CN117277030B - 基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于飞秒激光技术领域，涉及一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统及方法，该生成系统包括：掺铒光纤飞秒激光器，基于全保偏掺铒光纤形成，用于产生初始脉冲；脉冲调节器，基于全保偏光纤和全保偏掺铒光纤形成，用于对初始脉冲进行脉冲宽度展宽和脉冲功率放大，以获取待压缩脉冲；二级级联脉冲压缩器，基于全保偏光纤和全保偏高非线性光纤形成，用于对待压缩脉冲进行压缩，以获取少周期脉冲；光谱扩展器，基于全保偏高非线性光纤形成，用于对少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱且光谱宽度超过2个倍频程的飞秒脉冲激光。本申请保证了在单一全保偏光纤输出端口输出光谱宽度大于2个倍频程的宽谱近中红外光谱。

Description

基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统及方法

技术领域

本申请涉及飞秒激光技术领域，具体而言，涉及一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统及一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成方法。

背景技术

飞秒光梳因其梳齿之间高度相干性和极好的频率稳定度，成为光谱分析和测量的重要工具，众多气体成分的吸收谱线分布在近中红外波段（1-3μm），因此近中红外飞秒光梳在分子光谱学、环境检测、燃烧诊断和疾病分析等方面得到了广泛的应用。

目前，近中红外飞秒光梳源通常由近红外种子激光经非线性相移光谱扩展得到，实现非线性相移光谱的方法包括脉冲外差频法和波导扩谱法。脉冲外差频法需要先将近红外种子激光扩谱得到外差频所需的泵浦光和信号光成分，然后对泵浦光和信号光分别进行放大，放大后的泵浦光和信号光经过差频晶体后生成具有中红外光谱的飞秒脉冲激光。该方案受限于差频晶体的带宽范围，获得的中红外光谱的宽度较窄，一般小于几十纳米，无法提供宽谱输出，想要实现覆盖近中红外光谱的宽谱输出，则需要多个不同参数的差频晶体和输出端口才能满足；另外，该方案需要严格控制泵浦光和信号光之间的相对时延，系统的环境适应性差。波导扩谱法能够通过设计不同的波导结构获得所需的宽带光谱，但存在着耦合效率低和光路敏感的缺点，且波导损伤阈值较低，对输入光谱的功率限制较大，不易获得高功率光谱。

因此，需要提供一种新的基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统及方法。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统及一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的无法通过单一输出端口获取覆盖近中红外光谱的飞秒脉冲激光以及不能获取高功率光谱的问题。

根据本申请的一个方面，提供一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统，包括：

掺铒光纤飞秒激光器，所述掺铒光纤飞秒激光器基于全保偏掺铒光纤形成，用于产生初始脉冲；脉冲调节器，所述脉冲调节器基于全保偏光纤和全保偏掺铒光纤形成，与所述掺铒光纤飞秒激光器连接，用于对所述初始脉冲进行脉冲宽度展宽和脉冲功率放大，以获取待压缩脉冲；二级级联脉冲压缩器，所述二级级联脉冲压缩器基于全保偏光纤和全保偏高非线性光纤形成，与所述脉冲调节器连接，用于对所述待压缩脉冲进行级联压缩，以获取少周期脉冲；光谱扩展器，所述光谱扩展器基于全保偏高非线性光纤形成，与所述二级级联脉冲压缩器连接，用于对所述少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱且光谱宽度超过2个倍频程的飞秒脉冲激光。

在本申请的示例性实施例中，所述脉冲调节器包括依次连接的脉冲宽度调制器和脉冲放大器，其中，所述脉冲宽度调制器由中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，用于对所述初始脉冲进行脉冲宽度展宽，以降低所述初始脉冲的峰值功率，所述脉冲放大器用于对所述脉冲宽度调制器输出的脉冲进行功率放大，以获取所述待压缩脉冲。

在本申请的示例性实施例中，所述脉冲放大器包括依次连接的前置泵浦激光器、第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和后置泵浦激光器；或者，所述脉冲放大器包括依次连接的第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和两个后置泵浦激光器；其中，所述第一波分复用器和所述第二波分复用器由具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，所述增益光纤由具有正色散特性的全保偏掺铒光纤形成。

