CN107092152A - 一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，属于光学领域。一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，包括飞秒脉冲种子源、波分复用器、高非线性光纤、复合器件、光纤分束器、延时装置和延时反馈控制装置；所述飞秒脉冲种子源的输出端连接波分复用器的泵浦端，所述波分复用器的信号端连接延时装置的输出端，所述波分复用器的公共端经高非线性光纤连接复合器件的公共端，所述复合器件的一个透射端连接光纤分束器的输入端，所述光纤分束器的两个输出端分别连接延时装置和延时反馈控制装置的输入端，所述延时反馈控制装置的输出端连接延时装置的延时端。本发明采用全光纤结构，体积小巧，结构简单，搭建方便，易于维护。
Description
技术领域
本发明涉及一种振荡器，特别涉及一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器。
背景技术
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微成像技术通过探测物质分子固有的分子振动光谱特性来获取电场样品的分子组成和结构信息，将多束激光入射到待测样品中，入射激光光场与物质分子相互作用，使物质分子固有的振动得到共振增强从而获得强度大、方向性好的分子振动光谱。不同于荧光显微成像方法，CARS是一种典型的非标记显微成像技术，广泛应用于活体细胞内的脂类分子显微观察，灵敏度高且具有良好的化学特异性及三维层析能力。
CARS属于三阶非线性效应，本质上是一种四波混频过程，反斯托克斯信号光的产生需要同步的泵浦光和斯托克斯光，且二者频率差需要刚好匹配分子某一化学键的振动频率来实现共振增强的效果。反斯托克斯光的强度正比于泵浦光强的平方以及斯托克斯光强，过程中共有四个光子参与，且满足动量守恒和能量守恒。光纤中四波混频的产生通常要满足相位匹配条件，实现方式通常为使其工作在零色散点附近或反常群速度色散区，抑或是采用多模光纤，使光纤中的模式色散能够补偿材料色散，不同频率的激光在光纤中得以保持近乎相同的群速度。
通常用作CARS光源来产生泵浦光和斯托克斯光脉冲的激光器可以为两台同步的固体锁模激光器或者是一台结合光参量振荡器的锁模脉冲激光器，显然后者避免了复杂的脉冲同步过程，使得整个CARS系统更为简单高效、成本低廉。特别是近年来光纤激光技术飞速发展，光纤激光器以其精巧的结构、优异的性能以及低廉的价格迅速地在市场中占有一席之地。基于光纤激光器各种应用也层出不穷，蓬勃发展。将光纤激光器与频率转换过程结合可以轻易获得用于CARS的激光光源。基于非线性晶体的光参量振荡器(OPO)、光纤中的孤子自频移以及超连续谱产生是几种常用的频率转换方法。其中基于非线性晶体的OPO系统不仅需要繁复的准直过程，而且频移孤子会有一定程度光谱展宽，导致共振信号光和非共振背景的对比度降低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，易于搭建、方便集成，采用精密的延时装置及反馈控制装置，极大地提升参量振荡器泵浦信号转化效率，是一种可用于CARS显微成像的飞秒量级脉冲光源。
本发明的目的是这样实现的：
一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，其特征在于，包括飞秒脉冲种子源、波分复用器、高非线性光纤、复合器件、光纤分束器、延时装置和延时反馈控制装置；所述飞秒脉冲种子源的输出端连接波分复用器的泵浦端，所述波分复用器的信号端连接延时装置的输出端，所述波分复用器的公共端经高非线性光纤连接复合器件的公共端，所述复合器件的一个透射端连接光纤分束器的输入端，所述光纤分束器的两个输出端分别连接延时装置和延时反馈控制装置的输入端，所述延时反馈控制装置的输出端连接延时装置的延时端。
其中，所述飞秒脉冲种子源、波分复用器、高非线性光纤、复合器件、光纤分束器、延时装置和延时反馈控制装置之间的连接均通过尾纤熔接耦合。
其中，所述飞秒脉冲种子源为光纤耦合输出的飞秒脉冲锁模光纤激光器。
其中，所述复合器件集成了波分复用器和分束器的功能，具有一个公共端、一个反射端和两个透射端。
其中，所述延时装置包括粗调光纤延时线和精调光纤延时线。
其中，所述精调光纤延时线包括延时光纤和压电陶瓷，所述压电陶瓷与部分延时光纤相固定。
