CN105826800A - 一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，特点是包括依次设置的用于产生超短脉冲的掺铥锁模光纤激光模块、用于产生高功率高阶孤子脉冲的掺铥光纤放大模块、用于产生2‑3μm高功率SC谱激光的2‑3μm高功率SC谱产生模块、石英光纤与硫系光纤高效耦合封装模块以及用于产生10dB带宽覆盖2‑5μm中红外波段的宽带平坦SC谱的2‑5μm中红外宽带平坦SC谱产生模块，优点是采用石英光纤拉锥匹配结合透镜光纤实现石英光纤与硫系光纤的高效耦合，提高泵浦效率，实现高质量全光纤化宽带平坦中红外SC谱光源，采用全光纤化的结构实现，使得中红外SC谱光源同时兼具有成本低、转换效率高、输出光束质量好、结构简单紧凑。

Description

一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源
技术领域
本发明涉及激光光电子技术领域，尤其是涉及一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源。
背景技术
中红外波段位于大气传输窗口内，覆盖了许多重要的分子特征谱线，大量分子在这一波段经历强烈的特征振动跃迁，使得中红外光谱在一定条件下成为识别和量化分子种类的唯一手段。具有宽频谱、窄线宽和高（强度）均匀特性的中红外光频梳可以显著提高分子探测的精度、灵敏度、记录时间和光谱带宽。中红外光频梳可以通过差频、光参量振荡器、微谐振器或超连续谱（SC谱）等方式产生。由于SC谱具有光谱范围宽、空间相干性好和亮度高等特点，只要产生的SC谱与泵浦光相干，即可认为是泵浦源自身光频梳的扩展。因此研究宽带平坦中红外SC谱产生对于实现宽带、窄线宽和高均匀特性的中红外光频梳具有重要意义。此外，宽带平坦的中红外SC谱还应用于光学相干层析成像、高密度WDM光源频谱拼接等众多研究领域。
中红外SC谱研究主要以氟化物、碲酸盐和硫系玻璃光纤等为主，但是氟化物和碲酸盐光纤在4.5μm波长以上均存在多声子吸收带，导致具有较大本征损耗，难以产生4.5μm以上的SC谱。硫系玻璃具有优良的中红外透过性能，通过改变材料组分可使透光范围从0.5~25μm可调，同时具有较高的线性折射率（一般为2.2-3.5）和非线性折射率系数（2-20×10-18m2/W，为石英材料的100~1000倍、氟化物与碲酸盐的10倍），SC谱光源只需利用较短长度的硫系光纤和较低峰值功率的激光泵浦，就可以实现中红外波段乃至更长波段的SC谱输出。虽然目前国内外众多研究机构在硫系光纤中红外SC谱产生研究上做了大量工作，但是仍然存在SC谱带宽和平坦度难以同时兼顾、泵浦源选择的局限性导致整个光源难以实现全光纤化等弊端，使中红外SC谱光源的实际应用受到极大限制。因此，稳定可靠、易商品化的全光纤化宽带平坦中红外SC谱光源具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、转换效率高、输出光束质量好、结构简单紧凑以及环境适应能力强的全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，包括依次设置的用于产生超短脉冲的掺铥锁模光纤激光模块、用于产生高功率高阶孤子脉冲的掺铥光纤放大模块、用于产生2-3μm高功率SC谱激光的2-3μm高功率SC谱产生模块、石英光纤与硫系光纤高效耦合封装模块以及用于产生10dB带宽覆盖2-5μm中红外波段的宽带平坦SC谱的2-5μm中红外宽带平坦SC谱产生模块。
所述的掺铥锁模光纤激光模块采用基于非线性偏振旋转锁模（NPR）的掺铥脉冲光纤激光器。
