CN104737390A - 宽频带超连续光发射器件及其用途 - Google Patents

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Abstract

一种器件，包括：-非线性光纤(F)；-泵浦系统；-光腔及有源介质，例如有源光纤(Fm)，所述有源介质位于所述光腔内，且通过由所述泵浦系统提供的泵浦被配置和布置，以产生并向所述非线性光纤(F)发射激光的混沌脉冲，其中所述非线性光纤(F)在其中激励非线性效应，以便产生并由所述非线性光纤(F)的输出端发射以随时间随机分布的光脉冲形式的超连续光。本发明也涉及所提出的针对低价格及具有足够宽频带频谱的明亮光源的多种应用的器件的多种用途。

Description

宽频带超连续光发射器件及其用途
技术领域
本发明涉及宽频带光发射器件，该器件包括非线性光纤，当通过激光脉冲激励其非线性效应时，该非线性光纤产生和发射超连续光，更具体地说，涉及器件，其中的所述激光脉冲在性质上是混沌的，且该器件以随时间随机分布的光脉冲的形式发射超连续光。
本发明也涉及所提出器件对于多种应用的一系列用途。
背景技术
现有技术中一些宽频带超连续光发射器件是公知的，其中一些将在下面提到。
市售的超连续光源是基于根据激光腔模式的相位同步机制工作的皮秒激光器，通常被称为“锁模”，其激发非线性光子晶体纤维。锁模激光技术是昂贵的，因此，功率大于1瓦的超连续光源的成本大约为40000欧元。这些光源具有两个重要特性：一方面，它们构成用于光谱的卤素灯的可替代物，另一方面，它们利用时间分辨率产生适用于测量学和光谱学的相干频率梳。
其它的超连续光源用作在开关光腔的Q因数的机制中工作的激励系统或光纤激光器系统，通常称为“Q-开关”，其包括由泵浦源连续泵浦的掺杂的光纤增益介质，并提供比锁模激光器所产生的具有更高的脉冲能量和更久的脉冲持续时间的激光脉冲。
锁模激光器和Q-开关激光器都要求一些类型的频幅、相位或频率调制器，无论是有源的或是无源的。
专利文件No.CN102130413描述了基于多组分掺杂的二氧化硅光纤的全光纤类型的连续激光源。这一文件并未指出所用光纤是非线性的。作者立足于在Q-开光构造中的半导体激光器泵浦光源、镱掺杂的光纤，以及多组分掺杂的二氧化硅光纤的工作来获得具有简单结构形式、高输出功率和宽泛且平缓的光谱范围的连续激光源。
在CN102130413中所提出的激光源的光腔使用两个高反射率布拉格光栅，因为在光腔的两端需要高反射率的反射镜，因此所发射激光的效率必定会很低。
国际申请WO2011124867A1描述了在红外光区域和紫外光区域之间的超连续光发射器件，其包括激光源和设置用于接收由该激光源发射的激光束、并产生和发射超连续光的非线性微结构光纤，从而该器件包括用于改变所发射的超连续光脉冲的持续时间的机构。
通常，光纤激光器(除了极少数时候，如CN102130413的情况)初始不会提供足够的功率，需要放大级，才能够产生超连续光，这使得相对于能够单独使用激光器的情况其部件的数量成倍增加。
文献“Cr4+:YAG啁啾脉冲振荡器”(New J Phys.2008年8月10日，pii:083022.SorokinE et al.Institut für Photonik,TU Wien,Gusshausstr.27/387,A-1040Vienna,Austria)描述了无源Cr:YAG锁模激光器的啁啾脉冲操作。探讨了围绕零色散操作激光器的不同的机制。显示了对于某些激光器构造，到正色散的转换允许输出脉冲的能量增加五倍，然而这一增加受到出现的多脉冲或混沌锁模的限制。该输出脉冲具有1.4ps的持续时间，并且在3m的二氧化硅光纤件中可降低至120fs，这使得将在非线性光纤中产生超连续光。频谱的形式和啁啾脉冲机制的稳定性在很大程度上取决于腔内的色散的数量和形式。
