CN121663298A - 一种基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，包括：泵浦源、特种熔接点、有源光纤、泵浦滤除器和低反馈器件，泵浦源输出的泵浦光，经过特种熔接点输入有源光纤，有源光纤吸收泵浦光产生宽带的自发辐射光并沿光纤轴向传播积累，由低反馈器件输出，低反馈器件和特种熔接点的作用是调控有源光纤两端的反馈，避免泵浦光作用下有源光纤自发产生激光激射，实现全光纤结构的宽带自发辐射光源；所述有源光纤是稀土离子掺杂光纤，其软化温度低于泵浦源尾纤的软化温度；所述特种熔接点是泵浦源尾纤被包覆在有源光纤内的熔接点，参与熔接的泵浦源尾纤端面切割角度控制在≥10°，有源光纤的端面切割角度控制在0.5°以下。

Description

一种基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源。

背景技术

光纤宽带自发辐射光源因具有光谱带宽大、时间相干性低、光束质量优异等特点，在生物医学成像、光纤陀螺、分布式光纤传感、光谱测量等领域得到广泛应用。与窄线宽激光相比，自发辐射光源能够有效抑制相干噪声和散斑效应，提高测量系统的信噪比和稳定性；与传统卤素灯、氙灯等热光源相比，又具有光束质量优、体积小、与光纤系统天然匹配等优势，因此成为新一代高性能宽带光源的重要发展方向。

现有技术中，常见的自发辐射光源多采用掺稀土光纤作为增益介质，通过半导体激光器泵浦，在无谐振腔或弱反馈条件下获取放大自发辐射输出。目前常见的自发辐射光源大多采取“光纤+自由空间+器件封装”的混合结构：泵浦激光通过准直、聚焦后耦合入有源光纤，输出端再经自由空间滤波、偏振控制或光学隔离器等器件整形后接入后端应用系统。此类结构光路复杂，对准要求高，易受温度、振动等环境因素影响，限制了其应用场景。“全光纤结构”的自发辐射光源在功率与光谱稳定性方面具有显著优势，然而现有全光纤仍普遍需要使用耦合器、泵浦信号合束器等多个光纤器件（例如：CN 109103736 B、CN106654830 B、CN 108418087 B），既引入了额外的系统损耗，也导致系统的光反馈问题更为复杂，使得自激振荡更难抑制，限制了自发辐射光源的功率提升。此外，在光纤器件技术就绪度较差的中红外>2.5 μm波段，实现全光纤结构的自发辐射光源更具挑战，即使采用稳定性较差的空间耦合结构，由种子源所产生的中红外自发辐射光功率最高仅约260 mW（详见[Journal of Lightwave Technology 43(17), 6001-6005 (2022)]），如何抑制有源光纤两端的反馈是提高有源光纤所产生自发辐射光功率的关键。

本发明利用光纤的特种焊接降低有源光纤泵浦输入端的光反馈，无需使用复杂的光纤器件即可实现全光纤结构的自发辐射光源，结构紧凑且利于高功率输出。经文献及专利查新检索，迄今尚未见相关专利或文献报导。

发明内容

本发明提供了一种基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，基于能够提供低光反馈的特种熔接点来提高有源光纤的激射阈值，从而实现能支撑高功率输出的全光纤结构自发辐射光源，系统结构简单紧凑。本发明是采用如下技术方案实现的：

基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，包括：泵浦源、特种熔接点、有源光纤、泵浦滤除器和低反馈器件，泵浦源输出的泵浦光，经过特种熔接点输入有源光纤，有源光纤吸收泵浦光产生宽带的自发辐射光并沿光纤轴向传播积累，由低反馈器件输出，低反馈器件和特种熔接点的作用是调控有源光纤两端的反馈，避免泵浦光作用下有源光纤自发产生激光激射，实现全光纤结构的宽带自发辐射光源；其中，所述有源光纤是稀土离子掺杂光纤，其软化温度低于泵浦源尾纤的软化温度；所述特种熔接点是泵浦源尾纤被包覆在有源光纤内的熔接点，参与熔接的泵浦源尾纤端面切割角度控制在≥10°，有源光纤的端面切割角度控制在0.5°以下。

进一步的，泵浦源为光纤耦合输出的半导体激光器或光纤激光器。

进一步的，所述稀土离子为铒、镱、钕、铥、钬、镝中的其中一种或多种的组合。

进一步的，所述有源光纤为双包层掺铒氟化物光纤。

进一步的，所述有源光纤的玻璃基质为石英玻璃、氟化物玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃或锗酸盐玻璃。

进一步的，所述低反馈器件是斜切的光纤端面、抗反射的光纤端帽，或是光纤隔离器。

进一步的，在有源光纤输出端附近剥除光纤外包层并涂覆折射率高于光纤内包层折射率的胶水，构成泵浦滤除器。

进一步的，泵浦源是石英光纤耦合输出的多横模半导体激光器，波长981 nm；有源光纤为铒离子掺杂浓度为7 mol%的双包层掺铒氟化物光纤，用于吸收泵浦源发射的981nm泵浦光，提供2.7~2.8 μm波段的宽带光增益。

