一種在放大器中直接產生中紅外超連續譜的方法

2023-09-11 03:06:05 1

專利名稱：一種在放大器中直接產生中紅外超連續譜的方法
技術領域：
本發明屬於雷射光電子技術領域，特別涉及一種在放大器中直接產生中紅外超連續譜的方法。
背景技術：
窄帶脈衝在介質中由於極度的非線性光譜展寬效應而產生的寬帶連續譜被稱為超連續譜(Supercontinuum)。超連續譜光源具有光譜範圍寬、相干性好等優點，在生物醫學、非線性光譜學、光學相干層析、光頻率計量學等領域有著重要的應用。如今利用光子晶體光纖可實現光譜範圍覆蓋可見到近紅外波段的超連續譜光源，丹麥的NKT光子公司、武漢安揚雷射技術公司等已有商用的超連續譜光源產品，輸出光譜範圍可覆蓋400-2400nm，最大輸出功率超過8W。近年來隨著雷射技術的發展和實際應用的需求，如何提高超連續譜的輸出功率，以及如何將超連續譜光源的光譜範圍向紫外和中紅外波段擴展是超連續譜光源發展的最新趨勢和新的研究熱點。近年來，2-5 μ m波段的中紅外光源在生物醫學、紅外物理、紅外對抗、環境監測、工業過程控制等民用領域都有廣泛的應用前景。利用化學雷射器、光學參量振蕩器、光學參量放大器和量子級聯雷射器等都可以實現中紅外波段的雷射光源，但是輸出光譜帶寬受到限制，而其它寬光譜光源，亮度和相干度又很低。高平均功率2-5 μ m中紅外超連續光源(Mid-1R SC)能同時提供高的亮度、相干度和寬的光譜帶寬，在特定條件下使用性能和便捷性將大大優於其他中紅外光源，可成為多領域的常備儀器。目前，已有的2-5μ m超連續相干光源都是採用雷射器泵浦高非線性軟玻璃光纖包括光子晶體光纖的方案來實現的。如申請號為201210276184.5的中國專利「超連續光源激勵的中紅外超連續譜光纖雷射器」中所述，將放大的脈衝雷射通過一段石英光子晶體光纖產生2-3 μ m的超連續譜，再將此2-3 μ m的超連續譜耦合進一段硫系玻璃光纖中，得到2-5 μ m的超連續譜雷射輸出，其中涉及的石英光子晶體光纖和硫系玻璃光纖均是單模無源光纖，纖芯小，不利於高平均功率中紅外超連續譜的產生，同時轉換效率比較低。

發明內容
本發明針對現有的中紅外超連續譜光纖雷射器的不足之處，提供一種在放大器中直接產生中紅外超連續譜光源的方法，用以解決現有中紅外超連續譜光纖雷射器輸出功率低及轉換效率低的問題，實現高功率、高轉換效率的中紅外超連續譜光源的輸出。本發明提供的在放大器中直接產生中紅外超連續譜光源的方法，具體包括以下步驟:第一步，構建中紅外超連續譜產生系統.中紅外超連續譜產生系統由脈衝種子光源，種子放大器，超連續譜放大器組成。超連續譜放大器由泵浦光源，合束器，增益光纖組成。脈衝種子光源通過光纖與種子放大器相連，種子放大器輸出端通過光纖與合束器的信號臂相連，泵浦光源通過光纖與合束器的泵浦臂相連，合束器的輸出尾纖與增益光纖採用機械對接或者熔接的方式連接。脈衝種子光源輸出光脈寬為Ps量級或ns量級，脈衝種子光源輸出光的中心波長在增益光纖的增益範圍內即可，功率小於lOOmW。種子放大器由一級或者多級放大結構組成，種子放大器的輸出功率上百mW。超連續譜放大器的增益光纖為雙包層光纖，其光纖基底包括:氟化物光纖、硫化物光纖、碲化物光纖；增益光纖的摻雜離子可從以下6種中任選一種:鉺、鐿、鉺鐿共摻、銩、欽、銩欽共摻；增益光纖的長度根據其吸收係數的大小決定，其吸收係數X (dB/m)與長度L (m)的關係滿足:x*L 20dB。