所述的掺铥脉冲光纤激光器结构为：依次相连的用于调节腔内偏振态的PC2偏振控制器、用于使腔内脉冲单向运行的偏振相关光隔离器、用于调节腔内偏振态的PC1偏振控制器、用于增加腔长的普通单模光纤、用于补偿色散的正色散光纤、用于注入泵浦光WDM1波分复用器、用于提供放大的第一增益光纤、用于注入泵浦光WDM2波分复用器以及单模光纤耦合器，所述的单模光纤耦合器输出的种子光进入所述的掺铥光纤放大模块，所述的掺铥脉冲光纤激光器采用1570nm连续波光纤激光器作为泵浦源。
所述的掺铥光纤放大模块采用单级或多级放大的方法实现，泵浦方式采用前向、后向或者双向泵浦方法实现。
所述的掺铥光纤放大模块结构为：依次相连的偏振无关光隔离器、VOA1可调光衰减器、展宽脉冲光纤、泵浦合束器和第二增益光纤，所述的单模光纤耦合器输出的种子光通过所述的偏振无关光隔离器和所述的VOA1可调光衰减器后进入到所述的展宽脉冲光纤中，所述的掺铥光纤放大模块采用793nm半导体激光器作为泵浦源，泵浦光通过所述的泵浦合束器进入到所述的第二增益光纤中，所述的第二增益光纤输出高功率、高阶孤子脉冲进入所述的2-3μm高功率SC谱产生模块。通过调节展宽脉冲光纤长度和增益光纤长度，同时对种子光功率大小和泵浦功率大小进行优化，可有效控制放大输出脉冲的产生过程，使其输出高功率、高阶孤子脉冲，适合作为2-3μm高功率SC谱产生模块的泵浦光。
所述的2-3μm高功率SC谱产生模块结构为：依次相连的VOA2可调光衰减器、PC3偏振控制器和2-3μm波段内具有较低小损耗和较大非线性系数的SC谱产生模块光纤。
所述的SC谱产生模块光纤为GeO2/SiO2高掺锗石英光纤、氟化物光纤、碲酸盐光纤或掺铋光纤。
所述的2-5μm中红外宽带平坦SC谱产生模块采用2-5µm中红外波段内具有较高非线性系数和较低色散值且零色散波长位于2.5~2.7µm之间的硫系阶跃光纤、硫系锥形光纤或硫系微结构光纤来实现。
所述的石英光纤与硫系光纤高效耦合封装模块采用石英光纤拉锥匹配结合透镜光纤实现，具体步骤如下
（1）利用ZEMAX软件设计石英拉锥光纤的纤芯直径、石英透镜光纤的球面曲率半径以及石英透镜光纤端面与硫系微结构光纤端面之间间距的参数指标；
（2）将石英光纤的纤芯直径拉锥到步骤（1）设计的石英拉锥光纤纤芯直径：
（3）在石英拉锥光纤端面上制作步骤（1）设计的石英透镜光纤，并在石英透镜光纤表面镀2-3µm增透膜；以减小石英光纤出射光的发散角，并降低耦合界面菲涅尔反射；
（4）将加工好的石英透镜光纤端面和表面切割平整的硫系微结构光纤端面置于光纤对接器中，按步骤（1）设计的距离固定好，即得到所述的石英光纤与硫系光纤高效耦合封装模块。本方案充分考虑了硫系微结构光纤材料结构的特殊性，不能对其端面进行抛光或者制作透镜光纤，因此尽可能改善石英光纤的输出特性，使得从石英光纤端面出射的泵浦光能最大程度耦合到硫系微结构光纤纤芯中。
所述的石英拉锥光纤的纤芯直径为3~5µm，所述的石英透镜光纤的球面曲率半径为1~5µm，所述的石英透镜光纤端面与所述的硫系微结构光纤端面之间间距为10~350µm。按该尺寸设计，可使泵浦光传输效率达到最大。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明涉及一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，包含掺铥锁模光纤激光模块、掺铥光纤放大模块、2-3μm高功率SC谱产生模块、石英光纤与硫系光纤高效耦合封装模块以及2-5μm中红外宽带平坦SC谱产生模块，其采用2-3µm高功率SC谱输出的光纤激光器由掺铥锁模光纤激光模块、掺铥光纤放大模块和2-3μm高功率SC谱产生模块三部分组成）作为中红外SC谱光源的泵浦源；采用2-5µm中红外波段具有较高非线性系数和较低色散值且零色散波长位于2.5~2.7µm之间的硫系光纤（可以是硫系阶跃光纤、硫系拉锥光纤或硫系微结构光纤等）作为2-5μm中红外宽带平坦SC谱产生模块，优点如下：