与现有技术相比，本发明所述的一种基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源具有如下优点：

1）通过特种熔接点降低有源光纤端面的反馈有利于大幅提高激光激射阈值，从而可以通过更高的泵浦功率来实现高功率的宽带自发辐射光输出，满足更多应用场景。

2）相比于具有空间光耦合结构的自发辐射光源，本发明具有更紧凑的系统结构和更优良的环境适应性；

3）本发明不依赖于光纤耦合器、波分复用器、泵浦信号合束器等光纤器件即可实现全光纤结构的自发辐射光源，成本低、易实现，在光纤器件尚不成熟的中红外波段，采用本发明所述的技术路线具有更为明显的优势。

附图说明

图1为一种基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源的结构示意图。

图2为一种基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源的输出光谱。

图3为泵浦源尾纤端面不同切割角度时自发辐射光源的功率曲线。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：泵浦源； 2：特种熔接点；

3：有源光纤； 4：泵浦滤除器；

5：低反馈器件 6：特种熔接点处的泵浦源尾纤端面

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当解释，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，激光器结构参见图1，包括：泵浦源1、特种熔接点2、有源光纤3、泵浦滤除器4、低反馈器件5。

泵浦源1输出的泵浦光，经过特种熔接点2输入有源光纤中，有源光纤吸收泵浦光产生宽带的自发辐射光并沿光纤轴向传播积累，由低反馈器件5输出。低反馈器件5和特种熔接点2的作用是调控有源光纤两端的反馈，避免泵浦光作用下具有高增益特性的有源光纤自发产生激光激射，从而实现全光纤结构的宽带自发辐射光源。

本实施例中，泵浦源1为石英光纤耦合输出的多横模半导体激光器，波长981 nm，其尾纤纤芯和包层直径分别为105/125 μm，通过控制泵浦驱动电流可以改变泵浦源的输出功率；有源光纤3为铒离子掺杂浓度为7 mol%的双包层掺铒氟化物光纤，纤芯和包层直径分别为15/250 μm，长度为2.3 m，用于吸收泵浦源3发射的981 nm泵浦光，提供2.7~2.8 μm波段的宽带光增益；有源光纤的输出端面斜切，切割角度控制在≥10°，构成该系统的低反馈器件5；在有源光纤输出端附近剥除光纤外包层并涂覆折射率高于光纤内包层折射率的胶水，构成该系统的泵浦滤除器4，使有源光纤内包层失去全反射的波导约束，从而将有源光纤内包层中未被吸收的泵浦光滤除。

特种熔接点2由泵浦源尾纤与有源光纤3焊接形成，是实现高功率自发辐射光产生的关键。在本发明中，参与熔接的两光纤的端面切割角度是决定该特种熔接点质量的核心因素，通过对熔接前泵浦源尾纤的端面切割角度的控制，可有效降低熔接点引入的光反馈，从而避免激光激射，支撑高功率自发辐射光的产生。由于泵浦源尾纤（石英光纤）的软化温度远高于有源光纤（氟化物光纤），需要使用约30 μm的净推进量将石英光纤插入熔融的氟化物光纤中，使氟化物光纤紧密包裹住嵌入的石英光纤，得到牢固的光纤熔接点。这类熔接点会引入较大的光反馈，从而在较低的泵浦增益下形成激光激射输出，不利于产生宽带自发辐射光。为解决该问题，本实施例中的特种熔接点2在加工时，将参与熔接的泵浦源尾纤端面6的切割角度控制在≥10°，有源光纤的端面切割角度控制在0.5°以下。原因是含有一定倾斜角度的石英光纤端面会使熔融退火后与其相接的氟化物光纤面也形成相应的倾斜，这种倾斜的熔接界面能够有效降低熔接点引入的光反馈。此外，采取低软化温度光纤熔融后紧密包裹住高软化温度光纤的焊接策略，使该熔接点同时具备低反馈和高强度的特点。

在本实施例中，当泵浦电流为2.7 A、泵浦功率为22 W时，有源光纤可产生约0.7 W的自发辐射光输出，光谱如图2所示，光谱覆盖2730~2830 nm，3 dB带宽为28 nm。该泵浦功率依然未达到激光激射阈值，通过进一步提高泵浦功率并加强系统散射，有望实现更高功率的自发辐射光输出。相比于常规的空间光耦合中红外自发辐射光源的技术路线，本实施例所实现的输出功率更高，而且具有更可靠的全光纤结构，利于实际应用。

