CN108512020A - 一种光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源 - Google Patents

一种光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤激光技术领域，尤其涉及一种光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源。包括：随机脉冲光纤激光器，单模光纤，双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器，高非线性中红外软玻璃光纤；本发明通过选择不同的超连续谱产生模块可以实现近红外一个波段或中红外一个波段、可见光‑近红外两个波段或近红外‑中红外两个波段、可见光‑中红外三个波段等三种模式非相干超连续谱输出，并且通过组合控制单模光纤的长度、双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器中泵浦源输出功率和高非线性中红外软玻璃光纤的长度不仅可以实现输出光谱范围和形状的控制，而且还可以在输出光谱范围和形状固定的情况下实现超连续谱输出功率的可调谐。

Description

一种光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，尤其涉及一种光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，可满足光谱分析、食品检测、光通信、生物医学成像等方面的特殊应用需求。
背景技术
超连续谱是由脉冲激光在非线性介质中传输时在多种非线性效应共同作用下导致光谱大范围展宽的结果，目前非线性介质主要有光子晶体光纤、高非线性光纤和光纤放大器等。由于受非线性介质材料和泵浦脉冲激光波长的限制，目前超连续谱光源主要集中在可见光-中红外波段。
目前关于非相干超连续谱光源的报道比较少，而关于相干超连续谱光源的报道有很多，大部分是由相干的脉冲激光进行泵浦，产生的超连续谱也是相干的，且输出超连续谱的光谱范围要么覆盖可见光、近红外和中红外三个波段中的某一两个波段，要么覆盖整个可见光-中红外三个波段，并且输出超连续谱的光谱范围和形状是在泵浦源输出最大功率时实现的，所以单纯调节泵浦源输出功率无法使输出光谱的范围和形状控制在有特定需求的波段，并且在输出光谱范围和形状固定的情况下无法实现超连续谱输出功率的调谐。而在超连续谱光源的实际应用中，不同方面对超连续谱光源的光谱范围和形状以及输出功率有不同的需求。比如在傅立叶变换光谱分析仪应用方面，只需要近红外一个波段的超连续谱光源；在分子指纹研究方面，只需要中红外一个波段的超连续谱光源；在人体皮肤吸收和反射系数测量以及食品检测方面，需要可见光-近红外两个波段的超连续谱光源，在光通信方面，需要近红外-中红外两个波段的超连续谱光源，而在光学频率梳和生物医学成像等方面，需要可见光-中红外三个波段的超连续谱光源；在某些应用比如光电探测器和相机损伤阈值测量方面，还需要在超连续谱光源输出光谱范围和形状固定的前提下，输出功率可调谐。目前公开报道的超连续谱光源要么无法满足某些方面的特殊应用需求，要么超连续谱光源的某些波段没有被利用，只利用了其中一两个波段，导致资源和成本的浪费。
因此，现有可见光-中红外波段超连续谱光源无法实现输出光谱范围和形状的控制，并且在输出光谱范围和形状固定的情况下超连续谱的输出功率不可调谐，极大限制了超连续谱光源的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在可见光-中红外波段输出光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，旨在满足某些应用方向对超连续谱光源输出光谱和功率的特定需求。该超连续谱光源既可以输出近红外一个波段或中红外一个波段的超连续谱，又可以输出可见光-近红外两个波段以及近红外-中红外两个波段的超连续谱，还可以输出可见光-中红外三个波段的超连续谱，并且在输出光谱范围和形状固定的情况下，还可以实现超连续谱输出功率的可调谐。
本发明是这样实现的，一种光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，包括：
随机脉冲光纤激光器1，用于泵浦单模光纤2产生多级斯托克斯光；
单模光纤2，其输入端连接所述随机脉冲光纤激光器1的输出端，其输出端连接超连续谱产生模块的输入端，单模光纤2在随机脉冲光纤激光器1输出的随机脉冲激光泵浦下产生多级斯托克斯光；
所述随机脉冲光纤激光器1和单模光纤2作为整个系统的输入模块，脉冲光纤激光器1输出的随机脉冲激光及其泵浦单模光纤2产生的多级斯托克斯光一起作为后续超连续谱产生模块的输入信号；
双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3，作为近红外/可见光-近红外波段超连续谱产生模块，其输入端与所述单模光纤2的输出端相连接，其输出端连接高非线性中红外软玻璃光纤4；
所述双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3包括：
