CN105633775A - 一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，目的是解决斜率效率低、功率低的问题。本发明由掺杂光纤、两个信号源、抽运源、光耦合组件、包层模式滤除器构成。掺杂光纤为掺杂有稀土离子的双包层软玻璃光纤；两个信号源均为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管；抽运源为连续波多模激光器或带尾纤的连续波多模激光二极管；光耦合组件由第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜、第一二色镜、第二二色镜、第一耦合透镜、第二耦合透镜组成。包层模式滤除器是剥除涂覆层和外包层，并涂以折射率匹配膏的一段掺杂光纤。本发明能量转换效率高、产热少，可输出高斜率效率、高功率中红外超连续谱。

Description

一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源
技术领域
本发明公开了一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，属于激光技术领域。
背景技术
实现高功率超连续谱光源的有效途径之一是基于光纤放大器的超连续谱光源。虽然基于石英基光纤放大器的可见光波段和近红外波段超连续谱光源技术已经较为成熟，但受限于石英材料在2.4μm以上波段强烈的吸收损耗，现有的基于石英基光纤放大器的超连续谱光源输出光谱的长波边难以超越2.6μm(参见W.Yang,B.Zhang,J.Hou,R.Xiao,Z.Jiang,Z.Liu.Mid-IRsupercontinuumgenerationinTm/Hocodopedfiberamplifier[J].LaserPhysicsLetters,2013,10(5):055107.(杨未强等，铥钬共掺光纤放大器中产生中红外超连续谱，激光物理快报，2013年，第10期第5卷))，因此中红外波段超连续谱光源的实现有赖于采用声子能量较低、在中红外波段吸收损耗较低的软玻璃光纤(如氟化物玻璃光纤、碲化物(包括亚碲酸盐)玻璃光纤、硫化物玻璃光纤)。目前软玻璃光纤中发展最为成熟的是ZBLAN光纤(ZBLAN，即ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF，氟化物光纤组分的一种)。另外，在实现基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源时，须采用在2-5μm波段存在辐射跃迁的稀土离子构成的掺杂光纤，如目前使用最广泛的是掺杂铒离子(Er3+)或钬离子(Ho3+)等的ZBLAN光纤，即Er3+:ZBLAN光纤和Ho3+:ZBLAN光纤。
由于软玻璃光纤材料技术的相对不成熟，以及软玻璃光纤的机械性能差、熔点低、处理难度较大的缘故，目前仅有一篇基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源的公开报道，即在976nm激光二极管泵浦的Er3+：ZBLAN光纤放大器中对重复频率为2kHz、波长2.75μm、脉冲宽度400ps的信号光进行放大，产生2.6-4.1μm的中红外超连续谱(参见J.Gauthier,V.Fortin,S.Duval,etal.In-amplifiermid-infraredsupercontinuumgeneration[J].OpticsLetters,2015,40(22):5247-5250.(J.Gauthier等，光纤放大器中红外超连续谱产生，光学快报，2015年，第40期第22卷))。但其在输出的超连续谱的光谱最宽时的斜率效率仅为4.5％，虽然可以通过牺牲光谱宽度进一步提升斜率效率，但斜率效率最高也仅为7.5％，且功率可扩展性较差。在该报道中，较低的斜率效率，在限制超连续谱输出功率的提升的同时，给系统的热管理、稳定性和可靠性带来严重的问题。因此提升放大器的斜率效率，对于提升输出的超连续谱的功率、降低系统的热负载进而提升系统的稳定性和可靠性至关重要。
