CN112152056A - 全光纤化大能量超连续谱激光器 - Google Patents

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Abstract

一种全光纤化大能量超连续谱激光器，包括泵浦激光器、光纤放大器、光纤放大器尾纤、过渡光纤、多芯高非线性光纤。通过光纤放大器尾纤、过渡光纤、多芯高非线性光纤依次熔接，使光纤放大器尾纤与多芯高非线性光纤的模场适配，从而保证超连续谱激光器的全光纤化以及大能量输出。本发明使用单脉冲能量达百微焦量级的激光去泵浦多芯高非线性光纤，克服了单芯高非线性光纤损伤阈值低、多芯高非线性光纤与放大器尾纤熔接损耗大、耦合效率低的缺陷。本发明产生的超连续谱激光单脉冲能量达到微焦量级，进一步提升了超连续谱激光的工作距离。

Description

全光纤化大能量超连续谱激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，具体指一种全光纤化大能量超连续谱激光器。
背景技术
超连续谱激光器是一种高亮度的超宽带激光光源，具体指将具有高峰值功率的超短脉冲激光耦合进高非线性光纤，利用光纤的各类非线性效应使得输出光的光谱极大地展宽，从而实现超宽的光谱输出。此类激光光源在诸多应用场景中起到作用。其中，大能量超连续谱光源可应用于远程高光谱雷达探测等领域，且不同工作波段的超连续谱光源可以用于探测不同的生物物种，大大促进了生物多样性遥感探测技术的发展。
目前，实现全光纤化超连续谱微焦量级大能量输出的两个主要原因是高非线性光纤的低损伤阈值以及高非线性光纤的耦合处理。光纤固有的损伤阈值导致输出激光的单脉冲能量存在上限。常规的泵浦激光耦合方式为将泵浦激光通过透镜准直聚焦耦合进入高非线性光纤的纤芯，该方式的耦合效率较低，仅为60％左右。此外，累积的热效应还将导致耦合效率的进一步下降。
据参考文献(J.Opt.Soc.Am.B,27(11),B63-B92,2010)，可推导出材料损伤阈值的表达式，如公式(1)所示：
Figure BDA0002111502280000011
公式(1)中，Emax为材料的能量损伤阈值，X为损伤阈值系数且为1.5kW·ns0.5/μm2，Aeff为等效模场面积，τ为泵浦激光的脉冲宽度。假设泵浦激光的脉宽为6纳秒，单芯高非线性光纤的纤芯直径为5微米，其损伤阈值计算可得72微焦。大能量超连续谱往往需要百微焦以上的激光去泵浦，而常规的单芯高非线性光纤是承受不了如此大能量的。
因此，要实现全光纤化超连续谱激光器的大能量输出，需选取更高损伤阈值的光纤，并探究新的高非线性光纤耦合方法。
发明内容
本发明提供了一种全光纤化大能量超连续谱激光器，其输出光谱的单脉冲能量达到微焦量级。本发明克服了单芯光纤固有的低损伤阈值、多芯光纤与放大器尾纤的低耦合效率等缺陷，其输出光谱具有大能量、波长覆盖范围广等特点，并维持整个系统为全光纤结构。
本发明通过增加光纤纤芯的数目来提高单根光纤端面的有效模场面积，从而使得光纤能够承受百微焦量级的泵浦激光。纤芯直径10微米以上的尾纤与多芯高非线性光纤可以通过“光纤放大器尾纤-过渡光纤-多芯高非线性光纤”熔接处理方式进行高效模场适配，从而将耦合效率提高到80％以上。两个解决方案结合便实现了全光纤化的大能量超连续谱生成。
本发明全光纤化大能量超连续谱激光器包括：泵浦激光器、光纤放大器、光纤放大器尾纤、过渡光纤、多芯高非线性光纤。其中光纤放大器尾纤、过渡光纤、多芯高非线性光纤依次熔接，使光纤放大器尾纤与多芯高非线性光纤的模场适配，从而生成大能量全光纤超连续谱激光。
优选地，所述过渡光纤可为一条光纤，或由多条光纤依次熔接组成。
进一步地，所述过渡光纤为单芯光纤。
更进一步地，所述过渡光纤的数值孔径介于放大器尾纤的数值孔径和多芯高非线性光纤的数值孔径之间。
优选地，所述多芯高非线性光纤为空气孔型多芯光子晶体光纤或全固态型多芯光纤。
优选地，所述多芯高非线性光纤的数值孔径为0.2～0.4。
进一步地，所述多芯高非线性光纤的基底材料为石英(工作于可见光和近红外波段)，碲化物，氟化物(工作于中红外波段)，或硫化物(工作于远红外波段)中的任意一种。
进一步地，所述多芯高非线性光纤径向结构可调整，通过改变纤芯和包层的折射率使多芯高非线性光纤的零色散点与泵浦激光的波长相配。
进一步地，所述多芯高非线性光纤纵向均匀性也可调整，可为均匀的，也可为非均匀的。
优选地，所述光纤放大器尾纤的纤芯直径大于等于10微米。
进一步地，所述光纤放大器输出尾纤为保偏型或非保偏型。
优选地，所述光纤放大器至少包含一级放大。
进一步地，所述光纤放大器输出的单脉冲能量达到百微焦量级。
优选地，所述泵浦激光器输出光纤为普通单模或少模光纤，横模模式为基横模或接近基横模。
进一步地，所述泵浦激光器是掺稀土离子(包含了镱、铒、钬、铥、钕、铋等)的光纤激光器。
