CN216085690U - 一种简易超连续谱光纤谐振腔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种简易超连续谱光纤谐振腔，包括至少一个泵浦源系统，以及依次顺序串联连接的输入端、窄带高反光栅、增益介质、窄带低反光栅、输出端，至少一个所述泵浦源系统设置在窄带高反光栅和输入端之间和/或设置于窄带低反光栅和输出端之间。本实用新型具有结构紧凑并且输出光谱平坦度高的优点。

Description

一种简易超连续谱光纤谐振腔

技术领域

本实用新型涉及超连续谱光源领域，尤其涉及一种简易超连续谱光纤谐振腔。

背景技术

超连续谱光源，俗称白光激光器，具有传统宽带光源的宽光谱特性和激光光源的高空间相干性，在基础科学研究、光学检测、光纤通信等众多领域有着广泛的应用潜力。而在遥感成像、遥感探测等领域，人们还期望超连续谱光源能够具有高的功率。超连续谱的产生是激光与非线性介质相互作用的结果：窄带激光在非线性介质中传输时，在介质的色散和各种非线性效应综合作用下，入射激光的光谱被大范围连续展宽，从而形成超连续谱。

导致超连续谱产生的非线性效应主要包括自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)、受激拉曼散射(SRS)以及孤子自频移(SSFS)等。根据这一机理，当前产生高功率近红外波段超连续谱的方式主要有以下二种:一是使用脉冲光纤激光器泵浦光子晶体光纤；二是在脉冲光纤放大器中直接产生近红外超连续谱。首先，这两种方案的实施都需要采用短脉冲光纤激光器作为超连续谱光源的抽运源。而由于非线性效应和光纤损伤的限制，短脉冲光纤激光器输出平均功率的提升难度较大。另外，对于第一种方案，还需要解决大模场光纤与光子晶体光纤的低损耗熔接这一工艺难题。对于第二种方案，虽然规避了光子晶体光纤的使用，但是由于普通光纤的非线性系数较低，其输出光谱平坦度相对较差。总之，这两种方案的系统结构都相对复杂，给高功率超连续谱光源的研制都带来了不小的挑战。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑并且输出光谱平坦度高的简易超连续谱光纤谐振腔。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种简易超连续谱光纤谐振腔，包括至少一个泵浦源系统，以及依次顺序串联连接的输入端、窄带高反光栅、增益介质、窄带低反光栅、输出端，至少一个所述泵浦源系统设置在窄带高反光栅和输入端之间和/或设置于窄带低反光栅和输出端之间。

作为对上述技术方案的进一步改进：

还包括包层光滤除器，所述包层光滤除器紧邻在输出端前用于滤除多余泵浦光。

所述简易超连续谱光纤谐振腔还包括温度控制模块，所述温度控制模块用于对窄带高反光栅和窄带低反光栅进行温度控制。

所述温度控制模块为半导体温度调节器或水冷器。

所述窄带高反光栅的中心波长在1018nm～1150nm之间，反射带宽小于1nm，反射率大于99％。

所述窄带低反光栅的中心波长在1018nm～1150nm之间，反射带宽小于0.2nm，反射率在1％～20％之间。

所述泵浦源系统包括泵浦源和泵浦/信号合束器；当泵浦源系统设置在窄带高反光栅和输入端之间时，所述泵浦源与泵浦/信号合束器的信号输入端连接，所述泵浦/信号合束器的信号输出端与窄带高反光栅连接；当泵浦源系统设置在窄带低反光栅和输出端之间时，所述泵浦/信号合束器的信号输入端与窄带低反光栅连接，所述泵浦/信号合束器的信号输出端与所述输出端连接。

所述泵浦源为半导体激光器、光纤激光器和固体激光器中的一种或多种。所述泵浦源的输出激光为连续激光、准连续激光或脉冲激光。

所述增益介质为掺镱光纤和/或光子晶体光纤，所述增益介质自内而外依次包括纤芯、包层和涂覆层，包层包括内包层和外包层，内包层靠近纤芯一侧设置，外包层靠近涂覆层一侧设置，内包层的折射率大于外包层的折射率。

所述输出端或输入端的切角为0°～12°，不包括0°。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型的一种简易超连续谱光纤谐振腔包括至少一个泵浦源系统，以及依次顺序串联连接的窄带高反光栅、增益介质、窄带低反光栅、输出端，至少一个泵浦源系统设置在窄带高反光栅和输入端之间和/或设置于窄带低反光栅和输出端之间，通过窄带高反光栅和窄带低反光栅的共同作用对输出激光的频域形成了较强的约束，从而造成了时域特性的不稳定现象，呈现出典型的随机脉冲特征，从而引入了强烈的非线性效应，产生超连续谱激光，相比于与其它超连续谱光源，具有结构紧凑，性价比高的特点。