上述报道中的基于软玻璃光纤放大器的超连续谱光源是通过基于单一波长种子光的光纤放大器实现的。需要指出的是，对于目前的基于软玻璃光纤放大器的超连续谱光源，其掺杂光纤中的稀土离子一般有三个可参与辐射跃迁的能级，且在三个能级之间存在两个级联的辐射跃迁，因而，在软玻璃掺杂光纤构成的放大器中仅对单一波长的信号光进行放大并产生超连续谱，一是会造成能量的浪费以及放大器输出的超连续谱斜率效率不高；二是浪费的能量绝大部分以多声子衰减的形式耗散，产生大量的热，对系统的热管理和稳定性造成严重威胁。上述两方面造成了目前基于软玻璃光纤放大器的超连续谱光源的输出功率较低。
公开的技术资料已经从数值模拟和实验结果证明了，Er3+:ZBLAN光纤和Ho3+:ZBLAN光纤应用于级联激射激光器时斜率效率达60％的可行性。T.Sumiyoshi等人报道了在Ho3+:ZBLAN光纤中产生2.93μm和2.06μm连续波级联激光的实验，输出激光的斜率效率为52％(参见T.Sumiyoshi,H.Sekita.Dual-wavelengthcontinuous-wavecascadeoscillationat3and2μmwithaholmium-dopedfluoride-glassfiberlaser[J].OpticsLetters,1998,23(23):1837-1839.(TetsumiSumiyoshi等，3μm和2μm连续波级联双波长掺钬氟化物光纤激光器，光学快报，1998年，第23期第23卷))；后来该小组又将该实验的斜率效率提升至65％(参见T.Sumiyoshi,H.Sekita,T.Arai,etal.High-powercontinuous-wave3-and2-μmcascadeHo3+:ZBLANfiberlaseranditsmedicalapplications[J].IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,1999,5(4):936-943.(T.Sumiyoshi等，高功率连续波3μm和2μm级联双波长Ho3+:ZBLAN光纤激光器，高功率量子电子学选刊，1999年，第5期第4卷))；J.Li等人通过数值模拟，从理论上证明了，在Er3+:ZBLAN光纤和Ho3+:ZBLAN光纤构成的光纤激光器中，采用级联运转的方式，激光器的斜率效率均可达60％以上(参见J.Li,H.Luo,Y.Liu,etal.Modelingandoptimizationofcascadederbiumandholmiumdopedfluoridefiberlasers[J].SelectedTopicsinQuantumElectronics,IEEEJournal,2014,20(5):15-28.(李剑峰等，基于掺铒和掺钬氟化物光纤的级联激光器数值模拟和优化，2014年，第20期第5卷))。但目前仍没有公开的技术资料报道基于双波长信号光和软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源。
发明内容
本发明要解决的技术问题是基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源的斜率效率低、功率低的问题。本发明提出一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，在基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源中，分别选取两个信号源的工作波长与所掺杂的稀土离子的两个级联的辐射跃迁波长相同，分别对两个波长的信号光进行功率放大并产生中红外超连续谱，可以提高斜率效率、减少产热，实现高功率的中红外超连续谱输出。
本发明的技术方案如下：一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，所述光源由掺杂光纤、第一信号源、第二信号源、抽运源、光耦合组件、包层模式滤除器构成。包层模式滤除器位于掺杂光纤中。所述的第一信号源、第二信号源和抽运源分别发射第一信号光、第二信号光、抽运光，第一信号光、第二信号光、抽运光经光耦合组件耦合进入掺杂光纤中，掺杂光纤经包层模式滤除器输出超连续谱。