泵浦光源3的輸出光中心波長根據增益光纖中摻雜離子的能級結構以及脈衝種子光源的輸出中心波長來確定，功率為W量級。合束器的信號光輸入臂中心波長與脈衝種子光源的中心波長相等，泵浦光輸入臂與泵浦光源中心波長相等。第二步，用種子放大器對脈衝種子光源的輸出光(稱為種子光)進行功率放大，產生功率為幾百mW的信號雷射，此信號雷射可以是僅對種子光的功率放大得到的雷射，也可以是對種子光的功率、光譜範圍同時放大得到的雷射；第三步，種子放大器輸出的信號雷射與泵浦光源的輸出雷射通過合束器合束之後同時入射到增益光纖中，得到中紅外超連續譜光源輸出。採用本發明可以達到以下技術效果:1.由於本發明產生中紅外超連續譜的非線性光纖是超連續譜放大器中的增益光纖，此光纖為大芯徑雙包層光纖，相對以前方案(如背景技術中的單模光子晶體光纖、單模硫系玻璃光纖)中的光纖芯徑可以成倍增加，大大突破了以前方案中芯徑對超連續譜輸出功率的限制。2.由於本發明是從超連續譜放大器中直接輸出中紅外超連續譜，因此半導體泵浦光到超連續譜的光光轉換效率得到了大幅提升。綜上，採用此發明比「雷射器泵浦高非線性光纖(包括光子晶體光纖)」方案更適合產生高平均功率中紅外超連續譜光源。


圖1為本發明在放大器中產生中紅外超連續譜光源的方法流程示意圖；圖2為本發明第一步構建的中紅外超連續譜產生系統的結構示意圖。
具體實施例方式圖1為本發明在放大器中產生中紅外超連續譜光源的方法流程示意圖；本發明包括以下步驟:步驟SI，構建如圖2所示的中紅外超連續譜光源產生系統；步驟S2，用種子放大器2對脈衝種子光源I的輸出光(稱為種子光)進行功率放大，產生功率為幾百mW的信號雷射；步驟S3，將種子放大器2輸出的信號雷射與泵浦光源3的輸出雷射通過合束器4合束之後同時入射到增益光纖5中，得到中紅外超連續譜光源輸出。圖2為本發明第一步構建的中紅外超連續譜產生系統的結構示意圖。這種在放大器中產生中紅外超連續譜光源的雷射器由脈衝種子光源1，種子放大器2，超連續譜放大器6 (由泵浦光源3，合束器4，增益光纖5組成)組成。脈衝種子光源I通過光纖與種子放大器2相連，種子放大器2輸出端通過光纖與合束器4的信號臂相連，泵浦光源3通過光纖與合束器4的泵浦臂相連，合束器4輸出尾纖與增益光纖5採用機械對接或者熔接的方式連接。國防科大搭建的中紅外超連續譜產生系統中，採用的增益光纖5為雙包層的摻銩氟化物光纖，由此脈衝種子光源I輸出中心波長為2μπι (此波長處於增益光纖5的增益範圍內)，脈衝種子光源I輸出光的脈寬2ns,輸出功率IOmW ;種子放大器2由一級放大結構組成，其輸出的信號光功率為150mW ;根據摻錢氟化物光纖中錢的能級結構和脈衝種子光源I輸出光的中心波長(2 μ m)確定泵浦光源3的中心波長為793nm,泵浦光源3的輸出最大功率為30W。合束器4與種子放大器2連接的輸入臂(信號臂)中心波長為2 μ m,與泵浦光源3連接的輸入臂(泵浦臂)中心波長為1550nm ;增益光纖5在793nm處的吸收係數為1.5dB/m,由此選擇光纖長度為14m。本實施例中，從種子放大器2輸出了 2-3 μ m超連續譜，將此超連續譜與泵浦光源3的輸出光通過合束器4合束之後耦合進增益光纖5中，得到2-5 μ m中紅外超連續譜光源輸出。