本发明涉及一种超连续谱的产生装置，特别涉及一种不需要放大器可以直接产生光谱稳定超连续谱的产生装置。
背景技术
超连续谱光源同时具有光谱宽、亮度高和空间相干性好等优点，因此在光学测量、分子光谱学、生物医学成像及光学生物组织蚀除等方面有着广泛的应用，是光源领域的研究热点之一。目前，超连续谱主要通过将脉冲激光输入到光子晶体光纤中进行非线性展宽的方式获得。由于超连续谱在光子晶体中非线性展宽的程度和脉冲峰值功率直接相关，为了得到光谱范围广且稳定性好的超连续谱光源，需要有高峰值功率且峰值功率稳定的脉冲激光器作泵浦源。脉冲光纤激光器输出的脉冲激光性能是由其锁模机制决定的。按照腔内脉冲演化方式分类，主要有传统孤子锁模、色散管理孤子锁模和耗散孤子锁模三种。耗散孤子共振(dissipativesolitonresonance，简称dsr)锁模属于耗散孤子锁模的一种。在耗散孤子共振状态下，随着光纤色散和泵浦功率的提高，脉冲时域可以极大展宽，产生超大能量的矩形脉冲，不仅峰值功率高且达到峰值以后维持不变，所以dsr激光器有利于产生光谱稳定的超连续谱。
但是现有的利用dsr激光器作为泵浦源搭建的超连续谱产生装置存在如下问题：
需要先对dsr激光器经过单级或者多级放大器进行功率放大，使得输出的激光脉冲峰值功率达到数千瓦量级，再泵浦光子晶体光纤。如2018年1月22日发表在opticsexpress(即光学快报)上的“ultraviolet-enhancedsupercontinuumgenerationwithamode-lockedyb-dopedfiberlaseroperatingindissipative-soliton-resonanceregion”(作者：王楠；26卷2期)(利用掺镱锁模光纤激光器泵浦产生宽带超连续谱，称为背景技术1)中公布的超连续谱产生装置，该超连续谱产生装置由泵浦放大种子脉冲激光器、放大器和光子晶体光纤组成。其中种子脉冲激光器利用等效可饱和吸收体中的非线性环形镜实现dsr锁模。放大器采用掺镱的主震荡放大器(masteroscillatorpoweramplifier，简称mopa)。将重频4.5ghz，中心波长在1035nm，峰值功率830w的dsr脉冲激光通过一级放大之后输入到七芯光子晶体光纤中，得到光谱覆盖350nm～2400nm，功率6.86w的超连续谱激光输出。放大器搭建过程涉及多种器件之间以及器件和光纤之间的熔接，较为繁琐且成本很高；且采用泵浦放大种子脉冲激光器的方式对泵浦光源的利用率有限，常见的光-光效率仅为60％左右，电-光效率仅为50％左右，存在较大的能量损耗；根据所需放大值，还需改变放大器中的器件和光纤参数，使其与放大功率相匹配，否则在放大产生高峰值功率脉冲的过程容易造成放大器中的光隔离器和光纤等的击穿或烧毁，而修改放大器也是一项繁琐的工作，对激光器的使用者专业要求较高，难以普遍推广。
因此，如何解决超连续谱产生装置的上述缺点是本领域研究人员极为关注的技术问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是针对已有超连续谱产生装置的不足之处提出一种不需要放大器直接产生光谱稳定的超连续谱的装置。
本发明所采用的技术方案是：本发明由高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器和光子晶体光纤组成，高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器的输出连接光子晶体光纤。
高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器由第一泵浦源、第一合束器、第一增益光纤、滤波器、第二耦合器、偏振无关隔离器、第一耦合器、第二泵浦源、第二合束器、第二增益光纤、偏振控制器组成，各器件按如下顺序连接形成两个环路：
第一泵浦源输出端通过无源光纤连接到第一合束器的泵浦输入臂，第一合束器的信号输入臂与偏振无关隔离器的输出端通过无源光纤连接，第一合束器的信号输出臂连接第一增益光纤一端。第一增益光纤另一端连接第一耦合器的输入臂a，第一耦合器的与输入臂a同侧的输出臂b通过无源光纤连接滤波器的输入端，滤波器的输出端通过无源光纤连接第二耦合器的输入臂b1，第二耦合器另一侧的输出臂a1通过无源光纤连接偏振无关隔离器输入端，第二耦合器与输入臂b1同侧的输出臂d1悬空，第二耦合器的与输出臂a1同侧的输出臂c1与光子晶体光纤一端连接。偏振无关隔离器的输出端连接第一合束器的信号输入臂。第一泵浦源、第一合束器的泵浦输入臂、第一增益光纤、第一耦合器的输入臂a、第一耦合器的输出臂b、滤波器、第二耦合器的输入臂b1、第二耦合器的输出臂a1、偏振无关隔离器、第一合束器的信号输入臂连接形成第一个闭合环路，称为单向环。