（1）采用2-3µm SC谱光纤激光器作为泵浦源，其输出SC谱由很多具有较高峰值功率的飞秒孤子脉冲组成，结合具有高非线性系数和低色散值且零色散波长位于2.5~2.7µm的硫系光纤，能够实现在硫系光纤正常色散区域和反常色散区域同时泵浦，有利于使更多的色散和非线性效应（孤子分裂、色散波、受激拉曼散射、四波混频、自相位调制、交叉相位调制等）同时产生作用，产生10dB带宽覆盖2-5μm中红外波段的宽带平坦SC谱。
（2）石英光纤与硫系微结构光纤的高效耦合采用石英光纤拉锥匹配结合透镜光纤，降低了光纤模场失配带来的附加损耗，实现石英光纤与硫系光纤的高效耦合，有利于提高泵浦效率，增加输出功率。
（3）采用全光纤化的结构实现，使得中红外SC谱光源同时兼具有成本低、转换效率高、输出光束质量好、结构简单紧凑以及环境适应能力强等优点。
附图说明
图1为本发明全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源结构示意图；
图2为本发明石英光纤与硫系微结构光纤高效耦合封装模块示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
具体实施例
一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，如图1所示，包括依次设置的用于产生超短脉冲的掺铥锁模光纤激光模块1、用于产生高功率高阶孤子脉冲的掺铥光纤放大模块2、用于产生2-3μm高功率SC谱激光的2-3μm高功率SC谱产生模块3、石英光纤与硫系光纤高效耦合封装模块4以及用于产生10dB带宽覆盖2-5μm中红外波段的宽带平坦SC谱的2-5μm中红外宽带平坦SC谱产生模块5。
上述掺铥锁模光纤激光模块1采用基于非线性偏振旋转锁模（NPR）的掺铥脉冲光纤激光器，如图1所示，其结构为：依次相连的用于调节腔内偏振态的PC2偏振控制器1-1、用于使腔内脉冲单向运行的偏振相关光隔离器1-2、用于调节腔内偏振态的PC1偏振控制器1-3、用于增加腔长且提高单脉冲能量的普通单模光纤1-4、用于补偿色散（使激光工作在展宽脉冲机制）的正色散光纤1-5（群速度色散，即GVD）、用于注入泵浦光WDM1波分复用器1-6、用于提供放大的第一增益光纤1-7、用于注入泵浦光WDM2波分复用器1-8以及单模光纤耦合器1-9，单模光纤耦合器1-9输出的种子光进入掺铥光纤放大模块2，掺铥脉冲光纤激光器采用1570nm连续波光纤激光器1-10作为泵浦源，泵浦方式采用双向泵浦，确保具有良好的转换效率。其中普通单模光纤1-4采用SM1950光纤，正色散光纤1-5采用2µm波长处GVD值为93fs2/mm的大数值孔径光纤，第一增益光纤1-7采用1570nm波长处吸收为340dB/m的单模掺铥增益光纤，单模光纤耦合器1-9采用30:70的耦合器，70%输出，确保后续掺铥光纤放大模块2具有足够大的种子光功率。
上述掺铥光纤放大模块2采用单级放大的方法实现，泵浦方式采用前向、后向或者双向泵浦方法实现，其结构为：依次相连的偏振无关光隔离器2-1、VOA1可调光衰减器2-2、展宽脉冲光纤2-3、泵浦合束器2-4和第二增益光纤2-5，单模光纤耦合器1-9输出的种子光通过偏振无关光隔离器2-1和VOA1可调光衰减器2-2后进入到展宽脉冲光纤中2-3，掺铥光纤放大模块2采用具有较大输出功率的793nm半导体激光器2-6作为泵浦源，泵浦光通过泵浦合束器2-4进入到第二增益光纤2-5中，第二增益光纤2-4输出高功率、高阶孤子脉冲进入2-3μm高功率SC谱产生模块3。其中展宽脉冲光纤2-3采用2µm波长处GVD值为90fs2/mm的大数值孔径光纤，目的是避免放大过程中出现脉冲分裂；第二增益光纤2-5采用单模双包层掺铥增益光纤，以增强放大效果，提高输出功率。
