CN113437629A - 超高相对强度蓝光超连续谱的产生方法 - Google Patents

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Abstract

一种超高相对强度蓝光超连续谱的产生方法，通过用皮秒脉冲光纤激光器泵浦高非线性的光子晶体光纤实现。对于具有特殊色散特性的光子晶体光纤，在产生超连续谱的过程中，由于三次谐波和孤子捕获过程中的交叉相位调制效应，使得超连续谱在410‑450nm附近出现强度高于剩余泵浦脉冲峰的蓝光成分，其蓝光相对强度达114％(定义蓝光峰相对强度为产生的蓝光峰与剩余泵浦峰的比值)。本发明有助于进一步拓展超连续谱的短波边，提高短波长的产生效率，并增强超连续谱的产生。

Description

超高相对强度蓝光超连续谱的产生方法
技术领域
本发明涉及超连续谱光源，特别是一种超高相对强度蓝光超连续谱的产生方法。
背景技术
由于超连续谱具有超宽的光谱带宽，近来，超连续谱光源的可见光部分在生物医学应用中发挥着越来越重要的作用，关于超连续谱可见峰的形成也一直是研究的热点。2004年，Cristiani等人表明对输入脉冲进行强烈压缩以致光谱的短波长尾部包含色散波预测的波长时，才会生成蓝色峰。2005年,Skryabin和Yulin从理论上解释了孤子和色散波之间的四波混频是产生蓝移俘获波包的真正原因。但Genty等人给出了不一样的解释，他们认为超连续谱最蓝端的频谱峰是由于孤子与色散波之间的交叉相位调制效应，当孤子和蓝色色散波在光纤的一定距离处重叠时，孤子在色散波上引起随时间变化的交叉相位调制相移。
目前可见光超连续谱产生的机理主要是基于孤子和色散波的群速度匹配机制。根据孤子理论，不同的泵浦脉宽和峰值功率产生孤子的能量和红移速度也明显不同。色散波的波长由相位匹配条件决定，色散波的波长与光纤的非线性系数和色散有关。随着孤子在光纤中传输经历红移，孤子和色散波之间群速度失配值小，孤子捕获邻近的色散波。通过交叉相位调制发生耦合，能产生新的光谱分量。
另外，在纯石英介质的高非线性光纤中能产生三次谐波这种非线性效应。在高非线性光纤中，当基频波和三次谐波的传输常数满足相位匹配条件时，三次谐波能在特定的高阶模中产生。同时，群速度失配会导致三次谐波的频谱产生频移。三次谐波的产生与否与光纤的色散特性和非线性参数有很大关系。当三次谐波相对于基波的频移满足相位匹配条件时，几个不同的频移值对应着截然不同的谱峰。
发明内容
为进一步拓展超连续谱的短波截止边带、提高蓝光峰的相对强度，本发明提出一种超高相对强度蓝光超连续谱的产生方法。当光纤参数和泵浦条件适配时，交叉相位调制感应的孤子捕获使得大部分能量都转移到了蓝光峰附近，同时三次谐波的存在使得蓝光峰强度进一步增大。在三次谐波效应和交叉相位调制的共同作用下，最终产生的超连续谱在410-450nm附近的蓝光峰值强度远高于超连续谱的其余波段，并且高于剩余泵浦光的峰值强度。
本发明的技术解决方案：
一种超高相对强度蓝光超连续谱的产生方法，其特点在于,该方法包括下列步骤：
1)采用皮秒脉冲光纤激光器，该皮秒脉冲光纤激光器的工作波长为1020～1050nm波段、脉冲宽度为100ps～300ps、脉冲重复频1MHz～10MHz、输出平均功率为1mW～10W的脉冲信号，带尾纤或准直输出，输出的激光为基横模或者接近基横模；
2)按下列条件选用光子晶体光纤，各纤芯直径小于3～5μm，且空气孔占空比0.8～0.9；群折射率曲线满足：大于2.1μm波长处的群折射率与小于0.6μm长处的群折射率相匹配；光纤的零色散波长为1000～1020nm，所述的光子晶体光纤的色散曲线在宽波段内平坦，且泵浦波长处的三阶色散大于零；所述的光纤的色散使得基频波和三次谐波满足相位匹配条件，即
ΔβT＝Δβ0+Δβ1Ω＝0
其中，Δβ0＝β(3ωp)-3β(ωp)，
Figure BDA0003136235560000021
Δβ0代表基频波与三次谐波的模传播常数之差，υgh、υgh分别表示三次谐波和基波的群速度，波长位于1260-1350nm的基频光产生三次谐波效应后，三次谐波频移量为Ω＝3(ω-ωp)，产生410-450nm的蓝光峰；
3)所述的皮秒脉冲光纤激光器在所述的光子晶体光纤的反常色散区泵浦，所述的皮秒脉冲光纤激光器输出的泵浦激光的波长接近所述的光子晶体光纤的零色散波长1000～1020nm，不断调整泵浦激光的脉宽，使压缩产生高能量孤子；所述的泵浦脉冲压缩产生高能量的孤子红移至2200nm附近，辐射产生的色散波波长满足下列相位匹配条件：
Figure BDA0003136235560000022
其中，β(ωP)和β(ωDW)表示光纤在泵浦角频率和色散波角频率时的传播常数，PP是压缩脉冲的峰值功率；
