CN111370982B - 一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，包括沿光路方向依次设置并安装在一套筒内的聚焦模块、中红外超连续谱产生模块和扩束准直模块，套筒内的第一安装板上开设有第一接口、第二安装板上开设有第二接口，套筒的筒壁上开设有缺口，缺口上覆设有盖板，中红外超连续谱产生模块包括硫系玻璃光纤制成的光纤跳线，光纤跳线的输入端安装于第一接口、输出端安装于第二接口，聚焦模块包括非球面透镜，扩束准直模块包括上下相对设置的非球面凹面镜和平面镜。本发明硫系光纤耦合器采用模块化设计，结构小巧、兼容性好、方便携带，可以稳定、高效地将中红外超连续谱用泵浦激光耦合进硫系玻璃光纤中，实现中红外超连续谱的稳定、可靠输出。

Description

一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器
技术领域
本发明涉及一种光纤耦合器，具体是一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器。
背景技术
超连续谱是一种具有极宽带宽的光源，一般采用高峰值功率的超短脉冲通过非线性材料来产生。当一系列非线性效应在泵浦光上，使得原始泵浦光在光谱上极大地展宽，例如将激光光源泵浦到高非线性光纤中，就可以得到超连续谱光源。
中红外波段不仅包含了极其重要的大气红外窗口，而且覆盖了大量的分子指纹区。中红外超连续谱光源在众多科学领域具有广泛而重要的应用，在大气监测、遥感、红外光谱学、生物医疗及军事等诸多领域都有重要的应用价值。例如可以利用宽带中红外超连续谱光源监测大气环境污染、危险爆炸物和神经毒气，高功率的中红外超连续谱在红外军事对抗中也具有重要的应用。
中红外超连续谱的产生通常是利用超短脉冲激光泵浦高非线性红外光纤产生。常用的激光主要为中红外的OPO和OPA激光器，高非线性红外光纤通常为硫系玻璃光纤或者碲酸盐玻璃光纤。由于中红外激光具有肉眼不可见的特性，将中红外空间激光耦合进入高非线性光纤具有极大的难度，常规的透镜耦合方案不仅难度较大，而且稳定性较差。并且由于中红外超连续光源覆盖的波长范围极宽，在光纤的尾端进行准直输出也存在很大的难度。此外，硫系玻璃光纤和碲酸盐玻璃光纤均为软玻璃光纤，其机械强度较差，使用和转移过程中极容易造成损伤。因此，制造一种高效且可靠的中红外超连续谱用光纤耦合器势在必行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，该耦合器采用模块化设计，可以稳定、高效地将中红外超连续谱用泵浦激光耦合进硫系玻璃光纤中，实现中红外超连续谱的稳定、可靠输出，且该耦合器结构小巧、兼容性好、方便携带，便于应用于大型复杂的光学系统中。
本发明所采用的技术方案为：一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，包括沿光路方向依次设置的聚焦模块、中红外超连续谱产生模块和扩束准直模块，所述的聚焦模块、中红外超连续谱产生模块和扩束准直模块安装在一套筒内，所述的套筒的两端分别设有第一端盖和第二端盖，所述的第一端盖上开设有用于输入泵浦激光的入射口，所述的第二端盖上开设有用于输出中红外超连续谱的出射口，所述的套筒内间隔设有第一安装板和第二安装板，所述的第一安装板上开设有第一接口，所述的第二安装板上开设有第二接口，所述的套筒的位于所述的第一安装板与所述的第二安装板之间的筒