CN113054520B - 一种基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源 - Google Patents

一种基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光技术与非线性光学领域的超连续谱光源，尤其涉及一种基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，包括光纤反射镜、紫光半导体激光二极管、合束器、传能光纤；本发明采用紫光半导体激光二极管作为泵浦源直接泵浦传能光纤产生可见光超连续谱，不仅使产生的可见光超连续谱光谱波段纯正，而且系统效率相对常规可见光超连续谱光源而言提高了一倍以上。本发明为全光纤系统，采用半开腔随机光纤激光器结构，系统结构非常简单，成本不到常规可见光超连续谱光源的十分之一，其输出具有可见光光谱波段纯正、光谱平坦度高、系统转换效率高，且可以在瓦量级到千瓦量级大范围高功率输出，推动了可见光超连续谱光源在更大范围的应用。

Description

一种基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源
技术领域
本发明涉及激光技术与非线性光学领域的超连续谱光源，尤其涉及一种基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，可满足通信、成像、计量、传感、光电对抗等领域的特殊应用需求。
背景技术
超连续谱光源是激光在非线性介质中传输时，在色散和多种非线性效应的综合作用下产生的一种激光光谱被大范围展宽的结果。由于超连续谱光源具有光谱范围宽、亮度高、相干性好等特点，在通信、成像、计量、传感等民用领域以及光电对抗等军事领域均有广阔的应用前景。根据波段范围可以把超连续谱光源分为可见光、近红外、中红外等三个波段，可见光和近红外波段超连续谱光源通常采用硅基光纤(例如光子晶体光纤)作为非线性介质，中红外超连续谱光源通常采用软玻璃光纤(例如氟化物光纤、碲化物光纤以及硫化物光纤等)作为非线性介质。
目前，可见光和近红外波段超连续谱光源通常采用脉冲光纤激光器泵浦光子晶体光纤方案。其中脉冲光纤激光器作为产生超连续谱的泵浦源，光子晶体光纤作为产生超连续谱的非线性介质。光子晶体光纤可以通过改变内部空气孔和孔间距的大小来灵活控制其色散特性，从而实现与脉冲光纤激光器波长匹配，所以是目前可见光和近红外波段超连续谱光源的主要非线性介质。
由于脉冲光纤激光器的波长通常位于1μm附近的近红外波段，当其输出的脉冲激光在光子晶体光纤中传输时，一般是通过非线性效应产生的色散波来产生可见光波段的光谱成分，从而实现可见光超连续谱输出。所以目前大部分可见光超连续谱光源通常包含近红外波段的光谱成分，不是纯正的可见光波段，且其中近红外波段的光谱成分在总功率上的占比还比较高(例如丹麦NKT光子公司型号为EXU-6的超连续谱光源近红外波段的光谱功率占比为80％)。另外，由于光子晶体光纤本身纤芯直径通常较小，限制了其输出超连续谱的功率水平。此外，超连续谱光源中采用的脉冲光纤激光器通常采用915nm或976nm的半导体激光二极管作为脉冲光纤激光器的泵浦源，首先通过泵浦掺镱光纤产生1μm附近的近红外激光，1μm附近的近红外激光再作为下一步产生超连续谱的泵浦源，通过泵浦光子晶体光纤产生超连续谱，所以整个系统存在两次光光转换，系统转换效率较低。因此，目前可见光超连续谱光源存在输出光谱波段不纯正、输出功率较低、系统转换效率较低等问题。
为了产生纯可见光波段的超连续谱光源，研究人员将1.06μm光纤激光器通过倍频得到0.5μm的绿光，再用该绿光泵浦光子晶体光纤产生纯可见光波段的超连续谱(参见中国专利“一种基于绿光光纤激光器泵浦的可见光超连续谱光源”，ZL201410204625.X)。该方案解决了可见光超连续谱光源光谱不纯的问题，缺点是需要将1.06μm的光纤激光进行倍频，倍频会损耗激光一半的功率，也就是说会导致系统转换效率在正常的基础上额外降低50％，且倍频需要用透镜实现激光在倍频晶体和光纤之间的耦合，所以整个系统并非全光纤结构。此外，由于倍频晶体非常容易损伤，所以该方法无法实现高功率可见光超连续谱的输出。