4)调整所述的光子晶体光纤的长度的同时通过交叉相位调制和三次谐波的共同作用得到的超高相对强度蓝光超连续谱在410-450nm波长附近的峰值强度远远高于超连续谱的其余光谱分量，甚至高于剩余泵浦脉冲峰，当产生的蓝光相对强度最大时，则获得光子晶体光纤的最佳长度；
5)在上述最佳条件下工作，即获得超高相对强度蓝光超连续谱输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明优化了高非线性光子晶体光纤的端面结构、长度及泵浦条件，使交叉相位调制感应的孤子捕获与三次谐波同时发生，最终在可见光区得到了超高的蓝色光谱分量。
2.本发明基于交叉相位调制和三次谐波的超高相对强度蓝光超连续谱的产生方法。在410-450nm波长附近的蓝光峰值强度远远高于超连续谱的其余光谱分量，甚至高于剩余泵浦脉冲峰。
附图说明
图1为本发明实施例中光子晶体光纤的横截面结构示意图；
图2为本发明实施例中光子晶体光纤的色散曲线图；
图3为本发明实施例中光子晶体光纤的群速度曲线图；
图4为本发明实施例中输出功率最大时超连续谱的输出光谱图。
具体实施方式
本发明基于交叉相位调制和三次谐波的超高相对强度蓝光超连续谱的产生方法”的是由皮秒脉冲光纤激光器和光子晶体光纤构成，经光纤带尾纤或准直输出超连续谱。
一种超高相对强度蓝光超连续谱的产生方法，该方法包括下列步骤：
1)采用皮秒脉冲光纤激光器，该皮秒脉冲光纤激光器的工作波长为1020～1050nm波段、脉冲宽度为100ps～300ps、脉冲重复频1MHz～10MHz、输出平均功率为1mW～10W的脉冲信号，带尾纤或准直输出，输出的激光为基横模或者接近基横模；
2)按下列条件选用光子晶体光纤，各纤芯直径小于3～5μm，且空气孔占空比0.8～0.9；群折射率曲线满足：大于2.1μm波长处的群折射率与小于0.6μm长处的群折射率相匹配；光纤的零色散波长为1000～1020nm，所述的光子晶体光纤的色散曲线在宽波段内平坦，且泵浦波长处的三阶色散大于零；所述的光纤的色散使得基频波和三次谐波满足相位匹配条件，即
ΔβT＝Δβ0+Δβ1Ω＝0
其中，Δβ0＝β(3ωp)-3β(ωp)，
Figure BDA0003136235560000041
Δβ0代表基频波与三次谐波的模传播常数之差，υgh、υgp分别表示三次谐波和基波的群速度，波长位于1260-1350nm的基频光产生三次谐波效应后，三次谐波频移量为Ω＝3(ω-ωp)，产生410-450nm的蓝光峰；
3)所述的皮秒脉冲光纤激光器在所述的光子晶体光纤的反常色散区泵浦，所述的皮秒脉冲光纤激光器输出的泵浦激光的波长接近所述的光子晶体光纤的零色散波长1000～1020nm，不断调整泵浦激光的脉宽，使压缩产生高能量孤子；所述的泵浦脉冲压缩产生高能量的孤子红移至2200nm附近，辐射产生的色散波波长满足下列相位匹配条件：
Figure BDA0003136235560000042
其中，β(ωP)和β(ωDW)表示光纤在泵浦角频率和色散波角频率时的传播常数，PP是压缩脉冲的峰值功率；
4)调整所述的光子晶体光纤的长度的同时通过交叉相位调制和三次谐波的共同作用得到的超高相对强度蓝光超连续谱在410-450nm波长附近的峰值强度远远高于超连续谱的其余光谱分量，甚至高于剩余泵浦脉冲峰，当产生的蓝光相对强度最大时，则获得光子晶体光纤的最佳长度；
5)在上述最佳条件下工作，即获得超高相对强度蓝光超连续谱输出。
实施例
在本实施例中，皮秒脉冲光纤激光器为皮秒脉冲掺镱光纤激光器，工作波长为1030nm，脉冲宽度200ps，脉冲重复频率为1MHz，平均功率1.48W。
如图1所示，本实施例中光子晶体光纤为均匀的光子晶体光纤，空气孔按六边形周期性排列，其中空气孔的直径d为3.5μm，任意相邻两个空气孔的间距Λ为4.2μm，空气孔的占空比d/Λ为0.84，光纤包层径120μm，光纤长度为4.6m。
如图2所示，本实施例中光子晶体光纤的零色散波长为1016nm。
如图3所示，2.2μm波长处的群折射率与0.43μm波长处的群折射率相配。
从图4中可以看出，孤子峰在2200nm附近，通过相位匹配条件得到色散波在550nm附近。
另外由于蓝移峰位于430nm附近，相对于1328nm的三次谐波(442.7nm)偏移了12nm以上。此时，Δβ0＝β(1328nm)-3β(430nm)＝-0.0575nm-1，三次谐波(442.7nm)和1328nm之间的群速度失配
Figure BDA0003136235560000051
相位匹配条件满足ΔβT＝-0.000146nm-1≈0，三次谐波得以发生。430nm波长处的峰值强度远远高于超连续谱其余的光谱分量，并且比剩余泵浦脉冲的峰值强度高约1.3mW/nm，其蓝光峰相对强度为114％。