注意：啁啾脉冲放大(CPA)是一种用于在放大前将超短激光脉冲放大至拍瓦(petawatt)级，将激光脉冲在时间上和频谱上展宽的技术。
文献“无源Q-开关的全固态激光的脉冲间隔的混沌”("Chaos in the pulse spacing ofpassive Q-switched all-solid-state lasers",Marcelo Kovalsky and Alejandro Hnilo,OPTICS LETTERS/Vol.35,No.20/2010年10月15日)描述了对于在二极管泵浦的Cr-YAGQ-开关激光器中，由低维确定性混沌决定脉冲间隔(“抖动”)的不稳定性的实验及理论验证。在对动力学研究及其主要参数的研究中所获得的特性对于减少该抖动的有效的方式取得了进展，通过控制混沌的机制，其是具有实用价值的。相反地，预测脉冲间隔的困难使得该系统对于高功率的加密通信(在自由空间传播中，基于强大的混沌激光频率调制)引人注目。
因此，可以断言，通过这两个文献，本领域技术人员可以理解在Q-开关激光器的混沌机制的使用上或在混沌激光器的使用上所涉及的不稳定性问题，造成不允许光以受控的方式被发射。
发明内容
本发明的实施例有必要提供替代现有技术填补其中缺陷的技术，提供超连续光发射器件，其有效，且比现有技术中那些已知的更经济，以及简化了在超连续光器件中包括的部件中的相当重要的一部分。
为此，本发明涉及宽频带超连续光发射器件，包括：
-非线性光纤；
-泵浦系统；
-光腔；以及
-有源介质，所述有源介质位于所述光腔内，且通过由所述泵浦系统提供的泵浦被配置和布置，以产生并向所述非线性光纤发射激光脉冲，其中所述非线性光纤在其中激励非线性效应，以便产生并由所述非线性光纤的输出端发射所述超连续光。
不像已知的宽频带超连续光发射器件，在本发明提出的器件中，配置光腔和其中的有源介质，因此由所述有源介质产生和发射的激光脉冲为光的混沌脉冲，其激励所述非线性光纤的非线性效应来使得所述非线性光纤产生和发射以随时间随机分布的光脉冲形式的超连续光。
在优选实施例中，本发明的器件包括至少一个布置在或接近所述非线性光纤的输出端的低反射率(<0.1)元件，其中所述低反射率优选具有在-10dB与-70dB之间的值，更具体地具有在-30dB与-50dB之间的值。
在一个实施例中，上述低反射率元件为以非直角切断的所述非线性光纤的非准直仪(collimator)端，同时在替代实施例中，所述低反射率元件为所述非线性光纤输出端的部分反射的准直仪端，例如球形融合端，组装在非线性光纤的输出端的具有抗反射涂层的准直仪透镜，或连接至非线性光纤的输出端(以非直角切断)的外部准直仪。
根据实施例，非线性光纤为非线性微结构光纤。
在更优选的实施例中，尤其是由于随其所获得的高效率，非线性光纤设置在所述光腔内，通常与所述有源介质融合，然而在其它次优选实施例中，其可设置在外部，在这种情况下，低反射率元件设置在光腔的端部，且从光腔中出来的光经由所述低发射率元件聚焦在非线性光纤上，然而这种布置的效率要低得多，由于有与光损失和不稳定性相关的问题，因为对激光的任何小的反射使得它不稳定，振动也可影响光在非线性光纤上的聚焦。
根据实施例，上述有源介质包括有源光纤的部分，其输出端连接至所述非线性光纤的输入端，且泵浦系统包括设置在所述有源光纤部分的输入端处，以向内发射光的泵浦二极管。
在优选的所述实施例的变体中，有源光纤具有掺杂有镱(Yb)的芯，而在其它次优选变体中，其掺杂有至少一种以下元素：铒(Er)、钕(Nd)、铥(Tm)及钬(Ho)，由此非线性有源光纤必须被设计为，使得它以非线性机制，在由有源光纤发射的波长(例如，在铒掺杂的情况下，在1550nm的频带内)处工作。
根据实施例，本发明的器件包括适配光纤部分，其使得有源光纤部分的输出端与非线性光纤的输入端互连。