为说明特种熔接点2的影响，将泵浦源尾纤的端面切割角度分别控制在0°、7°、10°时，对比自发辐射光输出功率随泵浦驱动电流的变化情况，如图3所示。在泵浦源尾纤的端面切割角度较小时，相同泵浦驱动电流下的自发辐射光输出功率更高，说明熔接点提供了较大的反馈，提高了前向信号对有源光纤增益的提取效率。然而，端面切割角度较小的熔接点同时也降低了系统的激射阈值，2784 nm处的激光激射问题使得自发辐射光输出功率未能突破150 mW。使用端面切割角度较大的熔接点可以解决该问题，此时牺牲了一定的转换效率来实现更高的自发辐射光输出功率，如前所述，2.7 A的泵浦电流仍未使该系统达到激光激射阈值。

为说明低反馈器件5的影响，开展如下对比实验。当泵浦源尾纤的端面切割角度为0°，有源光纤输出端不采用低反馈器件（斜切），而是采用0°平切来提供约4%的反馈时，该装置在泵浦电流大于0.7 A时有源光纤直接激射，无法实现自发辐射光输出。当泵浦源尾纤的端面切割角度为10°，有源光纤输出端采用0°平切时，仅在泵浦电流低于1 A时能实现自发辐射光输出，然而由于输出端提供了较高反馈，后向信号放大过程占据主导，输出的前向自发辐射光功率最高仅23 mW。以上结果说明了本发明采用特种熔接点2和低反馈器件5来实现高功率自发辐射光源的有益效果。

上述实施例中，所述泵浦源1不必局限于石英光纤耦合输出的多横模半导体激光器，可以是半导体激光器或光纤激光器，泵浦源可以工作在连续波状态或者脉冲状态。其尾纤可以是单模光纤或多模光纤，可以是石英光纤，或是其他具有高软化温度特性的玻璃光纤。

所述有源光纤3是稀土离子掺杂光纤，在泵浦光作用下，通过稀土离子能级跃迁产生自发辐射光；所述稀土离子包括但不限于铒、镱、钕、铥、钬、镝中的其中一种或多种的组合；所述有源光纤的玻璃基质包括但不限于氟化物玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃，其软化温度应低于泵浦源尾纤的软化温度。

所述特种熔接点2是泵浦源尾纤和有源光纤3的熔接点，将参与焊接的泵浦源尾纤端面6的切割角度控制在≥10°、有源光纤的端面切割角度控制在0.5°以下，利用泵浦源尾纤软化温度高于有源光纤软化温度的特征，采取低软化温度光纤熔融后紧密包裹住高软化温度光纤的焊接策略，使该熔接点同时具备低反馈和高强度的特点。

所述低反馈器件5可以是斜切的光纤端面、抗反射的光纤端帽，或是光纤隔离器，其特征在于能够降低对光纤纤芯的回光反馈，避免引起有源光纤中的激光激射。实际应用中，可以在低反馈器件5后接入光隔离器抑制返回光，或是接入光谱滤波器来选取特定谱段光输出。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号和规格不做具体限制，只要能完成上述功能的器件均可。

以上所述仅为本发明的一个优选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，包括：泵浦源、特种熔接点、有源光纤、泵浦滤除器和低反馈器件，泵浦源输出的泵浦光，经过特种熔接点输入有源光纤，有源光纤吸收泵浦光产生宽带的自发辐射光并沿光纤轴向传播积累，由低反馈器件输出，低反馈器件和特种熔接点的作用是调控有源光纤两端的反馈，避免泵浦光作用下有源光纤自发产生激光激射，实现全光纤结构的宽带自发辐射光源；所述有源光纤是稀土离子掺杂光纤，其软化温度低于泵浦源尾纤的软化温度；所述特种熔接点是泵浦源尾纤被包覆在有源光纤内的熔接点，参与熔接的泵浦源尾纤端面切割角度控制在≥10°，有源光纤的端面切割角度控制在0.5°以下。

2.根据权利要求1所述的基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，其特征在于，泵浦源为光纤耦合输出的半导体激光器或光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，其特征在于，所述稀土离子为铒、镱、钕、铥、钬、镝中的其中一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，其特征在于，所述有源光纤为双包层掺铒氟化物光纤。

5.根据权利要求1所述的基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，其特征在于，所述有源光纤的玻璃基质为石英玻璃、氟化物玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃或锗酸盐玻璃。

6.根据权利要求1所述的基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，其特征在于，所述低反馈器件是斜切的光纤端面、抗反射的光纤端帽，或是光纤隔离器。

7.根据权利要求1所述的基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，其特征在于，在有源光纤输出端附近剥除光纤外包层并涂覆折射率高于光纤内包层折射率的胶水，构成泵浦滤除器。

8. 根据权利要求1所述的基于特种熔接的全光纤结构自发辐射光源，其特征在于，泵浦源是石英光纤耦合输出的多横模半导体激光器，波长981 nm；有源光纤为铒离子掺杂浓度为7 mol%的双包层掺铒氟化物光纤，用于吸收泵浦源发射的981 nm泵浦光，提供2.7~2.8μm波段的宽带光增益。