CN106785834A - 基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，该光源包括：类噪声锁模短脉冲种子源，其用于提供稳定短脉冲；脉冲放大系统，其用于放大所述稳定短脉冲的脉冲功率；以及，高非线性光子晶体光纤，其用于展宽经过所述脉冲放大系统放大脉冲功率后的脉冲的光谱，得到覆盖紫外到中红外的平坦的超连续谱光源。本发明光源结构简单、成本相对较低、效率较高，只需一级放大就能将光脉冲放大到足够强产生高功率平坦的超连续谱。

Description

基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源

技术领域

本发明涉及激光光源，特别涉及一种基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，该光源用于产生宽带的超连续谱。

背景技术

超连续谱光源是一种具有超宽光谱范围的新型激光光源，与传统宽光源相比，超连续谱光源具有很明显的特点和优势，比如：超连续谱光源的光谱范围非常宽，很容易就达到两个倍频程以上；光谱的相干性很好；超连续谱的亮度很高，可以具有很高的能量密度；超连续谱光源可以具有很好的光束质量，在远距离传输时仍然能保持很小的发散，等等。因此超连续谱光源在许多领域具有非常重要的应用，比如激光雷达，长途通信，医学成像，光谱分析，光谱计量学等。

目前产生超连续谱的主流技术是通过将锁模超短脉冲或者调Q脉冲放大获得峰值功率足够高的短脉冲最后耦合进入光子晶体光纤中得到宽带超连续谱，攒脉冲种子如果采用锁模方式获得，其输出功率往往较低，放大效率较低，需要多级放大，而且一般的被动锁模激光器使用可饱和吸收体，或者偏振旋转锁模等方式，结构较为复杂成本相对较高。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，该光源结构简单、成本相对较低、效率较高，只需一级放大就能将光脉冲放大到足够强产生高功率平坦的超连续谱。

实现本发明目的采用的技术方案是一种基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，该光源包括：

类噪声锁模短脉冲种子源，用于提供稳定短脉冲；

脉冲放大系统，用于放大所述稳定短脉冲的脉冲功率；以及，

高非线性光子晶体光纤，用于展宽经过所述脉冲放大系统放大脉冲功率后的脉冲的光谱，得到覆盖紫外到中红外的平坦的超连续谱光源。

在上述技术方案中，所述类噪声锁模短脉冲种子源包括：

宽带光纤反射镜；

掺镱光纤，其一端与所述宽带光纤反射镜的尾纤熔接；

第一合束器，其与所述掺镱光纤的另一端连接；

第一半导体激光器，其通过所述合束器对所述掺镱光纤进行泵浦；

光纤耦合器，其一侧的一端与所述合束器的信号端连接，另一端作为种子源输出；另一侧两端的尾纤熔接在一起；

进一步地，所述光线耦合器另一侧两端的尾纤之间连接有偏振控制器。

在上述技术方案中，所述脉冲放大系统包括：

双包层掺镱光纤；

第二合束器，其一端与所述双包层掺镱光纤连接；以及，

第二半导体激光器，分别通过所述第二合束器为双包层掺镱光纤提供泵浦。

在上述技术方案中，所述超连续谱光源还包括：

第二光纤隔离器，分别与所述光纤耦合器的种子源输出端与第一光纤隔离器的另一端连接；以及，

第三耦合器，连接所述双包层掺镱光纤和高非线性光子晶体光纤；放大的类噪声短脉冲从所述双包层掺镱光纤通过第三耦合器进入高非线性光子晶体光纤后产生稳定的超宽带超连续谱。

进一步地，所述第三隔离器尾纤与高非线性光子晶体光纤按以下方式熔接：

如果需要的超连续谱能扩展到500nm以下，可见光比例大于10％，选用纤芯小于4μm，占空比大于40％的光子晶体光纤，采用过渡光纤一端与第二光纤隔离器连接，另一端与高非线性光子晶体光纤熔接；

