CN116722425A - 一种覆盖可见光和中红外波段的高功率超连续谱光源 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种覆盖可见光波段和中红外波段的高功率超连续谱光源；它由1.6μm类噪声（noise‑like）飞秒脉冲激光、1μm类噪声飞秒脉冲激光、1.6μm光纤放大器、1μm光纤放大器、合束器、光子晶体光纤、氟化物光纤和硫系光纤组成。本发明使用两种不同波段的高功率类噪声飞秒脉冲激光作为泵浦源，泵浦零色散点不同的光子晶体光纤、氟化物光纤以及硫系光纤，产生覆盖可见光和中红外波段的级联超连续谱。其中，光子晶体光纤和氟化物光纤各自的零色散点分别与1μm类噪声飞秒脉冲激光和1.6μm类噪声飞秒脉冲激光的激光波长接近。本发明提供了一种覆盖可见光波段和中红外波段（大于10μm）的高功率超连续谱光源，在气体分子光谱学、燃烧诊断、生物医学成像等领域有着重要的运用。
Description
技术领域：
本专利属于超快激光和非线性光学技术领域，具体涉及一种覆盖可见光和中红外波段的高功率连续谱光源。
背景技术：
超连续谱光源是一种带宽极宽的激光光源。一般可由高峰值功率的窄带光源通过一段非线性光纤，在多种非线性效应（四波混频、孤子频移、拉曼散射、自相位调制等）和色散的综合影响下，光谱得到极大的展宽。由于超连续谱光源的光谱覆盖众多激光波长，因此在分子光谱学、生物医疗成像等领域有着重要的应用。比如：中红外区域（>2 μm）拥有丰富的气体分子指纹，且吸收系数比近红外区域高出几个数量级，因此可用于高灵敏的气体遥测；1.6 μm – 1.7 μm区域的激光波长不仅在生物组织上穿透性强，同时也位于脂类等C-H聚合物的强吸收峰，并且水分子吸收在此波段具有局部最小值，因此可用于生物组织的深度多光子成像和光学相干层析成像。除开上述应用，近年来的中红外的光频率梳亦是当前的研究热点。
氟化物光纤的传输损耗在中红外区域表现优秀，因此常被用于产生中红外超连续谱的介质。目前成熟的商用氟化物光纤的零色散点一般位于1.64 μm-1.7 μm。零色散点的位置会对产生的超连续谱有着重要影响。当泵浦波长大于零色散点，处于反常色散区域时，泵浦波长主要通过孤子自频移和受激拉曼散射效应向长波拓展，而短波方向上的波长拓展将会受限，造成短波光谱成分的丢失。因此，泵浦波长应接近非线性光纤的零色散点。当泵浦波长靠近零色散点时，处于反常色散区域的四波混频的长波光谱参量成分可通过孤子频移和受激拉曼散射等非线性效应会将光谱有效地向长波方向拓展。同时，四波混频的短波光谱参量成分则通过群速度匹配的色散波将光谱向短波方向延伸。由于1.6 μm和1.7 μm波段位于掺铒和掺铥增益光纤的增益边缘，目前关于这两个波长的飞秒高功率激光源还比较缺乏。因此，目前基于氟化物光纤有效产生中红外超连续谱光源的泵浦系统一般为具有高峰值功率的2 μm激光，一般可以分为两种：1. 使用1.5 μm高功率纳秒激光在非线性光纤或一段单模光纤中产生2 μm光谱成分，再将其注入到掺铥放大器中产生高功率2 μm泵浦光源；2. 直接使用高功率的2 μm超快光源作为泵浦源。方案中的泵浦波长与氟化物光纤典型的零色散点相差较远，产生的超连续谱往往缺失短波成分。