根据实施例，器件包括至少一个设置在所述有源光纤部分的输入端前面的高反射率(>0.9)元件，在由所述泵浦二极管提供的所述光的插入点的前面或后面。
此外，根据实施例，本发明的器件包括连接至所述有源光纤部分的输入端的光纤附加部分，其中设置所述至少一个高反射率元件；以及包括长周期光栅，其作为以有源光纤具有的最大自发发射的波长为中心波长的带通(band-pass)滤波器，且所述光纤的附加部分的自由端以非直角结束。
根据实施例，本发明的器件配置为发射具有纳秒数量级的宽度和每秒1000个脉冲数量级的平均发射率的光脉冲。
有利地，根据优选实施例，本发明器件的所有组件由光纤制成，并通过融合连接。
本发明提出的器件表示对已知的常规超连续光发射器件的可选方案，由此得到的功率谱密度是类似于由常规发光器件所获得的，但提高了对于由宽频谱灯所获得的功率谱密度。本发明提出的器件不使用锁模或Q开关激光器，其在组件的数目上构成重要的简化，由于混沌激光器本身发出非常高的能量脉冲，即高强度的脉冲，其也不需要附加的放大级。对光子晶体光纤的非线性效应的激励系统由混沌性质的非常简单的光纤“激光”(见下文注释)组成，但具有适当的特性用于在纳秒机制中激励非线性光纤。关键是源的大幅跌价，从而使超连续谱源纳入多种用途的测量设备价格实惠，且光谱技术在许多领域的发展，这将增加用户和应用的数量。
本发明的两个特征导致跌价。一方面，不需要频幅、相位或频率调制器类型，无论是有源的还是无源的(需要通过锁模和Q开关激光器)，另一方面，(与大多数光纤激光器不同)，不需要放大级来产生超连续光。
术语“激光”上使用引号，因为实际上，严格来说，本发明的器件只可被称为混沌激光，如果从中提取非线性光纤，因为如果不是这样的情况，在宽频带发射光，这种类型的发射能否被称为"激光"发射，这是值得商榷的。在任何情况下，并考虑到上述的注释，为阐明对本发明的描述，在本说明书中的各部件中使用术语混沌激光器，是指不包括非线性光纤的器件的元件集合。
因此，可以说本发明器件的区别方面在于混沌激光与非线性光纤的结合。针对最后由非线性光纤的输出端发射的内部泵浦激光和白光，关键区别因素是发射的混沌性质。
本发明所提出的器件构成具有高功率及低成本的点光源，其覆盖紫外光谱的部分、整个可见光谱和近红外光谱，优选在400纳米和2400纳米之间，产生具有大约1纳秒的持续时间和大于1千瓦的峰值功率的强烈的脉冲。
本发明还涉及所提出的器件的一系列用途，诸如，例如，作为卤素灯(具有足够的宽频带频谱，低成本和比传统卤素灯更明亮的光)，以及其它LED宽频带光源。
本发明所提出的器件的性能特征对于光谱学应用是独特的。关键是源的点状性质和大于利用具有空间滤波器的传统的卤素光源所能达到的各种数量级的强度，这代表对于成像技术、小样本表征、活性物质的低浓度检测、分离的纳米颗粒的表征等的重要改善。
因此，允许在以下领域中的信号检测比那些使用传统系统的检测低几个数量级：
生物医学成像：
-荧光寿命成像显微术：用于共焦显微术的成像技术。通过使用单一的激光源，超连续光源允许选择和调整激发带到每一种情况下的最佳水平。
-光学相干断层成像。在光扩散介质(诸如生物组织)中提供3D图像的信号采集和处理技术。超连续光源同时提供超高分辨率和超高灵敏度。
-分子成像。在活体中检测分子过程的成像技术。超连续光源提供单一光源所必需的整个频带，它允许覆盖650-900纳米频带，这是该技术的相关频带。
测量仪器：
-光纤及光纤部件的表征
-材料表征：超连续光源提供超广泛频带，很容易聚焦的高斯光束，其耦合至光纤，这使得多个光纤设备或位于不同工作台的设备可以很容易地被兼容。
工业设备：
-工件及材料的分类：超连续光源同时提供可见光和红外光，其允许在工件和材料的机械分类，有机和无机材料、水果和蔬菜、塑料和木材之间的区分中提高效率。