掺杂光纤为掺杂有稀土离子的双包层软玻璃光纤。掺杂光纤掺杂的稀土离子要求在抽运波长下有三个可参与辐射跃迁的能级，能级由低到高分别为第一能级、第二能级、第三能级，并且第三能级与第二能级之间、第二能级与第一能级之间的跃迁均能够以辐射跃迁的形式实现；第三能级与第二能级之间的辐射跃迁对应的波长为第一波长λ1，第二能级与第一能级之间的辐射跃迁对应的波长为第二波长λ2，第一能级到第三能级的吸收跃迁波长为第三波长λ3，并自然满足1/λ3≥1/λ1+1/λ2。掺杂光纤靠近第一信号源和第二信号源的一端切平角，掺杂光纤远离第一信号源和第二信号源的一端切8°斜角，以消除光纤端面的菲涅耳反射带来的反馈。掺杂光纤的端面处理保证超连续谱光源的单端输出以及抑制激射。掺杂光纤靠近抽运源的一端为第一端，另一端为第二端。
第一信号源为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，工作波长即第一信号光与λ1相同，发射的激光脉冲宽度为ns～ps量级，脉冲重复频率为kHz～GHz量级。第一信号源位于掺杂光纤的一端。第一信号源输出第一信号光，经光耦合组件准直、聚焦，在掺杂光纤中的纤芯中以全反射的形式传输并放大。
第二信号源为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，工作波长即第二信号光与λ2相同，发射的激光脉冲宽度为ns～ps量级，脉冲重复频率为kHz～GHz量级。第二信号源与第一信号源位于掺杂光纤的同一端。第二信号源输出第二信号光，经光耦合组件准直、聚焦，在掺杂光纤中的纤芯中以全反射的形式传输并放大。
抽运源为连续波多模激光器或带尾纤的连续波多模激光二极管，工作波长即抽运光与λ3相同。抽运源可以位于掺杂光纤靠近第一信号源与第二信号源所在的那一端，也可以位于掺杂光纤的另一端。抽运源输出抽运光，经光耦合组件准直、聚焦，在掺杂光纤中的内包层中以全反射的形式传输，并在经过掺杂光纤纤芯时被吸收。
光耦合组件由第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜、第一二色镜、第二二色镜、第一耦合透镜、第二耦合透镜组成。光耦合组件接收第一信号光、第二信号光、抽运光的一端为输入端，出射第一信号光、第二信号光、抽运光的一端为输出端。第一信号源、第二信号源以及抽运源均位于光耦合组件的输入端。光耦合组件的输出端与掺杂光纤正对。第一准直透镜正对第一信号源的输出尾纤放置，并使第一信号源的输出尾纤端面位于第一准直透镜的焦点处；第二准直透镜正对第二信号源的输出尾纤放置，并使第二信号源的输出尾纤端面位于第二准直透镜的焦点处；第三准直透镜正对抽运源的输出尾纤放置，并使抽运源的输出尾纤端面位于第三准直透镜的焦点处。第一准直透镜对第一波长具有98％以上的透射率，将第一信号源输出的第一信号光准直。第二准直透镜对第二波长具有98％以上的透射率，将第二信号源输出的第二信号光准直。第三准直透镜对第三波长具有98％以上的透射率，将抽运源输出的抽运光准直。第一准直透镜与第二准直透镜相互垂直放置，因而经第一准直透镜准直的第一信号光光束与经第二准直透镜准直的第二信号光光束垂直。第一二色镜在光路中与准直后的第一信号光光束和第二信号光光束光路均成45°角放置。第一二色镜对第一波长具有98％以上的反射率，对第二波长具有98％以上的透射率；第一二色镜将准直后的第一信号光和第二信号光合并成一束光。第三准直透镜与第二准直透镜垂直放置，因而经第三准直透镜准直的抽运光光束与经第一二色镜合束的第一信号光和第二信号光光束垂直。第二二色镜在光路中与准直后的抽运光光束和经第一二色镜合束的第一信号光和第二信号光光束均成45°角放置。第二二色镜对第三波长具有98％以上的反射率，对第一信号光和第二信号光具有98％以上的透射率；第二二色镜将准直后的抽运光与经第一二色镜合束之后的第一信号光和第二信号光合并成一束光。第一耦合透镜正对第二准直透镜，与第二准直透镜平行放置，并使掺杂光纤靠近第一信号源和第二信号源一端的光纤端面位于第一耦合透镜的焦点处；第一耦合透镜对第一信号光、第二信号光、抽运光具有98％以上的透射率；第一耦合透镜将合束后的上述三个波长的光聚焦、耦合进掺杂光纤中。第二耦合透镜正对掺杂光纤远离第一信号源和第二信号源的一端，并使掺杂光纤远离第一信号源和第二信号源一端的光纤端面位于第二耦合透镜的焦点处；第二耦合透镜对抽运光波长和2-5μm波段的光具有98％以上的透射率；第二耦合透镜将产生的超连续谱准直输出。光耦合组件中各个部件的位置关系能够保证光从第一信号源、第二信号源、抽运源到掺杂光纤的耦合效率在90％以上。