此外，以上两种方案还存在以下缺点：方案一中需要额外的大功率1.5 μm纳秒激光作为前置光源泵浦传输光纤产生2 μm光谱成分，而2 μm光谱成分的功率又需要后续的掺铥放大器，整个泵浦系统较为复杂；方案二中2 μm超快光源如果为飞秒级别的孤子脉冲，在后续放大过程中脉冲会受孤子面积的限制，造成孤子分裂等问题，往往需要采取啁啾放大技术；如果采用的2 μm超快光源为皮秒级别，则峰值功率较低，需要更大的平均功率来弥补。另外，使用1.5 μm光源作为泵浦源泵浦氟化物光纤可以一定程度上弥补短波成分的缺失，但由于1.5 μm位于距零色散点较远的正常色散区域，长波方向上的拓展将会受到限制，且零色散点远离可见光区域，短波方向上的拓展一般被限制在1 μm左右的近红外波段。对于长波方向的中红外区域，氟化物光纤极限拓展范围为4 5 μm，因此基于氟化物光纤的超连续谱光源一般难以突破5 μm。
发明内容：
本发明提供一种基于双波长类噪声超快激光泵浦的覆盖可见光和中红外波段（大于10 μm）的高功率超连续谱光源。
本发明采用的技术方案如下：
一种覆盖可见光和中红外波段的高功率超连续谱光源，它由1.6 μm类噪声（noise-like）飞秒脉冲激光；1 μm类噪声飞秒脉冲激光；1.6 μm光纤放大器；1 μm光纤放大器；合束器；光子晶体光纤；氟化物光纤和硫系光纤组成。其中光子晶体光纤的零色散点与1μm类噪声飞秒脉冲激光波长相近, 氟化物光纤的零色散点与1.6 μm类噪声飞秒脉冲激光波长相近。
1.6 μm类噪声飞秒脉冲激光由1.5 μm超快脉冲激光、单模光纤和非线性光纤构成。1.5 μm超快脉冲激光经过单模光纤发生孤子自频移，使其中心波长移动到1.6 μm波段；中心波长移动后的1.6 μm激光经过一段高非线性光纤使得原本的孤子脉冲由于孤子坍塌等非线性效应转换为类噪声脉冲。类噪声脉冲会在原本脉冲的顶部产生一个小于原本脉冲脉宽的子脉冲，提升了脉冲的峰值功率。这些子脉冲具有随机的振幅和相位，因此具有低的相干性，且在高功率放大的过程中无需考虑孤子分裂等问题，可作为产生超连续谱的理想高功率泵浦源。1.6 μm类噪声飞秒脉冲激光经过1.6 μm光纤放大器进行功率放大，得到高功率的1.6 μm 类噪声飞秒脉冲泵浦源。
相似地，1 μm类噪声飞秒脉冲激光由1 μm超快脉冲激光和高非线性光纤构成。1 μm超快脉冲激光经过一段高非线性光纤转换为峰值功率更高的类噪声脉冲，再经1 μm光纤放大器进行功率放大，得到高功率1. μm类噪声飞秒脉冲泵浦源。
1.6 μm和1 μm高功率类噪声飞秒脉冲泵浦源经合束器合束，输入到串联在一起的光子晶体光纤和氟化物光纤中，产生高功率的覆盖可见光和中红外波段（4 ~ 5 μm）的级联超连续谱。1.6 μm高功率类噪声飞秒脉冲泵浦源主要是泵浦氟化物光纤产生中红外波段的光谱成份。此激光波长靠近氟化物光纤的零色散点，同时会产生波长小于1.6 μm的短波成分。由于氟化物光纤的零色散点离可见光区域较远，因此短波的拓展范围受限，无法深入可见光区域。1 μm高功率类噪声飞秒脉冲泵浦源主要是泵浦零色散点位于1 μm左右的光子晶体光纤，由于此光纤的零色散点靠近可见光区域，因此氟化物光纤中受限的可见光成分会得到弥补。
氟化物光纤中产生的4 μm ~ 5 μm光谱成分会作为硫系光纤的泵浦源，泵浦硫系光纤产生大于5 μm的中红外光谱成分。最终，光子晶体光纤、氟化物光纤和硫系光纤在双波长类噪声飞秒激光的泵浦下产生的覆盖可见光和中红外波段（大于10 μm）的高功率超连续谱。
所述的1.6 μm光纤放大器的个数可以增加，以便提供更高功率的1.6 μm类噪声飞秒脉冲泵浦源。
