一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源的製作方法

2023-05-27 06:17:06 4

一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，包括：沿光路依次連接的帶輸出尾纖的脈衝泵浦源、一段單模無源光纖、至少一級摻銩光纖放大器、第二光纖合束器和一段摻鉺氟化物光纖，第二泵浦源與所述的第二光纖合束器的第二輸入端相連。本發明使用高功率雷射二極體來泵浦摻鉺的氟化物光纖，使得光譜不僅在該段光纖中由於非線性效應而展寬，同時由於泵浦在2.7微米附近產生高的增益而得到加強，進一步激發在中紅外波段的非線性效應，使得最終獲得的超連續譜具有很寬的波長覆蓋範圍和高平均功率；由於採用了全光纖結構，易於進行集成化和商品化，在頻率測度、波分復用等領域具有廣闊的應用前景。
【專利說明】一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷射光電子【技術領域】，特別是一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源。
【背景技術】
[0002]超連續譜由於其在頻率測量、波分復用和光學相干斷層掃描等領域的應用前景近年來成為研究熱點。在各種各樣的超連續譜產生裝置中，光纖超連續譜光源格外引人注意，這主要是由於全光纖結構的超連續譜光源受外界環境的影響小且易於集成，方便轉化為商業化設備。
[0003]目前已有光纖超連續譜光源主要分為兩類:一類是從紫外延伸到近紅外，另一類則是從近紅外延伸至中紅外。前者主要是利用特殊設計的石英玻璃光子晶體光來實現光譜的展寬，後者則是藉助氟化物玻璃光纖、硫化物玻璃光纖等來輸出超連續譜。二者的區別的根源是石英玻璃光纖在2.2微米以上的高損耗使得通過前者所產生的超連續譜很難延伸至中紅外波段。超連續譜的泵浦源則是多種多樣，從輸出連續光到輸出納秒、皮秒、飛秒脈衝的泵源都已經實現了光譜數百、上千納米的展寬。這其中採用連續光或高重複頻率的納秒光泵浦易於獲得高平均功率的超連續譜，而納秒泵浦光由於其在峰值功率上的優勢被更多的米用。
[0004]一種目前常見的獲得高平均功率超連續譜的方法是:先用納秒、千瓦、波長為1.55微米附近脈衝泵浦一段單模無源光纖，產生波長範圍通常為1.5微米到2.2微米的超連續譜。接著利用摻銩光纖放大器對其進行多級放大，產生兩微米附近的高功率超連續譜。最後用其來泵浦一段在中紅外「透明」的氟化物玻璃、硫化物玻璃等類型的光纖，以產生高平均功率中紅外超連續譜。這一技術方案可以產生平均功率達數十瓦，波長超過4微米的超連續譜，但最後一段光纖的性質限制了超連續譜的轉換效率、平均功率以及光譜展寬範圍的進一步提聞。

