CN116845677B - 一种基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源 - Google Patents
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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，具体涉及一种基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，包括反馈模块、泵浦模块、高反射率光纤光栅、增益光纤、低反射率光纤光栅、长被动光纤、激光输出模块；其中泵浦模块、高反射率光纤光栅、增益光纤、低反射率光纤光栅共同构成高功率光纤振荡器，充当产生超连续谱的泵浦激光源；该超连续谱光源单级的结构不仅带来了低成本，低风险等优点，还减少了反馈器件的承受功率，减少了反向光的损耗，使得泵浦光得到了重复的利用，从而获得高功率高效率超连续谱输出；此外，由于该系统存在随机分布式反馈过程，导致其具有稳定的时域输出。
Description
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，具体涉及一种基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源。
背景技术
高功率超连续谱光源在高光谱激光雷达，光电对抗，天文光学频率梳中被广泛应用。作为产生超连续谱光源的非线性介质，光子晶体光纤由于纤芯尺寸小，不利于提升超连续谱光源的输出功率，因此，采用大模场面积光纤是一种合适的选择。目前，基于大模场面积光纤的高功率超连续谱光源主要采用的方案是将一个增益调制或者锁模或者连续的种子光先注入到多级光纤放大器中进行功率提升，然后在最后一级光纤放大器中获得非线性效应积累从而实现高功率超连续谱输出(这种泵浦系统称为主振荡功率放大系统)。然而，这种方案不仅结构复杂，而且在实际的操作过程中，很容易由于主振荡功率放大系统的开关逻辑不当造成由自激振荡引起的激光损伤。
使用单级结构的系统来输出超连续谱激光可以克服上述问题。基于单级结构输出的超连续谱光源已有部分报道(Song Zhang,Man Jiang，Can Li,etal.High-powerbroadband supercontinuum generation through a simple narrow-bandwidth FBGs-based fiber laser cavity[J].Chinese Optics Letter.2022,20(1):011405；Li Wang,Hanwei Zhang,Xiaoming Xi,et al.Simple method for high average powersupercontinuum generation based on Raman mode locking in a quasi-CW fiberlaser oscillator[J].Optics Letter.47(22):5809以及中国实用新型专利：一种简易超连续谱光纤谐振腔(ZL202122457087.3))，然而上述文献和专利记载的超连续谱光源性能不佳，时域稳定性不好导致功率难以提升。基于单级随机光纤激光器输出超连续谱的方案较为简单，时域稳定性好。在传统的单级随机光纤激光器中获得超连续谱的方案中(S.Arun,Vishal Choudhury,V.Balaswamy,et al.High power,high efficiency,continuous-wave supercontinuum generation using standard telecom fibers[J],Optics Express，26(7):7979.),反馈器件是放置在泵浦光源和被动光纤之间(即图1中后向泵浦信号合束器23和长被动光纤6之间)。一方面意味反馈器件需要承受泵浦光源的高功率注入(即图1中由泵浦模块2、高反射率光纤光栅3、增益光纤4、低反射率光纤光栅5组成的高功率光纤振荡器输出高功率泵浦光)，这使得超连续谱输出功率提升受限于反馈器件的承受能力，目前该方案功率仅维持在40W；另一方面，这样的结构使得泵浦光难以被充分的利用，部分反向散射光被损耗掉，转化效率不高；