第一耦合器的与输入臂a异侧的输出臂c与第二合束器、第二增益光纤、偏振控制器和第一耦合器的与输出臂c同侧的输出臂d连接形成第二个环路。第一耦合器的输出臂c通过无源光纤连接第二合束器的信号输入臂，同时第二泵浦源的输出端通过无源光纤连接第二合束器的泵浦输入臂，合束器的信号输出臂连接第二增益光纤一端，第二增益光纤的另一端连接偏振控制器，偏振控制器通过无源光纤连接第一耦合器的输出臂d。第二个环路称为非线性放大环形镜(nonlinearamplifyingloopmirror，简称为nalm)，是实现激光器锁模的结构。(上述器件均是通过各器件的尾纤相连，当尾纤长度不够时，用同种型号的无源光纤来增加长度。)
单向环和nalm环共同组成高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器，是产生超连续谱的泵浦源。
第一泵浦源和第二泵浦源中心波长可为915nm、920nm、940nm、960nm或者976nm，输出的最大功率大于等于16w。第一泵浦源和第二泵浦源的中心波长既可以相同，也可以不同，输出功率也是既可相同，也可以不同。第一泵浦源泵浦光通过泵浦臂传输到第一合束器，第二泵浦源将泵浦光通过泵浦臂传输给第二合束器。
第一合束器和第二合束器均为包层泵浦合束器，信号输入臂和信号输出臂的中心波长均为1030nm。第一合束器的泵浦输入臂的中心波长与第一泵浦源的中心波长相等，第二合束器的中心波长与第二泵浦源的中心波长相等。第一合束器将从第一泵浦源接收的泵浦光和从偏振无关隔离器接收的信号光进行合束，将合束后的混合光耦合进第一增益光纤。第二合束器将从第二泵浦源接收的泵浦光和从第一耦合器接收的信号光进行合束，将合束后的混合光耦合进第二增益光纤。
第一增益光纤和第二增益光纤为同种双包层掺镱光纤，经仿真和实验发现，第一增益光纤和第二增益光纤满足长度为1.5m-3m，纤芯直径相同且均大于10μm，包层数值孔径相同且大于等于0.46，1095nm吸收系数小于15db/km，915nm吸收系数小于1.6db/km，976nm吸收系数小于4.8db/km时，放大效果最好。第一增益光纤和第二增益光纤的长度和吸收系数可以相同，也可以不同，符合上述范围即可。第一增益光纤从第一合束器中接收混合光，在其中泵浦光的作用下先激发信号光再进一步放大。第二增益光纤从第二合束器中接收混合光，在其中泵浦光的作用下先激发信号光再进一步放大。
滤波器的中心波长与第一合束器的信号输入臂的中心波长相同，为1030nm，带宽为14-30nm。滤波器对从第一耦合器接收的信号光进行带通滤波，将信号光中心波长(1030nm)附近的信号发送给第二耦合器。
偏振无关隔离器的中心波长与滤波器的中心波长相同，为1030nm，接收从第二耦合器输出臂a1传输的顺时针方向信号光，对从第一合束器中传输的逆时针方向光隔离，保证信号光在单向环内的单向传输。
第一耦合器、第二耦合器的中心波长与偏振无关隔离器的中心波长相同，为1030nm，第一耦合器的输出臂d、c的耦合比范围为30:70～45：65，(例如：如果第一耦合器的输出臂d、c的耦合比为30:70，即从输入臂a输入光时，输出臂d和输出臂c的输出光比例分别为30％和70％)。第一耦合器连接单向环和nalm，从单向环a臂输入的信号光按照耦合比分光到两个臂c、d，在nalm中进行顺时针和逆时针双向传输，nalm的无源部分(包括第一耦合器的c、d臂，第二合束器的信号臂和输出臂，以及连接用的无源光纤)环长范围为1m-4m。第一耦合器、第二耦合器的耦合比和nalm环长决定了最终锁模的dsr脉冲的峰值功率。从nalm输出的信号光通过第一耦合器的输出臂b重回单向环，通过滤波器滤波后，大比例信号光(按第二耦合器的耦合比)从第二耦合器的输出臂c1输出，(例如：第二耦合器5的输出臂a1、c1的耦合比为1:99时，则输出臂c1的输出光比例为99％，输出臂a1的输出光比例为1％)，并发送给光子晶体光纤12，第二耦合器的输出臂a1、c1的耦合比范围为1：99～10：90。
偏振控制器安装在从第二增益光纤传输出的无源光纤上，对光纤中传输的信号光施加应力，调节信号光偏振状态，实现脉冲锁模。
无源光纤及其他器件(第一泵浦源、第二泵浦源、第一合束器、第二合束器、滤波器、第二耦合器、第一耦合器、偏振无关隔离器)的尾纤均采用同种型号的双包层无源光纤，且纤芯直径大于10μm，要求与第一增益光纤和第二增益光纤纤芯直径相同。
