CN107046220A - 一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，特点是包括依次设置的用于产生高重复频率超短脉冲皮秒或飞秒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2‑5μm高功率SC谱激光的第一SC谱产生模块以及用于产生2‑14μm高功率SC谱的第二SC谱产生模块，掺铥锁模光纤激光模块、掺铥光纤放大模块、第一SC谱产生模块和第二SC谱产生模块均采用单模光纤，优点是具有成本低、转换效率高、输出光束质量好、带宽宽、结构简单紧凑以及环境适应能力强。

Description

一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源
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高功率中远红外超连续谱光源。
背景技术
根据大气透光情况划分，大气窗口主要分为可见光和近红外波段（0.3~1.3μm，1.5~1.8μm）、中红外波段（3.5~5.5μm）、远红外波段（8~14μm）以及微波波段（0.8~2.5cm）等。位于人眼可见视觉长波方向的红外波段，有着特殊的军事和民用价值，尤其中远红外波段不仅是衰减最小的大气窗口，而且还覆盖了众多原子及分子的吸收峰，是检测仪器领域重要的“指纹”鉴定区，也是室温或高温物体黑体辐射所对应的光波频谱区。因此，中远红外波段光源在军事（如红外追踪、干扰、搜索靶标导航以及光学遥感探测等）和民用方面（如大气监测、红外光谱学、环保以及生物医疗等）具有重要应用。传统中远红外光源如同步辐射光源和热棒，虽然产生的光谱带宽较宽，但是亮度差、相干度极低，严重限制了其应用。激光具有高亮度和高相干度的特点，但是受激光材料制约，普通激光器无法实现任意波段激光输出，尤其是在中远红外波段，激光器主要为几种特定波长输出的气体激光器（CO2：10.6μm，He-Ne：3.93μm，CO：5.3μm等）。近年来，量子级联激光器（QCL）和超连续谱激光光源等新型激光器的出现极大丰富了中远红外波段光源的种类，但是QCL系统比较复杂、输出功率较低、成本较高且波长难以实现可调谐。相比而言，中远红外超连续（SC）谱激光光源产生的光同时兼具有高亮度、高相干度和宽频谱特征，因此成为了红外波段最具发展潜力的光源。
目前中远红外SC谱激光光源主要利用具有高峰值功率的光学参量振荡器（OPO）或光学参量放大器（OPA）激光泵浦硫系光纤实现中远红外SC谱输出，但其空间光耦合方式以及泵浦源体积庞大使光源的应用受到极大限制，且其输出功率极低，一般限制在微瓦量级，基本不具备实用性。
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、带宽宽、结构简单紧凑以及环境适应能力强的全光纤化高功率中远红外超连续谱光源。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，包括依次连接的用于产生高重复频率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2-5μm高功率SC谱激光的第一SC谱产生模块以及用于产生2-14μm高功率SC谱的第二SC谱产生模块。
所述的掺铥锁模光纤激光模块、所述的掺铥光纤放大模块、所述的第一SC谱产生模块和所述的第二SC谱产生模块均采用单模光纤，以确保输出脉冲具有良好的光束质量。
所述的掺铥锁模光纤激光模块采用基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模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首尾相连的用于注入泵浦光的WDM波分复用器、用于提供放大的第一增益光纤、用于输出激光的单模光纤耦合器、用于使腔内脉冲单向运行的偏振无关光隔离器、用于调节腔内偏振态的PC偏振控制器、用于引入SESAM的三端口光纤环形器和用于补偿色散的正色散光纤。所述的三端口光纤环形器连接用于实现锁模的半导体可饱和吸收镜，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。通过调节第一增益光纤、正色散光纤和波分复用器、单模光纤耦合器、偏振无关光隔离器、偏振控制器和三端口光纤环形器等器件尾纤长度，同时优化泵浦光功率和腔内偏振态，可有效控制锁模输出脉冲的脉宽、重复频率等特征参数，使其适合作为掺铥光纤放大模块的种子光。
所述的掺铥光纤放大模块采用单级放大，实际上是一个简化的啁啾脉冲放大。
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、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泵浦合束器后进入到所述的第二增益光纤中，所述的掺铥光纤放大模块采用一台或多台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的高功率高阶孤子脉冲进入所述的第一SC谱产生模块中。通过调节掺铥锁模光纤激光模块的输出特性和第二增益光纤长度，同时对793nm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，适合作为第一SC谱产生模块的泵浦光。