上述2-3μm高功率SC谱产生模块3结构为：依次相连的VOA2可调光衰减器3-1、PC3偏振控制器3-2和2-3μm波段内具有较低小损耗和较大非线性系数的SC谱产生模块光纤3-3。该SC谱产生模块光纤3-3为负色散的GeO2/SiO2高掺锗石英光纤，这种光纤具有很高的非线性系数（比普通石英光纤高八倍）和拉曼散射截面、2-3µm波长范围内较低的损耗以及与石英光纤相似的物理特性，它可以直接与石英光纤熔接，损耗一般在0.3dB以下(也可以为氟化物光纤、碲酸盐光纤或掺铋光纤)，通过调节GeO2/SiO2高掺锗石英光纤长度、控制泵浦功率大小以及调节偏振控制器，可产生波长覆盖2-3µm波段的高功率SC谱激光，且大部分功率位于2.4~3µm长波区域。
上述2-5μm中红外宽带平坦SC谱产生模块5采用2-5µm中红外波段内具有较高非线性系数和较低色散值且零色散波长位于2.5~2.7µm之间的硫系微结构光纤（也可以为硫系阶跃光纤、硫系锥形光纤）来实现。用于产生10dB带宽覆盖2-5μm中红外波段的宽带平坦SC谱，其具有的要求为： 1）光纤具有较小的模场面积，以便获得较高的非线性系数；2）光纤的零色散波长位于2.5~2.7µm波段，同时在2-5µm中红外波段具有较低色散值。
上述石英光纤与硫系光纤高效耦合封装模块4采用石英光纤拉锥匹配结合透镜光纤实现，其原理如图2所示，具体步骤如下：
（1）利用ZEMAX软件设计石英拉锥光纤4-1纤芯直径、石英透镜光纤4-2的球面曲率半径以及石英透镜光纤4-2端面与硫系微结构光纤4-3端面间距的参数指标，其中石英拉锥光纤4-1纤芯直径为3~5µm，石英透镜光纤4-2的球面曲率半径为1~5µm，石英透镜光纤4-2端面与硫系微结构光纤4-3端面间距为10~350µm，按该尺寸设计，可使泵浦光传输效率达到最大；
（2）将石英光纤4-4的纤芯直径拉锥到步骤（1）设计的石英拉锥光纤4-1纤芯直径：
（3）在石英拉锥光纤4-1端面上制作步骤（1）设计的石英透镜光纤4-2，并在石英透镜光纤4-2表面镀2-3µm增透膜（图中未显示）；以减小石英光纤出射光的发散角，并降低耦合界面菲涅尔反射；
（4）将加工好的石英透镜光纤4-2端面和表面切割平整的硫系微结构光纤4-3端面置于光纤对接器中，按步骤（1）设计的距离固定好，即得到石英光纤与硫系光纤高效耦合封装模块4。该方法充分考虑了硫系微结构光纤4-3材料结构的特殊性，不能对其端面进行抛光或者制作透镜光纤，因此尽可能改善石英光纤4-1的输出特性，使得从石英光纤4-1端面出射的泵浦光能最大程度耦合到硫系微结构光纤4-3纤芯中，其中硫系微结构光纤4-3纤芯直径等于或小于石英透镜光纤4-2直径。对于硫系阶跃光纤或硫系锥形光纤（中间拉锥），可采用直接熔接的方式实现。
综上所述，本发明采用2~3µm高功率SC谱输出的光纤激光器（全光纤结构）作为泵浦源，结合具有高非线性系数和低色散值且零色散波长位于2.5~2.7µm的硫系光纤，实现硫系光纤正常色散区域和反常色散区域同时泵浦，产生宽带平坦中红外SC谱。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，其特征在于包括依次设置的用于产生超短脉冲的掺铥锁模光纤激光模块、用于产生高功率高阶孤子脉冲的掺铥光纤放大模块、用于产生2-3μm高功率SC谱激光的2-3μm高功率SC谱产生模块、石英光纤与硫系光纤高效耦合封装模块以及用于产生10dB带宽覆盖2-5μm中红外波段的宽带平坦SC谱的2-5μm中红外宽带平坦SC谱产生模块。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的掺铥锁模光纤激光模块采用基于非线性偏振旋转锁模的掺铥脉冲光纤激光器。
