CN202995205U

CN202995205U - 基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源

Info

Publication number: CN202995205U
Application number: CN 201220703339
Authority: CN
Inventors: 谌鸿伟; 靳爱军; 郭良; 侯静; 陈胜平; 陈子伦; 陆启生
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2022-12-18

Abstract

本实用新型提出一种基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源，由带输出尾纤的泵浦激光器，多芯光子晶体光纤两部分组成。把选用的泵浦激光器的输出尾纤同模场和色散特性匹配的多芯光子晶体光纤的输入端进行熔接，即构成全光纤化的超连续谱光源。采用具有较大模场面积和色散特性可调节的多芯光子晶体光纤作为超连续谱的产生介质，有效解决了常规采用单芯光纤晶体光纤作为超连续谱的产生介质在实现高平均功率全光纤化超连续谱产生时，存在的泵浦激光耦合困难、光子晶体光纤的色散特性与泵浦激光工作波长不匹配等问题，能有效实现高平均功率全光纤化超连续谱输出，同时大大提升了系统的功率上限。

Description

基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，特指一种能实现高平均功率全光纤化超连续谱输出的光源。

背景技术

目前，采用光纤激光泵浦光子晶体光纤实现的低功率超连续谱光源已经成为一种实用化的商品。但是，某些应用领域需要具有高平均输出功率和高光谱密度的超连续谱光源，现有的超连续谱光源尚不能满足需求。

超连续谱光源一般包括泵浦源和超连续谱产生介质两部分。泵浦激光的参数（工作波长，脉冲宽度，脉冲峰值功率）和非线性介质的特性（色散特性，非线性响应）共同决定了何种非线性效应可以发生以及最终输出的超连续谱形式。实际上泵浦源的参数和光纤特性的细小差别会对超连续谱产生过程以及最终输出的光谱产生显著影响，只有非线性介质的特性同泵浦源比较匹配时才能够产生比较理想的超连续谱。

目前，获得高平均输出功率和高光谱密度的超连续谱主要是利用技术比较成熟的高功率光纤激光泵浦单芯光子晶体光纤来开展的。为实现超连续光谱的极大展宽，要求泵浦激光工作波长应该选择在靠近光子晶体光纤零色散点的反常色散区。但是高功率泵浦源的输出尾纤的纤芯直径一般都大于10微米，色散特性与之匹配的光子晶体光纤的纤芯直径小于10微米，两者之间存在较大的模场不匹配，这使得高功率泵浦激光到光子晶体光纤的耦合十分困难。虽然可以通过增加单芯光子晶体光纤的纤芯直径来减小模场不匹配，但是这一方面会降低单芯光子晶体光纤的非线性系数，另一方面也会改变光子晶体光纤的色散特性，不利于超连续谱的产生。模场不匹配导致的较大耦合损耗会降低系统的光学转换效率，更为严重的是耦合损耗过大还会引起熔接点的热损伤。即使高功率泵浦激光的耦合问题得以解决，由于单芯光子晶体光纤的模场直径相对较小，热效应以及激光损伤等因素也从根本上限制了基于单芯光子晶体光纤的超连续谱光源的输出功率。

近年来，多芯光子晶体光纤的概念被提出。多芯光子晶体光纤的各个纤芯之间的光场相互耦合可以形成所谓“超模”，其中的同相超模具有类高斯型的远场强度分布，有效模场分布面积较大，并且其模场分布对热和应力不敏感。另外，多芯光子晶体光纤超模的色散特性与具有相同空气填充比的单芯光子晶体光纤的色散特性差别较小。所以，多芯光子晶体光纤可在拥有较大模场面积的同时具有同泵浦激光比较匹配的色散特性。有文献证明采用多芯光子晶体光纤可以实现超连续谱的产生，但是这些文献中泵浦激光都是采用透镜耦合方式进入到光子晶体光纤中，这降低了系统的稳定性，不利于实际应用。目前，已有连续谱光源相关的授权专利公告，但尚未有采用多芯光子晶体光纤作为超连续谱产生介质的专利。

发明内容

为克服现有基于单芯光子晶体光纤的超连续谱产生技术中的不足，提升超连续谱光源的平均输出功率，本发明提出一种基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源，能实现高平均功率全光纤化超连续谱输出。

本发明提出的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源由带输出尾纤的泵浦激光器和多芯光子晶体光纤两部分组成，把选用的泵浦激光器的输出尾纤同模场和色散特性匹配的多芯光子晶体光纤的输入端进行熔接，即构成了全光纤化的超连续谱光源。