包层模式滤除器是在掺杂光纤的第二端，将一段掺杂光纤剥除涂覆层和外包层，并涂以折射率匹配膏制成，其中，剥除涂覆层和外包层的掺杂光纤长为n厘米，1≤n≤5。折射率匹配膏对抽运光的折射率低于掺杂光纤的内包层对抽运光的折射率。包层模式滤除器使掺杂光纤第二端未吸收完全的抽运光泄漏出掺杂光纤，保证输出的超连续谱中不含抽运光成分。以上是本发明的基本方案(前向抽运方案)。
为了进一步提高超连续谱光源的输出功率，本发明还可采用后向抽运的方案，即抽运光从掺杂光纤远离信号源的一端经光耦合组件耦合进入掺杂光纤，第一、二信号光与抽运光在掺杂光纤中反向传输。因此，本方案中抽运源、第三准直透镜、第二二色镜应位于掺杂光纤远离第一信号源和第二信号源的一端，并且抽运源、第三准直透镜、第二二色镜之间的相对位置与基本方案中抽运源、第三准直透镜、第二二色镜之间的相对位置相同；第三准直透镜与第二耦合透镜相互垂直放置，使得经第三准直透镜准直的抽运光经第二耦合透镜耦合进掺杂光纤。另外，根据包层模式滤除器位于掺杂光纤第二端的定义，即位于掺杂光纤远离抽运源的一端，因而本方案中，包层模式滤除器位于掺杂光纤靠近第一信号源和第二信号源的一端。本方案中，第二耦合透镜将产生的超连续谱准直，第二耦合透镜和第二二色镜共同将产生的超连续谱耦合输出。
为了减少超连续谱光源中空间器件的使用，并提高超连续谱光源工作的稳定性，本发明还可以用带有波分复用器的方案，即用光纤波分复用器将第一准直透镜、第一二色镜替代。光纤波分复用器的第一输入端工作在第一波长λ1,光纤波分复用器的第二输入端工作在第二波长λ2，光纤波分复用器的输出端工作在第一波长λ1和第二波长λ2。光纤波分复用器的输出端输出合束后的第一信号光和第二信号光，第二准直透镜将经波分复用器合束后的第一信号光和第二信号光准直，第二二色镜将经第二准直透镜准直后的第一信号光和第二信号光透射，第一耦合透镜将经第二二色镜透射的第一信号光和第二信号光聚焦、耦合进入掺杂光纤。
为了既提高超连续谱光源的输出功率，又减少超连续谱光源中空间器件的使用、提高超连续谱光源工作的稳定性，本发明还可以在采用后向抽运并带有波分复用器的方案，即在采用后向抽运的同时，用光纤波分复用器将第一准直透镜、第一二色镜替代。光纤波分复用器将第一信号光和第二信号光合束到光纤波分复用器的输出尾纤并输出；第二准直透镜将输出的第一信号光和第二信号光准直；第一耦合透镜将准直后的第一信号光、第二信号光聚焦并耦合进掺杂光纤；第二二色镜将经第三准直透镜准直后的抽运光反射，第二耦合透镜将反射的抽运光聚焦并耦合进掺杂光纤。
采用本发明可以达到以下技术效果：
本发明利用软玻璃光纤掺杂的稀土离子的三个能级中存在两个级联辐射跃迁的特点，在掺杂光纤中，分别将两个工作在级联辐射跃迁波长的种子源输出的信号光在光纤放大器中放大并产生超连续谱，并且：
当采用基本方案(即前向抽运方案)时，与现有的基于软玻璃光纤放大器的超连谱光源相比，本发明的能量转换效率高、产热少，因而斜率效率和功率高；
当采用后向抽运方案时，与基本方案相比，超连续谱光源的输出功率能够进一步提高；
当采用带有光纤波分复用器的方案时，与基本方案相比，超连续谱光源中空间器件的使用减少，并且稳定性提高。
当采用后向抽运与带有光纤波分复用器的方案时，与基本方案相比，超连续谱光源的输出功率能够进一步提高，同时超连续谱光源中空间器件的使用减少，并且稳定性提高。
附图说明
图1是本发明提供的中红外超连续谱光源的第一种实施方案(基本方案)示意图。
图2是本发明提供的中红外超连续谱光源的第二种实施方案(后向抽运方案)的结构图。
图3是本发明提供的中红外超连续谱光源的第三种实施方案(带有光纤波分复用器的方案)的结构图。