所述的第一SC谱产生模块为在2-5μm波段内具有较低损耗和较小色散的高非线性光纤。可采用但不限于氟化物光纤、碲酸盐光纤、掺铋光纤或硫系光纤等。
所述的第二SC谱产生模块采用2-14µm中远红外波段内具有较高非线性系数、较低损耗和色散值、且零色散波长小于5µm的高非线性光纤。可采用但不限于硒基或碲基硫系光纤，包括阶跃、锥形或微结构等不同光纤类型。
所述的第二SC谱产生模块的光纤SC谱输出端面采用防止后向反射的APC端面。
所述的第二增益光纤与所述的第一SC谱产生模块之间以及所述的第一SC谱产生模块与所述的第二SC谱产生模块均采用直接熔接或光纤连接器方式进行耦合。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，包含掺铥锁模光纤激光模块、掺铥光纤放大模块、第一SC谱产生模块和第二SC谱产生模块，其采用高重复频率超短脉冲光纤激光器作为种子源，采用高非线性光纤级联泵浦，产生高功率宽带中远红外SC谱，优点如下：
（1）采用高重复频率皮秒或飞秒超短脉冲光纤激光器作为种子源，在避免用到多级放大、水冷等散热措施的前提下简化光纤放大器，有效提高SC谱的输出功率至瓦量级，降低整个系统的体积和复杂度，有利于中远红外SC谱光源的集成。
（2）采用高非线性光纤级联泵浦，通过逐步拓展SC谱带宽，产生2-14µm中远红外波段的高功率超宽带SC谱。
（3）第二增益光纤与第一SC谱产生模块、第一SC谱产生模块与第二SC谱产生模块之间采用直接熔接或光纤连接器进行耦合，有利于降低耦合损耗，提高泵浦效率，增加中远红外SC谱输出功率（瓦量级）。
（4）采用全光纤化的结构实现，且整个系统均采用单模光纤，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、带宽宽、结构简单紧凑以及环境适应能力强等优点，有利于实现光源的商品化。
附图说明
图1为本发明全光纤化高功率中远红外超连续谱光源结构示意图。
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
一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，如图1所示，包括依次设置的用于产生高重复频率皮秒或飞秒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2-4μm高功率SC谱激光的第一SC谱产生模块3以及用于产生2-14μm高功率SC谱的第二SC谱产生模块4。
上述掺铥锁模光纤激光模块1采用基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模的掺铥皮秒或飞秒脉冲光纤激光器，如图1所示，其结构为：依次首尾相连的用于注入泵浦光1-1的WDM波分复用器1-2、用于提供放大的第一增益光纤1-3、用于输出激光的单模光纤耦合器1-4、用于使腔内脉冲单向运行的第一偏振无关光隔离器1-5、用于调节腔内偏振态的PC偏振控制器1-6、用于引入SESAM的三端口光纤环形器1-7和用于补偿色散的正色散光纤1-9，三端口光纤环形器1-7连接用于实现锁模的SESAM1-8，所述的单模光纤耦合器1-4输出的种子光进入所述的掺铥光纤放大模块2，所述的掺铥脉冲光纤激光器采用1570nm连续波光纤激光器1-1作为泵浦源，泵浦方式为前向泵浦。其中WDM波分复用器1-2、单模光纤耦合器1-4、偏振无关光隔离器1-5、偏振控制器1-6和三端口光纤环形器1-7的尾纤均采用SM1950光纤，正色散光纤1-9采用2µm波长处GVD值为93fs2/mm的UHNA4大数值孔径光纤，使光纤激光器工作在全正色散机制，第一增益光纤1-3采用单模掺铥增益光纤，整个光纤激光器的腔长控制在使锁模输出脉冲的重复频率在MHz以上量级，单模光纤耦合器1-4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，种子光功率大于100mW。
上述掺铥光纤放大模块2采用单级放大的方法实现，这主要是因为掺铥锁模光纤激光模块1输出的种子光功率已经大于100mW，所以系统不需要再进行预防大。泵浦方式采用前向泵浦，其结构为：依次相连的第二偏振无关光隔离器2-1、泵浦合束器2-3和第二增益光纤2-4。由于掺铥锁模光纤激光模块1输出的种子光为带有较大色散啁啾的皮秒脉冲，所以掺铥光纤放大模块2中无需再用到展宽脉冲光纤。单模光纤耦合器1-4输出的种子光通过第二偏振无关光隔离器2-1和泵浦合束器2-3后直接进入到第二增益光纤2-4中，掺铥光纤放大模块2采用2台具有较大输出功率的793nm半导体激光器2-2作为泵浦源，泵浦光通过泵浦合束器2-3进入到第二增益光纤2-4中，第二增益光纤2-3输出高功率高阶孤子脉冲进入第一SC谱产生模块3中。第二增益光纤2-4采用负色散的单模双包层掺铥增益光纤，以增强放大效果，提高输出功率，同时补偿种子光的正色散啁啾，产生高功率高阶孤子脉冲。
上述第一SC谱产生模块3为一段单模氟化物（ZBLAN）阶跃光纤，这种光纤具有较高非线性系数、2-5µm波长范围内较低的损耗和色散，它与第二增益光纤采用直接熔接的方式实现高效耦合，通过调节单模氟化物光纤长度和优化泵浦功率，产生波长2-5µm的高功率SC谱激光。
