TW201500785A

TW201500785A - 超連續光譜產生系統

Info

Publication number: TW201500785A
Application number: TW102121462A
Authority: TW
Inventors: Ci-Ling Pan; Alexey Zajtsev; Chih-Hsuan Lin; Yi-Jing You
Original assignee: Nat Univ Tsing Hua
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2015-01-01
Also published as: US20140368900A1; TWI474060B; US9256114B2

Abstract

一種超連續光譜產生系統，包括一似噪脈衝光纖雷射結構、一放大單元以及一展寬介質。似噪脈衝光纖雷射結構產生波長小於1,300 nm的複數似噪脈衝。放大單元具有一增益光纖，似噪脈衝係耦接至增益光纖。展寬介質與增益光纖耦接。其中似噪脈衝經放大單元放大以及展寬介質展寬後，進而產生一超連續光譜。

Description

超連續光譜產生系統

本發明係關於一種超連續光譜產生系統。

超連續（Supercontinuum）光譜是在1970年首先被觀察到之高能量強度、窄頻譜的光脈衝，在行進穿過非線性效應明顯的光學元件之後，可以發現其頻譜經歷了極大幅度的增寬，此整體現象即稱為超連續光譜的產生。若能降低產生超連續光譜所需的脈衝能量，則因其天生的同調性與基模高亮度，這種白光光源可以應用在生物、化學與材料的量測。另外，相較於混合兩種互補色光作出擬似白光效果、實際上並非連續光譜的白光LED，以及在光學設計運用上較為笨重且不夠靈活的螢光燈管相較可知，超連續光譜手段產生的白光顯然是很有潛力的白光光源。

而超連續光譜的產生，來自多個非線性光學效應的綜合作用，目前的研究主要是在維持寬廣之輸出頻譜的前提下，降低產生超連續光譜所需要的最低平均輸入功率。為達到該目標，不外乎在兩個方面改進：一是將輸入光源的能量收束在更窄的脈衝之中，以達成更高的瞬間光強度；二是使用非線性效應更明顯的光學元件，其中，以該些方法所產生的超連續光譜通常出現在異色散（anomalous dispersion）區域。

為將輸入光源的能量收束在更窄的脈衝，需使用經過放大的飛秒等級雷射，其中又以鈦藍寶石雷射（Ti:Sapphire）為主。然而，鈦藍寶石體積過於龐大也過於昂貴；而使用非線性效應更明顯的光學元件，亦有成本昂貴的問題。

因此，如何提供一種超連續光譜產生系統，可以更簡單的方式，無需使用飛秒等級的雷射，便可產生超連續光譜，已成為重要的課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種超連續光譜產生系統，可以更簡單的方式，無需使用飛秒等級的雷射，便可產生超連續光譜。

為達上述目的，依據本發明之一種超連續光譜產生系統，包括一似噪脈衝光纖雷射結構、一放大單元以及一展寬介質。似噪脈衝光纖雷射結構產生波長小於1,300 nm的複數似噪脈衝。放大單元具有一增益光纖，似噪脈衝係耦接至增益光纖。展寬介質與增益光纖耦接，其中似噪脈衝經放大單元放大以及展寬介質展寬後，進而產生一超連續光譜。

在一實施例中，似噪脈衝光纖雷射結構具有一摻鐿光纖、一光圈以及一光柵對。

在一實施例中，放大單元更具有一光纖準直器、一激光光源以及一功率合成器，光纖準直器準直由似噪脈衝光纖雷射結構輸出的似噪脈衝，並輸出至功率合成器，激光光源發出一激光入射至功率合成器，功率合成器將經準直後的似噪脈衝輸出至增益光纖。

在一實施例中，激光光源包括至少一雷射二極體。

在一實施例中，其中超連續光譜產生系統更包括一光隔離單元，耦接似噪脈衝光纖雷射結構以及放大單元。

在一實施例中，增益光纖包括摻鐿光纖、或摻鉺光纖。

在一實施例中，展寬介質包括單模光纖、或高非線性光纖、或非線性晶體。

在一實施例中，超連續光譜的頻寬大於100 nm。

在一實施例中，超連續光譜係於正色散區域中出現。

在一實施例中，超連續光譜的波長介於1,000 nm至1,300 nm。

承上所述，依據本發明之一種超連續光譜產生系統，藉由似噪脈衝光纖雷射結構產生一中心波長小於1,300 nm的似噪脈衝，且在正色散的區域中。似噪脈衝經由放大單元的放大以及展寬介質的展寬後，可產生一超連續光譜。更進一步來說，超連續光譜亦位於正色散區域。