所述的1. μm光纤放大器的个数可以增加，以便提供更高功率的1.6 μm类噪声飞秒脉冲泵浦源。
附图说明：
图1 一种覆盖可见光和中红外波段的高功率超连续谱光源
具体实施方式：
下面，结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步的描述。
图1展示了一种覆盖可见光和中红外波段的高功率超连续谱光源的示意图。该光源主要包括以下几个组成部分：1.5 μm超快脉冲激光1、单模光纤2、高非线性光纤3、1.6 μm光纤放大器5、1 μm超快脉冲激光6、高非线性光纤7、1 μm光纤放大器9、合束器10、光子晶体光纤11、氟化物光纤12。1.5 μm超快脉冲激光1、单模光纤2和高非线性光纤3组成1.6 μm类噪声飞秒脉冲激光4；1 μm超快脉冲激光6和高非线性光纤7组成1 μm类噪声飞秒脉冲激光8。1.6 μm类噪声飞秒脉冲激光4经1.6 μm光纤放大器5放大，得到高功率的1.6 μm类噪声飞秒脉冲泵浦源。1 μm类噪声飞秒脉冲激光8经1 μm光纤放大器9放大，得到高功率的1 μm类噪声飞秒脉冲泵浦源。1.6 μm和1 μm高功率类噪声飞秒脉冲泵浦源经合束器10合束，一起泵浦光子晶体光纤11、氟化物光纤12和硫系光纤13产生覆盖可见光和中红外波段（大于10μm）的高功率超连续谱。
Claims (5)
1.一种覆盖可见光波段和中红外波段的高功率超连续谱光源，其特征是：由1.6 μm类噪声（noise-like）飞秒脉冲激光；1 μm类噪声飞秒脉冲激光；1.6 μm光纤放大器、1 μm光纤放大器、合束器、光子晶体光纤、氟化物光纤和硫系光纤组成。类噪声超快脉冲包含了一系列准稳定，振幅和相位随机的超短脉冲；时域上体现为大脉冲包络上叠加脉宽极窄的子脉冲；这种类噪声脉冲具有更高的峰值功率，且在功率放大的过程中，无需考虑孤子分裂等问题。
2. 根据权利要求1所述的一种覆盖可见光波段和中红外波段的高功率超连续谱光源，其特征是：所述的1.6 μm类噪声飞秒脉冲激光由1.5 μm超快脉冲激光、单模光纤和非线性光纤构成；1.6 μm类噪声飞秒脉冲激光经过1.6 μm光纤放大器进行进一步的功率放大，得到高功率1.6 μm类噪声飞秒脉冲激光。
3. 根据权利要求1所述的一种覆盖可见光波段和中红外波段的高功率超连续谱光源，其特征是：所述的1 μm类噪声飞秒脉冲激光由1 μm超快脉冲激光和高非线性光纤构成；1 μm类噪声飞秒脉冲激光经过1 μm光纤放大器进行进一步的功率放大，得到高功率1. μm类噪声飞秒脉冲激光。
4. 根据权利要求1所述的一种覆盖可见光波段和中红外波段的高功率超连续谱光源，其特征是：所述的1.6 μm和1 μm类噪声飞秒脉冲激光经1.6 μm和1 μm光纤放大器放大后由合束器合束，一起作为泵浦源泵浦串联在一起的光子晶体光纤、氟化物光纤和硫系光纤；其中，氟化物光纤中产生的4 μm ~ 5 μm中红外光谱成分将作为泵浦源泵浦硫系光纤，最终产生覆盖可见光波段和中红外波段（大于10 μm）的高功率超连续谱光源。
5. 根据权利要求1所述的一种覆盖可见光波段和中红外波段的高功率超连续谱光源，其特征是：所述的光子晶体光纤和氟化物光纤的零色散点分别于1 μm类噪声飞秒脉冲激光和1.6 μm类噪声飞秒脉冲激光的激光波长接近。
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