CN105633774A - 多波长超短脉冲光纤激光光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多波长超短脉冲光纤激光光源，属于激光光源领域。它由多波长超短脉冲光纤激光器，分光器件及光纤放大器系统组成。其中多波长超短脉冲光纤激光器产生中心波长在其增益光纤发射光谱内的超短脉冲，并通过腔内高非线性光纤的非线性光学效应将该超短脉冲实现波长转换，产生其他波长的超短脉冲；分光器件将所得不同中心波长的超短脉冲分离到匹配增益介质的光纤放大器；光纤放大器将所得超短脉冲进行放大，得到高能量的多波长超短脉冲。本发明基于腔内非线性光学效应将激光器的输出光谱进行拓展，并将所得多波长脉冲利用光纤放大器进行功率放大，实现了高能量多波长超短脉冲输出，系统结构简单紧凑、成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及激光光源领域，特别是一种多波长超短脉冲输出的光纤激光光源。
背景技术
在非线性光学显微成像、非线性光学显微频谱成像及神经元网络的全光激发与成像等领域均需要多波长高能量超短脉冲激光光源。例如在多色双光子显微成像中，需要依据几种所成像荧光物质的吸收谱选取多束不同中心波长的超短脉冲；在相干拉曼显微系统中，需要两束波长间隔与所探测物质的拉曼峰相匹配的高能量超短脉冲；在非简并双光子吸收显微系统中，需要两束光子能量之和与所探测物质的吸收峰相匹配的高能量超短脉冲；在神经网络的全光激发与成像系统中，需要两束不同中心波长的高能量脉冲分别进行基于光遗传学(optogenetics)或光解笼锁(uncaging)的神经元激发与基于多光子荧光显微成像的神经元网络活动记录。
当前，多波长高能量超短脉冲激光光源通常是由多台不同中心波长的脉冲激光器或高能量脉冲激光器及其同步泵浦的光学参量振荡器组成。显而易见，前者成本昂贵，所能获得的激光波长数目受限于可用的激光晶体材料种类，且在需要多波长激光脉冲同步的应用领域还需复杂的同步装置(如文献DavidJ.Jones，EricO.Potma，Ji-xinCheng，BerndtBurfeindt，YangPang，JunYeandX.SunneyXie，Synchronizationoftwopassivelymode-locked，picosecondlaserswithin20fsforcoherentanti-StokesRamanscatteringmicroscopy，Rev.Sci.Instrum.73，2843(2002))。在后者中，高能量脉冲激光器产生某单一中心波长的高能量超短脉冲，并被直接或经倍频后用于泵浦光学参量振荡器(如文献FeruzGanikhanov，SilviaCarrasco，X.SunneyXie，MordechaiKatz，WolfgangSeitz，andDanielKopf，Broadlytunabledual-wavelengthlightsourceforcoherentanti-StokesRamanscatteringmicroscopy，OpticsLetters31(9)，1292-1294(2006))。光学参量振荡器内的非线性光学晶体或其他高非线性光学元件在满足一定条件下将泵浦脉冲变换为其他波长的超短脉冲。但是该方法的缺点在于：该系统包含两个谐振腔，且光学参量振荡器的腔长需与激光器的腔长实时匹配，系统结构复杂，成本昂贵；激光器的输出功率决定了参量振荡器的最大输出脉冲能量。
为了解决脉冲激光器及其所泵浦的参量振荡器之间腔长匹配的复杂问题，人们提出了腔内振荡参量振荡器(intracavityopticalparametricoscillator)。该结构中，将激光增益介质与非线性晶体置于同一个振荡腔中，自动实现了腔长匹配，大大简化了系统结构(如专利MalcolmH.Dunn，DavidStothard，Intra-cavityopticalparametricoscillator，US8867584B2)。但上述系统采用空间结构，稳定性差，维护成本高，输出光束质量差。此外，所采用的非线性晶体通常为特定的波长转换所定制，相对于丰富的非线性光纤光学效应，波长调谐的灵活性低。