總的來說，本發明之超連續光譜產生系統所產生的超連續光譜不僅可以應用在光學傳輸上、作為可調波長的光源或是白光光源、氣體偵測器，更可作為光學同調斷層掃描（Optical Coherent Tomography, OCT），進而廣泛地應用於醫療顯示。

1‧‧‧超連續光譜產生系統
11‧‧‧似噪脈衝光纖雷射結構
111、123‧‧‧激光光源
112‧‧‧摻鐿光纖
113‧‧‧光柵對
114‧‧‧光圈
115a、115b‧‧‧反射鏡
116、124‧‧‧功率合成器
117‧‧‧偏極化分光鏡
12‧‧‧放大單元
121‧‧‧增益光纖
122‧‧‧光纖準直器
13‧‧‧展寬介質
14‧‧‧光隔離單元
F‧‧‧被動光纖
NLP‧‧‧似噪脈衝

圖1為本發明一實施例之一種超連續光譜產生系統的示意圖。
圖2為本發明又一實施例之一種超連續光譜產生系統的示意圖。
圖3A為圖2所示之超連續光譜產生系統所產生之似噪脈衝的自相關干涉曲線圖。
圖3B為正常脈衝的自相關干涉曲線圖。
圖4A為不同功率的似噪脈衝輸入至超連續光譜產生系統所產生之超連續光譜輸出頻譜圖。
圖4B為不同功率的正常脈衝輸入至超連續光譜產生系統後，其對應的輸出頻譜圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種超連續光譜產生系統，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖1為本發明一實施例之一種超連續光譜產生系統的示意圖。如圖1所示，超連續光譜產生系統1包括一似噪脈衝光纖雷射結構11、一放大單元12以及一展寬介質13。其中，似噪脈衝光纖雷射結構11用以產生波長小於1,300 nm的似噪脈衝（noise-like pulse）NLP。一般而言，將中心波長小於1,300 nm的區域稱為正色散區域，本發明係使用中心波長小於1,300 nm的似噪脈衝NLP以產生超連續光譜，故可稱之為於正色散區域產生超連續光譜。另外，一般係定義大於60nm以上即可稱為超連續光譜。

較佳的，放大單元12具有一增益光纖121，似噪脈衝NLP係耦接至增益光纖121。放大單元12更具有一光纖準直器122、一激光光源（pump light source）123以及一功率合成器（power combiner）124。光纖準直器122接收由似噪脈衝光纖雷射結構11所輸出的似噪脈衝NLP，並準直似噪脈衝NLP以輸出至功率合成器124。

另外，激光光源123可包括一或多個雷射二極體（laser diode），以發出一激光。本實施例中，激光光源123的泵浦功率（pump power）可介於4W～13W之間，於此，泵浦功率係以13W為例，且以發出波長915 nm的激光為例。而激光光源123所發出激光進一步入射至功率合成器124。

換言之，功率合成器124係透過被動光纖F與光纖準直器122及激光光源123，使得經由光纖準直器122準直後的似噪脈衝NLP，以及激光光源123所發出激光，可經由被動光纖F傳遞至功率合成器124。其中，被動光纖F之內徑係為10微米，外徑則為125微米。接著，功率合成器124更可進一步的將激光及經準直後的似噪脈衝NLP進行合成後輸出至增益光纖121。

經準直且與激光合成後的似噪脈衝NLP，可藉由在增益光纖121內傳遞的過程中，獲得能量的增益，即放大似噪脈衝NLP。增益光纖121依所用的激光光源不同，可包括摻鐿光纖（Yb-doped fiber）、或摻鉺光纖（Er-doped fiber），於本實施例中，係以摻鐿光纖為例，且較佳的，係使用2公尺的摻鐿光纖。其中，摻鐿光纖可具有雙包層（double cladding layer）的結構，且其纖蕊摻雜有稀土元素中的鐿（Yb），以提高能量增益的效果。而對於摻鐿光纖而言，與915nm的激光結合時，最不容易受到溫度的影響。因此，激光的波長的選擇使用，係與增益光纖121的材質相關，故本發明不以915nm的激光為限。

展寬介質13係與增益光纖121耦接，以接收經增益光纖121放大後的似噪脈衝NLP，並使似噪脈衝NLP的頻寬得以展寬。一般而言，展寬介質13的色散小，故傳送距離較長，且可擴展激光脈衝的頻寬，但展寬介質13僅能接收非線性或接近單束的激光脈衝。而展寬介質13可包括單模光纖（single mode fiber, SMF）、或高非線性光纖（highly nonlinear fiber, HNLF）、或非線性晶體，而本發明係以單模光纖為例。因此，展寬介質13接收經放大單元12的增益光纖121放大且非線性（接近單束）的似噪脈衝NLP後，可擴展似噪脈衝NLP的頻寬，進而產生一超連續光譜SC（請先參考圖4A）。

