CN111916983B - 一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，它由泵浦源、透镜组、变形镜、多模硫系玻璃光纤、分束镜、光谱仪、红外相机、计算机组成。本发明通过采用泵浦光源输出光束波前整形的方法，在硫系玻璃光纤中激发特定高阶模，通过高阶模非线性效应实现红外超连续谱激光输出，通过调节硫系玻璃光纤中激发的高阶模成分，可实现红外超连续谱的光谱调节，系统耦合效率高且具有很高的稳定性和可重复性。

Description

一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源
技术领域
本发明涉及红外超连续谱激光系统，尤其是一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，该装置能够实现宽带红外超连续谱输出。
背景技术
超连续谱(Supercontinuum,SC)产生是指窄带激光经高非线性介质传输，由于多种非线性效应和色散的共同作用，光谱得到极大展宽。超连续谱激光光源具有宽光谱、高亮度和高相干性。目前可见光-近红外超连续谱光谱非常成熟并商用化，功率水平也得到极大提升。中红外超连续谱光源由于覆盖众多气体、固体分子的吸收谱线，在分子光谱学、燃烧监测、生物医学成像、生物和化学传感以及光学生物组织蚀除等领域有着重要的应用。以氟化物光纤和硫系玻璃光纤为代表的软玻璃光纤陆续应用于中红外超连续谱的产生。目前已经分别在ZBLAN光纤和InF3光纤为代表的氟化物光纤中获得了长波拓展至4.2μm和4.7μm的中红外超连续谱，输出功率分别为15.2W(如国防科技大学2017年在Optics Letters杂志上42期上发表的题目为“15.2W mid-infrared supercontinuum generation in ZBLANfiber with spectrum of1.9-4.2μm”的文章)和11.3W(如国防科技大学2019年在OpticsLetters杂志上44期上发表的题目为“Ultra-efficient,10-watt-level mid-infraredsupercontinuum generation in fluoroindate fiber”的文章)。在超连续谱向更长波方向的拓展探索中，硫系玻璃光纤由于在中红外波段具有很高的透过率和极高的非线性折射率，是目前唯一可以产生覆盖10μm及以上波段超连续谱的非线性光纤。为充分激发光纤的非线性效应，获得激光光谱的极大展宽，通常选择在光纤反常色散区零色散波长附近泵浦。但是硫系玻璃光纤基模零色散波长较长，如典型的As2Se3玻璃材料零色散波长大于8μm。而目前可选择的泵浦激光器的输出波长主要位于1μm、1.55μm和2μm附近。采用常用的光纤激光器泵浦时，泵浦脉冲均位于硫系玻璃光纤的正常色散区，大部分非线性效应不容易被激发，光谱展宽受限。
目前，采用硫系玻璃光纤有效产生超连续谱的方案主要有以下两种：
方案一：采用长波固体激光器(如中红外差频激光器、中红外光参量振荡器或者放大器)直接泵浦硫系玻璃光纤，通常泵浦激光器的峰值功率在几十千瓦至兆瓦量级。
方案二：采用级联软玻璃光纤产生。在级联软玻璃光纤方案中，首先利用一段氟化物光纤获得长波展宽至4μm甚至5μm的中红外超连续谱激光输出，然后再将其耦合进入硫系玻璃光纤，进一步拓展超连续谱的光谱范围。由于硫系玻璃光纤具有更广的通光窗口和更高的非线性系数，因此氟化物光纤产生的超连续谱输出(实际包含大量高峰值功率的红外激光脉冲)可以在级联的硫系玻璃光纤中进一步发生非线性效应。
目前方案一和方案二均已实现长波拓展至10μm以上的中红外超连续谱输出，但是同时系统也存在一些问题。方案一泵浦源光光效率低，且体积庞大、光路复杂，稳定性不高。系统耦合过程中大量透镜系统的采用，也不利于整个系统的稳定。方案二中典型级联结构为：种子源-单模石英光纤-铒镱共掺放大器-掺铥光纤放大器-氟化物光纤-硫化物光纤-硒化物光纤，三级软玻璃光纤级联，系统复杂，且软玻璃光纤熔接困难，耦合损耗较大。
