CN108899754A - 光子晶体光纤孤子输出波长稳定装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体光纤孤子输出波长的稳定系统，该系统包括飞秒激光器(1)、电控液晶波片(2)、起偏器(3)、光纤耦合镜(4)、高非线性光子晶体光纤(5)、光纤准直扩束器(6)、95:5分束器(7)、窄带滤光片(8)和光电探测器(9)组成的波长稳定检测装置、高分辨率数据采集卡(10)以及计算机反馈控制系统(11)。与现有技术相比，本发明的光子晶体光纤孤子输出波长稳定装置和方法，具有装置结构简单、方法调节迅速的优点，可以在保持光子晶体光纤孤子输出波长调节范围的同时，提高波长调谐速度，增加输出孤子波长稳定性。

Description

光子晶体光纤孤子输出波长稳定装置和方法
技术领域
本发明涉及光纤非线性及光电控制领域，特别是涉及一种光子晶体光纤孤子输出波长稳定装置和方法。
背景技术
激光具有高亮度、单色性、方向性等特点，自20世纪60年代出现之后，在日常的生产生活中有越来越多的应用，如激光切割、激光测距、显微成像、光纤通信等。然而波长的大范围连续调谐仍是目前人们追逐的重要目标，以满足科学研究中对激光光源的需求，如相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中需要大范围连续调节斯托克斯光(或泵浦光)波长以实现对待测分子共振谱的扫描。光子晶体光纤又称微结构光纤，由于其通常含有不同排列形式的尺寸与光波波长同量级的气孔，因此其横截面上的折射率分布较为复杂，光波可以被限制在低折射率的光纤纤芯传播，而高非线性光子晶体光纤通过减小纤芯直径，提高纤芯处能量密度，并通过不同的空气孔排列改变光纤色散特性，可以使高能飞秒脉冲在光子晶体光纤中传输时产生丰富的非线性效应。基于高非线性光子晶体的光纤孤子自频移效应，即在光纤反常色散区由色散和非线性效应相互作用而产生的中心波长随入射光功率而变化的光孤子，可以通过控制入射光子晶体光纤的飞秒脉冲光功率实现输出光孤子波长的连续大范围调谐，具有结构简单、波长连续调节范围大的优点，但是当空间飞秒脉冲耦合至高非线性光子晶体光纤时，由于空间耦合效率波动以及高非线性光子晶体光纤芯径细小(通常为1μm～2μm)的影响，容易造成输出光孤子波长的抖动，限制其在实际中的使用。
发明内容
为了克服空间飞秒脉冲耦合至高非线性光子晶体光纤时存在的耦合效率不稳定所造成的孤子输出波长漂移的问题，本发明提出一种光子晶体光纤孤子输出波长稳定装置和方法，基于高能飞秒脉冲和高非线性光子晶体光纤的孤子自频移效应，产生波长可连续大范围调谐的光孤子，一方面，使用电控液晶波片和起偏器构成了飞秒脉冲功率的快速电控调节系统，为本发明中波长稳定提供了快速反馈调节基础；另一方面，使用窄带滤光片和光电探测器构成波长稳定检测装置，为本发明中波长稳定提供了参考标准。
本发明提出了一种光子晶体光纤孤子输出波长的稳定系统，该系统包括飞秒激光器1、电控液晶波片2、起偏器3、光纤耦合镜4、高非线性光子晶体光纤5、光纤准直扩束器6、95:5分束器7、窄带滤光片8和光电探测器9组成的波长稳定检测装置、高分辨率数据采集卡10以及计算机反馈控制系统11，其中，飞秒激光器1的输出端与电控液晶波片2的输入端相连；电控液晶波片2的输出端与起偏器3的输入端相连，起偏器3的输出端与光纤耦合镜4的输入端相连；光纤耦合镜4的输出端与光纤准直扩束器6的输入端之间通过高非线性光子晶体光纤5相连，光纤准直扩束器6的输出端与95:5分束器7的输入端相连，所述95:5分束器7的输出端与波长稳定检测装置的输入端相连，窄带滤光片8的输出端与光电探测器9的输入端相连，高分辨率数据采集卡10的输入端与波长稳定检测装置的输出端相连；计算机反馈控制系统11分别与电控液晶波片2、高分辨率数据采集卡10相连；