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，用于实现高功率高效率稳定的超连续谱激光输出。该超连续谱光源单级的结构不仅带来了低成本，低风险(避免了使用多级光纤放大结构输出超连续谱方案中由主振荡功率放大系统开关逻辑不当带来的激光损伤)等优点，还减少了反馈器件的承受功率，减少了反向光的损耗，使得泵浦光得到了重复的利用，从而获得高功率高效率超连续谱输出。此外，由于该系统存在随机分布式反馈过程，导致其具有稳定的时域输出。
本发明采用的技术方案为：一种基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，包括反馈模块1、泵浦模块2、高反射率光纤光栅3、增益光纤4、低反射率光纤光栅5、长被动光纤6、激光输出模块7；其中泵浦模块2、高反射率光纤光栅3、增益光纤4、低反射率光纤光栅5共同构成高功率光纤振荡器，充当产生超连续谱的泵浦激光源，反馈模块1连接在高功率光纤振荡器的输入端；长被动光纤6的一端熔接在高功率光纤振荡器的输出端，另一端与激光输出模块7熔接，激光输出模块7用于高功率宽带激光输出；
所述反馈模块1用于将由长被动光纤6引起的反向散射光反馈到正向方向(所述的正向方向为系统的输出方向，即激光输出模块7输出方向)。反馈模块1可以是宽带耦合器或者宽带腔镜。反馈模块1的反射波长范围≥400nm并且≤3000nm，从而可以提供宽带的反馈，反馈模块1的反射率≥90％。
所述泵浦模块2用于为高功率光纤振荡器提供泵浦光。泵浦模块2中包含前向泵浦信号合束器21和后向泵浦信号合束器23以及第一激光二极管组22和第二激光二极管组24，第一激光二极管组22和第二激光二极管组24用于为高功率光纤振荡器中的增益光纤4提供泵浦光；前向泵浦信号合束器21和后向泵浦信号合束器23用于将第一激光二极管组22和第二激光二极管组24中的泵浦光传递到增益光纤4中。其中前向泵浦信号合束器21和后向泵浦信号合束器23的信号臂均采用和增益光纤4相匹配的光纤，泵浦臂可以是105/125μm、135/155μm或者200/220μm尺寸的多模光纤，泵浦方式可以采用前向泵浦，后向泵浦或者双向泵浦；第一激光二极管组22和第二激光二极管组24的工作波长可以选取450nm、915nm、940nm、976nm或者981nm；
所述高反射率光纤光栅3和低反射率光纤光栅5用于高功率光纤振荡器波长的选择。高反射率光纤光栅3和低反射率光纤光栅5的纤芯直径为10-50μm，包层直径为125-1000μm，中心波长依据于增益光纤的增益波长进行选择，高反射率光纤光栅的反射率和带宽均大于低反射率光纤光栅的反射率和带宽。
所述增益光纤4用于为高功率光纤振荡器的信号光提供增益。所述增益光纤4可以是掺单一稀土离子的石英玻璃光纤或者氟化物玻璃光纤，纤芯直径为10-50μm，包层直径为125-1000μm；稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子、镨离子等。
所述长被动光纤6用于提供非线性效应的积累和随机分布式反馈。超连续谱产生的多种非线性效应(如拉曼效应、孤子相关效应)均与光纤长度有关。当光沿着长被动光纤6传输时，这些非线性效应得到了积累。长被动光纤6中由于光纤材料本身固有的不均匀性会产生后向瑞利散射，后向瑞利散射系数虽然非常小(约为2×10-3dB/km)，但当采用较长光纤后，这些微弱的后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。此外，长被动光纤6可以作为超连续谱产生的非线性介质。长被动光纤6的纤芯直径为10-50μm，包层直径为125-1000μm，长被动光纤6中可掺锗、磷等离子来增强非线性效应以及随机分布式反馈过程中的瑞利散射。长被动光纤6的光纤长度大于100m时就可以提供足够的非线性积累和随机分布式反馈。