2、本实用新型的增益介质采用掺镱光纤，并且增益介质具有双包层，能够实现百瓦量级的功率输出。

Yb离子的能级结构简单，只有两个多重态展开的能级2F7/2和2F5/2。由于Yb离子的能级结构中没有其它的上能级存在，在泵浦波长和激光波长处不存在激发态吸收，这大大降低了其粒子损耗，使得激光器在高功率运转情况下有较高的转换效率和较低的热效应。

增益介质采用双包层光纤，其由纤芯、包层和涂覆层组成,包层包括内包层和外包层，内包层靠近纤芯一侧设置，外包层靠近涂覆层一侧设置，纤芯的折射率最高,可保证激光在纤芯中振荡。内包层的折射率高于外包层的折射率,使泵浦光在内包层中传播。光纤的涂覆层构成光纤的保护层。工作时,泵浦光内包层以多模形式传播,多次透过纤芯,从而被掺杂离子吸收。内包层具有较大的横向尺寸和数值孔径(NA),降低了泵浦光耦合难度,可把更大功率的泵浦光导入光纤,与传统的单包层光纤激光器相比,大大提高了耦合效率和泵浦功率,从而获得高功率的激光输出。

3、本实用新型采用窄带高反光栅、增益介质和窄带低反光栅，在没有施加主动调制的情况下，可输出8千瓦量级峰值功率的脉冲激光输出。这会在光纤中引起强烈的非线性效应，从而导致光谱平坦度较高的超连续谱激光输出。

另一方面增益介质采用掺镱光纤，得益于掺镱光纤的宽谱增益。Yb离子的能级结构很简单，只有两个多重态展开的能级2F7/2和2F5/2，由于Stark效应，2F7/2展宽成四个子能级，2F5/2则展宽成三个子能级，使得激光器的增益带宽很大(975nm～1200nm)，输出的超连续谱光谱平坦度较高。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构框图。

图2为本实用新型实施例2的结构示意图。

图3为本实用新型实施例3的结构示意图。

图4为本实用新型实施例1中最大输出功率下超连续谱激光时序图。

图5为本实用新型实施例1中最大输出功率下超连续谱激光光谱图。

图中各标号表示：

1、增益介质；2、包层光滤除器；30、窄带高反光栅；31、窄带低反光栅；10、泵浦源系统；101、泵浦/信号合束器；102、泵浦源；4、温度控制模块；17、输入端；27、输出端。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。除非特殊说明，本实用新型采用的仪器或材料为市售。

一种简易超连续谱光纤谐振腔，包括至少一个泵浦源系统10，以及依次顺序串联连接的输入端17、窄带高反光栅30、增益介质1、窄带低反光栅31、输出端27，至少一个泵浦源系统10设置在窄带高反光栅30和输入端17之间和/或设置于窄带低反光栅31和输出端27之间。窄带高反光栅30与窄带低反光栅31共同组成光纤谐振腔，窄带高反光栅30和窄带低反光栅31对输出激光的频域形成了较强的约束，从而造成了时域特性的不稳定现象，呈现出典型的随机脉冲特征，从而引入了强烈的非线性效应，产生超连续谱激光。

还包括包层光滤除器2，包层光滤除器2紧邻在输出端27前用于滤除多余泵浦光。

简易超连续谱光纤谐振腔还包括温度控制模块4，温度控制模块4用于对窄带高反光栅30和窄带低反光栅31进行温度控制。温度控制模块4通过控制窄带高反光栅30与窄带低反光栅31的温度来补偿泵浦过程中由于泵浦功率分布不均匀造成的光栅温度差。温度差在0°～20℃之间，输出的反射谱错位且错位强度不大，在较低泵浦功率下低功率输出激光为窄线宽激光，在高泵浦功率下输出超连续谱。温度控制模块4为半导体温度调节器或水冷器。

窄带高反光栅30的中心波长在1018nm～1150nm之间，反射带宽小于1nm，反射率大于99％。窄带低反光栅31的中心波长在1018nm～1150nm之间，反射带宽小于0.2nm，反射率在1％～20％之间。高反指的是高反射率，低反指的是低反射率。

