一種基於大模場反諧振空芯光子晶體光纖的光譜展寬裝置的製作方法
2023-07-04 09:53:27
本發明涉及一種光譜展寬裝置，尤其涉及一種基於大模場反諧振空芯光子晶體光纖的光譜展寬裝置，以及所述光譜展寬裝置的使用方法。
背景技術：
近年來隨著強場物理以及阿秒產生的發展需要，脈衝的展寬和壓縮成為脈衝整形的一種關鍵性的技術方式，目的是獲得超短超強的雷射脈衝用於轟擊氣體靶子產生高次諧波，進而產生阿秒脈衝。毛細石英管被選擇作為一種實驗光波導，在脈衝的展寬過程中得到了廣發應用。通過對毛細石英管進行密封和充高非線性惰性氣體(He，Ne，Ar，Kr，Xe)，實現了有效的光譜展寬。自相位調製在光譜整個展寬過程中起主要的作用。毛細石英管因為其結構簡單、製作工藝成熟、可操作性強被廣泛的應用在強場系統中，但是其缺點也是非常明顯的，如損耗大、易產生高階模場、色散難控制等，這也在一定程度上限制了實驗的高效率能量輸。
大模場反諧振空芯光子晶體光纖的出現，為解決上述的問題提出了一種新的可能。這種光纖有包層結構和纖芯兩部分組成，包層結構對此種光纖的光學特性具有決定性的作用。光纖包層是一些正六角排列的不同規則形狀的空氣管組成。與毛細石英管相比，這種光纖有寬帶低損耗、可控制色散、大模場面積、損傷閾值高等優點。問世以來在光纖的展寬和壓縮的強場系統中展現出了強大的優勢，並且已經在實驗上獲得了成功。但如何將高非線性氣體充入光纖成為了一個的技術難點。
技術實現要素：
因此，基於現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種基於大模場反諧振空芯光子晶體光纖的光譜展寬裝置，以及所述光譜展寬裝置的使用方法。
為了實現上述目的，本發明是通過下述技術方案實現的：
本發明提供一種基於大模場反諧振空芯光子晶體光纖的光譜展寬裝置，其中，所述光譜展寬裝置包括：光纖啁啾Yb放大器(FCPA)、望遠鏡、平凸透鏡、第一真空腔窗片、第一真空腔、反諧振空芯光子晶體光纖(HC-PCF)、第二真空腔、第二真空腔窗片、第一真空氣壓表、第二真空氣壓表、第一氣路閥門、真空泵、第二氣路閥門、第三氣路閥門、第四氣路閥門、真空氣管、檢壓閥門、高壓氣瓶、惰性氣體和光譜儀；
所述光纖啁啾Yb放大器，輸出波長在1030nm附近的飛秒鎖模雷射脈衝，用於泵浦充有所述惰性氣體的反諧振空芯光子晶體光纖，
所述望遠鏡，是用於擴大所述光纖啁啾Yb放大器的光斑的直徑，為了使光斑能夠被聚焦到小於光纖纖芯的直徑進而獲得高的光耦合效率，
所述平凸透鏡，將擴束後的所述光斑聚焦到光纖纖芯大小數量級，使得光能量最大化地從空間進入到所述光纖，
反諧振空芯光子晶體光纖，連接所述第一真空腔和所述第二真空腔，所述光纖的入口和出口分別密封到所述第一真空腔和所述第二真空腔中，作為高效率透射能量的一種波導，為所述惰性氣體和所述雷射脈衝提供相互作用通道，所述雷射脈衝與所述惰性氣體相互作用在所述光纖中不斷的積累。
所述第一真空腔，用於密封所述光纖的入口，使得其腔體內的所述惰性氣體被壓入到光纖中，所述光纖水平固定在所述第一真空腔的腔體內水平中心軸線，所述光纖的入口端面正對所述第一真空腔上面的布儒斯特窗口，
所述第一真空腔窗片，被密封到所述第一真空腔的布儒斯特窗口上，將擴束聚焦後的光透過布儒斯特角放置的玻璃窗口進入充有所述惰性氣體的所述第一真空腔中，使得聚焦後的所述光斑和所述光纖的纖芯位置相重合，
所述第二真空腔，用於密封所述光纖的出口，所述光纖在所述第二真空腔內保持與其水平軸線重合，所述光纖的出口端面正對所述第二真空腔上面的布儒斯特窗口，