因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种有效措施，以解决现有技术中存在的不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低廉、结构紧凑、易维护的多波长超短脉冲光纤激光光源。
为了解决上述问题，本发明公开了一种多波长超短脉冲光纤激光光源，其特征在于包括：
多波长超短脉冲光纤激光器；
分光器系统；以及
光纤放大器系统；
其中，所述多波长超短脉冲光纤激光器的腔包括：增益光纤和高非线性光纤；所述多波长超短脉冲光纤激光器设置成：在腔内锁模或调Q元件的作用下，或在腔内实现等效可饱和吸收效应元件的作用下在所述增益光纤中产生第一超短脉冲，所述第一超短脉冲的中心波长位于所述增益光纤的发射光谱内；在所述高非线性光纤中经由非线性效应将所述第一超短脉冲转化为n个第二超短脉冲，n个所述第二超短脉冲的中心波长各不相同，并且都与所述第一超短脉冲的中心波长不同，n为整数，且n≥1；由此，所述多波长超短脉冲光纤激光器总计产生(n+1)个不同中心波长的超短脉冲，包括n个所述第二脉冲和1个经由所述高非线性光纤未被转化成所述第二超短脉冲的残余所述第一超短脉冲；
其中，所述分光器系统由(n+1)个分光器构成；所述光纤放大器系统由(n+1)个光纤放大器构成；(n+1)个所述分光器和(n+1)个所述光纤放大器与(n+1)个不同中心波长的所述超短脉冲一一对应；
第m(m为整数，且1≤m≤n+1)个所述分光器将第m个所述超短脉冲分离到第m个所述光纤放大器进行功率放大，得到高能量的超短脉冲；第m个所述光纤放大器的增益介质的发射光谱范围与第m个所述超短脉冲的中心波长相匹配。
优选的，所述多波长超短脉冲光纤激光器为锁模光纤激光器，调Q锁模光纤激光器或调Q光纤激光器；所述高能量的超短脉冲的脉冲宽度为飞秒至皮秒(10-15～10-11秒)量级。
优选的，所述多波长超短脉冲光纤激光器的腔为环形腔或线形腔；所述腔内的光纤为单模光纤、双包层光纤或大模场面积光纤。
优选的，所述增益光纤为掺稀土离子光纤；所述多波长超短脉冲光纤激光器的泵浦方式为同向泵浦、反向泵浦或双向泵浦。
优选的，所述高非线性光纤为高非线性光子晶体光纤或除所述高非线性光子晶体光纤之外的其他类型的高非线性光纤；
所述非线性效应包括超连续谱产生、四波混频、孤子自频移、受激拉曼效应及调制不稳定性。
优选的，所述分光器为波分复用器、阵列波导光栅、光栅或棱镜。
优选的，所述光纤放大器的增益介质为掺稀土离子光纤；所述掺稀土离子光纤为单模光纤、双包层光纤或大模场面积光纤；所述光纤放大器的泵浦方式为同向泵浦、反向泵浦或双向泵浦。
优选的，所述掺稀土离子光纤为掺钕光纤、掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤、掺钬光纤、铒镱共掺光纤、钬铥共掺光纤或掺铋光纤。
优选的，所述光纤放大器为单级光纤放大器或多级光纤放大器。
优选的，所述多波长超短脉冲光纤激光光源为全光纤结构或部分光纤结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过在光纤激光器腔内引入高非线性光纤，基于其丰富的非线性光学效应将激光器的输出光谱进一步拓展，并将所得多波长脉冲利用光纤放大器进行功率放大，实现了高能量多波长超短脉冲输出；高非线性光纤的输出光谱可通过如改变腔内脉冲的能量或通过改变泵浦功率等途径进行调谐，波长调谐灵活性高；采用光纤放大器对频率变换后的脉冲进行放大，可获得高能量输出脉冲。此外，本发明采用光纤结构，系统简单、结构紧凑，极大地降低了系统成本；采用光纤输出，光束质量好。
附图说明
图1是本发明所述的一种多波长超短脉冲光纤激光光源的结构示意图。
图2是本发明实施实例中基于腔内高非线性光纤中四波混频效应获得多波长超短脉冲输出的一种光纤激光光源结构示意图。
图3是掺镱光纤的吸收谱(虚线)与发射谱(实线)。横轴：波长，单位：纳米；纵轴：截面，单位：平方皮米。
图4是本发明实施实例中基于腔内高非线性光纤中四波混频效应获得多波长超短脉冲输出的另一种光纤激光光源结构示意图。
图5是本发明实施实例中基于腔内高非线性光纤中超连续谱效应获得多波长超短脉冲输出的一种光纤激光光源结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