如果需要的超连续谱功率达到5W以上，选用纤芯大于4μm，占空比小于80％的光子晶体光纤与第二隔离器尾纤进行熔接。

更进一步地，所述高非线性光子晶体光纤的尾部可以熔接一段单模光纤或者多模光纤。

本发明实现超连续谱光源的原理如下：

种子采用双包层或者单包层掺镱光纤，用多模或者单模LD进行泵浦，能够获得较高功率的种子输出，输出功率可以达到W量级。光腔采用线型腔，结构非常简单，一端使用宽带光纤反射镜，另一端采用分光比光纤耦合器同一侧两端相连形成一个非线性光纤环形镜，另一侧一端连接到腔内，另一端作为种子级脉冲的输出端。非线性光纤环形镜是实现类噪声锁模的关键器件，非线性光纤环形镜对脉冲的非线性响应导致了脉冲的压缩，实现了类噪声锁模。类噪声脉冲的输出功率可以达到瓦量级，随着泵浦功率的加大，脉宽从100ps左右展宽到纳秒量级，种子源中心波长在1065-1090nm，光谱宽度很宽可以达到40-80nm,非常有利于高效率的放大。

类噪声锁模脉冲种子源的脉冲重复频率由光腔的长度决定。通过改变腔内单模光纤长度可以调整光腔长度改变类噪声脉冲重复频率。类噪声脉冲种子的锁模状态会受到震动等外部环境一定的影响，所以光纤需要很好的固定在底板上。可通过增加腔内光纤长度降低脉冲重复频率，提高单脉冲能量。

类噪声锁模种子通过第一隔离器进入脉冲放大系统，放大系统采用两个多模LD通过合束器耦合进一段双包层掺镱光纤。掺镱双包层光纤与隔离器连接处使用泵浦滤除器滤除残余泵浦光。可以采用过渡纤逐级过渡的方法减低熔接损耗，采用过渡纤与光子晶体光纤熔接，得到了比较小的熔接损耗。同时采用小电量多次放电的方法防止光子晶体光纤空气孔的大程度塌缩，减小熔接损耗。

本发明结构相对简单，类噪声锁模短脉冲种子源提供百皮秒量级到纳秒量级的类噪声锁模的脉冲，脉宽随种子级的泵浦功率的增加而增加，脉冲重复频率由谐振腔长决定。相对其他短脉冲种子所需器件少，结构简单紧凑，而且能实现高功率的种子输出。由于种子级功率较高，而且类噪声脉冲的光谱很宽，其放大效率很高，只需要一级放大就能将光脉冲放大到足够强产生高功率平坦的超连续谱。成本相对较低，效率较高。

附图说明

图1是本发明基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源的结构示意图。

图2是本发明的中使用一种大纤芯直径的光子晶体光纤得到的超连续谱输出的光谱示意图。

图3是本发明的中使用一种纤芯较小的保偏高非线性光子晶体光纤得到的超连续谱输出的光谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例搭建一台结构简单成本较低的全光纤化超宽带超连续谱光源，其结构如图1所示，包括类噪声锁模短脉冲种子源、脉冲放大系统和高非线性光子晶体光纤三部分，其中，

类噪声锁模短脉冲种子源包括宽带光纤反射镜1、掺镱光纤2、第一合束器(或者波分复用器)3、第一半导体激光器4和第一光纤耦合器5。光纤反射镜1是1um附近的宽带高反射率反射镜，反射带宽覆盖整个掺镱光纤2的发射波长范围，本实施例采用中心波1030-1080nm，带宽5-200nm的宽带反射镜。掺镱光纤2采用双包层掺镱光纤或者单包层掺镱光纤，本实施例采用采用双包层10/130掺镱光纤作为增益介质。第一半导体激光器4为多模LD或者单模LD，能够实现较大功率的种子输出，本实施例采用波长976nm的多模LD对双包层10/130掺镱光纤进行泵浦。

掺镱光纤2的一端与宽带光纤反射镜1的尾纤熔接，另一端与第一合束器3连接。作为本发明的一种优选实施方式，宽带光纤反射镜1的尾纤与双包层10/130掺镱光纤熔接在一起，中间可以加入一段HI1060单模光纤改变腔长，此时双包层10/130掺镱光纤与单模光纤的熔接点应该采用高折射率胶进行泵浦光滤除，而且要用铜块热沉进行散热处理。宽带光纤反射镜1的反射带宽很宽很平坦，在1000～1100nm范围内都具有>95％的反射率。