通常，多模光纤中高阶模零色散波长比基模零色散波长短，因此本专利通过在多模硫系玻璃光纤中激发特定高阶模，实现泵浦光源波长和光纤中特定高阶模零色散波长的匹配，充分激发光纤中的非线性效应的产生，由此获得多模硫系玻璃光纤中光谱的有效展宽。目前光纤中高阶模式的激发多采用错位对接的方式，但此种方式模式激发随机性较高，可重复性差，难以实现特定模式的稳定激发，并且泵浦源和光纤之间的耦合效率较低，系统稳定性不高。本发明提出通过泵浦光波前整形的方法，在硫系玻璃光纤中激发特定高阶模，进而在多模硫系玻璃光纤获得光谱有效展宽，系统耦合效率高且具有很高的稳定性和可重复性。
发明内容
本发明提供一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源。该光源能够采用结构紧凑的光纤激光器作为泵浦源，在硫系玻璃光纤中实现高功率、超大带宽的红外超连续谱输出。
本发明是通过采用泵浦光源输出光束波前整形的方法，在硫系玻璃光纤中激发特定高阶模，通过高阶模非线性效应实现红外超连续谱激光输出。通过调节硫系玻璃光纤中激发的高阶模成分，从而实现红外超连续谱的光谱调节。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，它由泵浦源、透镜组、变形镜、多模硫系玻璃光纤、分束镜、光谱仪、红外相机、计算机组成。其中透镜组由第一透镜、第二透镜和第三透镜组成。
泵浦源输出尾纤端面位于第一透镜入射面焦点处。变形镜位于第一透镜的出射面一侧，距离第一透镜出射面一段距离，变形镜与第一透镜出射光路呈近垂直入射放置，入射角小于15度。第二透镜置于变形镜的反射光路上，与变形镜反射光束共光轴，且距离变形镜出射面一段距离。多模硫系玻璃光纤输入端位于第二透镜出射面焦点处。多模硫系玻璃光纤输出端面位于第三透镜入射面焦点处，分束镜位于第三透镜的出射面一侧，距离第三透镜出射面一段距离，分束镜与光路呈45度角放置，光谱仪位于分束镜反射光束一侧，距离分束镜一段距离。红外相机位于分束镜透射光束一侧，距离分束镜透射面一段距离，分束镜透射光束垂直入射进红外相机。红外相机与计算机通过数据线相连，计算机与变形镜通过数据线相连。
因为从第一透镜出射面到反射镜到第二透镜入射面，第三透镜输出到分束镜到光谱仪，以及第三透镜到分束镜到红外相机均为平行光束传播，因此上述“一段距离”大于零且方便调节光路即可。
所述泵浦源可以为短波红外或中红外单波长脉冲激光器，也可以为短波红外或中红外超连续谱脉冲激光器。
所述泵浦源峰值功率大于1kW，且小于多模硫系玻璃光纤的损伤阈值。
所述的多模硫系玻璃光纤可以为阶跃折射率多模硫系玻璃光纤、渐变折射率多模硫系玻璃光纤，拉锥多模硫系玻璃光纤或者特殊结构多模硫系玻璃光纤。
所述的多模硫系玻璃光纤特定模式LPmn(m、n为整数，且大于或等于零)的零色散波长与泵浦源波长差范围在±2μm以内。
优选地，多模硫系玻璃光纤特定模式LPmn的零色散波长略小于泵浦光源波长，波长差范围在500nm以内。
第一透镜、第二透镜和第三透镜可以为球面透镜、非球面透镜或者消色差双胶合透镜，其中非球面透镜用以消除球差，消色差双胶合透镜用以消除色差。若泵浦源为短波红外或者中红外单波长激光器，则第一透镜和第二透镜优选为非球面透镜，第三透镜优选为消色差双胶合透镜。若泵浦源为短波红外或者中红外超连续谱，则第一透镜、第二透镜和第三透镜均优选为消色差双胶合透镜，在超连续谱泵浦源输出波段范围内平衡色差，使得在宽带泵浦波长范围内焦距基本不变。
所述的第一透镜、第二透镜和第三透镜可以为CaF、ZnSe或者BD等中红外玻璃材质。优选地，所述的第一透镜、第二透镜和第三透镜在泵浦源工作波段范围内通过率均大于90％。
所述变形镜可以为压电堆栈变形镜、双压电片变形镜、微机电变形镜、静电驱动薄膜变形镜等自适应光学领域内常用的变形镜原理结构，能够提供大于3μm的变形量，在泵浦源波段反射率大于99％。
所述的分束镜可以为氟化钙平板分束镜或者硒化锌平板分束镜，适合45度角入射。优选地，平板分束镜的入射面镀有2～12μm宽带分束膜。
所述的光谱仪可以为安装InSb探测器的单色仪系统，也可以为安装HgCdTe探测器的单色仪系统。其探测响应波段范围应覆盖目标超连续谱光谱范围。