所述的泵浦激光器为：工作波长与多芯光子晶体光纤的色散特性相匹配；带尾纤输出，并且从尾纤中输出的激光的光束质量好，为基横模或者接近基横模；输出尾纤的模场与多芯光子晶体光纤的超模的模场相匹配；输出激光进入到多芯光子晶体光纤中能够有效地激发超连续谱。

所述的泵浦激光器为掺稀土离子（镱、铒、铥、钬、铋等）光纤激光器或者基于非线性效应的光纤激光器(拉曼光纤激光器，参量光纤激光器等)，或者是固体激光器，或者是半导体激光器，通过耦合系统把输出激光耦合到光纤中，构成带输出尾纤的泵浦激光器。

泵浦激光器的工作方式可以是脉冲激光运行，也可以是连续波激光运行。

所述的多芯光子晶体光纤为超连续谱产生介质，能够形成稳定的同相超模，并支持其低损耗传输；多芯光子晶体光纤的色散特性与泵浦激光器的工作波长相匹配；多芯光子晶体光纤的同相超模的模场与泵浦激光的输出尾纤的模场相匹配；具有非线性特性，满足功率条件即满足可产生超连续谱条件。

所述的多芯光子晶体光纤的特性通过设计光纤来实现，设计光子晶体光纤主要是考虑光纤的端面结构，多芯光子晶体的端面由光纤基底材料、纤芯和与光纤基底材料折射率不同的孔组成。通过改变各个部分的折射率，几何尺寸和排布方式，可实现不同的光纤特性。

所述的多芯光子晶体光纤的基底材料要根据所需超连续谱的波段进行合理选择，包括纯石英（主要产生可见光和近红外波段超连续谱），碲化物，硫化物和氟化物材料（主要产生红外波段超连续谱）。

所述的多芯光子晶体光纤的纤芯数目没有严格要求（可以是七芯，十九芯或者其它数目）。纤芯的折射率可以与光纤基底材料相同，也可以不同。各个纤芯的折射率和几何形状可以相同，也可以不同。纤芯的材料中可以掺稀土元素，也可以不掺。

所述的多芯光子晶体光纤端面的孔可以是空气孔，也可以由其它高折射率材料填充。单个孔的形状可以是圆形，椭圆形或其它的形状，每一个孔与其它的孔的形状可以一样，也可以不一样。孔的整体排布可以是允许的任意形状（正六边形，正八边形，正十二边形，圆形等）。

所述的多芯光子晶体光纤的外径沿光纤纵向可以是均匀的，也可以是非均匀。

所述的泵浦激光器的输出尾纤同多芯光子晶体光纤的输入端进行熔接时，可以运用光子晶体光纤后处理技术，对光子晶体光纤端面进行处理，进一步减小熔接损耗。

本发明的优点在于：采用具有较大模场面积，色散特性可调节的多芯光子晶体光纤作为超连续谱的产生介质，有效解决了常规采用单芯光纤晶体光纤作为超连续谱的产生介质在实现高平均功率全光纤化超连续谱产生时，存在的泵浦激光耦合困难、光子晶体光纤的色散特性与泵浦激光工作波长不匹配等问题，能有效实现高平均功率全光纤化超连续谱输出，同时大大提升了系统的功率上限。该光源还利用成熟的高功率光纤激光技术、光子晶体光纤制造技术和光子晶体光纤后处理技术，简化了高平均功率全光纤化超连续谱光源的系统结构，降低了系统成本，便于工业化生产和应用。

附图说明

图1为本发明提出的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源的结构示意图，

图2为一种具体实施例中采用的多芯光子晶体光纤的端面结构示意图。

具体实施方式

图中：1-带输出尾纤的泵浦激光器；2-多芯光子晶体光纤；3-泵浦激光器的输出尾纤3；4-熔接点；5-光子晶体光纤的基底材料；6-光子晶体光纤的纤芯；7-小孔。

以下结合附图与具体实施例对本发明作进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明提出的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源的结构示意图。如图所示，本发明提出的超连续谱光源包括带输出尾纤的泵浦激光器1，多芯光子晶体光纤2，其中，泵浦激光器1的输出尾纤3与多芯光子晶体光纤2的一个端面进行熔接构成全光纤结构，熔接点4。当泵浦激光耦合进入到与之匹配的多芯光子晶体光纤2，由于各种非线性效应的作用，在多芯光子晶体光纤2中形成超连续谱，产生的超连续谱从多芯光子晶体光纤2的另一个端面输出。