壁上开设有缺口，所述的缺口上覆设有可拆卸的盖板，所述的中红外超连续谱产生模块包括硫系玻璃光纤制成的光纤跳线，所述的光纤跳线用于产生中红外超连续谱，所述的光纤跳线的输入端可拆卸地安装于所述的第一接口，所述的光纤跳线的输出端可拆卸地安装于所述的第二接口，所述的聚焦模块包括非球面透镜，所述的非球面透镜设置于所述的第一端盖与所述的第一安装板之间，所述的扩束准直模块包括上下相对设置的非球面凹面镜和平面镜，所述的非球面凹面镜和所述的平面镜设置于所述的第二安装板与所述的第二端盖之间，所述的平面镜的镜面呈45°角朝向所述的出射口，所述的非球面凹面镜的镜面朝向所述的平面镜的镜面，所述的非球面凹面镜用于对来自所述的光纤跳线的输出端的中红外超连续谱进行扩束并反射，使反射的中红外超连续谱以45°角入射至所述的平面镜，所述的平面镜用于对所述的非球面凹面镜反射的中红外超连续谱进行反射并以平行光形式从所述的出射口输出。
本发明硫系光纤耦合器，以硫系玻璃光纤为载体，将硫系玻璃光纤制成标准的光纤跳线（即FC跳线），有利于泵浦激光进入硫系玻璃光纤的同时，硫系玻璃光纤得到有效保护，使其能够更加稳定地工作，从而稳定、高效地将中红外超连续谱用泵浦激光耦合进硫系玻璃光纤中，实现中红外超连续谱的稳定、可靠输出。本发明硫系光纤耦合器将中红外超连续谱产生过程中需要的聚焦模块、中红外超连续谱产生模块和扩束准直模块通过模块化设计封装并固定在一套筒内部，可有效保护光纤跳线，在测试和使用时，操作方便，只需打开盖板，即可通过缺口方便地安装和更换光纤跳线，不需要频繁调整光路来完成耦合，节省了人力物力，且该耦合器结构小巧、兼容性好、方便携带，便于应用于大型复杂的光学系统中。
作为优选，所述的套筒上安装有第一三维调节模块和第二三维调节模块，所述的第一三维调节模块用于调节所述的非球面透镜的位置，所述的第二三维调节模块用于调节所述的非球面凹面镜的位置。通过第一三维调节模块调节非球面透镜的位置，便于硫系玻璃光纤的纤芯直径不同情况下，非球面透镜的聚焦和调焦，使泵浦激光能够完全耦合到用于产生中红外超连续谱的硫系玻璃光纤中；通过第二三维调节模块调节非球面凹面镜的位置，可保证耦合器输出的中红外超连续谱为平行光，进而实现中红外超连续谱的稳定、可靠输出。
作为优选，所述的套筒由第一筒体和第二筒体构成，所述的第二筒体部分套设在所述的第一筒体上，所述的第一筒体上开设有长条孔，所述的长条孔沿所述的第一筒体的长度方向设置，所述的第二筒体上安装有调节螺栓，所述的调节螺栓穿设于所述的长条孔，所述的缺口包括第一缺口和第二缺口，所述的第一缺口开设在所述的第一筒体上，所述的第二缺口开设在所述的第二筒体上。采用上述结构设计的套筒的长度可调，有利于更换不同长度的光纤跳线，满足针对不同长度的光纤跳线的中红外超连续谱的产生需要，适应不同场合下的中红外超连续谱输出。
作为优选，所述的非球面透镜的口径和工作距离均为5mm，所述的非球面透镜的材质为镀有增透膜的硒化锌、锗单晶或者硫系玻璃，所述的非球面凹面镜和所述的平面镜均为金镜。针对泵浦激光的波长，可选择对非球面透镜在对应波长处镀增透膜。非球面凹面镜和平面镜采用金镜时，对1-15μm光源的反射率高于90%。
作为优选，所述的硫系玻璃光纤的组分为As2Se3、Ge-As-Se、Ge-Sb-Se或者Ge-As-Se-Te。在实际应用中，也可以选用其他组分的硫系玻璃光纤制备光纤跳线。
作为优选，所述的硫系玻璃光纤的类型为单模光纤或少模光纤，所述的硫系玻璃光纤的纤芯直径为10-50μm、数值孔径为0.1-0.8，以便获得较高的输出光束质量。