在本申请的示例性实施例中，所述掺铒光纤飞秒激光器具有非线性放大环形镜锁模的全保偏光纤结构。

在本申请的示例性实施例中，所述二级级联脉冲压缩器包括依次连接的第一级脉冲压缩器和第二级脉冲压缩器，所述第一级脉冲压缩器采用具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，用于对所述待压缩脉冲进行预压缩以形成预压缩脉冲，所述第二级脉冲压缩器采用全保偏高非线性光纤形成，用于对预压缩脉冲进行再压缩以形成所述少周期脉冲。

在本申请的示例性实施例中，所述光谱扩展器的非线性系数高于所述二级级联脉冲压缩器中全保偏高非线性光纤的非线性系数。

根据本申请的一个方面，提供了一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成方法，应用于上述实施例中的基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统，包括：

通过所述脉冲调节器对所述掺铒光纤飞秒激光器输出的初始脉冲进行脉冲宽度展宽和脉冲功率放大，以获取待压缩脉冲；通过所述二级级联脉冲压缩器对所述待压缩脉冲进行级联压缩，以获取所述少周期脉冲；通过所述光谱扩展器对所述少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光。

在本申请的示例性实施例中，所述脉冲调节器包括脉冲宽度调制器和脉冲放大器，所述脉冲放大器包括依次连接的前置泵浦激光器、第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和后置泵浦激光器；所述通过所述脉冲调节器对所述掺铒光纤飞秒激光器输出的初始脉冲进行脉冲宽度展宽和脉冲功率放大，以获取待压缩脉冲，包括：

通过所述脉冲宽度调制器对所述初始脉冲的脉冲宽度进行展宽，以降低所述初始脉冲的峰值功率，并获取展宽脉冲；通过所述第一波分复用器将所述展宽脉冲和所述前置泵浦激光器生成的第一泵浦光发送至所述增益光纤；通过所述第二波分复用器将所述后置泵浦激光器生成的第二泵浦光发送至所述增益光纤；通过所述增益光纤在所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的作用下对所述展宽脉冲进行功率放大，以获取所述待压缩脉冲。

在本申请的示例性实施例中，所述二级级联脉冲压缩器包括第一级脉冲压缩器和第二级脉冲压缩器；所述通过所述二级级联脉冲压缩器对所述待压缩脉冲进行级联压缩，以获取所述少周期脉冲，包括：

通过所述第一级脉冲压缩器对所述待压缩脉冲进行预压缩，以获取预压缩脉冲；通过所述第二级脉冲压缩器对所述预压缩脉冲进行再压缩，以获取所述少周期脉冲。

在本申请的示例性实施例中，所述通过所述光谱扩展器对所述少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光，包括：

通过调节所述光谱扩展器的非线性系数，对所述少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取所述覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光。

本申请中的基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统包括基于全保偏掺铒光纤形成的掺铒光纤飞秒激光器、基于全保偏光纤和全保偏掺铒光纤形成的脉冲调节器、基于全保偏光纤和全保偏高非线性光纤形成的二级级联脉冲压缩器以及基于全保偏高非线性光纤形成的光谱扩展器，其中，掺铒光纤飞秒激光器用于产生初始脉冲，脉冲调节器用于对初始脉冲进行脉冲宽度展宽和脉冲功率放大以生成待压缩脉冲，二级级联脉冲压缩器用于对待压缩脉冲进行级联压缩生成少周期脉冲，光谱扩展器用于对少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光。本申请中的宽谱近中红外光谱的生成系统一方面具有简单的全光纤光路结构，因此具有优异的鲁棒性，并且维护成本低；另一方面，能够通过单一输出端口输出覆盖近中红外光谱且光谱带宽大于2个倍频程的飞秒脉冲激光，并且避免了使用波导进行扩谱，进而能够获取高功率光谱。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本说明书的实施例，并与说明书一起用于解释本说明书的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出本申请中基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统的结构示意图。