【發明內容】

[0005]為獲得性能更為優越的中紅外超連續譜，本發明對上述方法進行了改進，提出了一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，光通過此段光纖時不僅因非線性效應光譜得到展寬，同時相應波段的光譜成分被放大，進而使得中紅外波段的非線性效應到增強。
[0006]本發明的技術解決方案如下:
[0007]—種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，特點在於其構成包括:沿光路依次連接的帶輸出尾纖的脈衝泵浦源、一段單模無源光纖、至少一級摻銩光纖放大器、第二光纖合束器和一段摻鉺氟化物光纖，第二泵浦源與所述的第二光纖合束器的第二輸入端相連。
[0008]所述的一級摻銩光纖放大器由第一泵浦源、第一光纖合束器和一段摻銩石英光纖組成，所述的單模無源光纖與所述的第一光纖合束器的第一輸入端相連，所述的第一泵浦源與所述的第一光纖合束器的第二輸入端相連。[0009]所述的各部件之間以纖芯對齊的方式相互熔接在一起。
[0010]所述的帶輸出尾纖的脈衝泵浦源的輸出波長在在1500納米到1760納米範圍內、輸出脈寬為I到20納秒、峰值功率大於I千瓦。
[0011]所述的一段單模無源光纖的纖芯直徑小於10微米，長度大於10米。
[0012]所述的一段摻銩石英光纖和一段摻鉺氟化物光纖均為雙包層光纖。
[0013]所述的一段摻鉺氟化物光纖為ZBLAN光纖。ZBLAN光纖的主要組分為ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF,各組分的比例通常為 53mol.%ZrF4, 20mol.%BaF2,4mol.%LaF3,3mol.%A1F3，20mol.%NaF。
[0014]所述的第一泵浦源的輸出中心波長在750納米到820納米範圍內。
[0015]所述的第二泵浦源的輸出中心波長在910納米到980納米範圍內。
[0016]與現有技術相比，本發明採用了一段被波長在975納米附近的泵浦源抽運激活的摻鉺ZBLAN玻璃光纖作為最終輸出中紅外超連續譜的光纖，其好處在於光通過此段光纖時不僅因非線性效應光譜得到展寬，同時由於鉺的三價陽離子在2.7微米附近的發射峰的存在，相應波段的光譜成分被放大，進而使得中紅外波段的非線性效應到增強。這對於光譜的進一步的展寬和平均功率的提高都是有好處的。同時由於本發明所採用的全光纖結構，整個系統穩定性高、易於集成且可以在多種外界環境下工作，使得該中紅外超連續譜光源具有廣闊的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發明高平均功率中紅外超連續譜光源的結構示意圖。
[0018]圖2是摻銩石英玻璃和摻鉺ZBLAN玻璃的簡化能級結構示意圖。圖中的各箭頭指出了本發明所利用到的主要躍遷過程。
【具體實施方式】
[0019]下面結合實施例和附圖對本發明做詳細的說明，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
[0020]請先參閱圖1，圖1是本發明高平均功率中紅外超連續譜光源的結構示意圖。本實施例中脈衝泵浦源I為輸出1.55微米、納秒脈衝雷射的鉺鐿共摻光纖雷射器，一段單模無源光纖2為康寧公司的SMF-28e光纖，長度為10米。脈衝泵浦源I的輸出雷射通過一段無源光纖2後光譜展寬為1.5微米到2.2微米，時域上各波長成分的脈衝由1.55微米的納秒脈衝分裂為皮秒、飛秒脈衝。然後通過由第一光纖合束器3、第一泵浦源7和一段摻銩石英光纖4組成的摻銩光纖放大器。其中第一光纖合束器5為(2+1)Χ I合束器，第一泵浦源7為中心波長在793納米附近的高功率雷射二極體，一段摻銩石英光纖4為單模雙包層光纖，在793納米附近的吸收係數約為3dB/米，長度4米。在泵浦光的抽運作用下，放大器在
1.8微米到2.1微米產生了高的增益，提高了通過的超連續譜的平均功率，同時由於非線性效應光譜在其中得到了展寬。但由於銩的三價陽離子在1.6微米到1.8微米的吸收峰的存在，這一波長範圍的光被吸收，所以最終經由摻銩光纖放大器輸出的高功率超連續譜的波長範圍約為1.9微米到2.5微米。需要說明的是，圖1中只有一級摻銩光纖放大器，如果需要放大至更高的功率，這裡也可以接多級同樣地的摻銩光纖放大器。[0021]進入使光譜最終展寬至中紅外波段的階段。第二光纖合束器4也是(2+1) Xl合束器，第二泵浦源8則是中心波長在975納秒附近的高功率雷射二極體。一段摻鉺氟化物光纖6為單模雙包層ZBLAN光纖，在975納米附近的吸收係數約為6dB/米，長度為5米。由於中紅外波段光在ZBLAN光纖中傳輸時的內稟損耗小，使得摻銩光纖放大器輸出的高平均功率超連續譜經歷向中紅外波段的非線性展寬而不被吸收，同時，由於被泵浦光抽運激活後的摻鉺ZBLAN光纖在2.7微米附近具有高的增益使得該波長範圍的超連續譜被放大。放大後的超連續譜激發更強的非線性效應，產生更多的中紅外光譜成分。這一級聯過程使得最終得到的中紅外超連續譜同時具有很高平均功率和很寬的波長覆蓋範圍。
[0022]圖2是摻銩石英玻璃和摻鉺ZBLAN玻璃的簡化能級結構示意圖。第一泵浦源7輸出的793納米附近泵浦光作用於一段摻銩石英光纖4導致了 3H6到3H4的受激吸收過程。2微米附近的超連續譜通過該段光纖時則導致3F4到3H6的受激發射過程。同樣的，第二泵浦源8輸出的975納米附近的泵浦光作用於一段摻鉺氟化物光纖6導致了 4115/2到4Iiv2的受激吸收過程，而在該段光纖中由非線性過程展寬至2.7微米的超連續譜則導致了 4113/2到4I11Z2的受激發射過程。
【權利要求】
1.一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，特徵在於其構成包括:沿光路依次連接的帶輸出尾纖的脈衝泵浦源(I)、一段單模無源光纖(2)、至少一級摻銩光纖放大器、第二光纖合束器(5)和一段摻鉺氟化物光纖(6),第二泵浦源(8)與所述的第二光纖合束器(5)的第二輸入端相連。
2.根據權利要求1所述的一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，其特徵在於，所述的一級摻錢光纖放大器由第一泵浦源(7)、第一光纖合束器(3)和一段摻錢石英光纖(4)組成，所述的單模無源光纖(2)與所述的第一光纖合束器(3)的第一輸入端相連，所述的第一泵浦源(7)與所述的第一光纖合束器(3)的第二輸入端相連。
3.根據權利要求1所述的一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，其特徵在於，所述的各部件之間以纖芯對齊的方式相互熔接在一起。
4.根據權利要求1所述的一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，其特徵在於，所述的帶輸出尾纖的脈衝泵浦源(I)的輸出波長在1500納米到1760納米範圍內，輸出脈寬為I到20納秒、峰值功率大於I千瓦。
5.根據權利要求1所述的一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，其特徵在於，所述的一段單模無源光纖(2)的纖芯直徑小於10微米，長度大於10米。
6.根據權利要求1所述的一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，其特徵在於，所述的一段摻銩石英光纖(4)和一段摻鉺氟化物光纖(6)均為雙包層光纖。
7.根據權利要求1所述的一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，其特徵在於，所述的一段摻鉺氟化物光纖(6)為ZBLAN光纖，該ZBLAN光纖的主要組分為ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF,各組分的比例通常為 53mol.%ZrF4, 20mol.%BaF2,4mol.%LaF3,3mol.%A1F3，20mol.%NaF。
8.根據權利要求1所述的一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，其特徵在於，所述的第一泵浦源(7)的輸出中心波長在750納米到820納米範圍內。
9.根據權利要求1所述的一種高平均功率全光纖中紅外超連續譜光源，其特徵在於，所述的第二泵浦源(8)的輸出中心波長在910納米到980納米範圍內。
【文檔編號】H01S3/23GK103825164SQ201310643216
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】徐劍秋, 楊建龍, 唐玉龍, 王堯, 李宏強, 羅永鋒, 王世偉, 楊帥, 顏碩 申請人:上海交通大學