第一半导体激光器4通过合束器3对掺镱光纤2进行泵浦；第一光纤耦合器5为90/10的光纤耦合器，第一光纤耦合器5一侧(图1中右侧)的一端与合束器3的信号端连接，另一端作为种子源输出，另一侧(图1中左端)两端的尾纤熔接在一起，两端的尾纤熔接在一起后再连接一个偏振控制器6。

脉冲放大系统包括双包层掺镱光纤11、第二合束器10、第二半导体激光器8和第三半导体激光器9。双包层掺镱光纤11采用10/130双包层掺镱光纤作为放大介质。第二半导体激光器8和第三半导体激光器9为30W波长976nm的多模LD。第二合束器10与双包层掺镱光纤11的一端连接，第二半导体激光器8和第三半导体激光器9分别通过第二合束器10为双包层掺镱光纤11提供泵浦。本实施例中，10/130双包层掺镱光纤11与隔离器12尾纤的熔接点处同样采用高折射率胶对残余泵浦光进行滤除，同时用铜块热沉对熔接点散热。

作为本发明的一种优选实施方式，高非线性光子晶体光纤13的选择以及隔离器12的尾纤与高非线性光子晶体光纤13熔接参数的选择方式如下：

1、如果需要的超连续谱包含较多的可见光成分，即超连续谱能扩展到500nm以下，可见光比例大于10％。需要的超连续谱有较大的宽度和平坦度，应该应该选用纤芯较小占空比较大的光子晶体光纤，即纤芯小于4μm，占空比大于40％的光子晶体光纤，比如纤芯2.5μm占空比80％的光子晶体光纤。

此时，选用纤芯较小占空比较大的光子晶体光纤由于与隔离器12尾纤存在较大的模场失配，熔接损耗会较大，可以采用过渡光纤逐级过渡的方法减低熔接损耗，本实施例采用过渡纤与光子晶体光纤熔接，即一端与第二光纤隔离器连接，另一端与高非线性光子晶体光纤熔接，得到了比较小的熔接损耗。同时熔接时应采用低放电量，短放电时间，多次放电的准则进行熔接。防止熔接处光子晶体光纤空气孔的大程度塌缩。多次放电一方面能增强熔接点的强度，另一方面小强度，多次放电也能使光子晶体光纤包层空气孔适度塌缩，增大光子晶体光纤的模场面积，减小模场适配降低熔接损耗。

2、如果需要的超连续谱功率较大(达到5W以上)，应选用纤芯较大、占空比稍小的光子晶体光纤，即选用纤芯大于4μm，占空比小于80％的光子晶体光纤与隔离器12尾纤进行熔接。

此时，大纤芯、小占空比的光子晶体光纤与隔离器12尾纤的熔接相对较为容易，也应该采用小放电量、多次放电进行熔接，在不明显增加损耗的情况下增强熔接点强度。

本实施例超连续谱光源的工作过程如下：

类噪声锁模的脉冲种子源提供十几mW到大于2W的稳定短脉冲种子，脉冲宽度随着输出功率的增加从100ps至3ns间变化，脉冲光谱中心波长随着输出功率的增加从1065nm增加到1090nm左右，光谱宽度从40nm增加到80nm左右。

产生的短脉冲种子经过隔离器进入光纤脉冲放大系统，光纤脉冲放大系统将种子脉冲功率放大至数瓦甚至大于～30W，(“～”为约等于的意思，下同)，最后经过隔离器12进入高非线性光子晶体光纤13。高峰值功率的类噪声短脉冲进入色散合适的高非线性光子晶体光纤发生强烈的非线性效应，光谱得到极大展宽，能够产生宽带宽超连续谱。

本实施例中采用大芯径光子晶体光纤以得到高功率的超连续谱，光子晶体光纤的纤芯直径～15μm，包层空气孔直径～5μm，空气孔占空比～75％。得到最高15W的超连续谱输出，光谱如图2所示。