图2示出了本申请中少周期脉冲的光谱图。

图3示出了本申请中少周期脉冲经过不同长度的高非线性光纤后的光谱图。

图4示意性示出本申请中基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成方法的流程示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本申请的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本申请的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

在本申请的相关技术中，可以采用对近红外种子激光进行非线性相移光谱扩展的方法得到近中红外飞秒光梳源，其中，非线性相移光谱扩展可以基于脉冲外差频法和波导扩谱法实现。脉冲外差频法首先将种子激光扩谱得到外差频所需的泵浦光和信号光，然后对泵浦光和信号光分别放大，最后放大的泵浦光和信号光经过差频晶体后即可获取覆盖中红外光谱的飞秒脉冲激光；波导扩谱法能够通过设计不同的波导结构获得覆盖近中红外光谱的飞秒脉冲激光。

其中，虽然采用脉冲外差频法能够获得中红外光谱，但是受限于差频晶体的带宽范围，获得的中红外光谱的宽度较窄，一般小于几十纳米，无法提供宽谱输出，想要实现宽谱输出，则需要多个不同参数的差频晶体和输出端口才能满足，并且该方法需要严格控制泵浦光和信号光直接的相对时延，系统的环境适应性差；波导扩谱法存在着耦合效率低和光路敏感的缺点，且波导损失阈值较低，对输入光谱的功率限制较大，不易获得高功率光谱。

针对相关技术中存在的问题，本申请提出了一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统及方法，在对本申请中基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统及方法进行详细说明之前，首先对本申请中涉及的技术名词进行解释说明：

1、倍频程：又称倍波程，指的是滤波特性曲线上，频率或波长之比为2或1/2的两个频率或波长之间的间隔。

2、少周期脉冲：对于特定波长的激光来说，完整输出一个脉冲需要的时间为单周期，而对应的少周期脉冲一般是指脉冲周期个数小于5的脉冲。

接下来，对本申请中基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统进行说明。

本申请提供了一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统，图1示出了基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统的结构示意图，如图1所示，基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统包括掺铒光纤飞秒激光器101、脉冲调节器102、二级级联脉冲压缩器103和光谱扩展器104，具体地，掺铒光纤飞秒激光器101用于产生初始脉冲S1；脉冲调节器102与掺铒光纤飞秒激光器101连接，用于对初始脉冲S1进行脉冲宽度展宽和脉冲功率放大，以获取待压缩脉冲S2；二级级联脉冲压缩器103与脉冲调节器102连接，用于对待压缩脉冲S2进行级联压缩，以获取少周期脉冲S3；光谱扩展器104与二级级联脉冲压缩器103连接，用于对少周期脉冲S3的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个光频程的飞秒脉冲激光S4。

在本申请的示例性实施例中，掺铒光纤飞秒激光器101是基于全保偏掺铒光纤形成且具有非线性放大环形镜锁模全保偏光纤结构的飞秒激光器，该非线性放大环形镜锁模的全保偏光纤结构例如可以是“8”字形的全保偏光纤结构，或者“9”字形的全保偏光纤结构，等等。

在本申请的示例性实施例中，脉冲调节器102包括依次连接的脉冲宽度调制器102-1和脉冲放大器102-2，脉冲宽度调制器102-1用于对初始脉冲S1的脉冲宽度进行展宽，也就是对脉冲宽度进行非线性调制，以降低初始脉冲S1的峰值功率，并生成展宽脉冲S5，脉冲放大器102-2用于对展宽脉冲S5进行功率放大，生成待压缩脉冲S2。

在本申请的示例性实施例中，脉冲宽度调制器102-1具体可以是脉冲啁啾器。脉冲放大器102-2根据生成待压缩脉冲S2时采用的泵浦方式的不同而具有不同的组成结构。通常采用的泵浦方式有前向泵浦、后向泵浦、前向泵浦结合后向泵浦三种方式，由于前向泵浦具有效率高、噪声高的特点，后向泵浦具有效率低、噪声低的特点，而放大脉冲时，噪声是最主要的影响因素，因此在本申请的实施例中，优选采用前向泵浦结合后向泵浦、后向泵浦的方式对展宽脉冲进行功率放大处理，相应地，脉冲放大器102-2也具有两种不同的组成结构。