所述的红外相机的可以为热释电阵列相机，响应波段范围覆盖目标超连续谱光谱范围。
所述的计算机安装采集红外相机数据用的图像采集卡、控制采集卡的驱动程序、控制变形镜所需的驱动程序、对应的软件开发工具包(Software Development Kit)以及相应编程语言的集成开发环境。
本发明的工作过程是：泵浦源输出光经第一透镜准直后近垂直入射至变形镜，入射角小于15度。变形镜调节入射光场波前相位分布，输出反射光。变形镜反射光经第二透镜聚焦至多模硫系玻璃光纤入射端纤芯，进入到多模硫系玻璃光纤中。多模硫系玻璃光纤输出光准直后经过分束镜分束，反射光进入光谱仪，光谱仪监测输出光谱。透射光束进入红外相机，红外相机捕捉多模硫系玻璃光纤输出的光斑强度分布信息，并通过数据线传输至计算机。计算机基于实验输出光场强度分布Iexp与目标输出模式LPmn光场强度分布Itar的相关性构建代价函数，代价函数C的数学形式如式(1)所示，其中
Figure BDA0002601304430000042
表示Ih的平均值，<·>表示横截面上的积分。变形镜面型通过并行梯度优化算法进行反馈控制(并行梯度优化算法是自适应光学里已经成熟运用的技术，该算法的细节可以认为业内从业人员能够掌握或者从相关的专利中得到)，具体过程为：对变形镜面型施加一个微小的扰动，根据代价函数C的变化(增大或者减小)确定变形镜致动器的改变量(正向扰动或负向扰动)，使C的值朝着减小的方向变化，完成一次迭代控制；通过多次迭代控制，代价函数的值C将不断减小并趋于稳定，最终在多模硫系玻璃光纤中获得稳定的目标模式。泵浦光在多模硫系玻璃光纤中通过自相位调制、受激拉曼、四波混频、调制不稳定性、孤子自频移和色散波等非线性效应实现光谱的极大展宽。通过调节多模硫系玻璃光纤中目标模式，可以一定程度上实现超连续谱展宽调控。
Figure BDA0002601304430000041
本发明具有以下优点：
1、变形镜调节泵浦光场波前相位，激发多模硫系玻璃光纤中特定高阶模式。高阶模零色散波长相对基模零色散波长短，能够更好的实现泵浦源波长和硫系玻璃光纤色散特性的匹配，使得更多的泵浦能量能够红移越过高阶模的零色散波长，进而通过孤子自频移等非线性效应实现泵浦能量的有效红移，提高输出超连续谱成分中长波能量比例。
2、采用稀土掺杂中红外光纤激光器，短波红外超连续谱光纤激光器或者中红外超连续谱光纤激光器等结构紧凑的光纤激光器作为泵浦光源，可以实现光源的小型化和集成化设计，保证了系统工作的稳定性。
3、相对于基模，高阶模有效模场面积大，可以有效提高硫系玻璃光纤的泵浦功率承受能力，实现中红外超连续谱输出功率的大幅提升。
4、通过改变目标模式，调节变形镜面型，可以实现多模硫系玻璃光纤中不同模式的激发，进而调节硫系玻璃光纤中非线性效应，实现超连续谱光源输出光谱范围的调节。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图。
其中：1为泵浦源、2为透镜组、3为变形镜、4为多模硫系玻璃光纤，5为分束镜，6为光谱仪，7为红外相机，8为计算机，21为第一透镜、22为第二透镜，23为第三透镜。
具体实施方案
图1为本发明结构示意图。
如图1所示，本发明由泵浦源1、透镜组2、变形镜3、多模硫系玻璃光纤4，分束镜5，光谱仪6，红外相机7，计算机8组成。其中透镜组由第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23组成。
泵浦源1输出尾纤端面位于第一透镜21入射面焦点处。变形镜3距离第一透镜21出射面一段距离，变形镜3与入射光路呈近垂直入射放置。第二透镜22与变形镜3反射光束共光轴，且距离变形镜3出射面一段距离。多模硫系玻璃光纤4输入端位于第二透镜22出射面焦点处。多模硫系玻璃光纤4输出端面位于第三透镜23入射面焦点处，分束镜5距离第三透镜23出射面一段距离，分束镜5与光路呈45度角放置，光谱仪6位于分束镜5反射光束一侧，距离分束镜5一段距离。红外相机7位于分束镜5透射光束一侧，距离分束镜5透射面一段距离，分束镜5透射光束垂直入射进红外相机7。红外相机7与计算机8通过数据线相连，计算机8与变形镜3通过数据线相连。