泵浦源301，其输出端与泵浦合束器302的泵浦臂相连接，通过所述泵浦合束器302泵浦双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303；
泵浦合束器302，用于将多个泵浦激光进行合束泵浦，其泵浦臂连接泵浦源301，其信号输入端与所述单模光纤2的输出端相连接，同时该输入端也是近红外/可见光-近红外波段超连续谱产生模块的输入端，其输出端连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303；
双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303，连接在所述泵浦合束器302的输出端与传能光纤304之间；
传能光纤304，其输入端连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303，其输出端同时作为近红外/可见光-近红外波段超连续谱产生模块的输出端；
高非线性中红外软玻璃光纤4，作为中红外波段超连续谱产生模块，其输入端与所述双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3的输出端相连接，其输出端同时作为系统的输出端；
所述随机脉冲光纤激光器1和单模光纤2作为整个系统的输入模块，其后面只连接双包层掺镱光纤放大器，用于实现近红外一个波段超连续谱输出；其后面只连接高非线性中红外软玻璃光纤4，用于实现中红外一个波段超连续谱输出；其后面只连接双包层拉锥掺镱光纤放大器，用于实现可见光-近红外两个波段超连续谱输出；其后面同时连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3和高非线性中红外软玻璃光纤4，用于实现近红外-中红外两个波段和可见光-中红外三个波段超连续谱输出；
进一步地，通过组合控制输入模块中单模光纤2的长度、双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3中泵浦源301输出功率和高非线性中红外软玻璃光纤4的长度，不仅可以实现超连续谱输出光谱范围和形状的控制，还可以在输出光谱范围和形状固定的情况下实现超连续谱输出功率的可调谐；
所述随机脉冲光纤激光器1的中心波长为1.06μm或2μm：当所述单模光纤2后面连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3时，所述随机脉冲光纤激光器1的中心波长为1.06μm；当所述单模光纤2后面连接高非线性中红外软玻璃光纤4时，所述随机脉冲光纤激光器1的中心波长为2μm；
进一步地，所述斯托克斯光的级数可以在3-5级之间，具体级数由单模光纤2的长度控制，且频率上相邻两级斯托克斯光之间相差13.2THz；
进一步地，单模光纤2的长度在1百米至10千米之间；
进一步地，所述泵浦源301为915nm或976nm的半导体激光器；
进一步地，所述泵浦合束器302与泵浦源301之间、泵浦合束器302与双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303之间、双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303与传能光纤304之间均通过光纤熔接连接；
进一步地，所述双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303是产生近红外/可见光-近红外波段超连续谱的非线性介质，当所述系统输入模块输出的随机脉冲激光和多级斯托克斯光以及泵浦源301输出的泵浦激光在其中传输时，在多种非线性效应作用下，泵浦源301输出的泵浦激光会转化为近红外/可见光-近红外波段超连续谱；
进一步地，所述高非线性中红外软玻璃光纤4可以是氟化物、碲化物或者硫化物等材质的光纤，其对可见光波段超连续谱可以实现低损耗传输，当有近红外波段激光或超连续谱在其中传输时，在多种非线性效应作用下，可以把部分近红外波段激光或超连续谱转化为中红外波段的超连续谱；
进一步地，所述随机脉冲光纤激光器1与单模光纤2之间、单模光纤2与双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3之间、双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3与高非线性中红外软玻璃光纤4之间均通过光纤熔接连接，从而实现整个系统的全光纤化。
本发明具有以下技术效果：
1.实现了超连续谱光源输出光谱范围和形状的控制。通过选择不同超连续谱产生模块，可以输出近红外一个波段或中红外一个波段的超连续谱，又可以输出可见光-近红外两个波段或近红外-中红外两个波段的超连续谱，还可以输出可见光-中红外三个波段的超连续谱；
2.实现了超连续谱光源输出功率可调谐。通过组合控制输入模块中单模光纤2的长度、双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3中泵浦源301输出功率和高非线性中红外软玻璃光纤4的长度，可以在超连续谱光源输出光谱范围和形状固定的情况下，实现超连续谱输出功率的可调谐；