为了提高可见光超连续谱光源中可见光波段的功率占比，研究人员在利用1.06μm脉冲光纤激光器泵浦两个或两个以上零色散波长递减的光子晶体光纤(参见中国专利申请“全光纤结构的可见光增强超连续谱激光系统”，申请号：200810236572.4，公开日：20120905)，由于光子晶体光纤之间的熔接损耗较大，导致该方法无法实现高功率和纯可见光波段的超连续谱输出。有研究人员利用多芯光子晶体光纤实现了40W全光纤超连续谱输出(参见中国实用新型专利申请“基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源”，申请号：201220703339.4，公开日：20130612)，该方案输出的光谱范围为600～1700nm，不仅没有覆盖全可见光波段，且可见光波段的功率占比较低。还有研究人员利用1～1.025μm范围的短波长脉冲光纤激光器代替1.06μm脉冲光纤激光器作为泵浦源，泵浦多芯光子晶体光纤，提高了可见光的产生效率，实现了400～2300nm的光谱输出，其中可见光波段功率占比为25％(参见中国专利“高功率可见光增强超连续谱光源”，ZL201610416974.7)，但该方法依然没有解决纯可见光波段超连续谱输出以及可见光波段功率占比较低的问题。
综上所述，现有技术方案无法实现纯正可见光波段、高功率、高转换效率的可见光超连续谱光源，从而极大影响了可见光超连续谱光源在很多领域的应用。
发明内容
为解决现有可见光超连续谱光源输出光谱不纯正、输出功率较低、系统转换效率较低等问题，本发明提出一种基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，采用全光纤半开腔随机光纤激光器结构，其输出具有光谱范围只覆盖400～800nm可见光波段，光谱范围纯正；输出功率方面可以实现瓦量级到千瓦量级的大范围高功率超连续谱输出；整个系统内部只存在一次光光转换，系统转换效率高，结构简单，成本低。
本发明的技术方案是：一种基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，包括光纤反射镜1、紫光半导体激光二极管2、合束器3、传能光纤4。其中光纤反射镜1的输出端(尾纤)与合束器3的第一信号臂31连接，所述紫光半导体激光二极管2的输出端(尾纤)与合束器3的泵浦臂32连接，所述合束器3的第二信号臂33与传能光纤4的输入端连接，所述传能光纤4的输出端切8度角并作为整个系统的输出端输出超连续谱(输出端切8度角的目的是消除输出端面的反射，让传能光纤4中的随机分布反馈作为谐振腔的一个反射镜)；
所述光纤反射镜1用于反射激光腔内紫光半导体激光二极管2输出的激光以及由于级联受激拉曼散射等非线性效应产生的多级斯托克斯光和自发拉曼光(所述自发拉曼光是指相邻两级斯托克斯光之间的光谱成分，该部分光由于增益相对斯托克斯光而言较小，所以光谱强度相对斯托克斯光而言较弱)；
所述紫光半导体激光二极管2用于输出连续波激光或脉冲激光，输出激光的波长为400nm～450nm波段，输出连续波激光为基模或者接近基模，通过泵浦传能光纤4，在级联受激拉曼散射等非线性效应的作用下产生多级斯托克斯光和自发拉曼光；
所述紫光半导体激光二极管2输出的激光通过合束器3耦合到激光腔内；
所述传能光纤4用于反射紫光半导体激光二极管2输出的激光以及由于级联受激拉曼散射等非线性效应产生的多级斯托克斯光和自发拉曼光；
所述多级斯托克斯光的级数在22～28级之间，且频率上相邻两级斯托克斯光之间相差13.2THz。
进一步地，所述光纤反射镜1的反射带宽为400nm～800nm、反射率≥90％，带尾纤输出，尾纤纤芯直径≤100μm，尾纤纤芯和包层直径与合束器3第一信号臂31的纤芯和包层直径保持一致。
进一步地，所述紫光半导体激光二极管2输出连续波激光的平均功率为10W～2000W，带尾纤输出，尾纤纤芯直径≤100μm，尾纤纤芯和包层直径与合束器3泵浦臂32的纤芯和包层直径保持一致。
进一步地，所述紫光半导体激光二极管2输出脉冲激光的平均功率为10W～2000W，脉冲宽度可以是纳秒至亚微秒量级，重复频率可以是千赫兹至兆赫兹量级。
进一步地，当所述紫光半导体激光二极管2输出脉冲激光时，所述传能光纤4的长度可以比紫光半导体激光二极管2输出为连续波激光时短三分之一到二分之一。
进一步地，所述合束器3第二信号臂33的纤芯和包层直径与传能光纤4的纤芯和包层直径保持一致。
进一步地，所述合束器3泵浦臂和信号臂的损耗不大于10％。
进一步地，所述传能光纤4的纤芯直径≤200μm，长度≥1km，传能光纤4中由于光纤材料本身固有的不均匀性会产生背向瑞利散射，背向瑞利散射系数虽然非常小(约为2×10-3dB/km)，但采用较长光纤时(例如长度≥1km)，这些微弱的背向瑞利散射就会形成随机分布反馈，相当于谐振腔的一个反射镜。
进一步地，所述传能光纤4作为产生超连续谱的非线性介质和提供随机分布反馈的介质，可以是普通的传能光纤，也可以是掺杂了磷、铬等离子的增强受激拉曼散射效应的高非线性光纤或拉曼光纤。