光子晶体光纤的零色波长小于1030nm并尽量靠近1030nm，光子晶体光纤的长度由目标输出的超连续谱的波长范围和光子晶体光纤的结构参数共同决定。运行商业数学软件matlab对设计的高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器进行仿真，matlab调用工程仿真软件平台(如comsolmultiphysics软件)，将光子晶体光纤的结构参数(包括空气孔直径、空气孔间隔、占空比、纤芯直径和外径)作为工程仿真软件平台的输入，将超连续谱的波长范围作为工程仿真软件平台的目标值，运行工程仿真软件平台即可得到光子晶体光纤的长度。光子晶体光纤接收高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器的输出臂c1的输出光，并通过非线性效应实现光谱展宽，形成超连续谱。
本发明产生超连续谱的方法是：
第一泵浦源产生泵浦光，将泵浦光发送给第一合束器，第一合束器将泵浦光耦合进第一增益光纤，第一增益光纤对耦合进来的泵浦光进行受激辐射放大，激发出信号光并放大，第一耦合器对从第一增益光纤接收的信号光通过两个输出臂c、d按照耦合比进入nalm，在nalm中进行顺时针(由第一耦合器的臂c沿第二合束器到第二增益光纤，再到连接偏振控制器和第一耦合器的输出臂d)和逆时针(由第一耦合器的输出臂d沿偏振控制器到第二增益光纤，再到第二合束器和第一耦合器的输出臂c)双向传输。第二泵浦源产生泵浦光，将泵浦光发送给第二合束器，第二合束器将泵浦光耦合进第二增益光纤，第二增益光纤使得nalm中的信号得到进一步放大。偏振控制器对无源光纤施加应力调整信号光偏振。顺时针和逆时针双向传输的信号光在nalm中得到放大并相互作用后通过第一耦合器的输出臂b重回单向环，得到锁模信号，滤波器对锁模信号进行带通滤波，筛选出中心波长(1030nm)附近的锁模信号，第二耦合器对从滤波器收到的锁模信号按照耦合比进行分光，第二耦合器的臂a1连接偏振无关隔离器，将小比例信号光传到环路中循环放大。偏振无关隔离器滤掉第一合束器中的反向(逆时针)光，接收第二耦合器的输出臂a1的光，保证信号光在单向环内的单向传输。第二耦合器的输出臂c1将大比例信号光传到光子晶体光纤中，光子晶体光纤激发非线性效应，实现光谱展宽，最终得到超连续谱。
在本发明的dsr脉冲激光器结构中，损耗主要由滤波器提供，色散和非线性受各段光纤长度以及nolm中第一耦合器的耦合比影响，增益大小由第一增益光纤和第二增益光纤的长度所控制。本发明无源光纤、增益光纤、以及各部件的尾纤均采用模场面积更大的双包层光纤，可以有效降低非线性效应，在合理改变滤波器带宽和光纤长度以及耦合器耦合比等参数的条件下，实现了新的非线性、色散、增益和损耗的平衡，理论上能得到更大的能量，和更高的峰值功率。通过合理的抑制多模产生(弯曲腔内的无源光纤和增益光纤)，能使得单模的能量大幅度提升，仿真结果和理论预期一致。由于采用了滤波器，有效抑制了dsr脉冲分裂集中了脉冲能量，同时减小了光纤长度，使用大口径光纤进一步促进了高峰值功率dsr脉冲形成。高峰值功率的dsr脉冲促进了宽光谱超连续谱的产生。本发明光子晶体光纤12提供了足够的非线性，使得从种子激光器的生成的dsr脉冲的光谱充分展宽。
采用本发明可以达到以下有益效果：
1、本发明无需激光放大器，直接将泵浦功率提升到数千瓦量级，免去了放大器的泵浦源，减少了泵浦光源能量的浪费。
2、本发明选用的是能承受高峰值功率的偏振无关隔离器和双包层光纤，模场大，改变泵浦功率和腔内光纤长度等参数就可以实现改变脉冲峰值功率，产生稳定脉冲后出现烧毁的可能性很小，安全性好。
3、本发明高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器使用的光纤总长度仅为20m-30m，大大减小了类似超连续谱的产生装置的光纤长度，操作方便，节约成本。
4、本发明光子晶体光纤12的选型和参数是通过目标值要求仿真得到能够提供足够的非线性，使得从高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器的生成的dsr脉冲的光谱充分展宽。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明具体实施方式的dsr激光器输出脉冲仿真图。
图3是本发明具体实施方式产生的超连续谱光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。本发明由高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器和光子晶体光纤12组成。高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器的输出连接光子晶体光纤12。