所述第二真空腔窗片，被密封到所述第二真空腔的布儒斯特窗口上，所述光纖的出口的光經所述第二真空腔窗片透射到腔體外變成發散的空間光，
所述第一真空氣壓表和所述第二真空氣壓表分布在所述第一真空腔的充氣口和所述第二真空腔的出氣口，檢測進入所述第一真空腔的壓強和所述第二真空腔內的壓強，
所述真空泵和所述真空腔的氣口通過所述真空氣管連接，所述第一氣路閥門，位於所述真空泵和所述真空腔之間用於隔絕所述真空泵和所述真空腔，
所述第一真空腔的氣口和所述第二真空腔的氣口通過所述真空氣管連接，所述第二氣路閥門，位於兩個所述真空腔之間的所述真空氣管的中間位置，
所述高壓氣體瓶和所述真空腔的氣口通過所述真空氣管連接，所述第三氣路閥門位於所述高壓氣瓶和所述真空腔之間，
所述第四氣路閥門，位於所述高壓氣體瓶的出氣口的所述檢壓閥門上，
所述高壓氣瓶，用於儲存所述惰性氣體，
所述光譜儀位於所述第二真空腔的出口處，用於檢測所述第二真空腔出射光的光譜寬度。
其中，所述的第一真空腔和第二真空腔，可以是自主設計加工的主體為40mm*40mm*60mm的真空腔，所述真空腔的入口直徑為布儒斯特角度切割，直徑為20mm，目的是為了使得P偏振的雷射全部透射到所述真空腔內。
所述的真空腔窗片，位於所述真空腔的布儒斯特角入口和出口位置，大小可以為25mm*35mm，其窗片可以為玻璃片，所述玻璃片邊緣被真空膠密封。此窗片在所述真空腔上有兩個作用分別為透光和密封。
所述真空氣壓表可以為真空數字氣壓表，位於所述第一真空腔和所述第二真空腔的充氣口和出氣口附近，量程為-0bar～6bar，方便於靈敏的檢測腔內氣壓變化。所述第一真空腔和所述第二真空腔的氣口可以分別是直徑6mm的不鏽鋼管道，通過使用三通真空球閥將所述真空氣壓表連接到所述光譜展寬裝置中。
所述的真空泵，負責清除所述光譜展寬裝置內的空氣，壓力真空強度可以為10-4bar，作用就是和氣路閥門配合使用，保持充氣前系統內的真空狀態。
所述的真空氣管，位於整個所述光譜展寬裝置的器件之間，負責聯通所有的器件組成一個密閉的系統，直徑可以為6mm，材質可以是聚四氟乙烯。這種管道硬度適中可彎曲耐擠壓，通過真空球閥和器件可以嚴密的連接在一起，保證了充氣實驗成功進行。
所述的高壓氣瓶的壓強可以為150bar，內裝的樣品氣體可以為氬氣。目的是給整個系統提供高壓氣源，保證充氣實驗的順利進行。選擇單原子的氬氣，是因為氬氣比氦氣和氖氣有更多的電子層，更容易電離，而且有相對較高的非線性係數，而且價格比較便宜降低實驗成本。
所述第四氣路閥門可以調節輸出到所述光譜展寬裝置中的氣壓。所述第三氣路閥門可以用於控制氣流進入所述第一真空腔的速度，起到保護的作用。
優選地，根據前述的光譜展寬裝置，其中，所述光纖啁啾Yb放大器的振蕩器採用的非線性偏轉鎖模機制，雷射輸出平均功率大於10W，脈衝寬度小於800fs，重複頻率約為1MHz。該非線性偏轉鎖模機制為所述放大器提供了比較穩定的種子源。中心波長在1030nm，根據摻雜的增益介質不同，中心波長可以移動。
更優選地，根據前述的光譜展寬裝置，其中，所述望遠鏡由一個凹透鏡和一個凸透鏡組成。相同的透鏡，光斑越大聚焦後的光斑越小，擴束是為了在聚焦中獲得更小的光斑。
再優選地，根據前述的光譜展寬裝置，其中，所述第一真空腔被放置在三維平移臺上，通過調節所述三維平移臺確保聚焦後的所述光斑和所述光纖的纖芯位置相重合。
還優選地，根據前述的光譜展寬裝置，其中，所述平凸透鏡放置在一維平移臺上。
進一步優選地，根據前述的光譜展寬裝置，其中，所述第一真空氣壓表和所述第二真空氣壓表為高靈敏電子真空氣壓表。
更進一步優選地，根據前述的光譜展寬裝置，其中，所述檢壓有兩個表頭，一個所述表頭用於檢查所述高壓氣瓶內的壓強，另一個所述表頭用於控制輸出氣壓的大小。