飞秒激光器1输出的水平线偏振飞秒脉冲依次经电控液晶波片2、偏振方向为水平线偏振的起偏器3和光纤耦合镜4进入高非线性光子晶体光纤5，电控液晶波片2通过外加不同的电压改变其相位延迟，从而使飞秒脉冲的偏振态在水平线偏振和竖直线偏振之间连续旋转；起偏器3输出的光功率连续可调的飞秒脉冲经光纤耦合镜4进入高非线性光子晶体光纤5，高非线性光子晶体光纤5输出中心波长随入射飞秒脉冲光功率变化而移动的光孤子；光孤子经光纤准直扩束器6，由95:5分束器分为两束，其中95％的一束光用作大范围连续可调光源的输出，另一束5％的光则用作反馈控制的参考光，入射至波长稳定检测装置，高分辨率数据采集卡10实时波长稳定检测装置的输出信号，计算机反馈控制系统11根据该输出信号的变化反馈调节电控液晶波片2的调制电压，实现波长的稳定输出。
本发明的一种光子晶体光纤孤子输出波长的稳定方法，该方法具体包括以下步骤：
将飞秒激光器1输出的脉宽为百飞秒量级、水平线偏振的飞秒脉冲，经电控液晶波片2后入射至偏振方向为水平线偏振的起偏器3；
电控液晶波片2通过外加电压改变飞秒脉冲的相位延迟，从而旋转飞秒脉冲的偏振态，配合起偏器3实现飞秒脉冲的光功率的调谐；
起偏器3透射输出的功率可变的飞秒脉冲经光纤耦合镜4耦合至高非线性光子晶体光纤5；
飞秒脉冲在高非线性光子晶体光纤5中传输时，产生中心波长随入射峰值功率变化的光孤子；
将高非线性光子晶体光纤5的输出的光孤子通过光纤准直扩束器6对光子晶体光纤输出光束进行整形，使其为平行光束，经光纤准直扩束器6输出该平行光束；
利用平行光束经95:5分束器7将上述的平行光束分为两束，其中：95％的一路光用作波长大范围连续可调谐光源的输出端，5％的另一束光入射至由窄带滤光片8和光电探测器9组成的波长稳定检测装置，用作反馈控制的参考光；
当光孤子波长产生抖动时，经窄带滤光片8滤出的能量变小，光电探测器9输出的信号强度变弱，通过光电探测器9强弱变化的输出信号；
通过高分辨率数据采集卡10采集光电探测器9的输出信号，传输至计算机反馈控制系统11；
通过计算机反馈控制系统11反馈控制电控液晶波片2，实现波长的稳定输出。
与现有技术相比，本发明的光子晶体光纤孤子输出波长稳定装置和方法，具有装置结构简单、方法调节迅速的优点，可以在保持光子晶体光纤孤子输出波长调节范围的同时，提高波长调谐速度，增加输出孤子波长稳定性。
附图标记
图1为本发明的光子晶体光纤孤子输出波长稳定装置结构示意图；
图2为波长稳定检测原理图；
1、飞秒激光器，2、电控液晶波片，3、起偏器，4、光纤耦合镜，5、高非线性光子晶体光纤，6、光纤准直扩束器，7、95:5分束器，8、窄带滤光片，9、光电探测器，10、高分辨率数据采集卡，11、计算机反馈控制系统。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。其中，对所述未明确的参数，技术人员均可参照现有技术理解来实现。
光子晶体光纤孤子输出波长稳定装置和方法具体实施方式如下：