3.实现了超连续谱光源的全光纤化和高转换效率。整个系统不同模块之间以及每个模块内部之间均通过光纤熔接连接，从而实现了超连续谱光源的全光纤化；双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3和高非线性中红外软玻璃光纤4作为超连续谱产生模块转换效率高，可以使超连续谱光源的整体泵浦光-超连续谱的转换效率高于50％；
4.可以节约超连续谱光源的成本，极大扩展了超连续谱光源的应用范围。根据实际应用只选择满足光谱和功率需求的模块，从而可以节约超连续谱光源成本，避免资源浪费；由于超连续谱光源光谱可控、输出功率可调谐，从而极大扩展了超连续谱光源的应用范围。
附图说明：
图1为本发明一种光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源的结构示意图；
附图标记：
1-随机脉冲光纤激光器、2-单模光纤、3-双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器、4-高非线性中红外软玻璃光纤。
图2为本发明双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3的结构示意图。
附图标记：
301-泵浦源、302-泵浦合束器、303-双包层掺镱/拉锥掺镱光纤、304-传能光纤。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用随机脉冲光纤激光器1作为非相干脉冲激光种子源，通过泵浦单模光纤2产生多级斯托克斯光，斯托克斯光的级数可以通过单模光纤2的长度来控制，随机脉冲光纤激光器1和单模光纤2作为整个系统的输入模块，随机脉冲激光和多级斯托克斯光一起作为后续超连续谱产生模块的输入信号。双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3和高非线性中红外软玻璃光纤4分别作为近红外/可见光-近红外波段和中红外波段超连续谱的产生模块，通过选择不同的超连续谱产生模块可以实现输出光谱范围和形状的控制：当输入模块后面只连接双包层掺镱光纤放大器时，可以实现近红外一个波段超连续谱输出；当输入模块后面只连接高非线性中红外软玻璃光纤4时，可以实现中红外一个波段超连续谱输出；当输入模块后面只连接双包层拉锥掺镱光纤放大器时，可以实现可见光-近红外两个波段超连续谱输出；当输入模块后面同时连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3和高非线性中红外软玻璃光纤4两个模块时，可以实现近红外-中红外两个波段和可见光-中红外三个波段超连续谱输出。此外，通过组合控制输入模块中单模光纤2的长度、双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3中泵浦源301输出功率和高非线性中红外软玻璃光纤4的长度，不仅可以实现超连续谱输出光谱范围和形状的控制，还可以在输出光谱范围和形状固定的情况下实现超连续谱输出功率的可调谐，从而实现输出光谱可控、输出功率可调谐的全光纤非相干超连续谱光源。超连续谱光源的具体结构如附图1所示，双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3的结构如附图2所示。
具体实施例如下：随机脉冲光纤激光器1产生中心波长为1.06μm或2μm的随机脉冲激光，脉冲宽度为皮秒量级，峰值功率高于1千瓦，用于泵浦后续单模光纤2产生5级斯托克斯光，并和5级斯托克斯光一起作为后续超连续谱产生模块的输入信号；当所述单模光纤2后面连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3时所述随机脉冲光纤激光器1的中心波长为1.06μm，当所述单模光纤2后面只连接高非线性中红外软玻璃光纤4时所述随机脉冲光纤激光器1的中心波长为2μm。
单模光纤2，长度为1km，用于提供拉曼增益，其输入端连接所述随机脉冲光纤激光器1的输出端，在1.06μm或2μm随机脉冲激光泵浦下产生5级斯托克斯光，产生斯托克斯光的级数可以通过单模光纤2的长度来控制，相邻两级斯托克斯光之间相差13.2THz。当双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3或者高非线性中红外软玻璃光纤4的输入信号中包含随机脉冲激光和5级斯托克斯光时和输入信号中只有随机脉冲激光相比，可以显著降超连续谱的产生阈值，增加其输出光谱范围，提高输出光谱平坦度，所以通过控制单模光纤2的长度可以控制超连续谱产生模块输出超连续谱的阈值、范围和形状。
双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3，作为近红外/可见光-近红外波段超连续谱产生模块，由泵浦源301、泵浦合束器302、双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303和传能光纤304组成。