CN105762626B - 一种超大带宽超连续谱激光光源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超大带宽超连续谱激光光源，主要包括脉冲光纤激光器，光纤放大器和氧化锗光纤；其中氧化锗光纤采用阶跃折射率型折射率结构光纤、光子晶体结构光纤或微结构光纤；所述超大带宽超连续谱激光光源通过对氧化锗光纤引入正波导色散，可以将氧化锗光纤的零色散点从1.7μm向短波长方向移动到1.5μm波段附近，使其接近脉冲光纤激光器波长，并且形成关于零色散点频率对称分布的群速度色散曲线；所述光源的输出光谱可以覆盖可见光到中红外波段，具有全光纤结构、成本低廉、稳定性好等特点，易于在光学元件性能测试、显微成像、生物医学、广谱传感、光谱学等众多领域大范围推广使用。

Description

一种超大带宽超连续谱激光光源
技术领域
本发明涉及超连续谱激光领域，尤其涉及一种超大带宽超连续谱激光光源。
背景技术
超连续谱激光光源在环境检测、生物医学、自由空间光通信、红外光谱学、国土安全等领域有重要应用前景。相比于传统的非相干荧光光源、稀土元素的自发辐射光源以及热光源，超连续谱激光光源具有亮度高、空间相干性好、结构紧凑、谱宽更广等诸多优点。目前基于石英(二氧化硅)光纤的超连续谱激光光源得到了广泛研究，技术上已经趋于成熟。然而当波长大于2.4μm时(对应声子能量1000cm-1)，石英材料的声子共振吸收损耗急剧增强，因而难以在石英光纤中获得输出波长位于2.4μm以上的超连续谱激光光源。为了产生更长波长超连续谱激光光源，往往需要引入在中红外波段低传输损耗的软玻璃光纤(对应声子能量更低)，如氟化物光纤、碲酸盐光纤和硫系玻璃光纤，然而受光纤材料的性质限制这些光纤耐热性和机械性能均普遍较差。氟化物光纤的研究最早，且目前已经商品化，但氟化物光纤在水蒸气的侵蚀下会发生水解现象，影响其工作的稳定性。碲酸盐光纤和硫系玻璃光纤虽然具有比石英和氟化物光纤更高的非线性系数，但是它们的材料零色散点在更长的红外波长，需要匹配更长波长的高峰值功率脉冲抽运激光器。然而这些软玻璃光纤价格均非常昂贵，且软玻璃光纤拉制和后处理过程均非常复杂，不能满足实验室和市场需求。
光纤材料氧化锗(声子能量900cm-1)具有比石英(声子能量1000cm-1)光纤更低的声子能量，理论上可以传输中红外波段的光。同时氧化锗拥有和石英相近的物理性质，和石英材料兼容性好、环境稳定性高、可以承受高功率等优点，且制备原材料成本低廉、制作技术难度低，是一种有潜力的光纤材料。但目前基于氧化锗拉曼激光器大多集中在拉曼激光器领域，而超连续谱激光光源研究较少，尚未有基于氧化锗光纤的光谱范围覆盖可见光到中红外波段的超连续谱激光光源见报道。参考文献(Zhang，M.，et al.，Mid-infraredRaman-soliton continuum pumped by a nanotube-mode-locked sub-picosecond Tm-doped MOPFA.Optics express，2013.21(20)：p.23261.)报道了2μm波长的飞秒脉冲抽运氧化锗光纤可以产生红外超连续谱激光光源，但输出光谱范围仅覆盖1.9-3μm。通过1.5μm波段的调Q激光器或者锁模激光器抽运氧化锗光纤也可以产生宽谱段超连续谱激光光源，但目前见诸报道的该种超连续谱激光光源的光谱范围仅覆盖1.6-2.6μm(Kamynin，V.A.，etal.，Supercontinuum generation beyond 2μm in GeO2fiber：comparison of nano-andfemtosecond pumping.Laser physics letters，2015.12(6)：p.065101.)。公开资料显示，虽然氧化锗光纤也是一种理想的大带宽低损耗红外传输光纤，但由于缺少对氧化锗光纤非线性和色散效应的控制，目前尚无基于氧化锗光纤的超大带宽超连续谱激光光源的研究和报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于氧化锗光纤的低成本、超大带宽超连续谱激光光源，输出光谱可以覆盖可见光到中红外波段，该光源具有全光纤结构、成本低廉、稳定性好等特点，易于在光学元件性能测试、显微成像、生物医学、广谱传感、光谱学等众多领域大范围推广使用。