-检查设备。用于检测裂纹和缺陷的白光干涉度量，以及质量控制。
基础研究：
-纳米光子学：由于允许良好的聚焦并提供高强度，超连续光源提供检测和表征纳米粒子、光纳米腔和纳米结构器件所需的强度。
-光谱学：所有光谱技术可从超连续光源的优点中受益，因为它们提供对强度的多个数量级的改进，保持光源的点状性质。
本发明涉及所提出器件对于所有上述领域的多种用途。
本发明的优点：
本发明允许实现比直至目前所使用的解决方案的成本都低的光源。本发明所提出的器件在寿命和持续性方面的质量改善，源于医疗医用，该医疗应用获益于诊断及成像技术的提高，以及获益于光谱技术，其允许非常低浓度的分子检测以及安全先进的疾病检测和通过分子成像的手术导航的提高。太阳能发电厂需要通过便携式和低成本的仪器来正确地表征光学表面，并且在宽频带的光的大气条件下表征。对光子器件表征的改善也将有助于光通信。基础研究也将广泛地获益于本发明的器件向从事任何光谱学技术工作的研究组提供经济实惠的设备，例如用于纳米粒子的表征，其反过来又可被应用于治疗癌症和其它疾病。
附图说明
从以下结合附图对若干实施例的详细描述中将能够更全面地理解先前的和其它的优点和特征，其应被解释为是示例性的和非限制性的，其中：
图1为本发明提出的器件的实施例的示意图；
图2为示出由图1中的器件的输出端发出的光信号的频谱的曲线图；
图3为涉及归一化功率与时间的曲线图，并且示出了在图1中的器件的输出端上所产生的混沌脉冲列；
图4示出了本发明提出的器件的另外的实施例，比图1中的实施例更详尽的实施例；以及
图5、6、7a、7b、7c、8a和8b为示出图4中器件的输出信号的各种测量的曲线图。
具体实施方式
图1示意性地示出了本发明提出的宽频带超连续光发射器件的实施例，其包括如下元件：
-泵浦系统，该系统包括泵浦二极管D，例如5W和980纳米的；
-有源介质，其由有源光纤部分Fm形成，具有镱掺杂的芯且该芯被泵浦在包层上，具有连接至泵浦二极管D的输入端，由此而被泵浦；
-非线性光纤F，例如微结构光纤；
-适配光纤段Fa(例如SM980)，其使得有源光纤部分Fm的输出端与非线性光纤F的输入端互连，使之适配于彼此；
-低反射率元件R2，其设置在非线性光纤F的输出端；
-连接至有源光纤部分Fm的输入端的光纤附加部分Fn，其中设置了高反射率元件R1(如具有非常高的反射率的布拉格光栅)，以及设置有长周期光栅N，该光栅N作为以有源光纤Fm具有的最大自发发射的波长为中心波长(例如在1030nm)的带通滤波器，由此光纤附加部分Fn的自由端T以非直角结束，用于确保光不会在光纤Fn的端部反射，从而使得发射的稳定不会被破坏且必要的脉冲混沌机制不会被破坏(spoiled)。
图1中，通过附图标记S指示该器件的最终输出，其中发出超连续光，以及通过附图标记Sm指示有源光纤Fm的残余泵浦的提取点。
图1中的器件的光腔被限定在R1和R2之间，并且对应一未示出的实施例，泵浦二极管D的输出端可连接在R1之前(换言之，在图1中所示的位置的左侧)。
非线性微结构光纤F的技术特性包括小的模面积以及对应激光的工作波长而优化的色散。在本发明器件的具体实施中，由于对于其中的构造，已使用在大约1030nm处发射的掺杂有镱的有源光纤，所使用的非线性微结构光纤以接近1030nm的零色散而构造，波长大于1030nm为异常的，波长低于1030nm为正常的。此外，优化该组的指数相对于波长的曲线，以得到在长的波长处的迅速增长。光纤F的优化使得白光源的频谱范围可扩展到其最大，从400至2400纳米，而光纤F的非最佳实施例部分地降低了所发射的超连续光的带宽，但不会使得器件完全无法使用。