国防科大制备的几款基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱激光器的参数如下：
实施例1，泵浦源1为Er:ZBLAN光纤激光器，波长为3.46μm，峰值功率约为50kW。第一透镜21，第二透镜22和第三透镜23均为BD玻璃材质的非球面透镜，3.46μm波段通过率为95％。变形镜3为微机电变形镜，能够提供大于3μm的变形量，在泵浦源1波段反射率大于99％。多模硫系玻璃光纤4为大模场渐变折射率As2Se3光纤，LP02模式零色散波长位于3.4μm左右。分束镜5为硒化锌平板分束镜。光谱仪6为安装HgCdTe探测器的单色仪系统。红外相机7为热释电阵列相机。计算机8安装采集红外相机数据用的图像采集卡、控制采集卡的驱动程序、控制变形镜3所需的驱动程序、对应的软件开发工具包(Software Development Kit)以及相应编程语言的集成开发环境。利用LP02模式光强的理论分布Itar以及红外相机7采集到的光强实际分布Iexp构建代价函数C，通过并行梯度优化算法驱动控制微机电变形镜3优化泵浦光束的波前相位分布，最终在多模硫系玻璃光纤4中获得基于LP02模非线性效应的2μm-10μm红外超连续谱激光输出。
实施例2，泵浦源1为基于InF3光纤的中红外超连续谱激光器，光谱范围为2-5μm，峰值功率约为30kW。第一透镜21，第二透镜22和第三透镜23均为ZnSe玻璃材质的非球面透镜，2-5μm波段通过率为90％。变形镜3为微机电变形镜，能够提供大于3μm的变形量，在泵浦源1波段反射率大于99％。多模硫系玻璃光纤4为阶跃折射率As2Se3光纤，LP03模式零色散波长位于4.5μm左右。分束镜5为硒化锌平板分束镜。光谱仪6为安装HgCdTe探测器的单色仪系统。红外相机7为热释电阵列相机。计算机8安装采集红外相机7数据用的图像采集卡、控制采集卡的驱动程序、控制变形镜3所需的驱动程序、对应的软件开发工具包(SoftwareDevelopment Kit)以及相应编程语言的集成开发环境。利用LP03模式光强的理论分布Itar以及红外相机7采集到的光强实际分布Iexp构建代价函数C，通过并行梯度优化算法驱动控制微机电变形镜3优化泵浦光束的波前相位分布，最终在多模硫系玻璃光纤4中获得基于LP03模非线性效应的2μm-10μm红外超连续谱激光输出。
实施例3，泵浦源1为基于InF3光纤的中红外超连续谱激光器，光谱范围为2-5μm，峰值功率约为30kW。第一透镜21，第二透镜22和第三透镜23均为BD玻璃材质的非球面透镜，2-5μm波段通过率为90％。变形镜3为微机电变形镜，能够提供大于3μm的变形量，在泵浦源1波段反射率大于99％。多模硫系玻璃光纤4为阶跃折射率GeAsSe光纤LP02模式零色散波长位于4.5μm左右。分束镜5为硒化锌平板分束镜。光谱仪6为安装HgCdTe探测器的单色仪系统。红外相机7为热释电阵列相机。计算机8安装采集红外相机7数据用的图像采集卡、控制采集卡的驱动程序、控制变形镜3所需的驱动程序、对应的软件开发工具包(SoftwareDevelopment Kit)以及相应编程语言的集成开发环境。利用LP02模式光强的理论分布Itar以及红外相机7采集到的光强实际分布Iexp构建代价函数C，通过并行梯度优化算法驱动控制微机电变形镜3优化泵浦光束的波前相位分布，最终在多模硫系玻璃光纤4中获得基于LP02模非线性效应的2μm-12μm红外超连续谱激光输出。
以上对本发明所提供的一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱激光器的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方法进行了阐述，以上实施例的说明之时用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，其特征在于该超连续谱光源由泵浦源(1)、透镜组(2)、变形镜(3)、多模硫系玻璃光纤(4)、分束镜(5)、光谱仪(6)、红外相机(7)、计算机(8)组成，其中透镜组(2)由第一透镜(21)、第二透镜(22)和第三透镜(23)组成；