上述第二SC谱产生模块4为一段单模As2Se3阶跃硫系光纤，这种光纤2-14µm中远红外波段内具有较高非线性系数、较低损耗和色散值、且零色散波长小于5µm。它与第一SC谱产生模块3采用直接熔接或光纤连接器实现高效耦合，通过调节硫系光纤长度和优化泵浦功率，产生波长2-14µm、功率瓦量级的高功率宽带SC谱激光，光纤SC谱输出端面采用APC端面，防止后向菲涅尔反射对前级系统带来损害。
上述掺铥锁模光纤激光模块1可采用但不限于基于半导体可饱和吸收镜、非线性偏振旋转、非线性光纤环镜以及新型可饱和吸收体（碳纳米管、石墨烯和硫化物等）等方式实现锁模的高重复频率掺铥皮秒或飞秒脉冲光纤激光器。
上述泵浦方式可采用但不限于前向、后向或者双向泵浦等方法实现。
上述第一SC谱产生模块可采用但不限于氟化物光纤、碲酸盐光纤、掺铋光纤或硫系光纤等。
上述第二SC谱产生模块可采用但不限于硒基或碲基硫系光纤，包括阶跃、锥形或微结构等不同光纤类型。
上述中远红外宽带SC谱产生可采用但不限于第一SC谱产生模块和第二SC谱产生模块两级SC谱产生模块串联，也可采用多个SC谱产生模块串联。
综上所述，本发明采用高重复频率皮秒或飞秒脉冲光纤激光器作为种子源，在避免用到多级放大、水冷等散热措施的前提下简化光纤放大器，有效提高SC谱的输出功率至瓦量级；采用高非线性光纤级联泵浦，通过逐步拓展SC谱带宽，产生2-14µm中远红外波段的高功率超宽带SC谱；采用全光纤化的结构实现，且整个系统均采用单模光纤，光纤之间均采用直接熔接或光纤连接器进行耦合，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、带宽宽、结构简单紧凑以及环境适应能力强等优点，有利于实现光源的商品化。
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)

1.一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，其特征在于：包括依次连接的用于产生高重复频率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2-5μm高功率SC谱激光的第一SC谱产生模块以及用于产生2-14μm高功率SC谱的第二SC谱产生模块。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，其特征在于：所述的掺铥锁模光纤激光模块、所述的掺铥光纤放大模块、所述的第一SC谱产生模块和所述的第二SC谱产生模块均采用单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，其特征在于：所述的掺铥锁模光纤激光模块采用基于半导体可饱和吸收镜锁模的掺铥脉冲光纤激光器。
4.根据权利要求3所述的一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，其特征在于：所述的掺铥脉冲光纤激光器结构为依次首尾相连的用于注入泵浦光的WDM波分复用器、用于提供放大的第一增益光纤、用于输出激光的单模光纤耦合器、用于使腔内脉冲单向运行的偏振无关光隔离器、用于调节腔内偏振态的PC偏振控制器、用于引入SESAM的三端口光纤环形器和用于补偿色散的正色散光纤，所述的三端口光纤环形器连接用于实现锁模的半导体可饱和吸收镜，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。
5.根据权利要求4所述的一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，其特征在于：所述的掺铥光纤放大模块采用单级放大。
6.根据权利要求5所述的一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，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、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泵浦合束器后进入到所述的第二增益光纤中，所述的掺铥光纤放大模块采用一台或多台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的高功率高阶孤子脉冲进入所述的第一SC谱产生模块中。
7.根据权利要求1所述的一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，其特征在于：所述的第一SC谱产生模块为在2-5μm波段内具有较低损耗和较小色散的高非线性光纤。
8.根据权利要求1所述的一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，其特征在于：所述的第二SC谱产生模块采用2-14µm中远红外波段内具有较高非线性系数、较低损耗和色散值、且零色散波长小于5µm的高非线性光纤。
9.根据权利要求8所述的一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，其特征在于：所述的第二SC谱产生模块的光纤SC谱输出端面采用防止后向反射的APC端面。
10.根据权利要求1所述的一种全光纤化高功率中远红外超连续谱光源，其特征在于：所述的第二增益光纤与所述的第一SC谱产生模块之间以及所述的第一SC谱产生模块与所述的第二SC谱产生模块均采用直接熔接或光纤对接器方式进行耦合。
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