实施例2

本实施例采用纤芯泵浦的单包层结构实现锁模类噪声锁模脉冲的输出。结构示意图与实施例1相同，但采用不同的器件。如图1所示，种子级采用的掺镱光纤2为单包层6/125的高掺杂掺镱光纤，通过波分复用器3使用波长976nm的最大功率600mW的单模LD4对单包层掺镱光纤2进行泵浦，宽带光纤反射镜1尾纤与单包层掺镱光纤2熔接在一起，使用高掺杂的单包层掺镱光纤可以减小单包层掺镱光纤的使用长度，同时尽量剪短宽带光纤反射镜的尾纤尽量缩短线性腔的腔长。宽带光纤反射镜1的反射带宽很宽很平坦，在1000-1100nm范围内都具有>95％的反射率。波分复用器3的信号端与一个90/10的光纤耦合器5的一端熔接在一起。光纤耦合器5同侧另一端作为种子级输出，光纤耦合器5另一侧两端熔接在一起连接上一个光纤偏振控制器6。

种子源的输出为类噪声锁模脉冲，得到重复频率～50MHz的脉宽～50ps类噪声锁模脉冲，经过放大级放大，进入高非线性光子晶体光纤13。本实施例中采用小纤芯较大占空比的高非线性光子晶体光纤，纤芯直径～4μm，包层空气孔占空比～75％，最后得到～10W的超连续谱，光谱如图3所示。

最后应当说明的是，以上具体实施方式仅仅用以说明本发明的技术方案，而不仅仅限制与此。尽管参照较佳实施案例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，从而对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，但并不脱离本发明技术方案的谨慎和范围，均应该涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，其特征在于，包括：

类噪声锁模短脉冲种子源，用于提供稳定短脉冲；

脉冲放大系统，用于放大所述稳定短脉冲的脉冲功率；以及，

高非线性光子晶体光纤，用于展宽经过所述脉冲放大系统放大的高功率脉冲的光谱，得到宽带宽的超连续谱光源。

2.根据权利要求1所述基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，其特征在于，所述类噪声锁模短脉冲种子源包括：

宽带光纤反射镜；

掺镱光纤，其一端与所述宽带光纤反射镜的尾纤熔接；

第一合束器或者波分复用器，其与所述掺镱光纤的另一端连接；

第一半导体激光器，其通过所述第一合束器或者波分复用器对所述掺镱光纤进行泵浦；

光纤耦合器，其一侧的一端与所述合束器或者波分复用器的信号端连接，另一端作为种子源输出；另一侧两输出端的尾纤熔接在一起。

3.根据权利要求2所述基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，其特征在于：所述光纤耦合器另一侧两端的尾纤之间连接有光纤偏振控制器。

4.根据权利要求1所述基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，其特征在于，所述脉冲放大系统包括：

双包层掺镱光纤；

第二合束器，其一端与所述双包层掺镱光纤连接；以及，

第二半导体激光器，分别通过所述第二合束器为双包层掺镱光纤提供泵浦。

5.根据权利要求4所述基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，其特征在于，还包括：

第一光纤隔离器，分别与所述光纤耦合器的种子源输出端与第二合束器的另一端连接。

6.根据权利要求5所述基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，其特征在于，还包括：

第二光纤隔离器，连接所述双包层掺镱光纤和高非线性光子晶体光纤；放大的类噪声短脉冲从所述双包层掺镱光纤通过第二光纤隔离器进入高非线性光子晶体光纤后产生稳定的宽带超连续谱。

7.根据权利要求6所述基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，其特征在于，所述第二光纤隔离器尾纤与高非线性光子晶体光纤按以下方式熔接：

如果需要的超连续谱能扩展到500nm以下，可见光比例大于10％，选用纤芯小于4μm，占空比大于40％的光子晶体光纤，采用过渡光纤一端与第二光纤隔离器连接，另一端与高非线性光子晶体光纤熔接；

如果需要的超连续谱功率达到5W以上，选用纤芯大于4μm，占空比小于80％的光子晶体光纤与第二隔离器尾纤进行熔接。

8.根据权利要求6或7所述基于类噪声锁模脉冲泵浦的超连续谱光源，其特征在于：所述高非线性光子晶体光纤的尾部可以熔接一段单模光纤或者多模光纤作为输出端。