参照图1，示出了本发明所述的一种多波长超短脉冲光纤激光光源的结构示意图，包括多波长超短脉冲光纤激光器，分光器系统及光纤放大器系统。其中，分光器系统由多个分光器构成，光纤放大器系统由多个光纤放大器构成。
多波长超短脉冲光纤激光器设置成：在腔内锁模或调Q元件的作用下，或在腔内实现等效可饱和吸收效应元件的作用下，在其增益光纤中产生中心波长在其增益光纤发射光谱内的超短脉冲。当该超短脉冲在腔内高非线性光纤中传输时，经历非线性光学效应实现波长转换，产生了其他波长的超短脉冲。分光器将所得的不同中心波长的超短脉冲分离到相应增益介质的光纤放大器，由光纤放大器将所得超短脉冲进行功率放大，得到高能量的多波长超短脉冲。
实施例1：
下面参照图2，详细叙述本发明的一个基于腔内高非线性光纤中四波混频效应获得多波长超短脉冲输出的一种光纤激光光源实例。其中，200为多波长超短脉冲光纤激光器及分光器件部分，201为掺镱光纤，202为高非线性光子晶体光纤，203为波分复用器(用作分束)，204为耦合器，205为可饱和吸收体元件或偏振控制器，206为隔离器，207为泵浦光耦合端，208为波分复用器(用作合束)，209为波分复用器(用作分束)，210为一输出端，211为泵浦光耦合端，212为掺钕光纤放大器，213为一输出端，214为泵浦光耦合端，215为掺镱光纤放大器，216为一输出端。
该实施例中的多波长超短脉冲光纤激光器为基于可饱和吸收体或非线性偏振旋转效应锁模的超短脉冲光纤激光器，腔内含掺镱光纤201(发射光谱峰值之一在1020nm至1070nm波段，见图3)及高非线性光子晶体光纤202。此例中所选用的高非线性光子晶体光纤的色散曲线需满足将中心波长为1020nm至1070nm的超短脉冲(下述以中心波长为1064nm为例)高效的转移至中心波长为920nm附近的超短脉冲所需的相位匹配条件。波分复用器208将泵浦光207耦合进腔内，对掺镱光纤201进行泵浦。隔离器206保证了腔内脉冲的单向运行。可饱和吸收体元件或偏振控制器205启动并维持稳定的锁模，获得中心波长在1064nm附近的超短脉冲。经光子晶体光纤202中简并四波混频效应，该超短脉冲被部分转换为中心波长分别在920nm和1260nm附近的超短脉冲。由于掺镱光纤201对中心波长在920nm附近的脉冲存在吸收(图3)，故采用波分复用器203将该新产生的中心波长在920nm附近的超短脉冲耦合出腔外，作为掺钕光纤放大器212(发射光谱峰值之一在900nm附近)的输入进行放大。耦合器204(例如20∶80耦合器)将四波混频效应产生的中心波长为1260nm附近的超短脉冲及部分残余的中心波长为1064nm附近的超短脉冲部分(例如20％)耦合出腔外。剩余的(例如80％)脉冲在腔内振荡，即中心波长在1064nm附近及1260nm附近的脉冲在腔内分别进行激光谐振及单谐振参量振荡。耦合器204的输出脉冲经波分复用器209进行波长分离，其中中心波长为1064nm的超短脉冲作为掺镱光纤放大器215(发射光谱峰值之一在1020nm至1070nm波段)的输入进行放大。经光纤放大器212与215对上述种子脉冲进行放大，即可得到高能量双波长超短脉冲输出213和216。
本例所得双波长超短脉冲光纤光源可用于神经元网络的全光激发与成像系统(AdamMPacker，etal，Simultaneousall-opticalmanipulationandrecordingofneuralcircuitactivitywithcellularresolutioninvivo，NatureMethods12，140-146(2015))，其中中心波长为1064nm附近的超短脉冲用于双光子激发光敏蛋白(如C1V1-2A-mCherry)产生神经刺激，中心波长为920nm附近的超短脉冲用于对绿色钙指示剂(如GCaMP)进行双光子成像，记录神经元网络活动。该光源也可用于同时激发红色钙指示剂(如RCaMP，RGECO)及绿色钙指示剂(如GCaMP)，实现多色钙信号双光子成像。
实施例2：