当采用前向泵浦结合后向泵浦的方式对展宽脉冲进行功率放大处理时，如图1所示，脉冲放大器102-2包括依次连接的前置泵浦激光器FL、第一波分复用器WDM1、增益光纤AF、第二波分复用器WDM2和后置泵浦激光器BL。脉冲的传输路径为：脉冲宽度调制器102-1将展宽脉冲S5发送至第一波分复用器WDM1的第一端口P11，同时前置泵浦激光器FL将生成的第一泵浦光发送至第一波分复用器WDM1的第二端口P12，展宽脉冲S5和第一泵浦光通过第一波分复用器WDM1的第三端口P13传输至增益光纤AF，后置泵浦激光器BL将第二泵浦光通过第二波分复用器WDM2的第二端口P22输入至第二波分复用器WDM2，并通过第一端口P21发送至增益光纤AF，增益光纤AF接收第一泵浦光、第二泵浦光和展宽脉冲S5，在第一泵浦光和第二泵浦光的作用下，增益光纤AF发生粒子数反转，展宽脉冲S5诱导受激辐射发生，展宽脉冲S5被放大生成中心波长位于增益光纤增益带宽内的待压缩脉冲S2，待压缩脉冲S2通过第二波分复用器WDM2的第一端口P21输入至第二波分复用器WDM2，并通过第三端口P23输出至二级级联脉冲压缩器103中。

当采用后向泵浦方式进行功率放大时，脉冲放大器102-2包括依次连接的第一波分复用器WDM1、增益光纤AF、第二波分复用器WDM2和两个并列的后置泵浦激光器BL。脉冲的传输路径为：脉冲宽度调制器102-1将展宽脉冲S5通过第一波分复用器WDM1传输至增益光纤AF，两个后置泵浦激光器BL生成第一泵浦光和第二泵浦光，第一泵浦光和第二泵浦光通过第二波分复用器WDM2输入至增益光纤AF，增益光纤AF接收第一泵浦光、第二泵浦光和展宽脉冲S5，在第一泵浦光和第二泵浦光的作用下，增益光纤AF发生粒子数反转，展宽脉冲S5诱导受激辐射发生，展宽脉冲S5被放大生成中心波长位于增益光纤增益带宽内的待压缩脉冲S2，待压缩脉冲S2通过第二波分复用器WDM2输出至二级级联脉冲压缩器103中。

在本申请的示例性实施例中，脉冲调节器102是基于全保偏光纤和全保偏掺铒光纤形成的，其中，脉冲宽度调制器102-1、第一波分复用器WDM1和第二波分复用器WDM2均采用全保偏光纤形成，增益光纤AF由全保偏掺铒光纤形成。考虑到掺铒光纤飞秒激光器101生成的初始脉冲的中心波长为1550nm，因此可以采用中心波长为1550nm的全保偏光纤形成脉冲宽度调制器102-1。另外，由于增益光纤AF具有正色散特性，因此为了降低系统内的色散、提高系统稳定性，可以采用具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成第一波分复用器WDM1和第二波分复用器WDM2，具体地，可以采用980nm/1550nm的波分复用器作为第一波分复用器WDM1和第二波分复用器WDM2。

值得注意的是，虽然第一波分复用器和第二波分复用器具有负色散特性，但由于增益光纤具有正色散特性，使得脉冲放大器整体具有正色散特性，脉冲放大器对脉冲宽度调制器输出的展宽脉冲所携带的负色散可以进行中和，使得脉冲调节器102输出的待压缩脉冲S2携带有正色散。

在本申请的示例性实施例中，二级级联脉冲压缩器103包括第一级脉冲压缩器103-1和第二级脉冲压缩器103-2，其中，第一级脉冲压缩器103-1用于对待压缩脉冲S2进行预压缩，以形成预压缩脉冲，第二级脉冲压缩器103-2用于对预压缩脉冲进行再压缩，以形成少周期脉冲S3。