进一步地，所述多级斯托克斯光的级数由紫光半导体激光二极管2的输出功率和传能光纤4的长度控制。
本发明基于以下原理：光纤反射镜1、紫光半导体激光二极管2、合束器3、传能光纤4共同组成了半开腔随机光纤激光器结构，在该结构中，在级联受激拉曼散射等非线性效应作用下，紫光半导体激光二极管2泵浦传能光纤4不仅可以产生多级斯托克斯光，而且自发拉曼光也得到了增强，提高了相邻两级斯托克斯光之间的光谱强度，从而使输出的超连续谱具有较高的光谱平坦度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.采用400～450nm波段的紫光半导体激光二极管直接泵浦传能光纤产生纯可见光超连续谱替代常规采用915nm或976nm波段的半导体激光二极管首先泵浦掺镱光纤产生1.06μm附近的激光，再由1.06μm附近的激光泵浦光子晶体光纤产生可见光至近红外波段的超连续谱，本发明使系统半导体激光二极管输出的激光到可见光超连续谱的光光转换由常规的两次减为一次，系统的光光转换效率提高了一倍；
2.现有可见光超连续谱光源通常包含近红外超连续谱成分，本发明采用400～450nm波段的紫光半导体激光二极管直接泵浦传能光纤产生400～800nm范围的可见光超连续谱，不包含近红外波段的光谱成分，可见光波段光谱成分纯正；
3.本发明基于半开腔随机光纤激光器实现可见光超连续谱光源，系统结构非常简单，成本不到常规可见光超连续谱光源的十分之一；
4.本发明所有器件的光纤纤芯和包层直径匹配，且为全光纤结构，可实现瓦级至千瓦量级的大范围、高功率可见光超连续谱输出；
5.本发明采用半开腔随机光纤激光器结构，通过利用传能光纤中瑞利散射形成的随机分布反馈，提高了自发拉曼的光谱强度，使相邻两级斯托克斯光之间的光谱成分增加，从而可以使输出的可见光超连续谱具有较高的光谱平坦度。
附图说明
图1为本发明一种基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源的结构示意图；
图2为本发明实施例的输出光谱图；
图3为本发明实施例的泵浦功率与输出功率关系图。
附图标记：
1-光纤反射镜、2-紫光半导体激光二极管、3-合束器、4-传能光纤、31-合束器第一信号臂、32-合束器泵浦臂、33-合束器第二信号臂。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源的结构如图1所示，它由光纤反射镜1、紫光半导体激光二极管2、合束器3、传能光纤4构成。其中光纤反射镜1的输出端与合束器3的第一信号臂31通过熔接的方式连接；紫光半导体激光二极管2的输出端与合束器3的泵浦臂32通过熔接连接；合束器3的第二信号臂33与传能光纤4的输入端通过熔接连接；传能光纤4的输出端切8度角并作为整个系统的输出端输出超连续谱。
在本实施例中，光纤反射镜1的反射带宽为400～800nm，反射率为95％，带尾纤输出，尾纤纤芯直径25μm、包层直径125μm；紫光半导体激光二极管2的输出波长为400nm、输出平均功率为12W的连续波信号，带尾纤输出，尾纤纤芯直径25μm、包层直径125μm；合束器3泵浦臂和第一信号臂的纤芯直径均为25μm、包层直径125μm，合束器3第二信号臂的纤芯直径为50μm、包层直径125μm；传能光纤4的纤芯直径为50μm、包层直径为125μm，长度为2km。
在本实施例中，紫光半导体激光二极管2输出的激光通过合束器3耦合到传能光纤4中，激光在传能光纤4中传输的过程中会由于级联受激拉曼散射等非线性效应产生22级斯托克斯光，导致光谱向长波方向展宽；传能光纤4中由于光纤材料本身固有的不均匀性会产生背向瑞利散射，通过2km较长距离的积累，背向瑞利散射会形成随机分布反馈，相当于谐振腔的一个反射镜，与光纤反射镜3组合形成激光器的谐振腔，紫光半导体激光二极管2输出的激光以及由其产生的多级斯托克斯光在谐振腔内多次往返传输从而形成可见光波段的超连续谱；此外，自发拉曼光在谐振腔内也得到了加强，使相邻两级斯托克斯光之间的光谱成分增加，从而使输出的可见光超连续谱具有较高的光谱平坦度。斯托克斯光的级数为22级，由于自发拉曼光的存在，4级以上的斯托克斯光表现的不太明显。产生可见光超连续谱的光谱范围可以通过调节紫光半导体激光二极管2的输出激光功率或传能光纤4的长度实现。如图2所示，在紫光半导体激光二极管2输出最大功率下，本实施例中的可见光超连续谱光源输出光谱范围为400～800nm，输出功率为7.2W，可见光超连续谱的输出功率与紫光半导体激光二极管2的泵浦功率的关系如图3所示，系统转换效率为60％。