进一步地，所述泵浦激光器为连续激光工作状态，或是脉冲激光工作状态。
更进一步地，所述泵浦激光器为脉冲工作状态时，输出脉冲的脉宽为皮秒量级或纳秒量级。
更进一步地，所述泵浦激光器为脉冲工作状态时，输出脉冲的重复频率可为千赫兹量级或兆赫兹量级。
更进一步地，所述脉冲激光的生成方式包含了基于非线性效应工作机制的(包括非线性偏振旋转技术、非线性环路放大技术、Mamyshev技术等)，或可饱和吸收体工作机制的(包括半导体可饱和吸收镜、由纳米材料制成的可饱和吸收体薄膜、光纤与纳米材料相互作用的光纤型可饱和吸收体等)，或增益开关工作机制的(包括声光调制技术、电光调制技术等)。
更进一步地，所述泵浦激光器为脉冲工作状态，且所述多芯高非线性光纤基底材料为石英时，输出激光在400～900纳米范围内的单脉冲能量达到5微焦以上。
本发明中的“光纤放大器尾纤-过渡光纤-多芯高非线性光纤”模场适配，不仅提高了多芯高非线性光纤的耦合效率、降低熔接点的插入损耗，而且保证了整套系统的全光纤结构。
附图说明
图1为本发明提出的一种大能量超连续谱激光器结构示意图。
图中：1-泵浦激光器；2-光纤放大器；3-光纤放大器尾纤；4-过渡光纤；5-多芯高非线性光纤。
图2为全固态型多芯光纤端面示意图。
图中：6-全固态型多芯光纤的纤芯。
图3为空气孔型多芯光子晶体光纤端面示意图。
图中：7-空气孔型多芯光子晶体光纤的纤芯；8-空气孔型多芯光子晶体光纤的包层空气孔。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为一种大能量超连续谱激光器的结构示意图。如图所示，本发明提出的大能量超连续谱激光器包括泵浦激光器1、光纤放大器2、光纤放大器尾纤3、过渡光纤4、多芯高非线性光纤5。光纤放大器的尾纤纤芯直径一般大于10微米，通过“光纤放大器尾纤-过渡光纤-多芯高非线性光纤”熔接使光纤放大器尾纤与多芯高非线性光纤的模场适配。当光纤放大器输出的激光经过多芯高非线性光纤后，由于各种非线性效应的产生，光谱会极大地展宽，即生成超连续谱。
过渡光纤为单芯光纤，通过扩芯技术使其纤芯与放大器尾纤的纤芯接近，而其自身的纤芯尺寸应尽量与多芯高非线性光纤的纤芯尺寸相匹配。若过渡光纤的扩芯纤芯与放大器尾纤纤芯尺寸差距较大，可再插入一段扩芯纤芯尺寸与放大器尾纤纤芯尺寸更为接近的过渡光纤。过渡光纤的数值孔径应介于放大器尾纤的数值孔径和多芯高非线性光纤的数值孔径之间，多芯高非线性光纤的数值孔径为0.2～0.4。过渡光纤与放大器尾纤的熔接损耗约为0.5dB，而过渡光纤与多芯高非线性光纤的熔接损耗视多芯高非线性光纤的微结构而定。
多芯高非线性光纤可为如图2所示的全固态型多芯光纤，图中6为该多芯光纤的纤芯。多芯高非线性光纤也可为如图3所示的空气孔型多芯光子晶体光纤。多芯高非线性光纤的基底材料为石英，碲化物，氟化物，或硫化物中的任意一种。
在本发明的一种具体实施例中，泵浦激光器1采用的是纳秒脉冲掺镱光纤激光器，其光谱中心波长位于1064纳米附近，脉冲宽度约为6纳秒左右，重复频率约为250千赫兹，平均输出功率约为毫瓦量级，输出尾纤为普通单模，横模模式为基横摸。
泵浦激光器在经过光纤放大器2后，其平均输出功率约为25瓦，单脉冲能量约为百微焦量级，光纤放大器输出尾纤3的纤芯直径为20微米，包层直径约为125微米，数值孔径为0.06，且输出激光的光束质量较好，小于1.3。
将过渡光纤4一端扩芯与放大器输出尾纤3相熔接，其损耗控制在0.5至0.7dB之间。过渡光纤4另一端不做处理，与光子晶体光纤5塌缩端相熔接，其熔接损耗视光子晶体光纤5的微结构而定，最小可为0.2dB。
本实施例中使用的过渡光纤为单芯光纤，是纤芯为15微米、包层130微米的少模光纤，其数值孔径为0.08，通过扩芯技术与纤芯20微米的放大器尾纤相熔接，其插入损耗一般为0.5dB左右。过渡光纤未扩芯端与塌缩后的光子晶体光纤相熔接，其插入损耗约为0.5dB。
本实例中使用的多芯高非线性光纤为七芯光子晶体光纤，如图3所示，其基底材料为石英，各纤芯7的直径约为4～6微米，空气孔8的直径约为2～3微米，填充率为0.6～0.8。七芯光子晶体光纤的数值孔径约为0.3。本实例中使用的七芯光子晶体光纤零色散点位于1微米附近，且光纤纵向为均匀的，长度约为10米。
本实施例中百微焦单脉冲能量的泵浦激光通过七芯光子晶体光纤后，生成超连续谱，其输出光谱覆盖400～2400纳米，全波段能量为50微焦左右。此时，400～900纳米内的单脉冲能量可达到6微焦，输出激光的光斑呈类高斯型。
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，凡在本发明精神和原则之内所作的任何修改、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)