泵浦源301为915nm或976nm的半导体激光器，通过所述泵浦合束器302泵浦双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303；泵浦合束器302用于将多个泵浦激光进行合束泵浦，其输入端与所述单模光纤2的输出端相连接，同时其输入端也是近红外/可见光-近红外波段超连续谱产生模块的输入端，其输出端连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303，其泵浦臂连接泵浦源301；双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303，连接在所述泵浦合束器302与传能光纤304之间，是产生近红外/可见光-近红外波段超连续谱的非线性介质，在入射随机脉冲激光和多级斯托克斯光的情况下，在多种非线性效应作用下(如自相位调制、受激拉曼散射、调制不稳、孤子自频移、孤子分裂等)，可以把泵浦源301输出的泵浦激光转化为近红外/可见光-近红外波段超连续谱；传能光纤304，用于连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤303与高非线性中红外软玻璃光纤4，连接高非线性中红外软玻璃光纤4的那一端同时作为近红外/可见光-近红外波段超连续谱产生模块的输出端，也可以在不连接高非线性中红外软玻璃光纤4的情况下作为系统的输出端。
高非线性中红外软玻璃光纤4，作为中红外波段超连续谱的产生模块，可以是氟化物、碲化物或者硫化物等材质的高非线性光纤，这里使用的是氟化物ZBLAN光纤，长度10米，可见光波段超连续谱可以低损耗的在其中传输，其输入端可以与单模光纤2的输出端相连接，此时其输出端作为整个系统的输出端，此时当随机脉冲光纤激光器1输出中心波长为2μm的随机脉冲激光及其泵浦单模光纤2产生的5级斯托克斯光在其中传输时，在多种非线性效应作用下(如四波混频、交叉相位调制、孤子自频移、孤子分裂等)会形成中红外一个波段的超连续谱输出。高非线性中红外软玻璃光纤4的输入端还可以与所述双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3的输出端相连接，其输出端作为整个系统的输出端，此时在近红外波段超连续谱输入下，在多种非线性效应作用下会使部分近红外波段超连续谱转频移到中红外波段，由于可见光波段超连续谱可以低损耗的在其中传输，所以在近红外/可见光-近红外波段超连续谱输入时，其输出端可以输出近红外-中红外/可见光-中红外波段超连续谱。
综上所述，通过选择不同的超连续谱产生模块可以实现近红外一个波段或中红外一个波段、可见光-近红外两个波段或近红外-中红外两个波段、可见光-中红外三个波段等三种模式非相干超连续谱输出，并且通过组合控制单模光纤2的长度、双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器3中泵浦源301输出功率和高非线性中红外软玻璃光纤4的长度不仅可以实现输出光谱范围和形状的控制，而且还可以在输出光谱范围和形状固定的情况下实现超连续谱输出功率的可调谐，在应用中可根据实际需求使超连续谱光源输出满足特定需求的光谱和功率，不仅提高了超连续谱光源的利用效率，而且还节约了成本，避免了资源浪费。此外，本装置具有全光纤化和高转换效率的优点，可满足光谱分析、食品检测、光通信、生物医学成像等方面的特殊应用需求，极大扩展了超连续谱光源的应用范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，其特征在于，包括：
随机脉冲光纤激光器(1)，用于泵浦单模光纤(2)产生多级斯托克斯光；
单模光纤(2)，其输入端连接所述随机脉冲光纤激光器(1)的输出端，其输出端连接超连续谱产生模块的输入端，单模光纤(2)在随机脉冲光纤激光器(1)输出的随机脉冲激光泵浦下产生多级斯托克斯光；
所述随机脉冲光纤激光器(1)和单模光纤(2)作为整个系统的输入模块，脉冲光纤激光器(1)输出的随机脉冲激光及其泵浦单模光纤(2)产生的多级斯托克斯光一起作为后续超连续谱产生模块的输入信号；
双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器(3)，作为近红外/可见光-近红外波段超连续谱产生模块，其输入端与所述单模光纤(2)的输出端相连接，其输出端连接高非线性中红外软玻璃光纤(4)；
所述双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器(3)包括：
泵浦源(301)，其输出端与泵浦合束器(302)的泵浦臂相连接，通过所述泵浦合束器(302)泵浦双包层掺镱/拉锥掺镱光纤(303)；
泵浦合束器(302)，用于将多个泵浦激光进行合束泵浦，其泵浦臂连接泵浦源(301)，其信号输入端与所述单模光纤(2)的输出端相连接，同时该输入端也是近红外/可见光-近红外波段超连续谱产生模块的输入端，其输出端连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤(303)；
双包层掺镱/拉锥掺镱光纤(303)，连接在所述泵浦合束器(302)的输出端与传能光纤(304)之间；
传能光纤(304)，其输入端连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤(303)，其输出端同时作为近红外/可见光-近红外波段超连续谱产生模块的输出端；
高非线性中红外软玻璃光纤(4)，作为中红外波段超连续谱产生模块，其输入端与所述双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器(3)的输出端相连接，其输出端同时作为系统的输出端；