高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器由第一泵浦源1、第一波分复用器2、第一增益光纤3、滤波器4、第二耦合器5、偏振无关隔离器6、第一耦合器7、第二泵浦源8、第二波分复用器9、第二增益光纤10、偏振控制器11组成，各器件按如下顺序连接形成两个环路成高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器：
第一泵浦源1输出端通过无源光纤连接到第一合束器2的泵浦输入臂，第一合束器2的信号输入臂与偏振无关隔离器6的输出端通过无源光纤连接，第一合束器2的信号输出臂连接第一增益光纤3一端。第一增益光纤3另一端连接第一耦合器7的输入臂a，第一耦合器7的与输入臂a同侧的输出臂b通过无源光纤连接滤波器4的输入端，滤波器4的输出端通过无源光纤连接第二耦合器5的输入臂b1，第二耦合器5另一侧的输出臂a1通过无源光纤连接偏振无关隔离器6输入端，第二耦合器5与输入臂b1同侧的输出臂d1悬空，第二耦合器5的与输出臂a1同侧的输出臂c1与光子晶体12一端连接。偏振无关隔离器6的输出端连接第一合束器2的信号输入臂。第一泵浦源1、第一合束器2的泵浦输入臂、第一增益光纤3、第一耦合器7的输入臂a、第一耦合器7的输出臂b、滤波器4、第二耦合器5的输入臂b1、第二耦合器5的输出臂a1、偏振无关隔离器6、第一合束器2的信号输入臂连接形成第一个闭合环路，称为单向环。
第一耦合器7的与输入臂a异侧的输出臂c与第二合束器9、第二增益光纤10、偏振控制器11和第一耦合器7的与输出臂c同侧的输出臂d连接形成第二个环路。第一耦合器7的输出臂c通过无源光纤连接第二合束器9的信号输入臂，同时第二泵浦源8的输出端通过无源光纤连接第二合束器9的泵浦输入臂，合束器9的信号输出臂连接第二增益光纤10一端，第二增益光纤10的另一端连接偏振控制器11，偏振控制器11通过无源光纤连接第一耦合器7的输出臂d。第二个环路称为非线性放大环形镜(nonlinearamplifyingloopmirror，简称为nalm)，是实现激光器锁模的结构。(上述器件均是通过各器件的尾纤相连，当尾纤长度不够时，用同种型号的无源光纤来增加长度。)
单向环和nalm环共同组成高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器，是产生超连续谱的泵浦源。
国防科大按照图1搭建了一台高峰值功率dsr激光器，第一泵浦源1中心波长为976nm、最高输出功率25w，第二泵浦源8中心波长为976nm、最高最高输出功率16w，分别连接976/1030nm泵浦和第一合束器2和第二合束器9，再从合束器连接双包层的25/250(纤芯直径25um，包层直径为250um)的第一增益光纤3和第二增益光纤10中，增益光纤3和10长度都为2m，滤波器4的带宽30nm，中心波长1030nm，第一耦合器7的输出臂d、c的耦合比为30：70，nolm环长4m，第二耦合器5的输出臂a1、c1的耦合比为10：90，90％输出。光子晶体光纤12的零色散波长为1020nm，为七芯光子晶体光纤，运行matlab对高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器进行仿真，matlab调用comsolmultiphysics软件，将七芯光子晶体光纤结构参数：空气孔直径为3.7um，空气孔间隔为4.35um，占空比为0.85，纤芯直径为5um，外径为144um，作为comsolmultiphysics软件的输入，将希望得到的超连续谱的波长范围(假设为500nm～1650nm)作为comsolmultiphysics软件的目标值，运行comsolmultiphysics软件，得到光子晶体光纤的长度为5m。固定此时的第二泵浦源8输出功率为5w。在该条件下用matlab对高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器进行仿真，将脉冲光场在分立组件模型中按照给定的组件结构顺序传输，得到的结果如图2，图2中横坐标表示时间，纵坐标表示输出的脉冲峰值功率值，不同线型表示不同泵浦功率下的脉冲时域和峰值功率情况。从图2中可以看出，第一泵浦源1的泵浦功率从10w增加到20w的过程中，大于14w的泵浦功率下，dsr激光器输出峰值功率稳定保持在12kw以上，能够作为超连续谱的泵浦源无需放大。图3是当高峰值功率耗散孤子共振锁模激光器输出峰值功率为12kw时，光子晶体光纤12输出的超连续谱光谱的仿真图，横坐标为波长，纵坐标为强度。从图中可知，不经过放大器本发明也能产生波长范围为500nm～1650nm、强度大于-60db的超连续谱。