如图1所示，光子晶体光纤孤子输出波长稳定装置，包括飞秒激光器、电控液晶波片、起偏器、光纤耦合镜、高非线性光子晶体光纤、光纤准直扩束器、95:5分束器、窄带滤光片、光电探测器、高分辨率数据采集卡、计算机反馈控制系统。飞秒激光器1输出脉宽为百飞秒量级、水平线偏振的飞秒脉冲，经电控液晶波片2后入射至偏振方向为水平线偏振的起偏器3，电控液晶波片2通过外加电压改变飞秒脉冲的相位延迟，从而旋转飞秒脉冲的偏振态，配合起偏器3可连续迅速调谐飞秒脉冲的光功率。起偏器3透射输出的功率可变的飞秒脉冲经光纤耦合镜4耦合至高非线性光子晶体光纤5，高能飞秒脉冲在高非线性光子晶体光纤5中传输时由于孤子自频移效应，产生中心波长随入射峰值功率变化的光孤子。高非线性光子晶体光纤5的输出端接光纤准直扩束器6对光子晶体光纤输出光束进行整形，使其为平行光束后，便于之后自由空间的传输。光纤准直扩束器6输出的平行光束经95:5分束器7分为两束，其中95％的一路光用作波长大范围连续可调谐光源的输出端，另一束5％的光入射至由窄带滤光片8和光电探测器9组成的波长稳定检测装置，用作反馈控制的参考光。光电探测器9输出信号经高分辨率数据采集卡10采集后传输至计算机反馈控制系统11，通过计算机反馈控制系统11反馈控制电控液晶波片2。
其中：
电控液晶波片2通过电脑编程控制其液晶调制电压，从而通过电脑控制其相位延迟，和偏振方向为水平方向的起偏器3配合使用，实现飞秒脉冲光功率的快速电控调谐，对飞秒脉冲光束偏振态的电控旋转调节；
起偏器3的偏振方向为水平方向，使得水平线偏振飞秒脉冲的光功率利用率最大。电控液晶波片2和起偏器3的器件组合为波长稳定提供了快速反馈调节基础。
高非线性光子晶体光纤5存在两个零色散点，且两个零色散点的波长应根据所用飞秒激光器中心波长和系统输出波长范围进行合适的选择，保证在高非线性光子晶体光纤5由于孤子自频移效应输出光孤子的波长满足系统输出的需求。窄带滤光片8的工作波长根据所需稳定输出的目标波长进行合适的选择。
计算机反馈控制系统11读取高分辨率数据采集卡10的输出数据，根据保证光电探测器9输出信号最强的原则，反馈调节电控液晶波片2。
本发明的一种光子晶体光纤孤子输出波长稳定方法，其波长稳定原理如下所述：
飞秒激光器1输出的水平线偏振飞秒脉冲依次经电控液晶波片2、偏振方向为水平线偏振的起偏器3和光纤耦合镜4进入高非线性光子晶体光纤5，其中电控液晶波片2可以通过外加不同的电压改变其相位延迟，从而使飞秒脉冲的偏振态在水平线偏振和竖直线偏振之间连续旋转，和偏振方向为水平方向的起偏器3配合使用，可以实现飞秒脉冲光功率的快速电控调谐，电控液晶波片2和起偏器3的器件组合为本发明中波长稳定提供了快速反馈调节基础。起偏器3输出的光功率连续可调的飞秒脉冲经光纤耦合镜4进入高非线性光子晶体光纤5，由于孤子自频移效应，高非线性光子晶体光纤5输出中心波长随入射飞秒脉冲光功率变化而移动的光孤子。光孤子经光纤准直扩束器6后由95:5分束器分为两束，其中95％的一束光用作大范围连续可调光源的输出，另一束5％的光则用作反馈控制的参考光，入射至由窄带滤光片8和光电探测器9组成的波长稳定检测装置，高分辨率数据采集卡10实时检测光电探测器9的输出信号，由计算机反馈控制系统11根据光电探测器9输出信号的变化反馈调节电控液晶波片2的调制电压，从而实现波长的稳定输出。