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供一种超大带宽的超连续谱激光光源。具体由脉冲光纤激光器，光纤放大器和氧化锗光纤组成。其中脉冲光纤激光器的输出端和光纤放大器的输入端连接，光纤放大器的输出端和氧化锗光纤的输入端连接。所述的脉冲光纤激光器输出激光脉冲经过光纤放大器放大之后获得输出高峰值功率的脉冲激光；进一步地，使用该脉冲激光作为激励源，抽运一段氧化锗光纤，产生超大带宽的超连续谱激光输出。
所述脉冲光纤激光器为1.5μm波段脉冲光纤激光器。所述脉冲光纤激光器的脉冲宽度大于1ps，小于20ns，且峰值功率高于10W。
所述光纤放大器为1.5μm波段光纤放大器。所述光纤放大器的输出脉冲宽度大于1ps，小于20ns，且峰值功率高于1000W。
所述氧化锗光纤的纤芯材料采用氧化锗材料，包层材料可以采用石英材料、氟化物材料、或者石英和氟化物材料的混合组分。
进一步地，所述氧化锗光纤包括阶跃折射率型折射率结构光纤、光子晶体结构光纤或微结构光纤，结构的设计的目的是对氧化锗光纤引入正波导色散为前提的。这些正波导色散引入以后，可以将氧化锗光纤的零色散点从1.7μm(材料零色散点)向短波长方向移动到1.5μm波段附近(接近脉冲光纤激光器波长)，并且形成关于零色散点频率对称分布的群速度色散曲线。
进一步地，所述氧化锗光纤的纤芯直径小于6μm，对应基模有效模场面积小于100μm2，在1.5μm波长的光学非线性系数大于2(W·km)-1。
所述脉冲光纤激光器的波长位于氧化锗光纤的反常色散区域，且靠近光纤零色散点位置。
所述光纤放大器的输出光纤与所述氧化锗光纤之间的连接方式为熔融连接。
所述超连续谱激光光源的光谱范围涉及可见光、近红外、短波红外和中红外波段。
本发明的工作原理如下：氧化锗光纤在可见光至中红外波段范围具有较低的传输损耗和较高的非线性系数；利用光纤中的调制不稳定效应和拉曼效应可以将1.5μm波段的抽运激光能量转移给大量的光学孤子；这些光学孤子最终可以通过拉曼光学孤子自频移的非线性效应可以将自身的频率向长波红移到中红外波段，同时光学孤子在红移过程中可以通过相位匹配的孤子捕获色散波、四波混频等非线性效应激发位于短波方向的光频率成分；最终长波的光学孤子和短波的光频率成分共同构成了输出光谱范围覆盖可见光到中红外波段的超大带宽超连续谱激光。
由于本发明采用非线性光纤的基质材料为氧化锗材料，可以突破石英材料在2.4μm以上的损耗限制，使得超连续谱激光的长波成分可以到达中红外波段；同时，通过光纤色散控制后超连续谱激光的短波光频率成分可以达到可见光波段；这使得基于氧化锗光纤可以产生光谱范围同时位于可见光、近红外波段、短波红外波段和中红外波段的超大带宽超连续谱激光光源。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用高非线性氧化锗光纤作为超连续谱激光产生的基质材料，有效突破了石英材料在2.4μm以上对光的损耗限制，使得产生的超连续谱激光的长波成分可以达到中红外波段；并且通过结构设计，引入大量的正波导色散将氧化锗材料的零色散点移动到1.5μm波段的抽运激光波长附近，形成关于光纤零色散点频率对称的群速度色散曲线。从而在超连续谱激光光源的光谱向长波方向拓展的同时，可以通过孤子捕获色散波、四波混频等非线性效应激发位于短波方向的光频率成分孤子匹配产生一定的短波光频率成分，极大地拓展了氧化锗光纤中超连续谱激光光源的光谱带宽，最终获得了光谱范围从可见光到中红外波段的超大带宽超连续谱激光光源。
2.利用氧化锗光纤自身的成本低廉的特征，采用简单的结构设计，大幅度降低了目前中红外超连续谱激光光源产生的成本，同时采用全光纤结构设计，增加了系统的稳定性。
3.本发明产生的超连续谱激光的光谱范围包含可见光、近红外、短波红外和中红外波段，且输出激光空间相干性好，易于在光学元件性能测试、显微成像、生物医学、广谱传感、光谱学等众多领域大范围推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的结构组成示意图；