图4是本发明提供的中红外超连续谱光源的第四种实施方案(后向抽运并带有光纤波分复用器的方案)的结构图。
具体实施方案
图1为本发明的基本实施方案。本发明由掺杂光纤1、第一信号源2、第二信号源3、抽运源4、光耦合组件5、包层模式滤除器6构成。包层模式滤除器6位于掺杂光纤1中。
掺杂光纤1可选用双包层的Er3+:ZBLAN光纤或Ho3+:ZBLAN光纤。掺杂的Er3+或Ho3+在抽运波长下有三个可参与辐射跃迁的能级，能级由低到高分别为第一能级、第二能级、第三能级，并且第三能级与第二能级之间、第二能级与第一能级之间的跃迁均能够以辐射跃迁的形式实现；第三能级与第二能级之间的辐射跃迁对应的波长为第一波长λ1，第二能级与第一能级之间的辐射跃迁对应的波长为第二波长λ2，第一能级到第三能级的吸收跃迁波长为第三波长λ3，并自然满足1/λ3≥1/λ1+1/λ2。掺杂光纤靠近第一信号源2和第二信号源3的一端切平角，掺杂光纤远离第一信号源2和第二信号源3的一端切8°斜角，以消除掺杂光纤1端面的菲涅耳反射带来的反馈。掺杂光纤1的端面处理保证超连续谱光源的单端输出以及抑制激射。掺杂光纤1靠近抽运源4的一端为第一端，另一端为第二端。
第一信号源2可选用单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，脉冲宽度为ns～ps量级，脉冲重复频率为kHz～GHz量级，工作波长即第一信号光波长与λ1相同。第一信号源2发射第一信号光，经光耦合组件5准直、聚焦，在掺杂光纤1的纤芯中以全反射的形式传输并放大。
第二信号源3可选用单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，脉冲宽度为ns～ps量级，脉冲重复频率为kHz～GHz量级，工作波长即第二信号光波长与λ2相同。第二信号源3发射第二信号光，经光耦合组件5准直、聚焦，在掺杂光纤1的纤芯中以全反射的形式传输并放大。
抽运源4可选用连续波多模激光器或带尾纤的连续波多模激光二极管，工作波长即抽运光波长与λ3相同。抽运源4发射抽运光，经光耦合组件5准直、聚焦，在掺杂光纤1的内包层中以全反射的形式传输，并在经过掺杂光纤1的纤芯时被吸收。
光耦合组件5由第一准直透镜51、第二准直透镜52、第三准直透镜53、第一二色镜54、第二二色镜55、第一耦合透镜56、第二耦合透镜57组成。光耦合组件5接收第一信号光、第二信号光、抽运光的一端为输入端，出射第一信号光、第二信号光、抽运光的一端为输出端。第一信号源2、第二信号源3以及抽运源4均位于光耦合组件5的输出端。光耦合组件5的输出端与掺杂光纤1正对。第一准直透镜51正对第一信号源2的输出尾纤放置，并使第一信号源2的输出尾纤端面位于第一准直透镜51的焦点处；第二准直透镜52正对第二信号源3的输出尾纤放置，并使第二信号源3的输出尾纤端面位于第二准直透镜52的焦点处；第三准直透镜53正对抽运源4的输出尾纤放置，并使抽运源4的输出尾纤端面位于第三准直透镜53的焦点处。第一准直透镜51对第一波长具有98％以上的透射率，将第一信号源2输出的第一信号光准直。第二准直透镜52对第二波长具有98％以上的透射率，将第二信号源3输出的第二信号光准直。第三准直透镜53对第三波长具有98％以上的透射率，将抽运源4输出的抽运光准直。第一准直透镜51与第二准直透镜52相互垂直放置，因而经第一准直透镜51准直的第一信号光光束与经第二准直透镜52准直的第二信号光光束垂直。第一二色镜54在光路中与准直后的第一信号光光束和第二信号光光束光路均成45°角放置。第一二色镜54对第一波长具有98％以上的反射率，对第二波长具有98％以上的透射率；第一二色镜54将准直后的第一信号光和第二信号光合并成一束光。第三准直透镜53与第二准直透镜52垂直放置，因而经第三准直透镜53准直的抽运光光束与经第一二色镜54合束的第一信号光和第二信号光光束垂直。第二二色镜55在光路中与准直后的抽运光光束和经第一二色镜54合束的第一信号光和第二信号光光束均成45°角放置。第二二色镜55对第三波长具有98％以上的反射率，对第一信号光和第二信号光具有98％以上的透射率；第二二色镜55将准直后的抽运光与经第一二色镜54合束之后的第一信号光和第二信号光合并成一束光。