超连续谱产生系统的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明在放大器中产生中红外超连续谱光源的方法流程示意图；
本发明包括以下步骤：
步骤S1，构建如图2所示的中红外超连续谱光源产生系统；
步骤S2，用种子放大器2对脉冲种子光源1的输出光（称为种子光）进行功率放大，产生功率为几百mW的信号激光；
步骤S3，将种子放大器2输出的信号激光与泵浦光源3的输出激光通过合束器4合束之后同时入射到增益光纤5中，得到中红外超连续谱光源输出。
图2为本发明第一步构建的中红外超连续谱产生系统的结构示意图。
这种在放大器中产生中红外超连续谱光源的激光器由脉冲种子光源1，种子放大器2，超连续谱放大器6（由泵浦光源3，合束器4，增益光纤5组成）组成。脉冲种子光源1通过光纤与种子放大器2相连，种子放大器2输出端通过光纤与合束器4的信号臂相连，泵浦光源3通过光纤与合束器4的泵浦臂相连，合束器4输出尾纤与增益光纤5采用机械对接或者熔接的方式连接。
国防科大搭建的中红外超连续谱产生系统中，采用的增益光纤5为双包层的掺铥氟化物光纤，由此脉冲种子光源1输出中心波长为2μm（此波长处于增益光纤5的增益范围内），脉冲种子光源1输出光的脉宽2ns，输出功率10mW；种子放大器2由一级放大结构组成，其输出的信号光功率为150mW；根据掺铥氟化物光纤中铥的能级结构和脉冲种子光源1输出光的中心波长（2μm）确定泵浦光源3的中心波长为793nm，泵浦光源3的输出最大功率为30W。合束器4与种子放大器2连接的输入臂（信号臂）中心波长为2μm，与泵浦光源3连接的输入臂（泵浦臂）中心波长为1550nm；增益光纤5在793nm处的吸收系数为1.5dB/m，由此选择光纤长度为14m。
本实施例中，从种子放大器2输出了2-3μm超连续谱，将此超连续谱与泵浦光源3的输出光通过合束器4合束之后耦合进增益光纤5中，得到2-5μm中红外超连续谱光源输出。
以上对本发明所提供的在增益光纤中产生中红外超连续谱光源的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种在放大器中直接产生中红外超连续谱的方法，其特征在于包括以下步骤:
第一步，构建中红外超连续谱产生系统.中红外超连续谱产生系统由脉冲种子光源（1），种子放大器（2），超连续谱放大器（6）组成；超连续谱放大器（6）由泵浦光源（3），合束器（4），增益光纤（5）组成；脉冲种子光源（1）通过光纤与种子放大器（2）相连，种子放大器（2）输出端通过光纤与合束器（4）的信号臂相连，泵浦光源（3）通过光纤与合束器（4）的泵浦臂相连，合束器（4）的输出尾纤与增益光纤（5）采用机械对接或者熔接的方式连接；脉冲种子光源（1）输出光脉宽为ps量级或ns量级，脉冲种子光源（1）输出光的中心波长在增益光纤（5）的增益范围内，功率小于100mW；种子放大器（2）由一级或者多级放大结构组成，种子放大器（2）的输出功率上百mW；超连续谱放大器（6）的增益光纤（5）为双包层光纤，其光纤基底包括：氟化物光纤、硫化物光纤、碲化物光纤；增益光纤（5）的掺杂离子是以下6种中任意一种：铒、镱、铒镱共掺、铥、钬、铥钬共掺；泵浦光源（3）的输出光中心波长根据增益光纤（5）中掺杂离子的能级结构以及脉冲种子光源（1）的输出中心波长来确定，功率为W量级；合束器（4）的信号光输入臂中心波长与脉冲种子光源（1）的中心波长相等，泵浦光输入臂与泵浦光源（3）中心波长相等；
第二步，用种子放大器（2）对脉冲种子光源（1）的输出光即种子光进行功率放大，产生信号激光；
第三步，种子放大器（2）输出的信号激光与泵浦光源（3）的输出激光通过合束器（4）合束之后同时入射到增益光纤（5）中，得到中红外超连续谱光源输出。
2.如权利要求1所述的一种在放大器中直接产生中红外超连续谱的方法，其特征在于增益光纤（5）的长度根据其吸收系数的大小决定，其吸收系数x与长度L的关系满足：x*L≈20dB。
3.如权利要求1所述的一种在放大器中直接产生中红外超连续谱的方法，其特征在于所述种子放大器（2）对种子光进行功率放大得到的信号激光是仅对种子光的功率放大得到的激光或对种子光的功率、光谱范围同时放大得到的激光，该信号激光功率为几百mW。
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