作为优选，所述的泵浦激光为中红外的单波长飞秒激光，所述的单波长飞秒激光的激光峰值功率高于50kW。激光峰值功率高于50kW的单波长飞秒激光便于耦合器输入端的激光耦合，也利于保证耦合器输出端的输出光束的功率。
进一步地，所述的单波长飞秒激光为量子点激光，所述的量子点激光的波长在2-8μm范围内可调。
作为优选，所述的出射口的后侧设置有激光功率计和光束质量分析仪。激光功率计用于测量耦合器输出端的激光功率，方便操作者调节非球面透镜的位置。光束质量分析仪用于测量耦合器输出端的光束质量，方便操作者调节非球面凹面镜的位置。
进一步地，所述的激光功率计为功率灵敏度小于10μW的热敏型红外探测器，以确保功率测量的灵敏度，所述的光束质量分析仪的响应波长为1-16μm、像素数高于256×256，以保证耦合器输出端光束质量测量的可靠性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）、本发明硫系光纤耦合器，以硫系玻璃光纤为载体，将硫系玻璃光纤制成标准的光纤跳线（即FC跳线），有利于泵浦激光进入硫系玻璃光纤的同时，硫系玻璃光纤得到有效保护，使其能够更加稳定地工作，从而稳定、高效地将中红外超连续谱用泵浦激光耦合进硫系玻璃光纤中，实现中红外超连续谱的稳定、可靠输出。
（2）本发明硫系光纤耦合器将中红外超连续谱产生过程中需要的聚焦模块、中红外超连续谱产生模块和扩束准直模块通过模块化设计封装并固定在一套筒内部，可有效保护光纤跳线，在测试和使用时，操作方便，只需打开盖板，即可通过缺口方便地安装和更换光纤跳线，不需要频繁调整光路来完成耦合，节省了人力物力，且该耦合器结构小巧、兼容性好、方便携带，便于应用于大型复杂的光学系统中。
附图说明
图1为实施例1的硫系光纤耦合器的结构示意图；
图2为通过实施例1的硫系光纤耦合器产生的中红外超连续谱；
图3为实施例4的硫系光纤耦合器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1的产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，如图1所示，包括沿光路方向依次设置的聚焦模块、中红外超连续谱产生模块和扩束准直模块，聚焦模块、中红外超连续谱产生模块和扩束准直模块安装在一套筒1内，套筒1的两端分别设有第一端盖21和第二端盖22，第一端盖21上开设有用于输入泵浦激光的入射口23，第二端盖22上开设有用于输出中红外超连续谱的出射口24，出射口24的后侧设置有激光功率计（图中未示出）和光束质量分析仪（图中未示出），套筒1内间隔设有第一安装板31和第二安装板32，第一安装板31上开设有第一接口33，第二安装板32上开设有第二接口34，套筒1的位于第一安装板31与第二安装板32之间的筒壁上开设有缺口41，缺口41上覆设有可拆卸的盖板42，中红外超连续谱产生模块包括硫系玻璃光纤制成的光纤跳线6，光纤跳线6用于产生中红外超连续谱，光纤跳线6的输入端可拆卸地安装于第一接口33，光纤跳线6的输出端可拆卸地安装于第二接口34，聚焦模块包括非球面透镜5，非球面透镜5设置于第一端盖21与第一安装板31之间，扩束准直模块包括上下相对设置的非球面凹面镜71和平面镜72，非球面凹面镜71和平面镜72设置于第二安装板32与第二端盖22之间，平面镜72的镜面呈45°角朝向出射口24，非球面凹面镜71的镜面朝向平面镜72的镜面，非球面凹面镜71用于对来自光纤跳线6的输出端的中红外超连续谱进行扩束并反射，使反射的中红外超连续谱以45°角入射至平面镜72，平面镜72用于对非球面凹面镜71反射的中红外超连续谱进行反射并以平行光形式从出射口24输出。
