CN110445002B - 一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的装置及方法 - Google Patents

一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的装置及方法，该装置包括同一光路上依次设置的飞秒激光器、模式转换器、偏振滤波器、偏振控制器、少模光子晶体光纤和多模光纤。通过飞秒激光器发出中心波长为3μm、脉冲初始宽度为250fs、脉冲峰值功率为百瓦级的激光光束；激光光束依次通过模式转换器、偏振滤波器、偏振控制器，最终输出模式HE11b和HE21b；通过光纤耦合器耦合到少模光子晶体光纤中，由此泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱。利用少模光子晶体光纤的模式特性、非线性特性和色散的作用，实现宽谱平坦的超连续光谱，光谱范围从近红外区域到中红外区域，满足低泵浦中红外超连续光源的应用需要。

Description

一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的装置及方法
技术领域
本发明属于光通信和生物医学技术领域，具体涉及一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的装置及方法。
背景技术
在生物医学领域中，超连续光谱在光学相干断层技术中起着重要的作用。在光通信中，它是超高速光通信光源的最优选择，在相干光通信中作为光源可有效抑制相位噪声。
随着激光脉冲输出功率的不断提高，超连续光谱的输出功率也在增加，故为了同时扩大超连续光谱的谱宽，研究者们则专注于影响超连续光谱产生的另一个因素上——非线性光学介质。该非线性光学介质需要可控的色散特性、低损耗条件，以及高非线性系数，例如硅波导、固体电介质和光纤。硅波导具有灵活的色散参数、易于集成和高非线性的优点；然而硅波导产生的输出能量过低，主要是双光子吸收与自由载流子吸收导致损耗过大，且光谱展宽会呈现出饱和现象，这严重限制了光谱扩展。固体电介质在波长范围内损耗较小，可产生输出功率较大的超连续谱，但谱宽范围较小，平坦度较差，且超连续光谱生成过程复杂。
到目前为止，利用光纤作为非线性光学介质生成超连续光谱的理论和实验都已经得到了成熟的发展，实现光谱较大展宽。而普通SiO2光纤也可以作为产生超连续谱的介质，但SiO2的非线性系数非常低，引起的非线性效应非常弱，难以扩展超连续光谱的谱宽；此外，不易调节光纤的色散特性，泵浦光波长短波长方向上的新波分量难以产生。
发明内容
本发明提供了一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法，解决了超连续光谱生成过程复杂、宽且平坦的超连续光谱难以产生的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的装置，其特征在于，包括同一光路上依次设置的飞秒激光器、模式转换器、偏振滤波器、偏振控制器、第一光纤耦合器、少模光子晶体光纤，所述少模光子晶体光纤输出超连续谱。
进一步地，所述光路上还设有反射镜组，反射镜组位于所述偏振控制器和所述第一光纤耦合器之间。起到了减少空间限制的作用。
一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过飞秒激光器发出中心波长为3.0～3.9μm、脉冲初始宽度为250～330fs、脉冲峰值功率为百瓦级的激光光束；所述激光光束通过模式转换器，输出基模和一阶模都存在的混合光束；所述混合光束以一定的角度通过偏振滤波器，偏振滤波器用于滤除混合光束中存在的TE01和TM01模式；所述滤除TE01和TM01模式的混合光束再通过偏振控制器，滤除一个偏振方向上的HE11a和HE21a模式，输出空间光，空间光中存在剩余的模式HE11b和HE21b，其中a和b表示偏正方向相互垂直；所述空间光通过第一光纤耦合器耦合到少模光子晶体光纤中，少模光子晶体光纤将剩余的模式HE11b和HE21b经过非线性和色散的作用展宽光谱，得到宽且平坦的超连续谱。