3.根据权利要求2所述的一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，其特征在于，所述的掺铥脉冲光纤激光器结构为：依次相连的用于调节腔内偏振态的PC2偏振控制器、用于使腔内脉冲单向运行的偏振相关光隔离器、用于调节腔内偏振态的PC1偏振控制器、用于增加腔长的普通单模光纤、用于补偿色散的正色散光纤、用于注入泵浦光WDM1波分复用器、用于提供放大的第一增益光纤、用于注入泵浦光WDM2波分复用器以及单模光纤耦合器，所述的单模光纤耦合器输出的种子光进入所述的掺铥光纤放大模块，所述的掺铥脉冲光纤激光器采用1570nm连续波光纤激光器作为泵浦源。
4.根据权利要求1所述的一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的掺铥光纤放大模块采用单级或多级放大的方法实现，泵浦方式采用前向、后向或者双向泵浦方法实现。
5.根据权利要求4所述的一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的掺铥光纤放大模块结构为：依次相连的偏振无关光隔离器、VOA1可调光衰减器、展宽脉冲光纤、泵浦合束器和第二增益光纤，所述的单模光纤耦合器输出的种子光通过所述的偏振无关光隔离器和所述的VOA1可调光衰减器后进入到所述的展宽脉冲光纤中，所述的掺铥光纤放大模块采用793nm半导体激光器作为泵浦源，泵浦光通过所述的泵浦合束器进入到所述的第二增益光纤中，所述的第二增益光纤输出高功率、高阶孤子脉冲进入所述的2-3μm高功率SC谱产生模块。
6.根据权利要求1所述的一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的2-3μm高功率SC谱产生模块结构为：依次相连的VOA2可调光衰减器、PC3偏振控制器和2-3μm波段内具有较低小损耗和较大非线性系数的SC谱产生模块光纤。
7.根据权利要求6所述的一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的SC谱产生模块光纤为GeO2/SiO2高掺锗石英光纤、氟化物光纤、碲酸盐光纤或掺铋光纤。
8.根据权利要求7所述的一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的2-5μm中红外宽带平坦SC谱产生模块采用2-5µm中红外波段内具有较高非线性系数和较低色散值且零色散波长位于2.5~2.7µm之间的硫系阶跃光纤、硫系锥形光纤或硫系微结构光纤来实现。
9.根据权利要求8所述的一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，其特征在于所述的石英光纤与硫系光纤高效耦合封装模块采用石英光纤拉锥匹配结合透镜光纤实现，具体步骤如下：
（1）利用ZEMAX软件设计石英拉锥光纤的纤芯直径、石英透镜光纤的球面曲率半径以及石英透镜光纤端面与硫系微结构光纤端面之间间距的参数指标；
（2）将石英光纤的纤芯直径拉锥到步骤（1）设计的石英拉锥光纤纤芯直径：
（3）在石英拉锥光纤端面上制作步骤（1）设计的石英透镜光纤，并在石英透镜光纤表面镀2-3µm增透膜；以减小石英光纤出射光的发散角，并降低耦合界面菲涅尔反射；
（4）将加工好的石英透镜光纤端面和表面切割平整的硫系微结构光纤端面置于光纤对接器中，按步骤（1）设计的距离固定好，即得到所述的石英光纤与硫系光纤高效耦合封装模块。
10.根据权利要求9所述的一种全光纤化宽带平坦中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的石英拉锥光纤的纤芯直径为3~5µm，所述的石英透镜光纤的球面曲率半径为1~5µm，所述的石英透镜光纤端面与所述的硫系微结构光纤端面之间间距为10~350µm。
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