实施例1中，套筒1上安装有第一三维调节模块81和第二三维调节模块82，第一三维调节模块81用于调节非球面透镜5的位置，第二三维调节模块82用于调节非球面凹面镜71的位置。第一三维调节模块81和第二三维调节模块82均采用现有技术，其兼具粗调、精调和锁定功能，三维调节范围为15mm。
实施例1中，非球面透镜5的口径和工作距离均为5mm，非球面透镜5的材质为双面镀有4.5μm增透膜的硒化锌，非球面凹面镜71和平面镜72均为金镜；光纤跳线6的长度为9cm，套筒1的总长度为15cm。
实施例1中，泵浦激光为波长4.5μm的量子点激光；硫系玻璃光纤为10cm长的As2Se3单模光纤，其纤芯直径为10μm、数值孔径为0.3、色散零点为4.5μm；激光功率计为功率灵敏度小于10μW的热敏型红外探测器，光束质量分析仪的响应波长为1-16μm、像素数高于256×256。
实施例1的硫系光纤耦合器开始工作前，将量子点激光器输出的波长4.5μm的量子点激光通过入射口23垂直入射到非球面透镜5，在出射口24接激光功率计；调节第一三维调节模块81，当激光功率计中得到的激光功率为最大值时，锁定非球面透镜5的位置；移走激光功率计，介入光束质量分析仪，调节第二三维调节模块82，当从出射口24输出平行光时，锁定非球面凹面镜71的位置，即可进行中红外超连续谱的正常输出，最终得到的中红外超连续谱见图2。
实施例2的产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，与实施例1的区别在于，实施例2中所用非球面透镜5双面镀4.0μm增透膜；硫系玻璃光纤采用15cm长的Ge-As-Se单模光纤，其纤芯直径为12μm、数值孔径为0.35、色散零点为4.0μm；使用的泵浦激光为波长4.0μm的量子点激光，光纤跳线6的长度为15cm，套筒1的总长度调节至21cm。
实施例3的产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，与实施例1的区别在于，实施例3中所用非球面透镜5双面镀6.5μm增透膜；硫系玻璃光纤采用20cm长的Ge-Sb-Se多模光纤，其纤芯直径为50μm、数值孔径为0.8、色散零点为6.5μm；使用的泵浦激光为波长6.5μm的量子点激光，光纤跳线6的长度为20cm，套筒1的总长度调节至26cm。
实施例4的产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，与实施例1的区别在于，如图3所示，实施例2中，套筒1由第一筒体11和第二筒体12构成，第二筒体12部分套设在第一筒体11上，第一筒体11上开设有长条孔（图中未示出），长条孔沿第一筒体11的长度方向设置，第二筒体12上安装有调节螺栓15，调节螺栓15穿设于长条孔，缺口41包括第一缺口13和第二缺口14，第一缺口13开设在第一筒体11上，第二缺口14开设在第二筒体12上。
实施例4中所用非球面透镜5双面镀8.0μm增透膜；硫系玻璃光纤采用10cm长的Ge-As-Se-Te多模光纤，其纤芯直径为50μm、数值孔径为0.9、色散零点为8.0μm；使用的泵浦激光为波长8.0μm的量子点激光，光纤跳线6的长度为8cm，套筒1的总长度调节至14cm。