其中，第一级脉冲压缩器103-1可以采用具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，用于对待压缩脉冲S2中携带的正色散进行中和，将待压缩脉冲S2携带的正色散中和至零或者接近零，进而使得第一级脉冲压缩器103-1输出的预压缩脉冲的脉冲宽度达到傅里叶变换极限，为少周期脉冲的生成奠定基础，该预压缩脉冲的脉冲宽度为几十飞秒量级。

第二级脉冲压缩器103-2可以是由全保偏高非线性光纤形成的脉冲自压缩器，用于基于脉冲自压缩器的高非线性特性对第一级脉冲压缩器103-1输出的预压缩脉冲进行再压缩，形成少周期脉冲S3。该少周期脉冲S3具有窄脉冲宽度和强非线性效应，为光谱扩展奠定了基础。在本申请的实施例中，第二级脉冲压缩器103-2所采用的全保偏高非线性光纤的纤芯优选采用椭圆形或者圆形的纤芯，以保证高非线性特性。

图2示出了少周期脉冲的光谱图，如图2所示，少周期脉冲的光谱波长范围为1200nm~2000nm，属于近红外光谱。

在本申请的示例性实施例中，光谱扩展器104与二级级联脉冲压缩器103中的第二级脉冲压缩器103-2连接，用于对第二级脉冲压缩器103-2输出的少周期脉冲S3的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱的飞秒脉冲激光S4。在本申请的实施例中，光谱扩展器104也是采用全保偏高非线性光纤形成的，通过调节该全保偏高非线性光纤的非线性系数，使少周期脉冲S3的光谱在高非线性光纤中进行非线性展宽，实现对经过光谱扩展器104的少周期脉冲的光谱扩展，将光谱范围从近红外波段扩展至近中红外波段，生成覆盖近中红外波段且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光。

在本申请的一个实施例中，可以通过调整全保偏高非线性光纤的材料、尺寸、环境温度、形状、掺杂物质等方式以调整全保偏高非线性光纤的非线性系数，图3示出了少周期脉冲经过不同长度的光谱扩展器后的光谱图，如图3所示，曲线A、B、C、D分别是长度为3.2cm、14cm、37cm、86cm的光谱扩展器对少周期脉冲进行光谱扩展后的光谱能量分布图，横坐标为波长，纵坐标为归一化功率，通过对曲线A、B、C、D进行分析，可以发现，少周期脉冲经过这四种长度的光谱扩展器后都能产生宽谱光谱，光谱波长范围为800nm~3300nm，覆盖了近红外波段和中红外波段，但是受形成光谱扩展器的高非线性光纤的长度影响，所产生光谱的能量分布不同。

同时，从图3中可知，光谱的起始波长为800nm，同时该光谱的波长范围覆盖了1600nm（一倍程）和3200nm（二倍程），也就是说，本申请实施例中的光谱不仅覆盖了近中红外光谱范围，并且光谱宽度大于2个倍频程，实现了从单一全保偏光纤输出端口输出光谱宽度大于2个倍频程的宽谱近中红外光谱。

在本申请的示例性实施例中，通过本申请中基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统所生成的宽光谱的光谱功率至少达到百毫瓦级，甚至可以达到1W以上，而相关技术中采用波导扩谱法获取的光谱功率仅为几毫瓦级，也就是说，基于本申请的生成系统所生成的光谱功率相对于相关技术所生成的光谱功率提高了百倍以上。

值得说明的是，虽然第二级脉冲压缩器103-2和光谱扩展器104均采用全保偏的高非线性光纤形成，但是二者的高非线性特性存在不同，为了保证生成覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光，形成第二级脉冲压缩器103-2的全保偏高非线性光纤的非线性系数需要低于光谱扩展器104所用的全保偏高非线性光纤的非线性系数，进一步地，光谱扩展器104所用的全保偏高非线性光纤的非线性系数比第二级脉冲压缩器103-2所用的全保偏高非线性光纤的非线性系数高1倍以上，例如当采用非线性系数大于或等于20/（km·W）的全保偏高非线性光纤形成光谱扩展器时，可以采用非线性系数大于或等于10/（km·W）的全保偏高非线性光纤形成第二级脉冲压缩器103-2。