以上對本發明所提供的在增益光纖中產生中紅外超連續譜光源的方法進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種在放大器中直接產生中紅外超連續譜的方法，其特徵在於包括以下步驟: 第一步，構建中紅外超連續譜產生系統.中紅外超連續譜產生系統由脈衝種子光源(1)，種子放大器(2)，超連續譜放大器(6 )組成；超連續譜放大器(6 )由泵浦光源(3 )，合束器(4)，增益光纖(5)組成；脈衝種子光源(I)通過光纖與種子放大器(2)相連，種子放大器(2)輸出端通過光纖與合束器(4)的信號臂相連，泵浦光源(3)通過光纖與合束器(4)的泵浦臂相連，合束器(4)的輸出尾纖與增益光纖(5)採用機械對接或者熔接的方式連接；脈衝種子光源(I)輸出光脈寬為ps量級或ns量級，脈衝種子光源(I)輸出光的中心波長在增益光纖(5)的增益範圍內，功率小於IOOmW ;種子放大器(2)由一級或者多級放大結構組成,種子放大器(2)的輸出功率上百mW ;超連續譜放大器(6)的增益光纖(5)為雙包層光纖，其光纖基底包括:氟化物光纖、硫化物光纖、碲化物光纖；增益光纖(5)的摻雜離子是以下6種中任意一種:鉺、鐿、鉺鐿共摻、錢、欽、錢欽共摻；泵浦光源(3)的輸出光中心波長根據增益光纖(5)中摻雜離子的能級結構以及脈衝種子光源(I)的輸出中心波長來確定，功率為W量級；合束器(4)的信號光輸入臂中心波長與脈衝種子光源(I)的中心波長相等，泵浦光輸入臂與泵浦光源(3)中心波長相等； 第二步，用種子放大器(2)對脈衝種子光源(I)的輸出光即種子光進行功率放大，產生信號雷射； 第三步，種子放大器(2)輸出的信號雷射與泵浦光源(3)的輸出雷射通過合束器(4)合束之後同時入射到增益光纖(5 )中，得到中紅外超連續譜光源輸出。
2.如權利要求1所述的一種在放大器中直接產生中紅外超連續譜的方法，其特徵在於增益光纖(5)的長度根據其吸收係數的大小決定，其吸收係數X與長度L的關係滿足:x*L ^ 20dB。
3.如權利要求1所述的一種在放大器中直接產生中紅外超連續譜的方法，其特徵在於所述種子放大器(2)對種子光進行功率放大得到的信號雷射是僅對種子光的功率放大得到的雷射或對種子光的功 率、光譜範圍同時放大得到的雷射，該信號雷射功率為幾百mW。
全文摘要
本發明公開了一種在放大器中直接產生中紅外超連續譜的方法，目的是解決現有中紅外超連續譜光纖雷射器輸出功率低及轉換效率低的問題。技術方案是先構建由脈衝種子光源，種子放大器，超連續譜放大器組成的中紅外超連續譜產生系統，超連續譜放大器由泵浦光源，合束器，增益光纖組成。用種子放大器對脈衝種子光源的輸出光即種子光進行功率放大，產生信號雷射；信號雷射與泵浦光源的輸出雷射通過合束器合束之後同時入射到增益光纖中，得到中紅外超連續譜光源輸出。採用本發明突破了芯徑對超連續譜輸出功率的限制，半導體泵浦光到超連續譜的光光轉換效率得到了大幅提升，實現了高功率、高轉換效率的中紅外超連續譜光源的輸出。
文檔編號G02F1/39GK103151687SQ20131007457
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月10日 優先權日2013年3月10日
發明者侯靜, 張斌, 李熒, 楊未強, 殷科, 姜宗福 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學