最優選地，根據前述的光譜展寬裝置，其中，所述惰性氣體為高非線性惰性氣體。優選為He、Ne、Ar、Ke或Xe。
本發明還提供上述的光譜展寬裝置的使用方法，其中，所述使用方法包括：
(1)打開第一氣路閥門、第二氣路閥門和第三氣路閥門，關閉第四氣路閥門，打開真空泵，待所述光譜展寬裝置抽真空完畢，關閉所述第一氣路閥門、所述第二氣路閥門和所述真空泵，
(2)打開所述第四氣路閥門，所述第一氣路閥門和所述第二氣路閥門，關閉所述第三氣路閥門，通過檢壓閥門的表頭控制輸出壓強並打開所述第三氣路閥門，保證惰性氣體慢慢流入所述真空腔，
(3)調節光纖啁啾Yb放大器的電流大小以控制所述放大器的輸出能量，
(4)調節望遠鏡和平凸透鏡以控制光斑，
(5)調節第一真空腔和平凸透鏡以確定光纖端面的纖芯和光斑最匹配的位置。
優選地，根據前述的光譜展寬裝置的使用方法，其中，所述使用方法中步驟(5)中通過調節三維平移臺和/或一維平移臺以調節所述空腔-1和所述平凸透鏡。
具體地，本發明公開一種利用大模場反諧振空芯光子晶體光纖(HC-PCF)展寬光譜的實驗裝置和方法，自主設計了用於大模場反諧振空芯光子晶體光纖充氣的真空腔體系統，並使用自主研發的光纖啁啾Yb放大器(FCPA)，中心波長1064nm，脈寬800fs，重複頻率1MHz，平均功率10W，泵浦了充2bar氬氣，長度為1mm的大模場反諧振Kagome空芯光子晶體光纖，得到了55％效率輸出，獲得光譜展寬為130nm。其基本的實驗原理是通過給Kagome HC-PCF充入高非線性惰性氣體，提供較強的非線性效應，光和氣體相互作用在光纖中傳輸的過程中，自相位調製和群速度色散相比，自相位調製在光譜展寬的整個過程中起到了主要作用，進而實現相對平坦的光譜展寬。
本發明提供的基於大模場反諧振空芯光子晶體光纖展寬光譜的裝置，具有結構簡單、操作靈活和高效率透射等優點，在超連續光譜的產生、脈衝整形技術、阿秒脈衝的產生以及光纖通信領域有較為廣泛的應用前景。
附圖說明
以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施方案，其中：
圖1示出了本發明實施例提供的基於大模場反諧振空芯光子晶體光纖的光譜展寬裝置的光路示意圖，其中B為kagome空芯光子晶體光纖的二維端面圖
圖2示出了本發明實施例提供的基於大模場反諧振空芯光子晶體光纖的光譜展寬裝置的機械設計原理圖；
圖3示出了本發明實施例提供的Kagome空芯光子晶體光纖光學特性的示意圖；
圖4示出了本發明實施例提供的功率計測得光纖透射功率的示意圖；
圖5示出了採用光譜儀測得的輸出信號光譜寬度的示意圖；
附圖標記說明：
1、光纖啁啾Yb放大器；2、望遠鏡；3、平凸透鏡；4、第一真空腔窗片；5、第一真空腔；6、反諧振HC-PCF；7、第二真空腔；8、第二真空腔窗片；9、真空氣壓表；10、第一氣路閥門；11、真空泵；12、第二氣路閥門；13、第三氣路閥門；14、第四氣路閥門；15、真空氣管；16、檢壓閥門；17、高壓氣瓶；18、惰性氣體；19、光譜儀；
2-1、第一平凸透鏡；2-2、凹透鏡；2-3、第二平凸透鏡；2-4、第一麵包板；2-5、精密三維機械平移臺；2-6、第一真空腔；2-7、第二麵包板；2-8、反諧振空芯光子晶體光纖；2-9、第二真空腔；2-10、一維機械精密平移臺。
具體實施方式
下面通過具體的實施例進一步說明本發明，但是，應當理解為，這些實施例僅僅是用於更詳細具體地說明之用，而不應理解為用於以任何形式限制本發明。