在本申请的示例性实施例中，掺铒光纤飞秒激光器101、脉冲调节器102、二级级联脉冲压缩器103和光谱扩展器104之间以及各自所包含的光学器件之间均可以通过光纤熔接的方式实现连接，这样可以保证宽谱近中红外光谱的生成系统是一个全保偏光纤系统，进而提高该系统的鲁棒性。

本申请实施例中的基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统，一方面，由于系统是采用全保偏光纤构建的，并且整个系统的结构简单，因此系统的鲁棒性高，维护成本低，可以广泛应用于不同的使用场景中；另一方面，能够通过一个全光纤输出端口输出覆盖近红外和中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光，并且避免了采用波导扩谱，降低了获取高功率光谱的难度。

本申请还提供了一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成方法，该方法是基于上述实施例中的基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统实现的，图4示出了该方法的流程示意图，如图4所示：

步骤S410，通过所述脉冲调节器对所述掺铒光纤飞秒激光器输出的初始脉冲进行脉冲宽度展宽和脉冲功率放大，以获取待压缩脉冲；

步骤S420，通过所述二级级联脉冲压缩器对所述待压缩脉冲进行级联压缩，以获取所述少周期脉冲；

步骤S430，通过所述光谱扩展器对所述少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光。

接下来，基于图1所示的基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统的架构示意图，对本申请实施例中基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成方法进行详细说明。

在步骤S410中，通过所述脉冲调节器对所述掺铒光纤飞秒激光器输出的初始脉冲进行脉冲宽度展宽和脉冲功率放大，以获取待压缩脉冲。

在本申请的示例性实施例中，掺铒光纤飞秒激光器生成中心波长为1550nm的初始脉冲后，将初始脉冲输入至脉冲调节器，该脉冲调节器包含脉冲宽度调制器和脉冲放大器，首先通过脉冲宽度调制器对初始脉冲的脉冲宽度进行展宽，以降低脉冲峰值功率，生成展宽脉冲，然后通过脉冲放大器对展宽脉冲进行功率放大，以生成待压缩脉冲。

在本申请的示例性实施例中，脉冲放大器由波分复用器、泵浦激光器和增益光纤组成，根据泵浦方式的不同，脉冲放大器的结构不同。

当采用前向泵浦结合后向泵浦的泵浦方式时，在增益光纤的输入端之前设置有第一波分复用器和前置泵浦激光器，在增益光纤的输出端之后设置有第二波分复用器和后置泵浦激光器。展宽脉冲和前置泵浦激光器输出的第一泵浦光经第一波分复用器进入增益光纤，后置泵浦激光器输出的第二泵浦光经第二波分复用器进入增益光纤，增益光纤接收展宽脉冲、第一泵浦光和第二泵浦光，并在第一泵浦光和第二泵浦光的作用下对展宽脉冲进行功率放大，生成待压缩脉冲。

当采用后向泵浦的泵浦方式时，在增益光纤的后端设置第二波分复用器和两个后置泵浦激光器，在其前端只设置第一波分复用器。展宽脉冲经第一波分复用器进入增益光纤，后置泵浦激光器产生的第一泵浦光和第二泵浦光经第二波分复用器进入增益光纤，增益光纤接收展宽脉冲、第一泵浦光和第二泵浦光，并在第一泵浦光和第二泵浦光的作用下对展宽脉冲进行功率放大，生成待压缩脉冲。

在步骤S420中，通过所述二级级联脉冲压缩器对所述待压缩脉冲进行级联压缩，以获取所述少周期脉冲。

在本申请的示例性实施例中，在生成待压缩脉冲后，可以对待压缩脉冲进行压缩，将脉冲压缩到5个脉冲周期范围内，得到少周期脉冲，为光谱扩展奠定基础。

在本申请的示例性实施例中，采用由第一级脉冲压缩器和第二级脉冲压缩器组成的二级级联脉冲压缩器对待压缩脉冲进行级联压缩，其中，第一级脉冲压缩器由具有负色散特性的全保偏光纤形成，第二级脉冲压缩器由全保偏的高非线性光纤形成。