下面参照图4，详细叙述本发明的一个基于腔内高非线性光纤中四波混频效应获得多波长超短脉冲输出的另一种光纤激光光源实例。其中，300为多波长超短脉冲光纤激光器及分光器件部分，301为掺镱光纤，302为高非线性光子晶体光纤，303为波分复用器(用作分束)，304为耦合器，305为可饱和吸收体元件或偏振控制器，306为隔离器，307为泵浦光耦合端，308为波分复用器(用作合束)，309为波分复用器(用作分束)，310为一输出端，311为泵浦光耦合端，312为掺钕光纤放大器，313为一输出端，314为泵浦光耦合端，315为掺镱光纤放大器，316为一输出端。
该实施例中的多波长超短脉冲光纤激光器为基于可饱和吸收体或非线性偏振旋转效应锁模的超短脉冲光纤激光器，腔内含掺镱光纤301(发射光谱峰值之一在1020nm至1070nm波段，见图3)及高非线性光子晶体光纤302。此例中所选用的高非线性光子晶体光纤的色散曲线需满足将中心波长为1020nm至1070nm的超短脉冲(下述以中心波长为1064nm为例)高效的转移至中心波长为920nm附近的超短脉冲所需的相位匹配条件。波分复用器308将泵浦光307耦合进腔内，对掺镱光纤301进行泵浦。隔离器306保证了腔内脉冲的单向运行。可饱和吸收体元件或偏振控制器305启动并维持稳定的锁模，获得中心波长在1064nm附近的超短脉冲。经光子晶体光纤302中简并四波混频效应，该超短脉冲被部分转换为中心波长分别在920nm和1260nm附近的超短脉冲。与实施例1不同，此处采用波分复用器303将新产生的两个不同中心波长的脉冲耦合出腔外，其中中心波长在920nm附近的超短脉冲作为掺钕光纤放大器312(发射光谱峰值之一在900nm附近)的输入，中心波长在1260nm附近的超短脉冲经波分复用器309分离至输出端310。耦合器304(例如20∶80耦合器)将部分残余的中心波长为1064nm附近的超短脉冲部分(例如20％)耦合出腔外，剩余的(例如80％)脉冲在腔内振荡。耦合器304的输出脉冲作为掺镱光纤放大器315(发射光谱峰值之一在1020nm至1070nm波段)的输入进行放大。经光纤放大器312与315对上述种子脉冲进行放大，即可得到高能量双波长超短脉冲输出313和316。
本例中腔内只存在激光振荡，而无参量反馈振荡，参量转换过程的效率由光子晶体光纤的高非线性确保。同上，所得的双波长超短脉冲光纤光源可用于神经元网络的全光激发与成像系统，及多色钙信号成像系统。
实施例3：
下面参照图5，详细叙述本发明的一个基于腔内高非线性光纤中超连续谱效应获得多波长超短脉冲输出的一种光纤激光光源实例.其中，400为多波长超短脉冲光纤激光器，401为掺铒光纤，402为高非线性光纤，403为耦合器，404为可饱和吸收体，405为隔离器，406为泵浦光输入端，407为波分复用器(用作合束)，408为波分复用器(用作分束)，409为泵浦光输入端，410为掺铒光纤放大器，411为一输出端，412为泵浦输入端，413为掺镱光纤放大器，414为一输出端。
实例中多波长超短脉冲光纤激光器400为基于可饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器，腔内含掺铒光纤401(发射光谱峰值之一在1550nm附近)及高非线性光纤402。波分复用器407将泵浦光406耦合进腔内，对掺铒光纤401进行泵浦。隔离器405保证了腔内脉冲的单向运行。可饱和吸收体404启动并维持稳定的锁模输出。所产生的超短脉冲经高非线性光纤402产生超连续谱，经耦合器403(如20∶80耦合器)耦合出腔外(如20％)，并经波分复用器408进行分离。其中中心波长为1550nm附近的超短脉冲被掺铒光纤放大器410进行放大，中心波长为1064nm附近的超短脉冲被掺镱光纤放大器413进行放大，得到高能量双波长超短脉冲输出411和413。
本例所得双波长超短脉冲光纤光源经进一步频率变换可用于相干拉曼显微成像(ChristianW.Freudiger，etal，StimulatedRamanscatteringmicroscopywitharobustfibrelasersource，NaturePhotonics8，153-159(2014))，其中中心波长为1550nm附近的超短脉冲经倍频可作为相干拉曼过程的泵浦光，中心波长为1064nm附近的超短脉冲可作为相干拉曼过程的探测光。
