一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明公开了一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，属于激光技术领域。
【背景技术】
[0002]实现高功率超连续谱光源的有效途径之一是基于光纤放大器的超连续谱光源。虽然基于石英基光纤放大器的可见光波段和近红外波段超连续谱光源技术已经较为成熟，但受限于石英材料在2.4μπι以上波段强烈的吸收损耗，现有的基于石英基光纤放大器的超连续谱光源输出光谱的长波边难以超越2.6μπι(参见W.Yang，B.Zhang，J.Hou，R.Xiao，Z.Jiang,Z.Liu.Mid-1R supercontinuum generat1n in Tm/Ho codoped fiberamplifier[J].Laser Physics Letters,2013,10(5):055107.(杨未强等，镑钦共惨光纤放大器中产生中红外超连续谱，激光物理快报，2013年，第10期第5卷))，因此中红外波段超连续谱光源的实现有赖于采用声子能量较低、在中红外波段吸收损耗较低的软玻璃光纤(如氟化物玻璃光纤、碲化物(包括亚碲酸盐)玻璃光纤、硫化物玻璃光纤)。目前软玻璃光纤中发展最为成熟的是ZBLAN光纤(ZBLAN，即ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF，氟化物光纤组分的一种)。另外，在实现基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源时，须采用在2_5μπι波段存在辐射跃迀的稀土离子构成的掺杂光纤，如目前使用最广泛的是掺杂铒离子(Er3+)或钬离子(Ho3+)等的ZBLAN光纤，8卩Er3+: ZBLAN光纤和Ho3+: ZBLAN光纤。
[0003]由于软玻璃光纤材料技术的相对不成熟，以及软玻璃光纤的机械性能差、熔点低、处理难度较大的缘故，目前仅有一篇基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源的公开报道，即在976nm激光二极管栗浦的Er3+ = ZBLAN光纤放大器中对重复频率为2kHz、波长2.75μm、脉冲宽度400ps的信号光进行放大，产生2.6-4.Ιμπι的中红外超连续谱(参见J.Gauthier，V.Fortin,S.DuvaI,et al.1n-amplifier mid-1nfrared supercontinuum generat1n[J].0ptics Letters，2015,40(22):5247-5250.(J.Gauthier等，光纤放大器中红外超连续谱产生，光学快报，2015年，第40期第22卷))。但其在输出的超连续谱的光谱最宽时的斜率效率仅为4.5%，虽然可以通过牺牲光谱宽度进一步提升斜率效率，但斜率效率最高也仅为7.5%，且功率可扩展性较差。在该报道中，较低的斜率效率，在限制超连续谱输出功率的提升的同时，给系统的热管理、稳定性和可靠性带来严重的问题。因此提升放大器的斜率效率，对于提升输出的超连续谱的功率、降低系统的热负载进而提升系统的稳定性和可靠性至关重要。
[0004]上述报道中的基于软玻璃光纤放大器的超连续谱光源是通过基于单一波长种子光的光纤放大器实现的。需要指出的是，对于目前的基于软玻璃光纤放大器的超连续谱光源，其掺杂光纤中的稀土离子一般有三个可参与辐射跃迀的能级，且在三个能级之间存在两个级联的辐射跃迀，因而，在软玻璃掺杂光纤构成的放大器中仅对单一波长的信号光进行放大并产生超连续谱，一是会造成能量的浪费以及放大器输出的超连续谱斜率效率不高;二是浪费的能量绝大部分以多声子衰减的形式耗散，产生大量的热，对系统的热管理和稳定性造成严重威胁。上述两方面造成了目前基于软玻璃光纤放大器的超连续谱光源的输出功率较低。
[0005]公开的技术资料已经从数值模拟和实验结果证明了，Er3+:ZBLAN光纤和Ho3+:ZBLAN光纤应用于级联激射激光器时斜率效率达60 %的可行性。T.Sumiyoshi等人报道了在Ho3+: ZBLAN光纤中产生2.93μπι和2.06μπι连续波级联激光的实验，输出激光的斜率效率为52% (参见T.Sumiyoshi ,H.Sekita.Dua1-wavelength continuous-wave cascadeoscillat1n at 3and 2ym with a holmium-doped fluoride-glass fiber laser[J]? Optics Letters, 1998,23(23): 1837-1839.(Tetsumi Sumiyoshi等，3ym和2ym连续波级联双波长掺钬氟化物光纤激光器，光学快报，1998年，第23期第23卷))；后来该小组又将该实验的斜率效率提升至65% (参见T.Sumiyoshi ,H.Sekita ,T.Arai , et al.High-powercontinuous-wave 3_and 2-μπι cascade Ho3+:ZBLAN fiber laser and its medicalapplicat1ns!! J].IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics, 1999,5
(4): 936-943.(T.Sumiyoshi等，高功率连续波3μπι和2μπι级联双波长Ho3+: ZBLAN光纤激光器，高功率量子电子学选刊，1999年，第5期第4卷))；J.Li等人通过数值模拟，从理论上证明了，在Er3+: ZBLAN光纤和Ho3+: ZBLAN光纤构成的光纤激光器中，采用级联运转的方式，激光器的斜率效率均可达60% 以上(参见J.Li，H.Luo，Y.Liu，et al.Modeling and optimizat1nof cascaded erbium and holmium doped fluoride fiber lasers[J].Selected Topicsin Quantum Electronics, IEEE Journal ,2014,20(5): 15-28.(李剑峰等，基于惨辑和惨钦氟化物光纤的级联激光器数值模拟和优化，2014年，第20期第5卷))。但目前仍没有公开的技术资料报道基于双波长信号光和软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源的斜率效率低、功率低的问题。本发明提出一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，在基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源中，分别选取两个信号源的工作波长与所掺杂的稀土离子的两个级联的辐射跃迀波长相同，分别对两个波长的信号光进行功率放大并产生中红外超连续谱，可以提高斜率效率、减少产热，实现高功率的中红外超连续谱输出。
[0007]本发明的技术方案如下:一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，所述光源由掺杂光纤、第一信号源、第二信号源、抽运源、光耦合组件、包层模式滤除器构成。包层模式滤除器位于掺杂光纤中。所述的第一信号源、第二信号源和抽运源分别发射第一信号光、第二信号光、抽运光，第一信号光、第二信号光、抽运光经光耦合组件耦合进入掺杂光纤中，掺杂光纤经包层模式滤除器输出超连续谱。
[0008]掺杂光纤为掺杂有稀土离子的双包层软玻璃光纤。掺杂光纤掺杂的稀土离子要求在抽运波长下有三个可参与辐射跃迀的能级，能级由低到高分别为第一能级、第二能级、第三能级，并且第三能级与第二能级之间、第二能级与第一能级之间的跃迀均能够以辐射跃迀的形式实现;第三能级与第二能级之间的辐射跃迀对应的波长为第一波长A1，第二能级与第一能级之间的辐射跃迀对应的波长为第二波长λ2，第一能级到第三能级的吸收跃迀波长为第三波长入3，并自然满足?/λ3 > ?/λ?+?/λ2。掺杂光纤靠近第一信号源和第二信号源的一端切平角，掺杂光纤远离第一信号源和第二信号源的一端切8°斜角，以消除光纤端面的菲涅耳反射带来的反馈。掺杂光纤的端面处理保证超连续谱光源的单端输出以及抑制激射。掺杂光纤靠近抽运源的一端为第一端，另一端为第二端。
[0009]第一信号源为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，工作波长即第一信号光与λι相同，发射的激光脉冲宽度为ns?ps量级，脉冲重复频率为kH