泵浦源系统10包括泵浦源102和泵浦/信号合束器101；当泵浦源系统10设置在窄带高反光栅30和输入端17之间时，泵浦源102与泵浦/信号合束器101的信号输入端连接，泵浦/信号合束器101的信号输出端与窄带高反光栅30连接；当泵浦源系统10连接于窄带低反光栅31和输出端27之间时，泵浦/信号合束器101的信号输入端与窄带低反光栅31连接，泵浦/信号合束器101的信号输出端与输出端27连接。

泵浦源102为半导体激光器、光纤激光器和固体激光器中的一种或多种。泵浦源102的输出激光为连续激光、准连续激光或脉冲激光。

增益介质1为掺镱光纤和/或光子晶体光纤。增益介质1自内而外依次包括纤芯、包层和涂覆层，包层包括内包层和外包层，内包层靠近纤芯一侧设置，外包层靠近涂覆层一侧设置，内包层的折射率大于外包层的折射率。

输出端27或输入端17的切角为0°～12°，不包括0°，切角用来抑制寄生振荡。

实施例1：

如图1所示，本实施例的一种简易超连续谱光纤谐振腔，包括依次顺序串联连接的输入端17、泵浦源系统10、窄带高反光栅30、增益介质1、窄带低反光栅31、包层光滤除器2、输出端27，还包括用于对窄带高反光栅30和窄带低反光栅31进行温度控制的温度控制模块4。

本实施例中，泵浦源系统10为前向泵浦源，包括泵浦/信号合束器101和6个泵浦源102，泵浦源102为976nm半导体激光器。温度控制模块4分别对两个光栅的温度调整，以补偿在前向泵浦方式中泵浦功率不均匀而造成的光栅温差。

输入端17、输出端27切角为8°，用来抑制寄生振荡，其中输出端27用来输出激光。

本实施例中，泵浦/信号合束器101具有6泵浦输入臂，可以根据需求，选择其他型号的泵浦/信号合束器101，或者用光纤合束器替代，不对数量和种类做出限定。泵浦源102也可以选择多种波长的泵浦源102，如本实施例中泵浦源102可采用915nm波长的或者976nm波长。

本实施例中，增益介质1为掺镱光纤，掺镱光纤自内而外依次包括纤芯、包层和涂覆层；包层包括内包层和外包层，内包层靠近纤芯一侧设置，外包层靠近涂覆层一侧设置为双包层或三包层，纤芯直径尺寸选择为6μm-30μm，内包层尺寸为125μm-900μm，吸收系数为976nm，波长在1dB/m-5dB/m之间。

本实施例中，谐振腔由一对正交熔接的中心波长为1050nm的保偏窄带高反光栅30和窄带低反光栅31构成，其-3dB带宽分别为0.28nm和0.08nm。窄带高反光栅30的反射率大于99％，窄带低反光栅31的反射率为10％分别。

本实施例中，使用两个半导体制冷器为温度控制模块4分别对两个光栅的温度进行控制。增益介质1为一段保偏掺镱光纤，在976nm处的吸收系数约为5dB/m。以6个976nm半导体激光器为泵浦源102，通过泵浦/信号合束器101对谐振腔进行泵浦。在窄带低反光栅31和输出端27之间连接了包层光滤除器2对包层光进行了剥除。谐振腔的输入端17和输出端27切斜角8°，在其他实施例中，在0°～12°，不包括0°均可防止寄生振荡，激光由输出端27输出。

在本实施例中，在较低泵浦功率下，输出激光为窄线宽激光，其-3dB线宽小于0.1nm。当泵浦功率达到180W以上时，输出功率大于50W，此时光谱已经演化为超连续谱，如图4所示。上述现象的物理机制是窄带高反光栅30和窄带低反光栅31对激光的频域特性形成了较强的约束，从而造成了时域特性上的不稳定现象，图5给出了最高输出功率(泵浦功率为160W时)通过5GHz光电探测器测量得到的激光时序，呈现了典型的随机脉冲序列特征。计算结果表明，峰值功率高出平均值100倍以上，从而引入了强烈的非线性效应，产生超连续谱激光。由于输出功率随泵浦功率呈线性增长趋势，这表明进一步增加泵浦功率，输出功率可进一步增加。

实施例2：

如图2所示，本实施例的一种简易超连续谱光纤谐振腔，包括依次顺序串联连接的输入端17、窄带高反光栅30、增益介质1、窄带低反光栅31、泵浦源系统10、输出端27，还包括用于对窄带高反光栅30和窄带低反光栅31进行温度控制的温度控制模块4。