第一耦合透镜56正对第二准直透镜52，并与第二准直透镜52平行放置，并使掺杂光纤1靠近第一信号源2和第二信号源3一端的光纤端面位于第一耦合透镜56的焦点处；第一耦合透镜56对第一信号光、第二信号光、抽运光具有98％以上的透射率；第一耦合透镜56将合束后的上述三个波长的光耦合进掺杂光纤1中。第二耦合透镜57正对掺杂光纤1远离第一信号源2和第二信号源3的一端，并使掺杂光纤1远离第一信号源2和第二信号源3一端的光纤端面位于第二耦合透镜57的焦点处；第二耦合透镜57对2-5μm波段的光具有98％以上的透射率；第二耦合透镜57将产生的超连续谱准直输出。光耦合组件5中各个部件的位置关系能够保证光从第一信号源2、第二信号源3、抽运源4到掺杂光纤的耦合效率在90％以上。
包层模式滤除器6是将掺杂光纤1的第二端，剥除一段涂覆层和外包层，并涂以低折射率的折射率匹配膏制成。包层模式滤除器使掺杂光纤第二端未吸收完全的抽运光泄漏出掺杂光纤，保证输出的超连续谱中不含抽运光成分。
图2为本发明的第二种实施方案。与基本方案相比，本实施方案采用后向抽运的方式，即抽运源4输出的抽运光从掺杂光纤1远离第一信号源2和第二信号源3的一端经光耦合组件5耦合进入掺杂光纤1，第一、二信号光与抽运光在掺杂光纤1中反向传输。因此，本方案中抽运源4、第三准直透镜53、第二二色镜55位于掺杂光纤1远离第一信号源2和第二信号源3的一端，并且抽运源4、第三准直透镜53、第二二色镜55之间的相对位置与图1一样，同时抽运源4、第三准直透镜53、第三准直透镜53与第二耦合透镜57相互垂直放置，使得第二耦合透镜57将第三准直透镜53准直的抽运光耦合进掺杂光纤1。另外，根据包层模式滤除器6位于掺杂光纤1的第二端的定义，即位于掺杂光纤1远离抽运源4的一端，因而本方案中，包层模式滤除器6位于掺杂光纤1靠近第一信号源2和第二信号源3的一端。本方案中，第二耦合透镜57和第二二色镜55共同将产生的超连续谱耦合输出。与基本方案相比，本方案可以进一步提高超连续谱光源的输出功率。
本方案与基本方案的区别：基本方案中，由于采用前向抽运，掺杂光纤1从靠近第一信号源2和第二信号源3的一端到远离第一信号源2和第二信号源3的一端，增益系数逐渐变小，信号光功率逐渐增加，但增加速度越来越缓慢；本方案中，由于采用后向抽运，掺杂光纤1从靠近第一信号源2和第二信号源3的一端到远离第一信号源2和第二信号源3的一端，增益系数逐渐变大，信号光功率逐渐增加，但增加速度越来越快。考虑到信号光在掺杂光纤1中传输时的散射损耗等各种损耗，采用后向抽运的本方案与基本方案相比更容易产生高功率的超连续谱输出，可进一步提升本发明输出的超连续谱的功率。
图3为本发明的第三种实施方案。与基本方案相比，在光耦合组件5中，本实施方案用光纤波分复用器58代替第一准直透镜51、第一二色镜54，第一信号光和第二信号光分别经光纤波分复用器58合束输出，然后经第二准直透镜52准直，而后经第二二色镜55透射，最后经第一耦合透镜56耦合进入掺杂光纤1。由此构成的超连续谱光源减少了空间耦合器件的使用，更加简单紧凑，有利于提高系统的稳定性。
图4为本发明的第四种实施方案。为了既提高超连续谱光源的输出功率，又减少超连续谱光源中空间器件的使用、提高超连续谱光源工作的稳定性，与图2所述方案相比，本发明还可以在采用后向抽运方式的同时用光纤波分复用器58代替第一准直透镜51、第一二色镜54。

Claims (11)

1.一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于所述光源由掺杂光纤(1)、第一信号源(2)、第二信号源(3)、抽运源(4)、光耦合组件(5)、包层模式滤除器(6)构成，包层模式滤除器(6)位于掺杂光纤(1)中；第一信号源(2)、第二信号源(3)和抽运源(4)分别发射第一信号光、第二信号光、抽运光，第一信号光、第二信号光、抽运光经光耦合组件(5)耦合进入掺杂光纤(1)中，经包层模式滤除器(6)输出超连续谱；