所述激光输出模块7用于高功率宽带激光输出。激光输出模块7中包含了一个包层光滤除器71和一个光纤输出端帽72。其中包层光滤除器71用于滤除包层中的光从而改善输出的光束质量，其纤芯直径为10-50μm，包层直径为125-1000μm；光纤输出端帽72用于降低激光输出界面的功率密度从而减少高功率输出情况下输出光纤界面功率密度过大造成激光损伤。此外，该光纤输出端帽切了8°的斜角以减少光的端面反馈，保护前级系统。
本发明具有以下技术效果：
1.本发明可以实现高功率超连续谱激光输出。该方案中反馈器件被放置在高功率光纤振荡器的输入端，避免了高功率泵浦激光的注入(传统的随机光纤激光器输出超连续谱方案是将反馈器件放置在高功率光纤振荡器的输出端，需要承受来自高功率光纤振荡器的高功率泵浦激光注入，即泵浦模块2、高反射率光纤光栅3、增益光纤4、低反射率光纤光栅5共同构成的高功率光纤振荡器的输出激光)，从而可以实现千瓦乃至更高功率的超连续谱激光输出；
2.本发明提供了一个较为简单的结构来获得一个高功率超连续谱光源，一方面该结构可以简化系统，降低成本，另一方面该单级结构可以降低由多级主振荡功率放大结构带来的激光损伤风险；
3.本发明能有效提高超连续谱的转化效率。相对于传统的随机光纤激光器输出超连续谱的方案而言，该方案中由瑞利散射产生的位于增益光纤辐射波长范围的反向散射光将经过增益光纤4，这意味着泵浦模块2中的激光二极管不仅需要给高功率光纤振荡器中的增益光纤提供泵浦用于产生信号光，而且还给由瑞利散射产生的位于增益光纤辐射波长范围的反向散射光提供泵浦使其得到放大，这就使得激光二极管中的泵浦光得到了充分的利用，大大提高了系统的光光转化效率。此外，光在反馈模块1提供的宽带反馈和长被动光纤6提供的宽带随机分布式反馈之间多次振荡，加剧了这种影响，进一步提高系统的光光转换效率；
4.本发明能实现一个时域稳定的超连续谱光源。相对于其它方案而言，该方案继承了随机光纤激光器输出超连续谱方案中时域稳定性好的优势。系统的时域稳定性与腔内的光子寿命有关，腔内光子寿命越长，抑制由弛豫振荡导致的自脉冲效果越好，时域越稳定。而腔内的光子寿命与谐振腔的腔长成正比。长被动光纤6中本身固有的不均匀性会导致光的后向瑞利散射，光的多次瑞利散射将增加信号光的光程，从而增加谐振腔的腔长，增强腔内光子寿命，进而克服了其它方案中由自脉冲效应带来的时域起伏大，稳定性差等问题。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源的结构示意图；图2为本发明实施例在最大输出功率下输出的光谱图；
图3为本发明实施例的泵浦功率与输出功率关系图；
图4为本发明实施例在最大功率下输出的时域图。
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。
本发明实施例的一种基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，如图1所示。包括宽带耦合器11、模场适配器12，前向泵浦信号合束器21、第一激光二极管组22、后向泵浦信号合束器23、第二激光二极管组24、高反射率光纤光栅3、大模场面积增益光纤4、低反射率光纤光栅5、长被动光纤6、包层模剥除器71，光纤端帽72；其中宽带耦合器11和模场适配器12共同组成反馈模块1；前向泵浦信号合束器21、第一激光二极管组22、后向泵浦信号合束器23和第二激光二极管组24共同组成泵浦模块2；包层模剥除器71和光纤端帽72共同组成激光输出模块7；模场适配器12一端的光纤尾纤与宽带耦合器11光纤尾纤模场适配，另一端的光纤尾纤与前向泵浦信号合束器21的输入信号臂光纤模场适配，并以低损耗熔接的方式连接；前向泵浦信号合束器21的输出信号臂与高反射率光纤光栅3的输入端通过熔接方式连接、高反射率光纤光栅3的输出端与大模场面积增益光纤4的输入端、大模场面积增益光纤4的输出端与低反射率光纤光栅5的输入端、低反射率光纤光栅5的输出端与后向泵浦信号合束器23的输入信号臂均通过熔接方式连接；前向泵浦信号合束器21和后向泵浦信号合束器23的泵浦臂分别与第一激光二极管组22和第二激光二极管组24通过熔接方式连接；后向泵浦信号合束器23的输出信号臂与长被动光纤6的输入端通过熔接方式连接、长被动光纤6的输出端与包层模剥除器71的输入端、包层模剥除器71的输出端与光纤端帽72均通过熔接方式连接。