圖2為本發明又一實施例之一種超連續光譜產生系統的示意圖。如圖2所示，超連續光譜產生系統1更包括一光隔離單元（isolater）14，耦接似噪脈衝光纖雷射結構11以及放大單元12，即設置於似噪脈衝光纖雷射結構11與放大單元12之間。光隔離單元14自似噪脈衝光纖雷射結構11接收似噪脈衝NLP，並將似噪脈衝NLP傳送至放大單元12。其中，光隔離單元14可防止似噪脈衝NLP因為反射而射回似噪脈衝光纖雷射結構11，進而造成似噪脈衝光纖雷射結構11內部元件的損壞。

如圖2所示，較佳的，似噪脈衝光纖雷射結構11係為一鎖模雷射環形共振腔（ring cavity）的設計，且其係可產生似噪脈衝NLP。似噪脈衝光纖雷射結構11包括激光光源111、摻鐿光纖112、光柵對113、光圈114以及二反射鏡115a、115b。藉由激光光源111係發出一激光，激光係耦合至摻鐿光纖112，光柵對113耦合激光，光圈114具有一孔徑，由光柵對113輸出之光線係部分穿過孔徑並射至反射鏡115a且形成一反射光，反射光再次穿過孔徑並經由光柵對113及反射鏡115b輸出，以耦合回環形共振路徑。於此，光柵對113彼此的相對距離係以10.5cm為例，光柵對113的光柵條紋數目係以600條/mm為例。而激光經由環形共振路徑，並藉由摻鐿光纖112、光柵對113以及光圈114產生高脈衝能量且波長小於1,300 nm的似噪脈衝NLP。更可操作激光光源111的泵浦功率之輸出功率為4～13W，而其所對應產生的似噪脈衝NLP輸出功率則為0.1～1.45W。

另外，似噪脈衝光纖雷射結構11更包括一功率合成器116，用以接收激光光源111所射出的激光，以及經功率放大後的迴授信號，並將激光與迴授信號進行合成後輸出。似噪脈衝光纖雷射結構11另更包括一一偏極化分光鏡（Polarizing Beam Splitter）117，設置於摻鐿光纖112與光柵對113之間，用以輸出似噪脈衝NLP。

詳細而言，於光路徑上，光柵對113係耦合經偏極化分光鏡117分光後的部份激光，以補償色散，提供負的群速度延遲色散（Negative Group Velocity Dispersion, GVD）。另外，激光經過光柵對113作用後，不同波長的光線之射出角度會有所不同，故只要調整光圈114垂直於光路徑之平面上的擺放位置，即可選擇可通過的似噪脈衝光纖雷射結構11所輸出的之噪脈衝NLP的中心波長。換言之，似噪脈衝光纖雷射結構11所輸出之似噪脈衝NLP的中心波長，係可藉由垂直於光路徑之平面上移動光圈114的位置而調整。

圖3A為圖2所示之超連續光譜產生系統所產生之似噪脈衝的自相關干涉曲線圖，請參考圖3A所示。其中，實線的曲線表示形成超連續光譜前所輸入之似噪脈衝NLP，即由似噪脈衝光纖雷射結構11所輸出1W的似噪脈衝NLP；虛線的曲線表示超連續光譜產生系統所輸出之似噪脈衝NLP，係經由似噪脈衝光纖雷射結構11所輸出1W的似噪脈衝NLP，再依序與光隔離單元14、放大單元12以及展寬介質13耦合後所輸出的似噪脈衝NLP。一般而言，若輸入之脈衝與輸出之脈衝的變化不大，可較容易產生超連續光譜。而由圖3A可知，輸入之似噪脈衝NLP與輸出之似噪脈衝NLP的尖峰的頻寬差異不大，而頻寬愈窄，愈容易產生連續光譜。

另外，相較於圖3A，圖3B則為正常脈衝的自相關干涉曲線圖。其中，實線曲線表示由其他光纖雷射結構或似噪脈衝光纖雷射結構11所輸出1W的正常脈衝（高斯脈衝，RP）；而虛線曲線表示該1W的正常脈衝再依序與光隔離單元14、放大單元12以及展寬介質13耦合後所輸出的正常脈衝。比較圖3A及圖3B更可知，圖3A中的似噪脈衝NLP經由放大單元12及展寬介質13耦合後的脈衝寬度幾乎不變，故其脈衝寬度遠小於正常脈衝經放大、展寬後的變化。