掺杂光纤(1)为掺杂有稀土离子的双包层软玻璃光纤；掺杂光纤(1)掺杂的稀土离子要求在抽运波长下有三个可参与辐射跃迁的能级，能级由低到高分别为第一能级、第二能级、第三能级，并且第三能级与第二能级之间、第二能级与第一能级之间的跃迁均能够以辐射跃迁的形式实现；第三能级与第二能级之间的辐射跃迁对应的波长为第一波长λ1，第二能级与第一能级之间的辐射跃迁对应的波长为第二波长λ2，第一能级到第三能级的吸收跃迁波长为第三波长λ3，并满足1/λ1≥1/λ2+1/λ3；掺杂光纤(1)靠近抽运源(4)的一端为第一端，另一端为第二端；
第一信号源(2)为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，工作波长即第一信号光与λ1相同，第一信号源(2)位于掺杂光纤(1)的一端，第一信号源(2)发射第一信号光，经光耦合组件(5)准直、聚焦，在掺杂光纤(1)中的纤芯中以全反射的形式传输并放大；
第二信号源(3)为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，工作波长即第二信号光与λ2相同，第二信号源(3)与第一信号源(2)位于掺杂光纤(1)的同一端，第二信号源(3)发射第二信号光，经光耦合组件(5)准直、聚焦，在掺杂光纤(1)中的纤芯中以全反射的形式传输并放大；
抽运源(4)为连续波多模激光器或带尾纤的连续波多模激光二极管，工作波长即抽运光与λ3相同；抽运源(4)位于掺杂光纤(1)靠近第一信号源(2)与第二信号源(3)所在的那一端或位于掺杂光纤(1)的另一端，抽运源(4)发射的抽运光，经光耦合组件(5)准直、聚焦，在掺杂光纤(1)中的内包层中以全反射的形式传输，并在经过掺杂光纤(1)纤芯时被吸收；
光耦合组件(5)由第一准直透镜(51)、第二准直透镜(52)、第三准直透镜(53)、第一二色镜(54)、第二二色镜(55)、第一耦合透镜(56)、第二耦合透镜(57)组成；光耦合组件(5)接收第一信号光、第二信号光、抽运光的一端为输入端，出射第一信号光、第二信号光、抽运光的一端为输出端；第一信号源(2)、第二信号源(3)以及抽运源(4)均位于光耦合组件(5)的输入端，光耦合组件(5)的输出端与掺杂光纤(1)正对；第一准直透镜(51)正对第一信号源(2)的输出尾纤放置，并使第一信号源(2)的输出尾纤端面位于第一准直透镜(51)的焦点处；第二准直透镜(52)正对第二信号源(3)的输出尾纤放置，并使第二信号源(3)的输出尾纤端面位于第二准直透镜(52)的焦点处；第三准直透镜(53)正对抽运源(4)的输出尾纤放置，并使抽运源(4)的输出尾纤端面位于第三准直透镜(53)的焦点处；第一准直透镜(51)将第一信号源(2)输出的第一信号光准直；第二准直透镜(52)将第二信号源(3)输出的第二信号光准直；第三准直透镜(53)将抽运源(4)输出的抽运光准直；第一准直透镜(51)与第二准直透镜(52)相互垂直放置，经第一准直透镜(51)准直的第一信号光光束与经第二准直透镜(52)准直的第二信号光光束垂直；第一二色镜(54)在光路中与准直后的第一信号光光束和第二信号光光束光路均成45°角放置，第一二色镜(54)将准直后的第一信号光和第二信号光合并成一束光；第三准直透镜(53)与第二准直透镜(52)垂直放置，经第三准直透镜(53)准直的抽运光光束与经第一二色镜(54)合束的第一信号光和第二信号光光束垂直；第二二色镜(55)在光路中与准直后的抽运光光束和经第一二色镜(54)合束的第一信号光和第二信号光光束均成45°角放置，第二二色镜(55)将准直后的抽运光与经第一二色镜(54)合束之后的第一信号光和第二信号光合并成一束光；第一耦合透镜(56)正对第二准直透镜(52)，并与第二准直透镜(52)平行放置，并使掺杂光纤(1)靠近第一信号源(2)和第二信号源(3)一端的光纤端面位于第一耦合透镜(56)的焦点处；第一耦合透镜(56)将合束后的上述三个波长的光耦合进掺杂光纤(1)中；第二耦合透镜(57)正对掺杂光纤(1)远离第一信号源(2)和第二信号源(3)的一端，并使掺杂光纤(1)远离第一信号源(2)和第二信号源(3)一端的光纤端面位于第二耦合透镜(57)的焦点处；第二耦合透镜(57)将产生的超连续谱准直输出；