进一步地，所述少模光子晶体光纤的包层空气孔呈正六边形周期排列，最内层的各个空气孔之间均设有辅助空气孔。起到了提高光的束缚能力、减少泄露损耗的作用。
进一步地，所述辅助空气孔的孔径小于空气孔的孔径。
进一步地，所述光谱通过第二光纤耦合器耦合进多模光纤，再经多模光纤传输到光谱分析仪，光谱分析仪用于显示得到的超连续光谱图。
进一步地，所述少模光子晶体光纤的基底材料为硫化物玻璃。硫化物玻璃的非线性折射率比石英大两个数量级，使得少模光子晶体光纤的非线性效应加大，起到了进一步拓宽光谱的作用。
进一步地，所述偏振滤波器由一维光子晶体构成，一维光子晶体由氟化钠和聚苯乙烯组成的两种介质周期性交替构成。
进一步地，所述混合光束通过所述偏振滤波器的角度大于全反射角度。起到了出现倏逝波现象的作用。
进一步地，所述飞秒激光器发出中心波长为3μm、脉冲初始宽度为250fs、脉冲峰值功率为百瓦级的激光光束。
本发明所达到的有益效果：
(1)本发明的方法能够在激光器泵浦的中心波长为3μm，脉冲初始宽度为250fs，脉冲峰值功率仅为百瓦级的条件下，实现平均输出功率在-32dB的情况下覆盖1.80～10.23μm的光谱带宽，且其平坦度较好。
(2)泵浦功率仅为百瓦级，光谱可从近红外区域到中红外区域，可满足中红外区域的广泛应用。
(3)少模光子晶体光纤的基底材料为高非线性材料，少量模式通过光子晶体光纤耦合，在高阶色散和非线性的共同作用下出现光谱展宽，少模光子晶体光纤中交叉相位调制对光谱的展宽更加明显。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种超连续谱产生方法示意图；
图2为本发明实施例中的一种少模光子晶体光纤的截面图；
图3a为本发明实施例中激光泵浦中心波长附近的总色散趋势图。
图3b为本发明实施例中激光泵浦中心波长附近的泄露损耗图。
图4为在波长为3μm，脉冲初始宽度为250fs，脉冲峰值功率为120W的条件下，通过3cm的少模光子晶体光纤得到的超连续光谱图。
图中：1-飞秒激光器；2-模式转换器；3-偏振滤波器；4-偏振控制器；5-反射镜组；61-第一光纤耦合器；62-第二光纤耦合器；7-少模光子晶体光纤；8-多模光纤；9-光谱分析仪；10-空气孔；11-辅助空气孔；12-基底材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的装置，包括同一光路上依次设置的飞秒激光器1、模式转换器2、偏振滤波器3、偏振控制器4、少模光子晶体光纤7和多模光纤8，少模光子晶体光纤7的输入端和输入端分别连接第一光纤耦合器61和第二光纤耦合器62；第二光纤耦合器62通过多模光纤8与光谱分析仪9连接。光路上还设有反射镜组5，反射镜组5位于偏振控制器4和第一光纤耦合器61之间。
如图1所示，一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法，包括以下步骤：通过飞秒激光器1发出中心波长为3.0～3.9μm、脉冲初始宽度为250～330fs、脉冲峰值功率为百瓦级的激光光束。激光光束通过模式转换器2，输出基模和一阶模都存在的混合光束。混合光束以一定的角度通过偏振滤波器3，偏振滤波器3用于滤除混合光束中存在的TE01和TM01模式。滤除TE01和TM01模式的混合光束再通过偏振控制器4，滤除一个偏振方向上的HE11a和HE21a模式，输出空间光。空间光中存在剩余的模式HE11b和HE21b，其中a和b表示相互垂直的两个偏正方向。由于系统空间的限制，通过反射镜组5改变空间光的传播方向，然后空间光通过第一光纤耦合器61耦合到少模光子晶体光纤7中，少模光子晶体光纤7将空间光中剩余的模式HE11b和HE21b经过非线性和色散的作用展宽光谱，得到宽且平坦的超连续谱。光谱通过多模光纤8传输到光谱分析仪9，如图4所示，光谱分析仪9显示得到的超连续光谱图。利用少模光子晶体光纤的模式特性和非线性特性，实现宽谱平坦的超连续光谱，光谱范围能够从近红外区域到中红外区域，能够满足低泵浦中红外超连续光源的应用需要。本实施例中，优选飞秒激光器1发出中心波长为3μm、脉冲初始宽度为250fs、脉冲峰值功率为百瓦级的激光光束，实现平均输出功率在-32dB的情况下覆盖1.80～10.23μm的光谱带宽，且其平坦度较好。