圖4A為不同功率的似噪脈衝輸入至超連續光譜產生系統所產生之超連續光譜輸出頻譜圖，圖4B則為不同功率的正常脈衝輸入至超連續光譜產生系統後，其對應的輸出頻譜圖。圖4A所示之超連續光譜輸出圖，係由似噪脈衝光纖雷射結構11分別輸出50 mW、620 mW、1090 mW、1540 mW、1970 mW及2850 mW的似噪脈衝NLP後，再依序經由依序與光隔離單元14、放大單元12以及展寬介質13耦合後所輸出的光譜圖。一般而言，光譜的頻寬大於100 nm可稱為超連續光譜，而由輸出功率最小（50 mW）的似噪脈衝NLP所形成的連續光譜可知，本發明之超連續光譜產生系統1可產生頻寬大於100 nm的超連續光譜，且主要係產生200～300 nm 的超連續光譜，故使用越高功率的似噪脈衝NLP，可產生越寬的連續光譜。另外，由超連續光譜產生系統1所產生的超連續光譜，其主要位於波長1,000 nm～1,300 nm，皆小於1,300 nm，即超連續光譜於正色散區域中出現。因此，本發明之超連續光譜產生系統1可在正色散區域（波長小於1,300 nm似噪脈衝NLP）產生於正色散區域中出現的超連續光譜。

與圖4A相較，圖4B所示之頻譜圖，係將40 mW、150 mW、500 mW、1500 mW及2500 mW的正常脈衝（高斯脈衝），依序與光隔離單元14、放大單元12以及展寬介質13耦合後所輸出的光譜圖。由圖4B可知，正常脈衝所產生之頻譜圖，其頻寬僅有30 nm左右，無法形成超連續光譜。

綜上所述，依據本發明之一種超連續光譜產生系統，藉由似噪脈衝光纖雷射結構產生一中心波長小於1,300 nm的似噪脈衝，且在正色散的區域中。似噪脈衝經由放大單元的放大以及展寬介質的展寬後，可產生一超連續光譜。更進一步來說，超連續光譜亦位於正色散區域。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧超連續光譜產生系統

11‧‧‧似噪脈衝光纖雷射結構

12‧‧‧放大單元

121‧‧‧增益光纖

122‧‧‧光纖準直器

123‧‧‧激光光源

124‧‧‧功率合成器

13‧‧‧展寬介質

F‧‧‧被動光纖

NLP‧‧‧似噪脈衝

Claims

一種超連續光譜產生系統，包括：
一似噪脈衝光纖雷射結構，其產生波長小於1,300 nm的複數似噪脈衝；
一放大單元，具有一增益光纖，該似噪脈衝係耦接至該增益光纖；以及
一展寬介質，與該增益光纖耦接，
其中該似噪脈衝經該放大單元放大以及該展寬介質展寬後，進而產生一超連續光譜。
如申請專利範圍第1項所述之超連續光譜產生系統，其中該似噪脈衝光纖雷射結構具有一摻鐿光纖、一光圈以及一光柵對。
如申請專利範圍第1項所述之超連續光譜產生系統，其中該放大單元更具有一光纖準直器、一激光光源以及一功率合成器，該光纖準直器準直由該似噪脈衝光纖雷射結構輸出的該似噪脈衝，並輸出至該功率合成器，該激光光源發出一激光入射至該功率合成器，該功率合成器將經準直後的似噪脈衝輸出至該增益光纖。
如申請專利範圍第3項所述之超連續光譜產生系統，其中該激光光源包括至少一雷射二極體。
如申請專利範圍第1項所述之超連續光譜產生系統，更包括：
一光隔離單元，耦接該似噪脈衝光纖雷射結構以及該放大單元。
如申請專利範圍第1項所述之超連續光譜產生系統，其中該增益光纖包括摻鐿光纖、或摻鉺光纖。
如申請專利範圍第1項所述之超連續光譜產生系統，其中該展寬介質包括單模光纖、或高非線性光纖、或非線性晶體。
如申請專利範圍第1項所述之超連續光譜產生系統，其中該超連續光譜的頻寬大於100 nm。
如申請專利範圍第1項所述之超連續光譜產生系統，其中該超連續光譜係於正色散區域中出現。
如申請專利範圍第1項所述之超連續光譜產生系統，其中該超連續光譜的波長介於1,000 nm至1,300 nm。