包层模式滤除器(6)是在掺杂光纤(1)的第二端，将一段掺杂光纤(1)剥除涂覆层和外包层，并涂以折射率匹配膏制成，折射率匹配膏对抽运光的折射率低于掺杂光纤(1)的内包层对抽运光的折射率；包层模式滤除器(6)使掺杂光纤(1)第二端未吸收完全的抽运光泄漏出掺杂光纤(1)，保证输出的超连续谱中不含抽运光成分。
2.如权利要求1所述的高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于所述抽运源(4)、第三准直透镜(53)、第二二色镜(55)位于掺杂光纤(1)远离第一信号源(2)和第二信号源(3)的一端，第三准直透镜(53)与第二耦合透镜(57)相互垂直放置，使得经第三准直透镜(53)准直的抽运光经第二耦合透镜(57)耦合进掺杂光纤(1)；包层模式滤除器(6)位于掺杂光纤(1)靠近第一信号源(2)和第二信号源(3)的一端；抽运光从掺杂光纤(1)远离信号源的一端经光耦合组件(5)耦合进入掺杂光纤(1)，第一、二信号光与抽运光在掺杂光纤(1)中反向传输，第二耦合透镜(57)和第二二色镜(55)共同将产生的超连续谱耦合输出。
3.如权利要求1所述的高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于采用光纤波分复用器(58)代替第一准直透镜(51)、第一二色镜(54)。
4.如权利要求2所述的高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于采用光纤波分复用器(58)代替第一准直透镜(51)、第一二色镜(54)。
5.如权利要求1所述的高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于所述掺杂光纤(1)靠近第一信号源(2)和第二信号源(3)的一端切平角，掺杂光纤(1)远离第一信号源(2)和第二信号源(3)的一端切8°斜角。
6.如权利要求1所述的高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于所述第一信号源(2)和第二信号源(3)要求发射的激光脉冲宽度为ns～ps量级，脉冲重复频率为kHz～GHz量级。
7.如权利要求1所述的高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于所述光耦合组件(5)中的第一准直透镜(51)对第一波长具有98％以上的透射率，第二准直透镜(52)对第二波长具有98％以上的透射率，第三准直透镜(53)对第三波长具有98％以上的透射率。
8.如权利要求1所述的高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于所述光耦合组件(5)中的第一二色镜(54)对第一波长具有98％以上的反射率，对第二波长具有98％以上的透射率；第二二色镜(55)对第三波长具有98％以上的反射率，对第一信号光和第二信号光具有98％以上的透射率；第一耦合透镜(56)对第一信号光、第二信号光、抽运光具有98％以上的透射率；第二耦合透镜(57)对2-5μm波段的光具有98％以上的透射率。
9.如权利要求1所述的高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于剥除涂覆层和外包层的掺杂光纤(1)长为n厘米，以制成包层模式滤除器(6)，1≤n≤5。
10.如权利要求1所述的高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于所述掺杂光纤(1)选用双包层的Er3+:ZBLAN光纤或Ho3+:ZBLAN光纤。
11.如权利要求3或4所述的高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于光纤波分复用器(58)的第一输入端工作在第一波长λ1，光纤波分复用器(58)的第二输入端工作在第二波长λ2，光纤波分复用器(58)的输出端工作在第一波长λ1和第二波长λ2。
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