其中，所述粗调光纤延时线为大范围调节的光纤延时线。
其中，所述压电陶瓷与延时光纤为胶黏固定。
其中，所述高非线性光纤为光子晶体光纤。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用全光纤结构，体积小巧，结构简单，搭建方便，易于维护；
2、本发明采用全保偏结构，大大提高系统稳定性及抗环境干扰能力，并能够获得单一线偏振的输出激光。
3、本发明采用飞秒脉冲种子源作为泵浦源，更有利于四波混频过程的产生，提高泵浦信号转化效率；
4、本发明反馈控制部分采用粗调和精调相结合的方式，粗调选用大范围工作的光纤延时线，精调采用压电陶瓷来精确控制光纤长度，并用延时反馈控制电路来精确控制脉冲延时量，优化反馈脉冲与初始脉冲的时域重合，提高参量转换效率，同时稳定输出功率。
附图说明
图1本发明的结构示意图；
图2本发明的具体实施例示意图；
图3本发明中延时装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
如图1和图2所示，一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，包括飞秒脉冲种子源100、波分复用器200、高非线性光纤300、复合器件400、光纤分束器500、延时装置600和延时反馈控制装置700。
飞秒脉冲种子源100的输出端连接波分复用器200的泵浦端，波分复用器200的信号端连接延时装置600的输出端，波分复用器200的公共端经高非线性光纤300连接复合器件400的公共端，复合器件400的一个透射端连接光纤分束器500的输入端，光纤分束器500的两个输出端分别连接延时装置600和延时反馈控制装置700的输入端，延时反馈控制装置700的输出端连接延时装置600的延时端，使得全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器形成全光纤环路。
飞秒脉冲种子源100、波分复用器200、高非线性光纤300、复合器件400、光纤分束器500、延时装置600和延时反馈控制装置700之间的连接均通过尾纤熔接耦合。
其中，飞秒脉冲种子源100具体可采用光纤耦合输出的飞秒脉冲锁模光纤激光器。本实施例中，具体选用重复频率为20MHz，中心波长1064nm，脉冲宽度220fs，输出功率为2W光源的激光器为例。
高非线性光纤300可以是光子晶体光纤或者是普通的高非线性光纤，优选为光子晶体光纤，非线性系数为12.4W-1Km-1，零色散点位于540nm，1064nm波长位于其负色散区域，相比普通的高非线性光纤，光子晶体光纤具有更高的非线性系数和合适的零色散波长，更有利于1064nm入射脉冲四波混频效应的产生。
复合器件400集成了波分复用器和分束器的功能，具有一个公共端、一个反射端和两个透射端，具体为宽带反射式波分复用器和分束器的混合器件，可以将透射信号光中850-950nm成分按90:10的比例进行分光，其他成分则被反射。
光纤分束器500为宽带光纤分束器，工作波段850-950nm，分束比为90:10。
如图3所示，延时装置600包括粗调光纤延时线610和精调光纤延时线620，粗调光纤延时线610为大范围调节的光纤延时线，最大延时量330ps，工作中心波长900nm，典型插入损耗1.0dB，可由电信号驱动以控制其延时量。精调光纤延时线620包括延时光纤621和压电陶瓷622，所述压电陶瓷622与部分延时光纤621之间采用胶黏方式相固定，延时光纤621具体为900nm波段的传能光纤，压电陶瓷622通过输入电信号可以控制其伸缩，进而改变粘贴于其上的光纤的物理长度，精密控制延时量，其工作电压150V，标称位移60μm，通过粘附多根光纤可以倍增其标称位移亦即延时量。
延时反馈控制装置700具体为反馈伺服电路。
本发明的工作原理如下：
飞秒脉冲种子源100输出信号光ω1，该信号光ω1和延时装置600输出的信号光ω9由波分复用器200合束后作为信号光ω2耦合入高非线性光纤300中，由于四波混频主导的非线性效应，信号光ω1光谱极剧展宽，并产生若干较强的斯托克斯峰和反斯托克斯峰；
高非线性光纤300输出激光记为信号光ω3，其光谱宽度覆盖至少200nm，且光谱在1064nm波长两侧对应分布相对较强的峰(典型值为954nm和1160nm)；