在本实施例中，宽带耦合器11的功率耦合比为5/5，光纤纤芯/包层比为10/125μm，数值孔径为0.075；模场适配器12输入光纤纤芯/包层比25/400μm，数值孔径为0.065，输出光纤纤芯/包层比为10/125μm，数值孔径为0.075，损耗约为0.3dB；前向泵浦信号合束器21和后向泵浦信号合束器23的信号输入和输出臂光纤的纤芯/包层比均为25/400μm，数值孔径为0.065，其泵浦臂纤芯/包层比均为135/155μm；第一激光二极管组22和第二激光二极管24的光纤尾纤纤芯/包层比均为135/155m，每个激光二极管组中包含多个激光二极管；高反射率光纤光栅3、大模场面积增益光纤4、低反射率光纤光栅5、长被动光纤6、包层模剥除器71的光纤纤芯/包层比均为25/400μm，数值孔径为0.065。其中长被动光纤6的光纤长度为340m。
在本实施例中，作为超连续谱产生的泵浦光源-高功率光纤振荡器中采用的泵浦方式为双向泵浦，即第一激光二极管组22和第二激光二极管24通过前向泵浦信号合束器21和后向泵浦信号合束器23从大模场面积增益光纤4的两端注入。该泵浦方式能结合前向泵浦和反向泵浦的优点,使泵浦光在光纤中均匀分布从而使其增益在光纤中均匀分布，减少增益光纤某点处温度过高的风险，使其具有高功率承载能力。
在本实施例中，由前向泵浦信号合束器21、第一激光二极管组22、高反射率光纤光栅3、大模场面积增益光纤4、低反射率光纤光栅5、后向泵浦信号合束器23、第二激光二极管组24形成的高功率光纤振荡器为超连续谱产生提供高功率泵浦光。当产生的泵浦光注入到长被动光纤6，产生各种非线性效应，从而产生宽带超连续谱。图2所示为超连续谱输出功率为1300W下的输出光谱图，光谱范围覆盖887-1920nm。
在本实施例中，该结构输出的超连续谱激光的时域稳定性与腔内的光子寿命有关，而腔内的光子寿命与谐振腔的腔长有关。谐振腔的腔长越长，腔内的光子寿命越长，时域稳定性越好。这里，这种随机分布式反馈带来的信号光多次散射增加了谐振腔的腔长，提高了腔内的光子寿命，从而提高了系统的时域稳定性。图3所示为超连续谱输出功率为1300W下的时域图，时域振幅波动的标准差(STD)约为2.39E-5，该结果表明该实施例呈现了一个时域稳定的超连续谱光源。
在本实施例中，长被动光纤6产生的反向散射光将经过大模场面积增益光纤4，位于该增益光纤增益波段的反向散射光将获得增益。这表明，第一激光二极管组22和第二激光二极管组24一方面要给高功率光纤振荡器提供泵浦用于产生信号光，另一方面，它还给由瑞利散射产生的位于增益光纤的辐射波长范围的反向散射光提供泵浦用于放大，这两个过程使得第一激光二极管组22和第二激光二极管组24得到了充分的利用，大大提高了光光转化效率。此外，光在宽带耦合器11提供的宽带耦合器反馈和长被动光纤6提供的宽带随机分布式反馈之间多次振荡，加剧了这种影响，进一步提高光光转换效率。图4所示为测量的高功率光纤振荡器的激光泵浦功率与输出的超连续谱功率之间的关系。当泵浦功率达到1847W时，超连续谱功率达到1300W，转换效率高达66％。
Claims (10)
1.一种基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，其特征在于：包括反馈模块(1)、泵浦模块(2)、高反射率光纤光栅(3)、增益光纤(4)、低反射率光纤光栅(5)、长被动光纤(6)、激光输出模块(7)；其中泵浦模块(2)、高反射率光纤光栅(3)、增益光纤(4)、低反射率光纤光栅(5)共同构成高功率光纤振荡器，充当产生超连续谱的泵浦激光源，反馈模块(1)连接在高功率光纤振荡器的输入端；长被动光纤(6)的一端熔接在高功率光纤振荡器的输出端，另一端与激光输出模块(7)熔接，激光输出模块(7)用于高功率宽带激光输出；
所述反馈模块(1)用于将由长被动光纤(6)引起的反向散射光反馈到正向方向；