图2是本发明实施例中氧化锗光纤的群速度曲线图；
图3是表示本发明实施例中超连续谱激光光源的光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种超大带宽的超连续谱激光光源，由脉冲光纤激光器1，光纤放大器2、氧化锗光纤3组成。其中脉冲光纤激光器1的输出端和光纤放大器2的输入端连接，光纤放大器2的输出端和氧化锗光纤3的输入端连接。
本实施例中脉冲光纤激光器1选用电调制脉冲光纤激光器，其脉冲宽度为1ns、重复频率为100kHz、中心波长为1.55μm，输出光纤为单模石英光纤。
本实施例中光纤放大器2为后向包层抽运铒镱共掺光纤放大器，可以为1.55μm脉冲激光提供大于20dB的放大增益。
本实施例中氧化锗光纤3为阶跃折射率型折射率结构光纤，纤芯材料为氧化锗，包层材料为石英，其纤芯/包层直径尺寸为3.5/125μm，纤芯数值孔径为0.6。氧化锗光纤3在1.55μm波长处基模有效模场面积为3.4μm2，非线性系数为11.8(W·km)-1。本实施例中氧化锗光纤3的零色散点是1.43μm，其色散曲线能够保证在1.5μm波段激光抽运之后输出光谱长波可以拓展至3μm以上，同时短波色散波可以到达可见光；在本实施例中氧化锗光纤2的长度为0.8m。
本实施例中1.5μm波段脉冲光纤激光器1和光纤放大器2，光纤放大器2和氧化锗光纤3之间的耦合，均采用直接熔融连接的方式，该熔融连接的方式可提供更高的耦合效率，增加光源的稳定性。
图2给出了本实施例中氧化锗光纤3的群速度曲线图。图中实线代表氧化锗光纤3的群速度曲线，虚线标记了群速度相等(亦即相位匹配)的两个波长。当超连续谱的光谱向长波拓展时，会产生与长波相位匹配的色散波。图2中标记两个波长分别为656nm和3200nm，它们对应的群速度均为1.828nm/ps。
本实施例的工作过程如下。所述的脉冲光纤激光器1的工作波长为1.5μm，脉冲光纤激光器1输出1.5μm脉冲激光。光纤放大器2为铒镱共掺光纤放大器；光纤放大器2将脉冲光纤激光器1输出的1.5μm脉冲激光放大，输出峰值功率为6kW的1.5μm脉冲激光；进一步地，使用该脉冲激光作为激励源，抽运一段氧化锗光纤3产生输出光谱在0.6～3.2μm的超连续谱激光光源。
图3是本实施例中产生超连续谱激光光源的光谱图，可以看出输出光谱覆盖了从0.6到3.2μm的范围，在不考虑1.5μm抽运残留峰的条件下，该超连续谱激光光源的20dB光谱带宽大于2400nm，对应波长范围为675～3072nm。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种超大带宽超连续谱激光光源，包括脉冲光纤激光器，光纤放大器和氧化锗光纤；其中脉冲光纤激光器的输出端和光纤放大器的输入端连接，光纤放大器的输出端和氧化锗光纤的输入端连接；所述脉冲光纤激光器为1.5μm波段脉冲光纤激光器；所述脉冲光纤激光器的脉冲宽度大于1ps，小于20ns，且峰值功率高于10W；所述光纤放大器为1.5μm波段光纤放大器；所述光纤放大器的输出脉冲宽度大于1ps，小于20ns，且峰值功率高于1000W；所述氧化锗光纤的纤芯材料采用氧化锗材料，纤芯直径小于6μm，对应基模有效模场面积小于100μm2，在1.5μm波长的光学非线性系数大于2(W·km)-1；所述氧化锗光纤的包层材料可以采用石英材料、氟化物材料、或者石英和氟化物材料的混合组分。
2.如权利要求1所述的超大带宽超连续谱激光光源，其特征在于，所述氧化锗光纤采用阶跃折射率型折射率结构光纤、光子晶体结构光纤或微结构光纤。
3.如权利要求1所述的超大带宽超连续谱激光光源，其特征在于，所述光纤放大器的输出光纤与所述氧化锗光纤之间的连接方式为熔融连接。
4.如权利要求1所述的超大带宽超连续谱激光光源，其特征在于，所述脉冲光纤激光器的波长位于氧化锗光纤的反常色散区域，且靠近光纤零色散点位置。
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