基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源的製作方法
2023-05-16 22:50:31
專利名稱：基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖雷射技術領域，特指一種能實現高平均功率全光纖化超連續譜輸出的光源。
背景技術：
目前，採用光纖雷射泵浦光子晶體光纖實現的低功率超連續譜光源已經成為一種實用化的商品。但是，某些應用領域需要具有高平均輸出功率和高光譜密度的超連續譜光源，現有的超連續譜光源尚不能滿足需求。超連續譜光源一般包括泵浦源和超連續譜產生介質兩部分。泵浦雷射的參數(工作波長，脈衝寬度，脈衝峰值功率)和非線性介質的特性(色散特性，非線性響應)共同決定了何種非線性效應可以發生以及最終輸出的超連續譜形式。實際上泵浦源的參數和光纖特性的細小差別會對超連續譜產生過程以及最終輸出的光譜產生顯著影響，只有非線性介質的特性同泵浦源比較匹配時才能夠產生比較理想的超連續譜。目前，獲得高平均輸出功率和高光譜密度的超連續譜主要是利用技術比較成熟的高功率光纖雷射泵浦單芯光子晶體光纖來開展的。為實現超連續光譜的極大展寬，要求泵浦雷射工作波長應該選擇在靠近光子晶體光纖零色散點的反常色散區。但是高功率泵浦源的輸出尾纖的纖芯直徑一般都大於10微米，色散特性與之匹配的光子晶體光纖的纖芯直徑小於10微米，兩者之間存在較大的模場不匹配，這使得高功率泵浦雷射到光子晶體光纖的耦合十分困難。雖然可以通過增加單芯光子晶體光纖的纖芯直徑來減小模場不匹配，但是這一方面會降低單芯光子晶體光纖的非線性係數，另一方面也會改變光子晶體光纖的色散特性，不利於超連續譜的產生。模場不匹配導致的較大耦合損耗會降低系統的光學轉換效率，更為嚴重的是耦合損耗過大還會引起熔接點的熱損傷。即使高功率泵浦雷射的耦合問題得以解決，由於單芯光子晶體光纖的模場直徑相對較小，熱效應以及雷射損傷等因素也從根本上限制了基於單芯光子晶體光纖的超連續譜光源的輸出功率。近年來，多芯光子晶體光纖的概念被提出。多芯光子晶體光纖的各個纖芯之間的光場相互耦合可以形成所謂「超模」，其中的同相超模具有類高斯型的遠場強度分布，有效模場分布面積較大，並且其模場分布對熱和應力不敏感。另外，多芯光子晶體光纖超模的色散特性與具有相同空氣填充比的單芯光子晶體光纖的色散特性差別較小。所以，多芯光子晶體光纖可在擁有較大模場面積的同時具有同泵浦雷射比較匹配的色散特性。有文獻證明採用多芯光子晶體光纖可以實現超連續譜的產生，但是這些文獻中泵浦雷射都是採用透鏡耦合方式進入到光子晶體光纖中，這降低了系統的穩定性，不利於實際應用。目前，已有連續譜光源相關的授權專利公告，但尚未有採用多芯光子晶體光纖作為超連續譜產生介質的專利。
發明內容為克服現有基於單芯光子晶體光纖的超連續譜產生技術中的不足，提升超連續譜光源的平均輸出功率，本發明提出一種基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源，能實現高平均功率全光纖化超連續譜輸出。本發明提出的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源由帶輸出尾纖的泵浦雷射器和多芯光子晶體光纖兩部分組成，把選用的泵浦雷射器的輸出尾纖同模場和色散特性匹配的多芯光子晶體光纖的輸入端進行熔接，即構成了全光纖化的超連續譜光源。所述的泵浦雷射器為:工作波長與多芯光子晶體光纖的色散特性相匹配；帶尾纖輸出，並且從尾纖中輸出的雷射的光束質量好，為基橫模或者接近基橫模；輸出尾纖的模場與多芯光子晶體光纖的超模的模場相匹配；輸出雷射進入到多芯光子晶體光纖中能夠有效地激發超連續譜。所述的泵浦雷射器為摻稀土離子(鐿、鉺、銩、欽、鉍等)光纖雷射器或者基於非線性效應的光纖雷射器(拉曼光纖雷射器，參量光纖雷射器等)，或者是固體雷射器，或者是半導體雷射器，通過耦合系統把輸出雷射耦合到光纖中，構成帶輸出尾纖的泵浦雷射器。泵浦雷射器的工作方式可以是脈衝雷射運行，也可以是連續波雷射運行。所述的多芯光子晶體光纖為超連續譜產生介質，能夠形成穩定的同相超模，並支持其低損耗傳輸；多芯光子晶體光纖的色散特性與泵浦雷射器的工作波長相匹配；多芯光子晶體光纖的同相超模的模場與泵浦雷射的輸出尾纖的模場相匹配；具有非線性特性，滿足功率條件即滿足可產生超連續譜條件。