制造了图1中的器件的实验总成，其中，所述5W二极管D泵浦掺杂有镱的有源光纤，激光腔被调节以在混沌脉冲机制中工作，且所述光腔包括在发明人的实验室中制造的非线性微结构光纤F，其中所引起的非线性效应增加了白光的发射。所发射的超连续光的频谱覆盖从大约400纳米到超过2400纳米的可见光的显著一部分，具有156mW的功率，并具有-10dBm/nm数量级上的强度，如图2所示，具有获得的264mW的总功率，其中包括与激光相关的108mW的功率，换言之，有源介质的光子不会转化为其它波长(能量峰值在图2中表示为“激光Yb”)。
图3示出了涉及归一化功率与时间的曲线图，该图示出了在图1中的器件的输出S中所产生的混沌脉冲列。
图4示出本发明提出的器件的另外的实施例，其中该器件包括比图1的更多数量的元件，尤其是更多数量和种类的光纤部分。
在图4所示的符号具有以下的含义：
●  接合
x  不规则切断的端部
/  APC连接器
// UAPC连接器
图4的器件是由包含在图1中的相同元件，加上一系列布置在非线性光纤F端与输出S端之间的附加元件，以及更强大的泵浦二极管形成的。对于其构造，具有最大功率为7.6W的976.5nm的泵浦二极管与多模光纤Fd一起使用，其驱动泵浦功率至有源光纤Fm的包层，包层中的芯掺杂有镱，残余泵浦功率在点Sm处被提取，由有源光纤Fm发射的光通过适配光纤部分Fa，被驱动至非线性微结构光纤F，高反射率元件R为形成于SM980光纤中的布拉格光栅，长周期光栅N形成于PS980光纤中，连接光纤Fm与布拉格光栅的光纤Fa的光纤段Fc为HI980光纤，且组合在连接至光纤Fs的光纤Fa中的APC连接器构成端部T。光输出S由准直仪提供。利用UAPC连接器，通过另一适配光纤段Fa，SM980，将非线性光纤F的输出端连接至偏振保持光纤段Fp，PM980。由于光纤以非直角被切断，该UAPC连接器提供所需的低反射率，并支持比APC连接器更好的高输出功率。组装有UAPC连接器的PM980光纤可被取代为另一类型的不保持偏振的光纤。
通过使用8.51A的泵浦电流，进行利用图4中器件的实施的实验测试，该泵浦电流提供了7.6W的光泵浦功率，由此在输出S得到600mW的光输出功率，包括对应于超连续光的和对应于残余激光的。
图5、6、7a、7b、7c、8a和8b示出了通过一系列将在下面描述的曲线图而得到的对于上述利用图4中器件的实验性测试的结果，并且得到通过利用1801型号的硅光接收器在输出S处的测量值，该光接收器在0至125兆赫的范围内工作并具有300至1050nm范围的标称光带宽。平均功率以任意单位(a.u.)表示。
图5示出对于所获得的超连续光的单脉冲(自触发拍摄)所抽取的测量，在图中详细示出，以及图6通过三个相关的曲线图，示出随机地抽取的另外三个脉冲(也是自触发拍摄)，每一个具有不同的形式。
图7a至7c示出了随机抽取的对于单次拍摄所获得的三个单独的测量结果的示例，其中可观察到不同的脉冲序列，其中脉冲随时间随机分布。
最后，图8a和8b表示在图4中的器件的输出S处所获得的从0到540μs的光检测信号(单次拍摄)中测量的两个附加的脉冲序列，其中图8a示出了首次的五个脉冲，图8B示出了最后的五个脉冲。
从这些图中表示的测量可总结如下：
-脉冲之间的空间不是恒定的，在12至28微秒的近似范围内随机变化；
-没有观察到连续波组分；
-没有不能在使用的泵浦条件下观察到脉冲的临时窗口；
-脉冲的形式以近似30至40的范围内的脉冲宽度而随机改变。
在不脱离如附加的权利要求中所限定的本发明范围的情况下，本领域技术人员可对所描述的实施例进行更改和修订。

Claims (22)

1.宽频带超连续光发射器件，至少包括：
-非线性光纤(F)；
-泵浦系统；
-光腔；以及
-有源介质，所述有源介质位于所述光腔内，且通过由所述泵浦系统提供的泵浦被配置和布置，以产生并向所述非线性光纤(F)发射激光脉冲，其中所述非线性光纤(F)在其中激励非线性效应，以便产生并由所述非线性光纤(F)的输出端发射所述超连续光；