Claims (10)

1.一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，其特征在于包括沿光路方向依次设置的聚焦模块、中红外超连续谱产生模块和扩束准直模块，所述的聚焦模块、中红外超连续谱产生模块和扩束准直模块安装在一套筒内，所述的套筒的两端分别设有第一端盖和第二端盖，所述的第一端盖上开设有用于输入泵浦激光的入射口，所述的第二端盖上开设有用于输出中红外超连续谱的出射口，所述的套筒内间隔设有第一安装板和第二安装板，所述的第一安装板上开设有第一接口，所述的第二安装板上开设有第二接口，所述的套筒的位于所述的第一安装板与所述的第二安装板之间的筒壁上开设有缺口，所述的缺口上覆设有可拆卸的盖板，所述的中红外超连续谱产生模块包括硫系玻璃光纤制成的光纤跳线，所述的光纤跳线用于产生中红外超连续谱，所述的光纤跳线的输入端可拆卸地安装于所述的第一接口，所述的光纤跳线的输出端可拆卸地安装于所述的第二接口，所述的聚焦模块包括非球面透镜，所述的非球面透镜设置于所述的第一端盖与所述的第一安装板之间，所述的扩束准直模块包括上下相对设置的非球面凹面镜和平面镜，所述的非球面凹面镜和所述的平面镜设置于所述的第二安装板与所述的第二端盖之间，所述的平面镜的镜面呈45°角朝向所述的出射口，所述的非球面凹面镜的镜面朝向所述的平面镜的镜面，所述的非球面凹面镜用于对来自所述的光纤跳线的输出端的中红外超连续谱进行扩束并反射，使反射的中红外超连续谱以45°角入射至所述的平面镜，所述的平面镜用于对所述的非球面凹面镜反射的中红外超连续谱进行反射并以平行光形式从所述的出射口输出。
2.根据权利要求1所述的一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，其特征在于所述的套筒上安装有第一三维调节模块和第二三维调节模块，所述的第一三维调节模块用于调节所述的非球面透镜的位置，所述的第二三维调节模块用于调节所述的非球面凹面镜的位置。
3.根据权利要求1所述的一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，其特征在于所述的套筒由第一筒体和第二筒体构成，所述的第二筒体部分套设在所述的第一筒体上，所述的第一筒体上开设有长条孔，所述的长条孔沿所述的第一筒体的长度方向设置，所述的第二筒体上安装有调节螺栓，所述的调节螺栓穿设于所述的长条孔，所述的缺口包括第一缺口和第二缺口，所述的第一缺口开设在所述的第一筒体上，所述的第二缺口开设在所述的第二筒体上。
4.根据权利要求1所述的一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，其特征在于所述的非球面透镜的口径和工作距离均为5mm，所述的非球面透镜的材质为镀有增透膜的硒化锌、锗单晶或者硫系玻璃，所述的非球面凹面镜和所述的平面镜均为金镜。
5.根据权利要求1所述的一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，其特征在于所述的硫系玻璃光纤的组分为As2Se3、Ge-As-Se、Ge-Sb-Se或者Ge-As-Se-Te。
6.根据权利要求1所述的一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，其特征在于所述的硫系玻璃光纤的类型为单模光纤或少模光纤，所述的硫系玻璃光纤的纤芯直径为10-50μm、数值孔径为0.1-0.8。
7.根据权利要求1所述的一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，其特征在于所述的泵浦激光为中红外的单波长飞秒激光，所述的单波长飞秒激光的激光峰值功率高于50kW。
8.根据权利要求7所述的一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，其特征在于所述的单波长飞秒激光为量子点激光，所述的量子点激光的波长在2-8μm范围内可调。
9.根据权利要求1所述的一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，其特征在于所述的出射口的后侧设置有激光功率计和光束质量分析仪。
10.根据权利要求9所述的一种产生中红外超连续谱的硫系光纤耦合器，其特征在于所述的激光功率计为功率灵敏度小于10μW的热敏型红外探测器，所述的光束质量分析仪的响应波长为1-16μm、像素数高于256×256。
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Assignee: Ningbo Science and Technology Innovation Association

Assignor: Ningbo University

Contract record no.: X2023980033633

Denomination of invention: A chalcogenide fiber coupler for generating mid infrared supercontinuum spectrum

Granted publication date: 20210615

License type: Common License

Record date: 20230317

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