所述随机脉冲光纤激光器(1)和单模光纤(2)作为整个系统的输入模块，其后面只连接双包层掺镱光纤放大器，用于实现近红外一个波段超连续谱输出；其后面只连接高非线性中红外软玻璃光纤(4)，用于实现中红外一个波段超连续谱输出；其后面只连接双包层拉锥掺镱光纤放大器，用于实现可见光-近红外两个波段超连续谱输出；其后面同时连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器(3)和高非线性中红外软玻璃光纤(4)，用于实现近红外-中红外两个波段和可见光-中红外三个波段超连续谱输出。
2.根据权利要求1所述光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，其特征在于：通过组合控制输入模块中单模光纤(2)的长度、双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器(3)中泵浦源(301)输出功率和高非线性中红外软玻璃光纤(4)的长度，不仅可以实现超连续谱输出光谱范围和形状的控制，还可以在输出光谱范围和形状固定的情况下实现超连续谱输出功率的可调谐。
3.根据权利要求1所述光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，其特征在于：所述随机脉冲光纤激光器(1)的中心波长为1.06μm或2μm；当所述单模光纤(2)后面连接双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器(3)时，所述随机脉冲光纤激光器(1)的中心波长为1.06μm；当所述单模光纤(2)后面连接高非线性中红外软玻璃光纤(4)时，所述随机脉冲光纤激光器(1)的中心波长为2μm。
4.根据权利要求1所述光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，其特征在于：所述斯托克斯光的级数在3-5级之间，具体级数由单模光纤(2)的长度控制，且频率上相邻两级斯托克斯光之间相差13.2THz。
5.根据权利要求4所述光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，其特征在于：所述单模光纤(2)的长度在1百米至10千米之间。
6.根据权利要求1所述光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，其特征在于：所述泵浦源(301)为915nm或976nm的半导体激光器。
7.根据权利要求1所述光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，其特征在于：所述泵浦合束器(302)与泵浦源(301)之间、泵浦合束器(302)与双包层掺镱/拉锥掺镱光纤(303)之间、双包层掺镱/拉锥掺镱光纤(303)与传能光纤(304)之间均通过光纤熔接连接。
8.根据权利要求1所述光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，其特征在于：所述双包层掺镱/拉锥掺镱光纤(303)是产生近红外/可见光-近红外波段超连续谱的非线性介质，当所述系统输入模块输出的随机脉冲激光和多级斯托克斯光以及泵浦源(301)输出的泵浦激光在其中传输时，在多种非线性效应作用下，泵浦源(301)输出的泵浦激光会转化为近红外/可见光-近红外波段超连续谱。
9.根据权利要求1所述光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，其特征在于：所述高非线性中红外软玻璃光纤(4)为氟化物、碲化物或者硫化物材质的光纤，其对可见光波段超连续谱可以实现低损耗传输，当有近红外波段激光或超连续谱在其中传输时，在多种非线性效应作用下，可以把部分近红外波段激光或超连续谱转化为中红外波段的超连续谱。
10.根据权利要求1所述光谱可控、输出功率可调谐的非相干超连续谱光源，其特征在于：所述随机脉冲光纤激光器(1)与单模光纤(2)之间、单模光纤(2)与双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器(3)之间、双包层掺镱/拉锥掺镱光纤放大器(3)与高非线性中红外软玻璃光纤(4)之间均通过光纤熔接连接，从而实现整个系统的全光纤化。
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Assignee: BEIJING RAYPOWER LASER TECHNOLOGIES CO.,LTD.

Assignor: National University of Defense Technology

Contract record no.: X2023980053543

Denomination of invention: A non coherent supercontinuum spectral light source with controllable spectrum and tunable output power

Granted publication date: 20190625

License type: Common License

Record date: 20231228