飞秒激光器由二极管泵浦声光Q开关激光器产生1μm飞秒激光，该激光器主要为Nd:YAG(钇铝石榴石晶体)，通过泵浦特殊晶体材料ZnGeP2(磷锗锌)，采用波长转换的方法，将1μm输入激光转换为3μm飞秒输出激光，即可得到中心波长为3μm的脉冲，再设置好初始脉冲宽度为250fs和脉冲峰值功率为120w。超连续谱目前最常用的泵浦光源是飞秒脉冲。当输入到少模光子晶体光纤7的光脉冲为fs量级时，初始光脉冲的脉冲宽度窄，少模光子晶体光纤高阶色散效应与各种非线性效应相互结合激发高阶孤子。在高阶孤子的产生中，初始光脉冲被压缩，与各种非线性相结合，孤子逐渐减弱，光谱变宽。另外，当飞秒脉冲峰值功率高时，介质(即少模光子晶体光纤)中更易产生各种非线性效应，增加介质中的非线性效应，是扩展光谱脉宽的一种主要手段。并且飞秒脉冲在较短的传输距离下，可以产生脉宽较宽且光谱平坦的超连续光谱。低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法具有以下优势：泵浦功率低，脉冲峰值功率为百瓦级，峰值功率优选为120W；光谱带宽宽，平均输出功率为-32dB的情况下超连续谱的光谱范围可从近红外区域到中红外区域。
模式转换器2由普通SM光纤和FM光纤熔接拉锥制作而成，在模式转换器2的输出端口得到基模和一阶模都存在的混合光束。
偏振滤波器3由一维光子晶体构成，一维光子晶体由氟化钠和聚苯乙烯组成的两种介质周期性交替构成。根据布洛赫定理及偏振滤波特性，当平行光线以超过全反射角度入射到一维光子晶体中，出现倏逝波现象。径向模式TE01和TM01在透射波中分离，只保留其他偏振分量，实现偏振滤波的目的。
经过偏振滤波的光束通过偏振控制器以滤除一个偏振方向HE11a和HE21a。因此，剩余的模式HE11b和HE21b可以通过第一光纤耦合器61耦合进入到少模光子晶体光纤7中，光束从少模光子晶体光纤7的另一端输出，光圈被限制了仅有光谱被检测，去除了环境中的杂散光，并经过第二光纤耦合器62聚焦进入多模光纤8中，最后连接到光谱分析仪9，分析得到超连续光谱曲线。
如图2所示，少模光子晶体光纤7的包层空气孔10呈正六边形周期排列，最内层的各个空气孔10之间均设有辅助空气孔11。起到了提高光的束缚能力、减少泄露损耗的作用。辅助空气孔11的孔径小于空气孔10的孔径，辅助空气孔11的孔径为空气孔10孔径的二分之一。少模光子晶体光纤7能够通过调整空气孔10与辅助空气孔11的孔径、孔间距、基底材料12来实现理想的模场面积、非线性系数和零点色散波长。
如图3a和图3b所示，通过少模光子晶体光纤的总色散图可以确定泵浦中心波长设定在3μm处，即在零色散波长附近。在零色散波长附近通过激光泵浦可以得到更平坦的光谱。泵浦在激光器中实现，在少模光子晶体光纤中发挥作用。通过增添辅助空气孔11可以有效的减小泄露损耗，增加光传输效率。
少模光子晶体光纤7的基底材料12为硫化物玻璃。硫化物玻璃Ge11.5As24Se64.5的非线性折射率比石英大两个数量级，使得少模光子晶体光纤7的非线性效应加大，起到了进一步拓宽光谱的作用。相比于普通SiO2光纤，光子晶体光纤的结构灵活多变，因此可以优化光子晶体光纤的色散特性，若再选择合适的基底材料，进而具有高的非线性系数，从而产生宽且平坦的超连续谱。而少模光子晶体光纤产生超连续谱是少量模式通过光子晶体光纤耦合，在高阶色散和非线性的共同作用下出现光谱展宽。与普通的单模光子晶体光纤相比，少模光子晶体光纤中交叉相位调制对光谱的展宽更加明显。