综上，采用本发明的方法，通过在光纤激光器腔内引入高非线性光纤，基于其丰富的非线性光学效应将激光器的输出光谱进一步拓展，并将所得多波长脉冲利用光纤放大器进行功率放大，实现了高能量多波长超短脉冲输出；仅需要单一腔结构即可获得多波长超短脉冲输出，系统简单；采用光纤结构，结构紧凑；采用光纤输出，光束质量好；此外，还具有系统成本低，维护成本低等优点。
以上对本发明所提出的一种多波长超短脉冲光纤激光光源进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本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，这些改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种多波长超短脉冲光纤激光光源，其特征在于包括：
多波长超短脉冲光纤激光器；
分光器系统；以及
光纤放大器系统；
其中，所述多波长超短脉冲光纤激光器的腔包括：增益光纤和高非线性光纤；所述多波长超短脉冲光纤激光器设置成：在腔内锁模或调Q元件的作用下，或在腔内实现等效可饱和吸收效应元件的作用下在所述增益光纤中产生第一超短脉冲，所述第一超短脉冲的中心波长位于所述增益光纤的发射光谱内；在所述高非线性光纤中经由非线性效应将所述第一超短脉冲转化为n个第二超短脉冲，n个所述第二超短脉冲的中心波长各不相同，并且都与所述第一超短脉冲的中心波长不同，n为整数，且n≥1；由此，所述多波长超短脉冲光纤激光器总计产生(n+1)个不同中心波长的超短脉冲，包括n个所述第二脉冲和1个经由所述高非线性光纤未被转化成所述第二超短脉冲的残余所述第一超短脉冲；
其中，所述分光器系统由(n+1)个分光器构成；所述光纤放大器系统由(n+1)个光纤放大器构成；(n+1)个所述分光器和(n+1)个所述光纤放大器与(n+1)个不同中心波长的所述超短脉冲一一对应；
第m(m为整数，且1≤m≤n+1)个所述分光器将第m个所述超短脉冲分离到第m个所述光纤放大器进行功率放大，得到高能量的超短脉冲；第m个所述光纤放大器的增益介质的发射光谱范围与第m个所述超短脉冲的中心波长相匹配。
2.如权利要求1所述的多波长超短脉冲光纤激光光源，其特征在于：
所述多波长超短脉冲光纤激光器为锁模光纤激光器，调Q锁模光纤激光器或调Q光纤激光器；所述高能量的超短脉冲的脉冲宽度为飞秒至皮秒(10-15～10-11秒)量级。
3.如权利要求1所述的多波长超短脉冲光纤激光光源，其特征在于：
所述多波长超短脉冲光纤激光器的腔为环形腔或线形腔；所述腔内的光纤为单模光纤、双包层光纤或大模场面积光纤。
4.如权利要求1所述的多波长超短脉冲光纤激光光源，其特征在于：
所述增益光纤为掺稀土离子光纤；所述多波长超短脉冲光纤激光器的泵浦方式为同向泵浦、反向泵浦或双向泵浦。
5.如权利要求1所述的多波长超短脉冲光纤激光光源，其特征在于：
所述高非线性光纤为高非线性光子晶体光纤或除所述高非线性光子晶体光纤之外的其他类型的高非线性光纤；
所述非线性效应包括超连续谱产生、四波混频、孤子自频移、受激拉曼效应及调制不稳定性。
6.如权利要求1所述的多波长超短脉冲光纤激光光源，其特征在于：
所述分光器为波分复用器、阵列波导光栅、光栅或棱镜。
7.如权利要求1所述的多波长超短脉冲光纤激光光源，其特征在于：
所述光纤放大器的增益介质为掺稀土离子光纤；所述掺稀土离子光纤为单模光纤、双包层光纤或大模场面积光纤；所述光纤放大器的泵浦方式为同向泵浦、反向泵浦或双向泵浦。
8.如权利要求4或7所述的多波长超短脉冲光纤激光光源，其特征在于：
所述掺稀土离子光纤为掺钕光纤、掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤、掺钬光纤、铒镱共掺光纤、钬铥共掺光纤或掺铋光纤。
9.如权利要求1所述的多波长超短脉冲光纤激光光源，其特征在于：
所述光纤放大器为单级光纤放大器或多级光纤放大器。
10.如权利要求1所述的多波长超短脉冲光纤激光光源，其特征在于：
所述多波长超短脉冲光纤激光光源为全光纤结构或部分光纤结构。
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Application publication date: 20160601 |