具体实施中，飞秒激光器产生的飞秒脉冲脉宽为100fs～150fs，中心波长为760nm～800nm，平均功率为0.1W～1W，重复频率为1MHz～100MHz，偏振态为水平线偏振。
电控液晶波片工作波长700nm～900nm，延迟范围0nm至半波长，通光口径为10mm～25mm，透射率>95％，支持编程控制。
起偏器工作波长760nm～800nm，消光比>800：1，平行于偏振方向时线偏光透射率>90％。
光纤耦合镜焦距7.5mm，工作波长600～1050nm，束腰直径1.62mm。
高非线性光子晶体光纤使用双零色散高非线性光子晶体光纤，短波长的零色散点在750nm处，长波长的零色散点在1260nm处，在波长780nm处的非线性系数为90W-1km-1～100W-1km-1，纤芯直径为1μm～2μm。
光纤准直扩束器焦距4.64mm，工作波长800nm～1300nm，发散角<0.15°，数值孔径0.53，光束直径1.0mm。
95:5分束器工作波长800nm～1300nm，由N-BK7玻璃材料制成。
窄带滤光片中心波长800nm～1300nm可选，半高全宽0.2nm，衰减量大于5。
光电探测器工作波长800nm～1300nm，输入光功率范围50μW～1mW，输出电压范围0V～5V。
高分辨率数据采集卡输入电压范围0V～5V，12bit～16bit位分辨率，采样率1MS/s～10MS/s，支持编程控制。
由窄带滤光片8和光电探测器9组成的波长稳定检测装置，其检测原理如图2所示，图中灰色区域表示根据目标波长选择的窄带滤光片的工作波长范围，而曲线1则表示满足目标波长的光孤子光谱，曲线2和曲线3表示由于光纤耦合镜4耦合效率不稳定所引起的孤子波长的抖动，从而可以看出当光孤子的中心波长和窄带滤光片8的中心波长相匹配时，光孤子经窄带滤光片8和光电探测器9后输出的信号最强，而当光孤子波长产生抖动时，经窄带滤光片8滤出的能量变小，光电探测器9输出的信号强度变弱，根据光电探测器9输出信号强弱的变化即可实现对光孤子输出波长稳定性的检测。通过计算机反馈控制系统11,实时读取连接至光电探测器9的高分辨率数据采集卡10的输出信号，反馈调节电控液晶波片2的调制电压，使的高分辨率数据采集卡10的输出信号保持最强，即可保证光孤子波长稳定在系统所需的目标波长处，从而实现了高非线性光子晶体光纤5输出的光孤子波长的长期稳定。
由窄带滤光片8和光电探测器9组成的波长稳定检测装置，其检测原理如图2所示，图中灰色区域表示根据目标波长选择的窄带滤光片的工作波长范围，而曲线1则表示满足目标波长的光孤子光谱，曲线2和曲线3表示由于光纤耦合镜4耦合效率不稳定所引起的孤子波长的抖动，从而可以看出当光孤子的中心波长和窄带滤光片8的中心波长相匹配时，光孤子经窄带滤光片8和光电探测器9后输出的信号最强，而当光孤子波长产生抖动时，经窄带滤光片8滤出的能量变小，光电探测器9输出的信号强度变弱，根据光电探测器9输出信号强弱的变化即可实现对光孤子输出波长稳定性的检测。通过计算机反馈控制系统11,实时读取连接至光电探测器9的高分辨率数据采集卡10的输出信号，反馈调节电控液晶波片2的调制电压，使的高分辨率数据采集卡10的输出信号保持最强，即可保证光孤子波长稳定在系统所需的目标波长处，从而实现了高非线性光子晶体光纤5输出的光孤子波长的长期稳定。

Claims (2)