本发明的工作原理如下：通过对少模光子晶体光纤的理论研究，建立较为简单的二模(两种模式)理论模型。以少模广义的非线性薛定谔方程为理论基础，考虑短色散和非线性的共同作用。考虑到线性作用中的色散的影响，当具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲入射到光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的改变而改变，到达终端时将产生时间差，从而引起脉冲波形展宽。对于少模的光子晶体光纤不仅要考虑到自相位调制，还要考虑率到交叉相位调制对光谱的影响。自相位调制在光纤的正常色散区导致脉冲的前沿和后沿频率变化，在负色散区，自相位调制和色散致啁啾能相互抵消，当全部抵消时，脉冲在时域和频域都不展宽，这将形成孤子传输。交叉相位调制指的是不同波长，不同传输方向或不同偏振态的脉冲共同传输时，一种光场引起的另一种光场的非线性位移致使光谱展宽。因为少模光子晶体光纤7中多个模式的存在，在光纤传输中会发生模式之间的耦合，从而产生交叉相位调制。而光谱的展宽就是由于线性作用中的高阶色散和这些强烈的非线性作用，使得从光子晶体光纤输出端输出的光谱带宽比输入端宽得多。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过飞秒激光器发出中心波长为3.0~3.9μm、脉冲初始宽度为250~330fs、脉冲峰值功率为百瓦级的激光光束；
所述激光光束通过模式转换器，输出基模和一阶模都存在的混合光束；
所述混合光束以一定的角度通过偏振滤波器，偏振滤波器用于滤除混合光束中存在的TE01和TM01模式；
所述滤除TE01和TM01模式的混合光束再通过偏振控制器，滤除一个偏振方向上的HE11a和HE21a模式，输出空间光，空间光中存在剩余的模式HE11b和HE21b，其中a和b表示相互垂直的两个偏振方向；
所述空间光通过第一光纤耦合器耦合到少模光子晶体光纤中，少模光子晶体光纤将剩余的模式HE11b和HE21b经过非线性和色散的作用展宽光谱，得到宽且平坦的超连续谱。
2.根据权利要求1所述的一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法，其特征在于，所述少模光子晶体光纤的包层空气孔呈正六边形周期排列，最内层的各个空气孔之间均设有辅助空气孔。
3.根据权利要求2所述的一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法，其特征在于，所述辅助空气孔的孔径小于空气孔的孔径。
4.根据权利要求1所述的一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法，其特征在于，所述光谱通过第二光纤耦合器耦合进多模光纤，再经多模光纤传输到光谱分析仪，光谱分析仪用于显示得到的超连续光谱图。
5.根据权利要求1所述的一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法，其特征在于，所述少模光子晶体光纤的基底材料为硫化物玻璃。
6.根据权利要求1所述的一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法，其特征在于，所述偏振滤波器由一维光子晶体构成，一维光子晶体由氟化钠和聚苯乙烯组成的两种介质周期性交替构成。
7.根据权利要求1所述的一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法，其特征在于，所述混合光束通过所述偏振滤波器的角度大于全反射角度。
8.根据权利要求1所述的一种低泵浦少模光子晶体光纤产生超连续谱的方法，其特征在于，所述飞秒激光器发出中心波长为3μm、脉冲初始宽度为250fs、脉冲峰值功率为百瓦级的激光光束。
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