所述的多芯光子晶體光纖的特性通過設計光纖來實現，設計光子晶體光纖主要是考慮光纖的端面結構，多芯光子晶體的端面由光纖基底材料、纖芯和與光纖基底材料折射率不同的孔組成。通過改變各個部分的折射率，幾何尺寸和排布方式，可實現不同的光纖特性。所述的多芯光子晶體光纖的基底材料要根據所需超連續譜的波段進行合理選擇，包括純石英(主要產生可見光和近紅外波段超連續譜)，碲化物，硫化物和氟化物材料(主要產生紅外波段超連續譜)。所述的多芯光子晶體光纖的纖芯數目沒有嚴格要求(可以是七芯，十九芯或者其它數目)。纖芯的折射率可以與光纖基底材料相同，也可以不同。各個纖芯的折射率和幾何形狀可以相同，也可以不同。纖芯的材料中可以摻稀土元素，也可以不摻。所述的多芯光子晶體光纖端面的孔可以是空氣孔，也可以由其它高折射率材料填充。單個孔的形狀可以是圓形，橢圓形或其它的形狀，每一個孔與其它的孔的形狀可以一樣，也可以不一樣。孔的整體排布可以是允許的任意形狀(正六邊形，正八邊形，正十二邊形，圓形等)。所述的多芯光子晶體光纖的外徑沿光纖縱向可以是均勻的，也可以是非均勻。所述的泵浦雷射器的輸出尾纖同多芯光子晶體光纖的輸入端進行熔接時，可以運用光子晶體光纖後處理技術，對光子晶體光纖端面進行處理，進一步減小熔接損耗。本發明的優點在於:採用具有較大模場面積，色散特性可調節的多芯光子晶體光纖作為超連續譜的產生介質，有效解決了常規採用單芯光纖晶體光纖作為超連續譜的產生介質在實現高平均功率全光纖化超連續譜產生時，存在的泵浦雷射耦合困難、光子晶體光纖的色散特性與泵浦雷射工作波長不匹配等問題，能有效實現高平均功率全光纖化超連續譜輸出，同時大大提升了系統的功率上限。該光源還利用成熟的高功率光纖雷射技術、光子晶體光纖製造技術和光子晶體光纖後處理技術，簡化了高平均功率全光纖化超連續譜光源的系統結構，降低了系統成本，便於工業化生產和應用。
圖1為本發明提出的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源的結構示意圖，圖2為一種具體實施例中採用的多芯光子晶體光纖的端面結構示意圖。
具體實施方式
圖中:1_帶輸出尾纖的泵浦雷射器；2_多芯光子晶體光纖；3_泵浦雷射器的輸出尾纖3 ；4-熔接點；5_光子晶體光纖的基底材料；6_光子晶體光纖的纖芯；7_小孔。
以下結合附圖與具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。此處所描述的具體實施例僅用於解釋本發明，但不應以此限制本發明的保護範圍。圖1為本發明提出的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源的結構示意圖。如圖所示，本發明提出的超連續譜光源包括帶輸出尾纖的泵浦雷射器1，多芯光子晶體光纖2，其中，泵浦雷射器I的輸出尾纖3與多芯光子晶體光纖2的一個端面進行熔接構成全光纖結構，熔接點4。當泵浦雷射耦合進入到與之匹配的多芯光子晶體光纖2，由於各種非線性效應的作用，在多芯光子晶體光纖2中形成超連續譜，產生的超連續譜從多芯光子晶體光纖2的另一個端面輸出。在本發明的一種具體的實施例中，泵浦雷射器I採用皮秒脈衝摻鐿光纖雷射器，其工作波長在1.06微米附近，脈衝寬度為20皮秒左右，脈衝重複頻率為500兆赫茲，平均功率為56瓦,輸出尾纖3為纖芯直徑15微米，內包層直徑130微米的雙包層光纖；該泵浦雷射器從尾纖輸出的雷射的光場為基模分布。圖2為該實施例中採用的多芯光子晶體光纖的端面結構示意圖。該多芯光子晶體光纖為七芯光纖晶體光纖，光子晶體光纖的基底材料5為純石英，光子晶體光纖的纖芯6為正六邊，端面上小孔7成正六邊形排布，並且都是孔直徑為1.49微米的圓形空氣孔，任意相鄰兩個孔的孔間距為3.26微米，纖芯是通過取消對應位置的一個空氣孔形成的。實施例中多芯光子晶體光纖的外徑沿光纖縱向是均勻的，長度為20 m；在最大泵浦雷射功率下，該實施例中的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源輸出平均功率為40 W，光譜範圍為600—1700納米的超連續譜，輸出光場為同相超模分布。