本部分對本發明試驗中所使用到的材料以及試驗方法進行一般性的描述。雖然為實現本發明目的所使用的許多材料和操作方法是本領域公知的，但是本發明仍然在此作儘可能詳細描述。本領域技術人員清楚，在上下文中，如果未特別說明，本發明所用材料和操作方法是本領域公知的。
下面，結合附圖及具體實施例對本發明的基於瞬態光柵的頻率分辨光學開關雷射測量裝置及其測量方法作進一步描述。
如圖1所示，本發明的基於大模場反諧振空芯光子晶體光纖的光譜展寬裝置包括光纖啁啾Yb放大器(FCPA)1、望遠鏡2、平凸透鏡3、第一真空腔窗片4、第一真空腔5、反諧振空芯光子晶體光纖(HC-PCF)6、第二真空腔7、第二真空腔窗片8、第一真空氣壓表9、第二真空氣壓表9、第一氣路閥門10、真空泵11、第二氣路閥門12、第三氣路閥門13、第四氣路閥門14、真空氣管15、檢壓閥門16、高壓氣瓶17、惰性氣體18和光譜儀19。
其中：
光纖啁啾Yb放大器1，是一臺光纖Yb三級放大系統，放大器主要包括：寬帶皮秒雷射種子源、單模光纖展寬器、一級單模光纖放大器、聲光調製器、兩級能量放大器、高峰值功率增益光纖準直器和光柵對壓縮器。寬帶皮秒雷射種子源是基於全正色散非線性偏轉鎖模機制，中心波長為1030nm，重複頻率為32.7MHz，輸出功率60mW的雷射脈衝。放大過程中全部使用光纖的熔接技術，提高了整個系統的穩定性，最後通過聲光調製器通過選單實現了放大器的重複頻率1MHz,脈寬小於805fs，單脈衝能量10μJ的雷射輸出。
望遠鏡2，是使用的-100mm的凹透鏡和300mm的凸透鏡自主組合成的望遠鏡裝置，透鏡鍍C膜，使雷射器的光束被擴大三倍，為獲得更高的耦合效率做準備。
平凸透鏡3，是使用的焦距為250mm的長焦平凸透鏡，鍍C膜，9mm的擴束後的光斑被聚焦到40μm，這個光斑的大小恰好與光纖纖芯大小的1/e相近，但是要小於光纖纖芯的直徑大小，確保本實驗耦合效率。布儒斯特角度入射確保了P偏振光的全部透射，也提高了歐和效率。
第一真空腔窗片5和第二真空腔窗片8，位於第一真空腔4和第二真空腔7的布儒斯特角窗口上，大小25mm*35mm*0.5mm，通過真空膠粘合密封，能夠既保證良好的透光性又保證了第一真空腔4和第二真空腔7的氣密性。
Kagome光子晶體光纖5，是本實施例中選擇的一種大模場反諧振空芯光子晶體光纖樣品，型號：PMC-C-Yb-7C，對泵浦光有高透射，高損傷閾值特性，纖芯直徑55μm，內徑320μm，外徑600μm，長度1m。
真空氣壓表9，位於真空腔的入口和出口位置，量程為-1bar～6bar，靈敏度為0.1mbar，是一款定製的高靈敏度真空電子氣壓表。在充氣和抽氣的時候能夠敏感的檢測到真空腔內氣壓的變化，尤其是在充氣過程中光纖的內徑僅有300μm，氣體經過光纖的進入真空腔的流速很低，這也是本實施例選擇此款真空氣壓表的原因。
第一氣路閥,10，第二氣路閥門12，和第三氣路閥門13，分別位於整個氣路的不同位置，全部為直通真空球閥，兩端匹配直徑6mm的真空氣管。作用是相互配合控制實驗的充氣和抽氣的過程。充氣過程：第一氣路閥門10和第二氣路閥門12打開，第三氣路閥門13關閉；抽氣過程：第一氣路閥門10和第二氣路閥門12關閉，第三氣路閥門13緩慢打開。
檢壓閥門16，位於高壓氣瓶17的出氣口，檢壓閥門16上有兩個表頭，一個表檢查氣瓶內氣體的壓強，量程為：0bar～200bar，用於檢查氣瓶內的壓強。另一個表是檢查輸出氣體的壓強，量程為：0bar～6bar，通過旋轉檢壓閥門的開關，可以控制輸出氣體的壓強。
