CN107658680B - 一种色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱装置 - Google Patents

一种色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱装置 Download PDF

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Abstract

本发明是一种色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱装置，包括激光器，光隔离器，光纤放大器，实芯Bragg光纤和光谱分析仪。通过激光器提供中心波长范围为1.064～1.4μm的第一短脉冲激光，光隔离器保证激光沿设置光路单向传输，再经过光纤放大器将第一超短脉冲激光进行光信号放大，输出第二短脉冲激光。实芯Bragg光纤采用不同折射率的材料，经过合理设置其结构使得Bragg光纤零色散点位于1.064μm，在1.064μm窗口附近具有超平坦色散特性，对第二短脉冲激光进行非线性转化，获得输出波长范围约为450～2500nm的中红外超连续谱。本发明的装置可实现中红外超连续谱输出。

Description

一种色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱装置
技术领域
本发明涉及激光光电子技术领域，具体涉及一种中红外超连续谱的产生装置。
背景技术
超连续谱光源具有输出功率高、光谱范围宽且平坦、空间相干性好等特点，应用非常广泛。中红外超连续谱激光可应用于空气污染监测、工业过程控制、疾病检测、激光光谱学研究、材料处理、光电测量与自由空间通信等民用领域以及导弹成像跟踪定位，红外对抗与反恐、反卫等军事国防领域。
常用的产生中红外超连续谱光纤材料有碲酸盐材料、硫系玻璃材料等，其中碲酸盐材料的折射率高，三阶非线性光学性能十分优异，中红外透过性能比较优秀(透过范围可以达到6μm)，透光截止波长为3.5μm，可以用于输出中红外超连续的光纤制备。
实芯布拉格(Bragg)光纤是一种拥有一维光子晶体包层的光纤。高折射率实芯Bragg光纤大大增强了光纤非线性光效应，并且在中红外波长附近具有很好的色散平坦特性以及极高的非线性系数。
目前利用半导体激光器泵浦硫系玻璃单模光纤和光子晶体光纤都可以实现超连续谱输出，但是由于单模光纤的色散特性不易调控，而光子晶体光纤不易制备等原因，很难应用在实际产生中红外超连续谱装置中，必须考虑其他容易制备且也能用于产生超连续谱的高非线性新型光纤。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱装置，用以解决目前用于实际输出中红外超连续谱的光纤装置短缺的问题，实现中红外超连续谱激光输出。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱装置，所述产生中红外超连续谱装置，包括在同一光路上依次设置的：激光器1、光隔离器2、光纤放大器3，色散平坦的实芯Bragg光纤4和光谱分析仪5；所述激光器1，用于提供第一短脉冲激光；所述光隔离器2，用于构成光的单向通路；所述光纤放大器3，用于将所述第一短脉冲激光进行信号放大，输出第二短脉冲激光；所述色散平坦的实芯Bragg光纤4，用于对所述第二短脉冲激光进行非线性转化，输出中红外超连续谱；所述光谱分析仪5，用于观察输出的中红外超连续谱的光谱展宽。
所述的第一短脉冲激光的中心波长范围为1.064～1.4μm。
所述的输出中红外超连续谱展宽至2500nm。
所述的激光器1作为激励源，可为半导体激光器、飞秒激光器、光纤激光器，固体激光器或掺钛蓝宝石激光器中的任一种。
所述的光隔离器2为只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。
所述的光纤放大器3可为掺铒的双包层光纤、铒镱共掺双包层光纤或掺镱的双包层光纤中的任一种，且为二级放大。
所述的色散平坦的实芯Bragg光纤4其径向采用高、低折射率材料交替周期性排列，最内层6是折射率为2.0～2.04的高折射率碲酸盐材料纤芯层，第一包层7是折射率为1.98～2.02的低折射率碲酸盐材料，第二包层8是与最内层6相同的高折射率材料。
所述的色散平坦的实芯Bragg光纤4的高折射率材料组分为TeO2-ZnO-Nb2O5-PbF2，摩尔比为72:10:15:3，所述的低折射率材料为与高折射率材料同基质的碲酸盐材料，组分为TeO2-ZnO-Nb2O5-PbF2-PbO，摩尔比为68:12:15:3:2。
所述的色散平坦的实芯Bragg光纤4的最内层6高折射率碲酸盐纤芯半径为5～6μm，第一包层7厚度为晶格周期的0.12，第二包层8厚度为1.3～1.4μm，晶格周期数为4～6层。
所述的色散平坦的实芯Bragg光纤4零色散点位于1.064μm，在1.064μm窗口附近具有超平坦色散特性，传输损耗为1.163db/m，非线性系数为γ＝120.9w-1·km-1。
所述的光谱分析仪5置于所述中红外超连续谱激光产生装置的输出端，显示输出的中红外超连续谱。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱示意图。
图2是本发明的产生中红外超连续谱装置中的色散平坦的实芯Bragg光纤结构示意图。
图3是本发明产生中红外超连续谱装置中的色散平坦的实芯Bragg光纤的色散特性图。