Claims (1)

1.一种超高相对强度蓝光超连续谱的产生方法，其特征在于,该方法包括下列步骤：
1)采用皮秒脉冲光纤激光器，该皮秒脉冲光纤激光器的工作波长为1020～1050nm波段、脉冲宽度为100ps～300ps、脉冲重复频1MHz～10MHz、输出平均功率为1mW～10W的脉冲信号，带尾纤或准直输出，输出的激光为基横模或者接近基横模；
2)按下列条件选用光子晶体光纤，各纤芯直径小于3～5μm，且空气孔占空比0.8～0.9；群折射率曲线满足：大于2.1μm波长处的群折射率与小于0.6μm长处的群折射率相匹配；光纤的零色散波长为1000～1020nm，所述的光子晶体光纤的色散曲线在宽波段内平坦，且泵浦波长处的三阶色散大于零；所述的光纤的色散使得基频波和三次谐波满足相位匹配条件，即ΔβT＝Δβ0+Δβ1Ω＝0
其中，Δβ0＝β(3ωp)-3β(ωp)，
Figure FDA0003136235550000011
Δβ0代表基频波与三次谐波的模传播常数之差，υgh、υgp分别表示三次谐波和基波的群速度，波长位于1260-1350nm的基频光产生三次谐波效应后，三次谐波频移量为Ω＝3(ω-ωp)，产生410-450nm的蓝光峰；
3)所述的皮秒脉冲光纤激光器在所述的光子晶体光纤的反常色散区泵浦，所述的皮秒脉冲光纤激光器输出的泵浦激光的波长接近所述的光子晶体光纤的零色散波长1000～1020nm，不断调整泵浦激光的脉宽，使压缩产生高能量孤子；所述的泵浦脉冲压缩产生高能量的孤子红移至2200nm附近，辐射产生的色散波波长满足下列相位匹配条件：
Figure FDA0003136235550000012
其中，β(ωP)和β(ωDW)表示光纤在泵浦角频率和色散波角频率时的传播常数，PP是压缩脉冲的峰值功率；
4)调整所述的光子晶体光纤的长度的同时通过交叉相位调制和三次谐波的共同作用得到的超高相对强度蓝光超连续谱在410-450nm波长附近的峰值强度远远高于超连续谱的其余光谱分量，甚至高于剩余泵浦脉冲峰，当产生的蓝光相对强度最大时，则获得光子晶体光纤的最佳长度；
5)在上述最佳条件下工作，即获得超高相对强度蓝光超连续谱输出。
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