所述泵浦模块(2)用于为高功率光纤振荡器提供泵浦光；泵浦模块(2)中包含前向泵浦信号合束器(21)和后向泵浦信号合束器(23)以及第一激光二极管组(22)和第二激光二极管组(24)，第一激光二极管组(22)和第二激光二极管组(24)用于为高功率光纤振荡器中的增益光纤(4)提供泵浦光；前向泵浦信号合束器(21)和后向泵浦信号合束器(23)用于将第一激光二极管组(22)和第二激光二极管组(24)中的泵浦光传递到增益光纤(4)中；
所述高反射率光纤光栅(3)和低反射率光纤光栅(5)用于高功率光纤振荡器波长的选择；
所述增益光纤(4)用于为高功率光纤振荡器的信号光提供增益；
所述长被动光纤(6)用于提供非线性效应的积累和随机分布式反馈；长被动光纤(6)作为超连续谱产生的非线性介质，长度大于100m时就可以提供足够的非线性积累和随机分布式反馈；
所述激光输出模块(7)用于高功率宽带激光输出，激光输出模块(7)中包含了一个包层光滤除器(71)和一个光纤输出端帽(72)，其中包层光滤除器(71)用于滤除包层中的光从而改善输出的光束质量，光纤输出端帽(72)用于降低激光输出界面的功率密度从而减少高功率输出情况下输出光纤界面功率密度过大造成激光损伤。
2.一种根据权利要求1所述基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，其特征在于：反馈模块(1)可以是宽带耦合器或者宽带腔镜，反射波长范围≥400nm并且≤3000nm，从而可以提供宽带的反馈，反馈模块(1)的反射率≥90％。
3.一种根据权利要求1所述基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，其特征在于：前向泵浦信号合束器(21)和后向泵浦信号合束器(23)的信号臂均采用和增益光纤(4)相匹配的光纤，泵浦臂可以是105/125μm、135/155μm或者200/220μm尺寸的多模光纤，泵浦方式可以采用前向泵浦，后向泵浦或者双向泵浦。
4.一种根据权利要求1所述基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，其特征在于：第一激光二极管组(22)和第二激光二极管组(24)的工作波长可以选取450nm、915nm、940nm、976nm或者981nm。
5.一种根据权利要求1所述基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，其特征在于：高反射率光纤光栅(3)和低反射率光纤光栅(5)的纤芯直径为10-50μm，包层直径为125-1000μm，中心波长依据于增益光纤的增益波长进行选择，高反射率光纤光栅的反射率和带宽均大于低反射率光纤光栅的反射率和带宽。
6.一种根据权利要求1所述基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，其特征在于：所述增益光纤(4)可以是掺单一稀土离子的石英玻璃光纤或者氟化物玻璃光纤，纤芯直径为10-50μm，包层直径为125-1000μm。
7.一种根据权利要求6所述基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，其特征在于：所述稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子、镨离子。
8.一种根据权利要求1所述基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，其特征在于：长被动光纤(6)的纤芯直径为10-50μm，包层直径为125-1000μm。
9.一种根据权利要求8所述基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，其特征在于：长被动光纤(6)中可掺锗、磷等离子来增强非线性效应以及随机分布式反馈过程中的瑞利散射。
10.一种根据权利要求1所述基于随机分布式反馈的单级高功率超连续谱光源，其特征在于：包层光滤除器(71)纤芯直径为10-50μm，包层直径为125-1000μm，光纤输出端帽(72)切了8°的斜角以减少光的端面反馈，保护前级系统。
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