信号光ω3经复合器件400后，由于复合器件400宽带反射式波分复用器和分束器的混合器件，信号光ω3中850-950nm成分被按90:10的比例分为信号光ω4(ω4为反斯托克斯信号光，作为该参量振荡器输出信号)和信号光ω5(ω5为反馈信号光，用以催化高非线性光纤中四波混频的产生和稳定信号光ω4的输出功率)，而其他成分被反射作为信号光ω6输出，用于其他用途；
信号光ω5经由光纤分束器500按固定比例分束为信号光ω7和ω8，其中信号光ω7经过光纤延时装置600后作为信号光ω9重新由波分复用器200耦合入高非线性光纤中进一步激发四波混频的产生；信号光ω8则输入延时反馈控制装置700，经光电转换为电信号后与预设最优值对比获得其动态变化量，通过电路负反馈至粗调光纤延时线610和精调光纤延时线620调节延时线的伸缩来优化延时，提高参量转换效率，稳定输出功率。
本发明中，为了确保信号光ω9和泵浦光ω1(即信号光ω1)的光脉冲时域重合后同时注入高非线性光纤300中，具体通过精调光纤延时线(620)中的延时光纤(621)的长度来控制信号光ω9的时域位置，因而需要对其延时光纤(621)的长度进行初步估算，计算方式如下：将延时光纤(621)长度记为L，整个反馈部分其余光纤长度记为L’(包括复合器件400输出尾纤、光纤分束器500连入环内尾纤长度以及粗调光纤延时器610尾纤)，则L长度满足以下不等式：
其中，c为光速，fr为飞秒脉冲种子源(100)重复频率(20MHz)，n为反馈环路中光纤的折射率。
Claims (9)
1.一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，其特征在于，包括飞秒脉冲种子源(100)、波分复用器(200)、高非线性光纤(300)、复合器件(400)、光纤分束器(500)、延时装置(600)和延时反馈控制装置(700)；所述飞秒脉冲种子源(100)的输出端连接波分复用器(200)的泵浦端，所述波分复用器(200)的信号端连接延时装置(600)的输出端，所述波分复用器(200)的公共端经高非线性光纤(300)连接复合器件(400)的公共端，所述复合器件(400)的一个透射端连接光纤分束器(500)的输入端，所述光纤分束器(500)的两个输出端分别连接延时装置(600)和延时反馈控制装置(700)的输入端，所述延时反馈控制装置(700)的输出端连接延时装置(600)的延时端。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，其特征在于，所述飞秒脉冲种子源(100)、波分复用器(200)、高非线性光纤(300)、复合器件(400)、光纤分束器(500)、延时装置(600)和延时反馈控制装置(700)之间的连接均通过尾纤熔接耦合。
3.根据权利要求1所述的一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，其特征在于，所述飞秒脉冲种子源(100)为光纤耦合输出的飞秒脉冲锁模光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，其特征在于，所述复合器件(400)集成了波分复用器和分束器的功能，具有一个公共端、一个反射端和两个透射端。
5.根据权利要求1所述的一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，其特征在于，所述延时装置(600)包括粗调光纤延时线(610)和精调光纤延时线(620)。
6.根据权利要求5所述的一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，其特征在于，所述精调光纤延时线(620)包括延时光纤(621)和压电陶瓷(622)，所述压电陶瓷(622)与部分延时光纤(621)相固定。
7.根据权利要求6所述的一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，其特征在于，所述压电陶瓷(622)与延时光纤(621)为胶黏固定。
8.根据权利要求5所述的一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，其特征在于，所述粗调光纤延时线(610)为大范围调节的光纤延时线。
9.根据权利要求1所述的一种全光纤结构飞秒脉冲光参量振荡器，其特征在于，所述高非线性光纤(300)为光子晶体光纤。
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