泵浦源(1)输出尾纤端面位于第一透镜(21)入射面焦点处，变形镜(3)位于第一透镜(21)的出射面一侧，距离第一透镜(21)出射面一段距离，变形镜(3)与第一透镜(21)出射光路呈近垂直入射放置，入射角小于15度，第二透镜(22)置于变形镜(3)的反射光路上，与变形镜(3)反射光束共光轴，且距离变形镜(3)出射面一段距离，多模硫系玻璃光纤(4)输入端位于第二透镜(22)出射面焦点处，多模硫系玻璃光纤(4)输出端面位于第三透镜(23)入射面焦点处，分束镜(5)位于第三透镜(23)的出射面一侧，距离第三透镜(23)出射面一段距离，分束镜(5)与光路呈45度角放置，光谱仪(6)位于分束镜(5)反射光束一侧，距离分束镜(5)一段距离，红外相机(7)位于分束镜(5)透射光束一侧，距离分束镜(5)透射面一段距离，分束镜(5)透射光束垂直入射进红外相机(7)，红外相机(7)与计算机(8)通过数据线相连，计算机(8)与变形镜(3)通过数据线相连；
上述一段距离大于零且方便调节光路即可；
所述泵浦源(1)峰值功率大于1kW，且小于多模硫系玻璃光纤(4)的损伤阈值；
所述的多模硫系玻璃光纤(4)特定模式的零色散波长与泵浦源(1)波长差范围在±2μm以内；
所述变形镜(3)能够提供大于3μm的变形量，在泵浦源(1)波段反射率大于99％；
所述的分束镜(5)适合45度角入射；
所述的第三透镜(23)为中红外玻璃材质；
所述的光谱仪(6)的探测响应波段范围应覆盖目标超连续谱光谱范围；
所述的红外相机(7)响应波段范围覆盖目标超连续谱光谱范围；
所述的计算机(8)安装采集红外相机数据用的图像采集卡、控制采集卡的驱动程序、控制变形镜(3)所需的驱动程序、对应的软件开发工具包以及相应编程语言的集成开发环境。
2.如权利要求1所述的一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，其特征在于泵浦源(1)为短波红外或中红外单波长脉冲激光器，第一透镜(21)和第二透镜(22)为非球面透镜，第三透镜(23)为消色差双胶合透镜。
3.如权利要求1所述的一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，其特征在于泵浦源(1)为短波红外或者中红外超连续谱，第一透镜(21)、第二透镜(22)和第三透镜(23)为消色差双胶合透镜。
4.如权利要求1所述的一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，其特征在于第一透镜(21)和第二透镜(22)为中红外玻璃材质。
5.如权利要求1所述的一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，其特征在于第一透镜(21)、第二透镜(22)和第三透镜(23)在泵浦源(1)工作波段范围内通过率均大于90％。
6.如权利要求1所述的一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，其特征在于变形镜(3)为压电堆栈变形镜、双压电片变形镜、微机电变形镜或静电驱动薄膜变形镜。
7.如权利要求1所述的一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，其特征在于分束镜(5)为氟化钙平板分束镜或者硒化锌平板分束镜。
8.如权利要求1所述的一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，其特征在于分束镜(5)的入射面镀有2～12μm宽带分束膜。
9.如权利要求1所述的一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，其特征在于光谱仪(6)为安装InSb探测器的单色仪系统，或为安装HgCdTe探测器的单色仪系统。
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