1.一种光子晶体光纤孤子输出波长的稳定系统，其特征在于，该系统包括飞秒激光器(1)、电控液晶波片(2)、起偏器(3)、光纤耦合镜(4)、高非线性光子晶体光纤(5)、光纤准直扩束器(6)、95:5分束器(7)、窄带滤光片(8)和光电探测器(9)组成的波长稳定检测装置、高分辨率数据采集卡(10)以及计算机反馈控制系统(11)；其中，飞秒激光器(1)的输出端与电控液晶波片(2)的输入端相连；电控液晶波片(2)的输出端与起偏器(3)的输入端相连，起偏器(3)的输出端与光纤耦合镜(4的输入端相连；光纤耦合镜(4)的输出端与光纤准直扩束器(6)的输入端之间通过高非线性光子晶体光纤(5)相连，光纤准直扩束器(6)的输出端与95:5分束器(7)的输入端相连，所述95:5分束器(7)的输出端与波长稳定检测装置的输入端相连，窄带滤光片(8)的输出端与光电探测器(9)的输入端相连，高分辨率数据采集卡(10)的输入端与波长稳定检测装置的输出端相连；计算机反馈控制系统(11)分别与电控液晶波片(2)、高分辨率数据采集卡(10)相连；
飞秒激光器(1)输出的水平线偏振飞秒脉冲依次经电控液晶波片(2)、偏振方向为水平线偏振的起偏器(3)和光纤耦合镜(4)进入高非线性光子晶体光纤(5)，电控液晶波片(2)通过外加不同的电压改变其相位延迟，从而使飞秒脉冲的偏振态在水平线偏振和竖直线偏振之间连续旋转；起偏器(3)输出的光功率连续可调的飞秒脉冲经光纤耦合镜(4)进入高非线性光子晶体光纤(5)，高非线性光子晶体光纤(5)输出中心波长随入射飞秒脉冲光功率变化而移动的光孤子；光孤子经光纤准直扩束器(6)，由95:5分束器(7)分为两束，其中95％的一束光用作大范围连续可调光源的输出，另一束5％的光则用作反馈控制的参考光，入射至波长稳定检测装置，高分辨率数据采集卡(10)实时检测波长稳定检测装置的输出信号，计算机反馈控制系统(11)根据该输出信号的变化反馈调节电控液晶波片(2)的调制电压，实现波长的稳定输出。
2.一种光子晶体光纤孤子输出波长的稳定方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
将飞秒激光器(1)输出的脉宽为百飞秒量级、水平线偏振的飞秒脉冲，经电控液晶波片(2)后入射至偏振方向为水平线偏振的起偏器(3)；
电控液晶波片(2)通过外加电压改变飞秒脉冲的相位延迟，从而旋转飞秒脉冲的偏振态，配合起偏器(3)实现飞秒脉冲的光功率的调谐；
起偏器(3)透射输出的功率可变的飞秒脉冲经光纤耦合镜(4)耦合至高非线性光子晶体光纤5；
飞秒脉冲在高非线性光子晶体光纤(5)中传输时，产生中心波长随入射峰值功率变化的光孤子；
将高非线性光子晶体光纤(5)的输出的光孤子通过光纤准直扩束器(6)对光子晶体光纤输出光束进行整形，使其为平行光束，经光纤准直扩束器(6)输出该平行光束；
利用平行光束经95:5分束器(7)将上述的平行光束分为两束，其中：95％的一路光用作波长大范围连续可调谐光源的输出端，5％的另一束光入射至由窄带滤光片(8)和光电探测器(9)组成的波长稳定检测装置，用作反馈控制的参考光；
当光孤子波长产生抖动时，经窄带滤光片(8)滤出的能量变小，光电探测器(9)输出的信号强度变弱，通过光电探测器(9)强弱变化的输出信号；
通过高分辨率数据采集卡(10)采集光电探测器(9)的输出信号，传输至计算机反馈控制系统(11)；
通过计算机反馈控制系统(11)反馈控制电控液晶波片(2)，实现波长的稳定输出。
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