图4是本发明色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱示意图。
图中标号为：1-激光器；2-光隔离器；3-光纤放大器；4-色散平坦的实芯Bragg光纤；5-光谱分析仪；6-最内层；7-第一包层；8-第二包层。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
超连续谱光源具有输出功率高、光谱范围宽且平坦、空间相干性好等特点，从而产生的中红外超连续谱激光在空气污染监测、工业过程控制、疾病检测、激光光谱学研究、材料处理、光电测量与自由空间通信等民用领域以及军事国防领域，如导弹成像跟踪定位，红外对抗与反恐，反卫等领域应用前景非常广阔。根据资料显示，目前利用半导体激光器泵浦硫隙单模光纤和光子晶体光纤都可以实现超连续谱输出，但是由于单模光纤的色散特性不易调控，而光子晶体光纤不易制备等原因，很难应用在实际产生中红外超连续谱装置中。
基于此，本发明提供一种色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱装置，用以解决目前用于实际输出中远红外超连续谱的光纤装置短缺的问题，实现中红外超连续谱激光输出。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的超连续谱激光产生装置进行详细介绍。
实施例1
参照图1，色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱装置包括在同一光路上依次设置的：激光器1、光隔离器2、光纤放大器3、实芯Bragg光纤4和光谱分析仪5。
激光器1，用于提供第一短脉冲激光；第一短脉冲激光的中心波长为1μm左右，范围为1.064～1.4μm，比如可以为1.064μm。
光隔离器2，用于限制第一短脉冲激光的单向传输性，防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响。它对沿正向传输的光信号衰减很小而对沿相反方向传输的光信号衰减很大，构成光的单向通路。在激光器与传输光纤间接入光隔离器，能有效地抑制线路中从光纤远端端面、光纤连接器界面等处产生的反射光返回激光器、从而保证激光器工作状态的稳定，降低系统因反射光引起的噪声。
光纤放大器3，用于将第一短脉冲激光进行信号放大，输出第二短脉冲激光；第二短脉冲激光与第一短脉冲激光的中心波长相同；这里的光纤放大器3为二级放大。
实芯Bragg光纤4，用于对第二短脉冲激光进行非线性转化，输出中红外超连续谱。实芯Bragg光纤4，通过改变第二短脉冲激光的中心波长，使输出的超连续谱激光展宽范围为450～2500nm，实芯Bragg光纤4为非线性光纤。
根据本发明的示例性实施例，激光器1为高功率飞秒光纤激光器。
具体的，激光器1的中心波长为1.064μm，脉宽为150fs，重复频率为80MHz，最大功率为5W，具有耦合效率高、体积小、重量轻等优势。
根据本发明的示例性实施例，光纤放大器2优所采用的增益光纤为铒镱共掺双包层光纤。
具体的，光纤放大器2技术就是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素，通过激光器1提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大。由于镱离子的能级结构简单，在泵浦光以及信号光波长下，存在多重激发态吸收，光转换效率高，大的能级间隔消除了非辐射弛豫时间以及浓度猝灭等，因此在该实施例中优选掺镱光纤放大器。
实芯Bragg光纤4为非线性光纤。其中，实芯Bragg光纤4的纤芯为高折射率为2.0～2.04碲酸盐非线性材料，径向采用低、高折射率材料呈交替周期性排列的结构。导光机理可以分为两大类：全反射和由于光子带隙存在的Bragg反射。
具体的，实芯Bragg光纤4的结构图可参照图2，最内层是高折射率为2.0～2.04碲酸盐非线性材料的纤芯层，光纤径向采用低、高折射率材料呈交替周期性排列，以折射率为1.98～2.02略低于最内层的的掺离子碲酸盐材料作为第一包层，第二包层材料与纤芯层相同。实芯Bragg光纤4的结构参数为：高折射率实芯布拉格光纤的纤芯层半径为5～6μm，晶格周期为1.5～1.6μm，低材料层厚度为晶格周期的0.12，晶格周期层数为4到6层。实芯Bragg光纤4通过改变光纤芯径，晶格周期，低，高折射率材料的厚度比，折射率差以及晶格周期层数使得实芯Bragg光纤4的色散和非线性特性发生复杂改变，使得其在泵浦波长1.064μm具有非常平坦的色散特性，从而得到平坦的展宽至2500nm的中红外超连续谱输出。
具体的，光谱分析仪5用于接受输出的超连续谱激光，通过频谱分析观察所得超连续谱的展宽范围以及平坦性。
本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提供的一种色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱装置，包括在同一光路上依次设置的：激光器、光隔离器，光纤放大器、色散平坦的实芯Bragg光纤和光谱分析仪，通过激光器提供中心波长范围为1.064～1.4μm的第一短脉冲激光，光隔离器保证第一短脉冲激光的单向传输，光纤放大器将第一短脉冲激光进行信号放大，输出第二短脉冲激光，色散平坦的实芯Bragg光纤对第二短脉冲激光进行非线性转化，输出波长范围约为450～2500nm的超连续谱激光。本发明装置可以有效地利用于实际需要，产生展宽至2500nm的平坦中红外超连续谱。