1.一种全光纤化大能量超连续谱激光器，包括：泵浦激光器、光纤放大器、光纤放大器尾纤、过渡光纤、多芯高非线性光纤，其特征在于：所述光纤放大器尾纤、过渡光纤、多芯高非线性光纤依次熔接。
2.根据权利要求1所述的全光纤化大能量超连续谱激光器，其特征在于：所述过渡光纤为一条单芯光纤，或由多条单芯光纤依次熔接组成。
3.根据权利要求2所述的全光纤化大能量超连续谱激光器，其特征在于：所述过渡光纤的数值孔径介于放大器尾纤的数值孔径和多芯高非线性光纤的数值孔径之间。
4.根据权利要求1所述的全光纤化大能量超连续谱激光器，其特征在于：所述多芯高非线性光纤为空气孔型多芯光子晶体光纤或全固态型多芯光纤。
5.根据权利要求4所述的全光纤化大能量超连续谱激光器，其特征在于：所述多芯高非线性光纤的基底材料为石英，碲化物，氟化物，或硫化物中的任意一种。
6.根据权利要求4所述的全光纤化大能量超连续谱激光器，其特征在于：所述多芯高非线性光纤的数值孔径为0.2～0.4。
7.根据权利要求1所述的全光纤化大能量超连续谱激光器，其特征在于：所述光纤放大器尾纤的纤芯直径大于等于10微米。
8.根据权利要求1所述的全光纤化大能量超连续谱激光器，其特征在于：所述泵浦激光器为连续激光工作状态，或是脉冲激光工作状态的掺稀土离子的光纤激光器。
9.根据权利要求8所述的全光纤化大能量超连续谱激光器，其特征在于：所述泵浦激光器为脉冲工作状态时，输出脉冲的脉宽为皮秒量级或纳秒量级，输出脉冲的重复频率为千赫兹量级或兆赫兹量级。
10.根据权利要求1所述的全光纤化大能量超连续谱激光器，其特征在于：所述泵浦激光器的输出光纤为普通单模或少模光纤，横模模式为基横模或接近基横模。
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