在本申请的示例性实施例中，由于脉冲宽度调制器具有负色散，零色散的初始脉冲经脉冲宽度调制器展宽后生成的展宽脉冲也具有负色散，而脉冲放大器具有正色散，可以对展宽脉冲中的负色散进行中和，使得脉冲调节器输出的待压缩脉冲具有正色散。鉴于此，可以通过具有负色散的第一级脉冲压缩器对待压缩脉冲携带的正色散进行中和，使得基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统内的色散为零或接近零，将脉冲压缩到傅里叶变换极限附近，以生成几十飞秒量级的预压缩脉冲，接着可以通过第二级脉冲压缩器对预压缩脉冲进行再压缩，生成少周期脉冲。

在步骤S430中，通过所述光谱扩展器对所述少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光。

在本申请的示例性实施例中，少周期脉冲属于窄脉冲，具有宽光谱，如图2所示，少周期脉冲的光谱波长范围为1200nm~2000nm，属于近红外光谱。为了扩大光谱范围，可以将少周期脉冲输入至光谱扩展器中进行光谱扩展。在本申请实施例中，光谱扩展器为由全保偏高非线性光纤形成，通过调整全保偏高非线性光纤的非线性系数可以对少周期脉冲的光谱进行非线性展宽，以获取光谱范围覆盖近中红外光谱范围的飞秒脉冲激光。在本申请的实施例中，可以通过调整全保偏高非线性光纤的材料、尺寸、环境温度、形状、掺杂物质等方式以调整全保偏高非线性光纤的非线性系数，以使经过光谱扩展器的少周期脉冲的光谱范围从近红外波段扩展至近中红外波段。在本申请的实施例中，可以采用非线性系数大于或等于20/（km·W）的全保偏高非线性光纤形成光谱扩展器，以将少周期脉冲的光谱波长范围扩展至800nm~3300nm，生成光谱宽度大于2个倍频程的宽谱近中红外光谱。

本申请的基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统，具有全保偏光纤结构，因此具有较强的鲁棒性，可以适用于较为恶劣的工作环境中，并且系统架构简单，因此系统具有较高的散热效率和较低的系统功耗。另外，本申请的基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成方法，在掺铒光纤飞秒激光器生成初始脉冲后，首先通过脉冲调节器中的脉冲宽度调制器进行脉冲宽度展宽，以降低初始脉冲的脉冲峰值功率，防止后续采用脉冲放大器对脉冲进行脉冲功率放大时引入更多的非线性效应，导致脉冲变形，接着通过脉冲放大器对脉冲宽度调制器输出的脉冲进行功率放大，以提高脉冲的脉冲能量，进而提高经第一级脉冲压缩器对待压缩脉冲中的正色散进行中和后所获取的脉冲的能量；第一级脉冲压缩器对待压缩脉冲进行色散中和得到的预压缩脉冲的脉冲宽度达到傅里叶变换极限，为少周期脉冲的生成奠定了基础；接着通过第二级脉冲压缩器对预压缩脉冲进行再压缩生成少周期脉冲，使少周期脉冲具有很窄的脉冲宽度和很强的非线性效应，进而使得通过光谱扩展器对少周期脉冲进行非线性展宽后，实现光谱范围的扩展，即通过一个输出端口输出覆盖近红外和中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光；另外，本申请中的生成方法不需要系统调节，并且避免了采用波导扩谱，降低了获取高功率光谱的难度，本申请中所获取的光谱功率达到百毫瓦级以上，相对于采用波导扩谱法获取的光谱功率提高了百倍以上。

本申请中基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统能够满足基于飞秒光梳的多组分实时光谱分析测量应用。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其他实施例。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (7)