Claims (7)

1.一种色散平坦的实芯Bragg光纤产生中红外超连续谱装置，其特征在于所述产生中红外超连续谱装置，包括在同一光路上依次设置的：激光器(1)、光隔离器(2)、光纤放大器(3)，色散平坦的实芯Bragg光纤(4)和光谱分析仪(5)；所述激光器(1)，用于提供第一短脉冲激光；所述光隔离器(2)，用于构成光的单向通路；所述光纤放大器(3)，用于将所述第一短脉冲激光进行信号放大，输出第二短脉冲激光；所述色散平坦的实芯Bragg光纤(4)，用于对所述第二短脉冲激光进行非线性转化，输出中红外超连续谱；所述光谱分析仪(5)，用于观察输出的中红外超连续谱的光谱展宽；所述的色散平坦的实芯Bragg光纤(4)其径向采用高、低折射率材料交替周期性排列，最内层(6)是折射率为2.0～2.04的高折射率碲酸盐材料纤芯层，第一包层(7)是折射率为1.98～2.02的低折射率碲酸盐材料，第二包层(8)是与最内层(6)相同的高折射率材料；所述的色散平坦的实芯Bragg光纤(4)的高折射率材料组分为TeO2-ZnO-Nb2O5-PbF2，摩尔比为72:10:15:3，所述的低折射率材料为与高折射率材料同基质的碲酸盐材料，组分为TeO2-ZnO-Nb2O5-PbF2-PbO，摩尔比为68:12:15:3:2；所述的色散平坦的实芯Bragg光纤(4)的最内层(6)高折射率碲酸盐纤芯半径为5～6μm，第一包层(7)厚度为晶格周期的0.12，第二包层(8)厚度为1.3～1.4μm，晶格周期数为4～6层；所述的色散平坦的实芯Bragg光纤(4)零色散点位于1.064μm，在0.8-1.5μm波长范围内具有超平坦色散特性，传输损耗为1.163dB/m，非线性系数为γ＝120.9w-1·km-1。
2.根据权利要求1所述的产生中红外超连续谱装置，其特征在于所述的第一短脉冲激光的中心波长范围为1.064～1.4μm。
3.根据权利要求1所述的产生中红外超连续谱装置，其特征在于所述的输出中红外超连续谱展宽至2500nm。
4.根据权利要求1所述的产生中红外超连续谱装置，其特征在于所述的激光器(1)作为激励源，可为半导体激光器、飞秒激光器、光纤激光器，固体激光器中的任一种。
5.根据权利要求1所述的产生中红外超连续谱装置，其特征在于所述的光隔离器(2)为只允许单向光通过的无源光器件。
6.根据权利要求1所述的产生中红外超连续谱装置，其特征在于所述的光纤放大器(3)可为掺铒的双包层光纤、铒镱共掺双包层光纤或掺镱的双包层光纤中的任一种，且为二级放大。
7.根据权利要求1所述的产生中红外超连续谱装置，其特征在于所述的光谱分析仪(5)置于所述中红外超连续谱激光产生装置的输出端，显示输出的中红外超连续谱。
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