真空泵11，位於整個系統的末端，能達到真空強度為10-4bar，在本實施例中，為整個系統提供一個初始真空狀態。在實驗開始，打開第一氣路閥門10和第二氣路閥門12，關閉第三氣路閥門13，打開真空泵，對整個系統進行抽真空，在此過程中隨時觀察電子氣壓表的真空示數，抽氣一分鐘後，先關閉第一氣路閥門10和第二氣路閥門12，後關閉真空泵11。
高壓氣瓶17和惰性氣體18，位於本發明實施例系統的前端位置，氣瓶內的壓強為150bar，充有的非線性惰性氣體為氬氣，相比較氦氣和氖氣，氬氣有更多的電子數更容易電離，而且價錢相對比便宜。盛有氬氣的高壓氣瓶為本實施例提供壓力氣源。
圖1和圖2分別展示本發明實施例的示意圖和機械原理圖，簡單和直觀的解釋了本發明實施例的實驗原理和實施方案。本發明實施例分為以下幾個步驟來實現：
(一)光源：根據以上介紹，本發明實施例採用的是一款自主研發的光纖啁啾Yb放大器。雷射輸出功率可調諧範圍是0～10W，脈寬隨著功率是變化的，重複頻率為1MHz。在本實施例可以調節放大器的電流大小，來控制放大器的輸出能量。
(二)光斑控制系統，本發明實施例採用的是通過調節望遠鏡和平凸透鏡來控制光斑。根據本實施例所述的Kagome空芯光纖的纖芯直徑和數值孔徑，光斑大小和纖芯直徑的1/e相匹配的時候是能夠獲得足夠大的耦合效率的兩個重要的因素之一；另一個重要的因素是聚焦的角度和光纖的數值孔徑的匹配。本發明實施例使用-100mm凹透鏡2-2和300mm的凸透鏡2-1組合成瞭望遠鏡，將光斑直徑擴大到9mm，隨後通過焦距為250mm的平凸透鏡2-3，將光斑聚焦到40μm。聚焦後的光斑通過調節平凸透鏡2-3下的一維平移臺2-10和第一真空腔2-6上的三維平臺2-5，來確定光纖端面的纖芯和聚焦光斑最匹配的位置。確定最好位置的方法是通過在第二真空腔2-9的出口位置用光功率計檢測透光功率。如圖4所示，在不同輸入功率下對應的輸出功率的曲線，隨著輸入功率的增加輸出功率幾乎線性增加，耦合效率高於55％。輸入最大功率10W時輸出了高於5.5W的功率。
(三)非線性作用系統：非線性作用系統由第一真空腔2-6和第二真空腔2-9、Kagome空芯光子晶體光纖2-8和氬氣。首先需要對非線性系統進行抽真空處理，其次在非線性系統進行充氣，通過高壓氣瓶上檢壓閥門控制進入非線性系統內的氣壓。在保證非線性系統器件安全的前提下，最終確定了2bar的充氣壓強，尤其是第一真空腔2-6和第二真空腔2-9處的布儒斯特角上的玻璃窗片，容易被大的壓強壓爆。本實施例採用的商用光纖PMC-C-Yb-7C,其光學特性如圖3，此光纖的透光範圍覆蓋了800nm～1200nm，且有超平坦近零色散特性。這種光纖在光譜展寬過程中其主要作用的是非線性作用，光纖的色散對光譜的展寬作用不明顯。
(四)測量系統：要獲得自相位調製作用展寬的光譜，需要在精密的測量系統下進行調節，本實施例使用的是精密的商用近紅外光譜儀，在微調節三維平移臺2-5和一維平移臺2-10過程獲得最寬帶寬最平坦的光譜輸出。如圖5所示，調節放大器的輸出電流為2.0A，4.0A和6.0A，對應的功率為1567mW，5530mW，和10120mW時候，獲得了75nm，100nm，和130nm的光譜寬度。在放大器輸出功率為10120mW時，自相位調製在光譜展寬中的作用最明顯。
儘管本發明已進行了一定程度的描述，明顯地，在不脫離本發明的精神和範圍的條件下，可進行各個條件的適當變化。可以理解，本發明不限於所述實施方案，而歸於權利要求的範圍，其包括所述每個因素的任何修改、等同替換和改進，例如，採用其他的光源、採用不同長度不同結構的空芯光纖、採用不同類型的真空腔、採用不同的非線性氣體、採用輸入不同的氣壓等，都沒脫離本發明技術方案的思想和範圍，其均應覆蓋在本發明的權利要求範圍當中。