本实施例中，泵浦源系统10为后向泵浦源，包括泵浦/信号合束器101和泵浦源102，泵浦源102为6个976nm半导体激光器，谐振腔由一对窄带高反光栅30和一对窄带低反光栅31构成，增益介质1为掺镱光纤。温度控制模块4对两个光栅的分别调整，以补偿在后向泵浦方式中泵浦功率不均匀而造成的光栅温差。谐振腔的输入端17、输出端27切角8°，来抑制寄生振荡，其中输出端27用来输出激光。

实施例3：

如图3所示，本实施例的一种简易超连续谱光纤谐振腔，包括依次顺序串联连接的输入端17、泵浦源系统10，窄带高反光栅30，增益介质1，窄带低反光栅31，泵浦源系统10，包层光滤除器2，输出端27，还包括用于对窄带高反光栅30和窄带低反光栅31进行温度控制的温度控制模块4。包层光滤除器2用于滤除多余泵浦光。

本实施例中，位于输入端17和窄带高反光栅30之间的泵浦源系统10为前向泵浦源，包括泵浦/信号合束器101和泵浦源102，泵浦源102为6个976nm半导体激光器。

本实施例中，位于窄带低反光栅31和输出端27之间的泵浦源系统10为后向泵浦源，包括泵浦/信号合束器101和泵浦源102，泵浦源102为6个976nm半导体激光器。

谐振腔由一对窄带高反光栅30和一对窄带低反光栅31构成，增益介质1为掺镱光纤。谐振腔的输入端17、输出端27切角8°来抑制寄生振荡，其中输出端27用来输出激光。温度控制模块4对两个光栅分别调整，以补偿在泵浦过程中前后向泵浦源分布不均匀造成的光栅温度差。

对比例1：

本对比例1与实施例4大致相同，不同之处在于：本对比例采用窄带高反光栅30替代窄带低反光栅31。

本对比例1无法输出超连续谱光源。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种简易超连续谱光纤谐振腔，其特征在于：包括至少一个泵浦源系统(10)，以及依次顺序串联连接的输入端(17)、窄带高反光栅(30)、增益介质(1)、窄带低反光栅(31)、输出端(27)，至少一个所述泵浦源系统(10)设置在窄带高反光栅(30)和输入端(17)之间和/或设置于窄带低反光栅(31)和输出端(27)之间。

2.根据权利要求1所述的简易超连续谱光纤谐振腔，其特征在于：还包括包层光滤除器(2)，所述包层光滤除器(2)紧邻在输出端(27)前用于滤除多余泵浦光。

3.根据权利要求1所述的简易超连续谱光纤谐振腔，其特征在于：所述简易超连续谱光纤谐振腔还包括温度控制模块(4)，所述温度控制模块(4)用于对窄带高反光栅(30)和窄带低反光栅(31)进行温度控制。

4.根据权利要求3所述的简易超连续谱光纤谐振腔，其特征在于：所述温度控制模块(4)为半导体温度调节器或水冷器。

5.根据权利要求1所述的简易超连续谱光纤谐振腔，其特征在于：所述窄带高反光栅(30)的中心波长在1018nm～1150nm之间，反射带宽小于1nm，反射率大于99％。

6.根据权利要求5所述的简易超连续谱光纤谐振腔，其特征在于：所述窄带低反光栅(31)的中心波长在1018nm～1150nm之间，反射带宽小于0.2nm，反射率在1％～20％之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的简易超连续谱光纤谐振腔，其特征在于：所述泵浦源系统(10)包括泵浦源(102)和泵浦/信号合束器(101)；当泵浦源系统(10)设置在窄带高反光栅(30)和输入端(17)之间时，所述泵浦源(102)与泵浦/信号合束器(101)的信号输入端连接，所述泵浦/信号合束器(101)的信号输出端与窄带高反光栅(30)连接；

当泵浦源系统(10)设置在窄带低反光栅(31)和输出端(27)之间时，所述泵浦/信号合束器(101)的信号输入端与窄带低反光栅(31)连接，所述泵浦/信号合束器(101)的信号输出端与所述输出端(27)连接。

8.根据权利要求7所述的简易超连续谱光纤谐振腔，其特征在于：所述泵浦源(102)为半导体激光器、光纤激光器和固体激光器中的一种或多种。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的简易超连续谱光纤谐振腔，其特征在于：所述增益介质(1)为掺镱光纤和/或光子晶体光纤；所述增益介质(1)自内而外依次包括纤芯、包层和涂覆层，包层包括内包层和外包层，内包层靠近纤芯一侧设置，外包层靠近涂覆层一侧设置，内包层的折射率大于外包层的折射率。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的简易超连续谱光纤谐振腔，其特征在于：所述输出端(27)或输入端(17)的切角为0°～12°，不包括0°。

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