综上所述，本发明实现了纯正可见光波段的超连续谱输出，紫光半导体激光二极管2输出的激光到可见光超连续谱整个过程只经历了一次光光转换，系统具有较高的转换效率，且系统结构非常简单，成本不到常规可见光超连续谱光源的十分之一，更换更高功率的紫光半导体激光二极管2可实现更高功率和更大范围的可见光超连续谱输出。

Claims (10)

1.一种基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，其特征在于：包括光纤反射镜(1)、紫光半导体激光二极管(2)、合束器(3)、传能光纤(4)；其中光纤反射镜(1)的输出端与合束器(3)的第一信号臂(31)连接，所述紫光半导体激光二极管(2)的输出端与合束器(3)的泵浦臂(32)连接，所述合束器(3)的第二信号臂(33)与传能光纤(4)的输入端连接，所述传能光纤(4)的输出端切8度角并作为整个系统的输出端输出超连续谱；
所述光纤反射镜(1)用于反射激光腔内紫光半导体激光二极管(2)输出的激光以及由于级联受激拉曼散射非线性效应产生的多级斯托克斯光和自发拉曼光；
所述紫光半导体激光二极管(2)用于输出连续波激光或脉冲激光，输出激光的波长为400nm～450nm波段，输出连续波激光为基模或者接近基模，通过泵浦传能光纤(4)，在级联受激拉曼散射非线性效应的作用下产生多级斯托克斯光和自发拉曼光；
所述紫光半导体激光二极管(2)输出的激光通过合束器(3)耦合到激光腔内；
所述传能光纤(4)用于反射紫光半导体激光二极管(2)输出的激光以及由于级联受激拉曼散射非线性效应产生的多级斯托克斯光和自发拉曼光；
所述多级斯托克斯光的级数在22～28级之间，且频率上相邻两级斯托克斯光之间相差13.2THz。
2.一种根据权利要求1所述基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，其特征在于：所述光纤反射镜(1)的反射带宽为400nm～800nm、反射率≥90％，带尾纤输出，尾纤纤芯直径≤100μm，尾纤纤芯和包层直径与合束器(3)第一信号臂(31)的纤芯和包层直径保持一致。
3.一种根据权利要求1所述基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，其特征在于：所述紫光半导体激光二极管(2)输出连续波激光的平均功率为10W～2000W，带尾纤输出，尾纤纤芯直径≤100μm，尾纤纤芯和包层直径与合束器(3)泵浦臂(32)的纤芯和包层直径保持一致。
4.一种根据权利要求1所述基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，其特征在于：所述紫光半导体激光二极管(2)输出脉冲激光的平均功率为10W～2000W，脉冲宽度可以是纳秒至亚微秒量级，重复频率可以是千赫兹至兆赫兹量级。
5.一种根据权利要求4所述基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，其特征在于：当所述紫光半导体激光二极管(2)输出脉冲激光时，所述传能光纤(4)的长度可以比紫光半导体激光二极管(2)输出为连续波激光时短三分之一到二分之一。
6.一种根据权利要求1所述基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，其特征在于：所述合束器(3)第二信号臂(33)的纤芯和包层直径与传能光纤(4)的纤芯和包层直径保持一致。
7.一种根据权利要求1所述基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，其特征在于：所述合束器(3)泵浦臂和信号臂的损耗不大于10％。
8.一种根据权利要求1所述基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，其特征在于：所述传能光纤(4)的纤芯直径≤200μm，长度≥1km。
9.一种根据权利要求8所述基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，其特征在于：所述传能光纤(4)作为产生超连续谱的非线性介质和提供随机分布反馈的介质，可以是普通的传能光纤，也可以是掺杂了磷、铬离子的增强受激拉曼散射效应的高非线性光纤或拉曼光纤。
10.一种根据权利要求1至9任一项所述基于半导体激光二极管泵浦的纯可见光超连续谱光源，其特征在于：所述多级斯托克斯光的级数由紫光半导体激光二极管(2)的输出功率和传能光纤(4)的长度控制。
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