1.一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统，其特征在于，包括：

掺铒光纤飞秒激光器，所述掺铒光纤飞秒激光器基于全保偏掺铒光纤形成，用于产生初始脉冲；

脉冲调节器，所述脉冲调节器由全保偏光纤和全保偏掺铒光纤形成，与所述掺铒光纤飞秒激光器连接，用于对所述初始脉冲进行脉冲宽度展宽和脉冲功率放大，以获取待压缩脉冲；

二级级联脉冲压缩器，包括依次连接的第一级脉冲压缩器和第二级脉冲压缩器，所述第一级脉冲压缩器由具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，与脉冲放大器连接，用于将所述待压缩脉冲携带的正色散中和至零，并对所述待压缩脉冲进行预压缩形成脉冲宽度达到傅里叶变换极限的预压缩脉冲；所述第二级脉冲压缩器由全保偏高非线性光纤形成，用于对预压缩脉冲进行再压缩以形成少周期脉冲；

光谱扩展器，所述光谱扩展器由全保偏高非线性光纤形成，与所述第二级脉冲压缩器连接，用于对所述少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光，并通过所述光谱扩展器的单一输出端口输出所述飞秒脉冲激光，其中所述光谱扩展器所用的全保偏高非线性光纤的非线性系数高于所述第二级脉冲压缩器所用的全保偏高非线性光纤的非线性系数。

2.根据权利要求1所述的生成系统，其特征在于，所述脉冲调节器包括依次连接的脉冲宽度调制器和脉冲放大器，其中，所述脉冲宽度调制器由中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，用于对所述初始脉冲的脉冲宽度进行展宽，以降低所述初始脉冲的峰值功率；所述脉冲放大器用于对所述脉冲宽度调制器输出的脉冲进行功率放大，以获取所述待压缩脉冲。

3.根据权利要求2所述的生成系统，其特征在于，所述脉冲放大器包括依次连接的前置泵浦激光器、第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和后置泵浦激光器；或者，所述脉冲放大器包括依次连接的第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和两个后置的泵浦激光器；

其中，所述第一波分复用器和所述第二波分复用器由具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，所述增益光纤由具有正色散特性的全保偏掺铒光纤形成。

4.根据权利要求1所述的生成系统，其特征在于，所述掺铒光纤飞秒激光器具有非线性放大环形镜锁模的全保偏光纤结构。

5.一种基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成方法，应用于如权利要求1-4任一项所述的基于全保偏光纤的宽谱近中红外光谱的生成系统，其特征在于，包括：

通过所述脉冲调节器对所述掺铒光纤飞秒激光器输出的初始脉冲进行脉冲宽度展宽和脉冲功率放大，以获取待压缩脉冲；

通过所述二级级联脉冲压缩器中的第一级脉冲压缩器将所述待压缩脉冲携带的正色散中和至零，并对所述待压缩脉冲进行预压缩形成脉冲宽度达到傅里叶变换极限的预压缩脉冲；通过第二级脉冲压缩器对所述待压缩脉冲进行再压缩，以获取少周期脉冲；

通过所述光谱扩展器对所述少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光，并通过所述光谱扩展器的单一输出端口输出所述飞秒脉冲激光。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述脉冲调节器包括脉冲宽度调制器和脉冲放大器，所述脉冲放大器包括依次连接的前置泵浦激光器、第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和后置泵浦激光器；

所述通过所述脉冲调节器对所述掺铒光纤飞秒激光器输出的初始脉冲进行脉冲宽度展宽和脉冲功率放大，以获取待压缩脉冲，包括：

通过所述脉冲宽度调制器对所述初始脉冲的脉冲宽度进行展宽，以降低所述初始脉冲的峰值功率，并获取展宽脉冲；

通过所述第一波分复用器将所述展宽脉冲和所述前置泵浦激光器生成的第一泵浦光发送至所述增益光纤；

通过所述第二波分复用器将所述后置泵浦激光器生成的第二泵浦光发送至所述增益光纤；

通过所述增益光纤在所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的作用下对所述展宽脉冲进行功率放大，以获取所述待压缩脉冲。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述通过所述光谱扩展器对所述少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光，包括：

通过调节所述光谱扩展器的非线性系数，对所述少周期脉冲的光谱进行扩展，以获取所述覆盖近中红外光谱且光谱宽度大于2个倍频程的飞秒脉冲激光。