其中所述器件的特征在于，配置所述光腔和所述有源介质，以使由所述有源介质产生和发射的激光脉冲为光的混沌脉冲，其激励所述非线性光纤(F)的非线性效应来使得所述非线性光纤(F)产生和发射以随时间随机分布的光脉冲形式的超连续光。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件包括至少一个布置在或接近所述非线性光纤(F)的输出端的低反射率元件(R2)。
3.根据权利要求2所述的器件，其特征在于，所述低反射率具有包括在-10dB与-70dB之间的值。
4.根据权利要求3所述的器件，其特征在于，所述低反射率具有包括在-30dB与-50dB之间的值。
5.根据权利要求2至4任一项所述的器件，其特征在于，所述的低反射率元件(R2)为以非直角切断的所述非线性光纤(F)的非准直仪端。
6.根据权利要求2至4任一项所述的器件，其特征在于，所述的低反射率元件(R2)为所述非线性光纤(F)输出端的部分反射的准直仪端。
7.根据权利要求6所述的器件，其特征在于，所述准直仪端为微球形融合端、组装在非线性光纤(F)的输出端的具有抗反射涂层的准直仪透镜，或连接至非线性光纤(F)的以非直角切断的输出端的外部准直仪。
8.根据上述权利要求任一项所述的器件，其特征在于，所述非线性光纤(F)为非线性微结构光纤。
9.根据上述权利要求任一项所述的器件，其特征在于，所述非线性光纤(F)设置在所述光腔内。
10.根据权利要求9所述的器件，其特征在于，所述有源介质包括有源光纤部分(Fm)，其输出端连接至所述非线性光纤(F)的输入端，其中所述泵浦系统包括泵浦二极管(D)，所述泵浦二极管(D)设置在所述有源光纤部分(Fm)的输入端处以向内发射光。
11.根据权利要求10所述的器件，其特征在于，所述有源光纤(Fm)具有芯，所述芯掺杂有包含镱、铒、钕、铥及钬的组中的至少一种元素或其中多种元素的组合。
12.根据权利要求10或11所述的器件，其特征在于，所述器件包括适配光纤部分(Fa)，其使得有源光纤部分(Fm)的输出端与非线性光纤F的输入端互连。
13.根据权利要求10、11或12所述的器件，其特征在于所述器件包括至少一个设置在所述有源光纤部分(Fm)的输入端前面的高反射率元件(R1)，所述高反射率元件(R1)位于由所述泵浦二极管(D)提供的所述光的插入点的前面或后面。
14.根据权利要求13所述的器件，其特征在于，所述器件包括连接至所述有源光纤部分(Fm)的输入端的光纤附加部分(Fn)，其中设置有所述至少一个高反射率元件(R1)；以及包括长周期光栅(N)，其用作以有源光纤Fm具有的最大自发发射的波长为中心波长的带通滤波器，且所述光纤附加部分Fn的自由端(T)以非直角结束。
15.根据上述权利要求任一项所述的器件，其特征在于所述器件配置为发射具有纳秒数量级的宽度和每秒1000个脉冲数量级的平均发射率的光脉冲。
16.根据上述权利要求任一项所述的器件，其特征在于，所述器件的所有组件由光纤制成，并通过融合连接。
17.将如权利要求1至16任一项所述的器件用作发光二极管类型的宽频带光发射源。
18.将如权利要求17所述的器件用作卤素灯。
19.将如权利要求1至16任一项所述的器件用于荧光寿命成像显微术、光学相干断层成像或分子成像中的生物医学成像应用。
20.将如权利要求1至16任一项所述的器件用于光纤、材料或光纤部件的表征的测量仪器的应用。
21.将如权利要求1至16任一项所述的器件用于部件和材料分类、设备检查、用于检测裂纹和缺陷的白光干涉度量中的工业设备应用，以及用于质量控制。
22.将如权利要求1至16任一项所述的器件用于纳米光子学或光谱学应用。
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