權利要求1.基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源，包括帶輸出尾纖的泵浦雷射器和多芯光子晶體光纖，其特徵在於，把選用的泵浦雷射器的輸出尾纖同模場和色散特性匹配的多芯光子晶體光纖的輸入端進行熔接，即構成了全光纖化的超連續譜光源； 所述的泵浦雷射器為:工作波長與多芯光子晶體光纖的色散特性相匹配；帶尾纖輸出，並且從尾纖中輸出的雷射的光束質量好，為基橫模或者接近基橫模；輸出尾纖的模場與多芯光子晶體光纖的同相超模的模場相匹配；輸出雷射進入到多芯光子晶體光纖中能夠有效地激發超連續譜； 所述的多芯光子晶體光纖是超連續譜產生介質，能夠形成穩定的同相超模，並支持其低損耗傳輸；多芯光子晶體光纖的色散特性與泵浦雷射器的工作波長相匹配；多芯光子晶體光纖的同相超模的模場與泵浦雷射的輸出尾纖的模場相匹配；具有非線性特性，滿足功率條件即可產生超連續譜條件。
2.根據權利要求1所述的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源，其特徵在於，所述的泵浦雷射器為摻稀土離子，包括鐿、鉺、銩、欽、鉍的光纖雷射器或者基於非線性效應的光纖雷射器，包括拉曼光纖雷射器、參量光纖雷射器，或者固體雷射器，或者半導體雷射器，通過耦合系統把輸出雷射耦合到光纖中，構成帶輸出尾纖的泵浦雷射器。
3.根據權利要求1所述的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源，其特徵在於，泵浦雷射器的工作方式可以是脈衝雷射運行，也可以是連續波雷射運行。
4.根據權利要求1所述的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源，其特徵在於，所述的多芯光子晶體光纖的端面由光纖基底材料、纖芯和與光纖基底材料折射率不同的孔組成，改變各個部分的折射率，幾何尺寸和排布方式，可實現不同的光纖特性。
5.根據權利要求1所述的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源，其特徵在於，所述的多芯光子晶體光纖的基底材料包括純石英，碲化物，硫化物和氟化物材料。
6.根據權利要求1所述的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源，其特徵在於，所述的多芯光子晶體光纖的纖芯數目可以是七芯、十九芯或者其它數目；纖芯的折射率可以與光纖基底材料相同，也可以不同；各個纖芯的折射率和幾何形狀可以相同，也可以不同；纖芯的材料中可以摻稀土元素，也可以不摻。
7.根據權利要求1所述的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源，其特徵在於，所述的多芯光子晶體光纖端面的孔可以是空氣孔，也可以由其它高折射率材料填充；單個孔的形狀可以是圓形，橢圓形或其它的形狀，每一個孔與其它的孔的形狀可以一樣，也可以不一樣；孔的整體排布可以是允許的任意形狀。
8.根據權利要求1所述的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源，其特徵在於，所述的多芯光子晶體光纖的外徑沿光纖縱向可以是均勻的，也可以是非均勻。
9.根據權利要求1所述的基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源，其特徵在於，所述的泵浦雷射器的輸出尾纖同多芯光子晶體光纖的輸入端進行熔接時，可以運用光子晶體光纖後處理技術，對光子晶體光纖端面進行處理，進一步減小熔接損耗。
專利摘要本實用新型提出一種基於多芯光子晶體光纖的超連續譜光源，由帶輸出尾纖的泵浦雷射器，多芯光子晶體光纖兩部分組成。把選用的泵浦雷射器的輸出尾纖同模場和色散特性匹配的多芯光子晶體光纖的輸入端進行熔接，即構成全光纖化的超連續譜光源。採用具有較大模場面積和色散特性可調節的多芯光子晶體光纖作為超連續譜的產生介質，有效解決了常規採用單芯光纖晶體光纖作為超連續譜的產生介質在實現高平均功率全光纖化超連續譜產生時，存在的泵浦雷射耦合困難、光子晶體光纖的色散特性與泵浦雷射工作波長不匹配等問題，能有效實現高平均功率全光纖化超連續譜輸出，同時大大提升了系統的功率上限。
文檔編號G02F1/365GK202995205SQ201220703339
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月18日 優先權日2012年12月18日
發明者諶鴻偉, 靳愛軍, 郭良, 侯靜, 陳勝平, 陳子倫, 陸啟生 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學