在本发明的一种具体的实施例中，泵浦激光器1采用皮秒脉冲掺镱光纤激光器，其工作波长在1.06 微米附近，脉冲宽度为20皮秒左右，脉冲重复频率为500 兆赫兹,平均功率为56瓦，输出尾纤3为纤芯直径15微米，内包层直径130微米的双包层光纤；该泵浦激光器从尾纤输出的激光的光场为基模分布。

图2为该实施例中采用的多芯光子晶体光纤的端面结构示意图。该多芯光子晶体光纤为七芯光纤晶体光纤，光子晶体光纤的基底材料5为纯石英，光子晶体光纤的纤芯6为正六边，端面上小孔7成正六边形排布，并且都是孔直径为1.49微米的圆形空气孔，任意相邻两个孔的孔间距为3.26微米，纤芯是通过取消对应位置的一个空气孔形成的。实施例中多芯光子晶体光纤的外径沿光纤纵向是均匀的，长度为20 m；

在最大泵浦激光功率下，该实施例中的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源输出平均功率为40 W，光谱范围为600—1700 纳米的超连续谱，输出光场为同相超模分布。

Claims

1.基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源，包括带输出尾纤的泵浦激光器和多芯光子晶体光纤，其特征在于，把选用的泵浦激光器的输出尾纤同模场和色散特性匹配的多芯光子晶体光纤的输入端进行熔接，即构成了全光纤化的超连续谱光源；

所述的泵浦激光器为：工作波长与多芯光子晶体光纤的色散特性相匹配；带尾纤输出，并且从尾纤中输出的激光的光束质量好，为基横模或者接近基横模；输出尾纤的模场与多芯光子晶体光纤的同相超模的模场相匹配；输出激光进入到多芯光子晶体光纤中能够有效地激发超连续谱；

所述的多芯光子晶体光纤是超连续谱产生介质，能够形成稳定的同相超模，并支持其低损耗传输；多芯光子晶体光纤的色散特性与泵浦激光器的工作波长相匹配；多芯光子晶体光纤的同相超模的模场与泵浦激光的输出尾纤的模场相匹配；具有非线性特性，满足功率条件即可产生超连续谱条件。

2.根据权利要求1所述的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源，其特征在于，所述的泵浦激光器为掺稀土离子，包括镱、铒、铥、钬、铋的光纤激光器或者基于非线性效应的光纤激光器，包括拉曼光纤激光器、参量光纤激光器，或者固体激光器，或者半导体激光器，通过耦合系统把输出激光耦合到光纤中，构成带输出尾纤的泵浦激光器。

3.根据权利要求1所述的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源，其特征在于，泵浦激光器的工作方式可以是脉冲激光运行，也可以是连续波激光运行。

4.根据权利要求1所述的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源，其特征在于，所述的多芯光子晶体光纤的端面由光纤基底材料、纤芯和与光纤基底材料折射率不同的孔组成，改变各个部分的折射率，几何尺寸和排布方式，可实现不同的光纤特性。

5. 根据权利要求1所述的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源，其特征在于，所述的多芯光子晶体光纤的基底材料包括纯石英，碲化物，硫化物和氟化物材料。

6.根据权利要求1所述的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源，其特征在于，所述的多芯光子晶体光纤的纤芯数目可以是七芯、十九芯或者其它数目；纤芯的折射率可以与光纤基底材料相同，也可以不同；各个纤芯的折射率和几何形状可以相同，也可以不同；纤芯的材料中可以掺稀土元素，也可以不掺。

7.根据权利要求1所述的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源，其特征在于，所述的多芯光子晶体光纤端面的孔可以是空气孔，也可以由其它高折射率材料填充；单个孔的形状可以是圆形，椭圆形或其它的形状，每一个孔与其它的孔的形状可以一样，也可以不一样；孔的整体排布可以是允许的任意形状。

8.根据权利要求1所述的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源，其特征在于，所述的多芯光子晶体光纤的外径沿光纤纵向可以是均匀的，也可以是非均匀。

9.根据权利要求1所述的基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源，其特征在于，所述的泵浦激光器的输出尾纤同多芯光子晶体光纤的输入端进行熔接时，可以运用光子晶体光纤后处理技术，对光子晶体光纤端面进行处理，进一步减小熔接损耗。