基于氟化物玻璃的微结构光子晶体光纤超连续谱系统的制作方法
【专利摘要】一种光纤基超连续谱系统，包括：一泵浦激光器，一ZBLAN或者其它氟化物基微结构玻璃光纤，以及电子控制装置；其中，所述电子控制装置控制所述泵浦激光器以产生激光脉冲进入所述ZBLAN或者其它氟化物基微结构玻璃光纤中。以及公开了具有亚微米特征和大的空气填充率的ZBLAN光子晶体光纤的制造方法和所述光纤在1042nm下从140fs、1nJ脉冲中产生稳定的超连续谱(200到2500nm)的应用。
【专利说明】基于氣化物玻璃的微结构光子晶体光纤超连续谱系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 该申请引用了2013年10月30号提交的申请号为61/897,624的美国临时专利申请 的权益。在此通过引用将美国临时专利申请61/897,624的公开内容合并至本文中。
技术领域
[0003] 本发明设及超连续谱系统领域，尤其设及具有基于氣化物玻璃的微结构光子晶体 光纤超连续谱系统。
【背景技术】
[0004] 实屯、二氧化娃-空气光子晶体光纤(PCF)的群速色散(GVD)可W通过改变纤忍尺寸 和空气填充率在一个宽光谱范围内调整[1]。尤其是PCF可W设计为具有一零色散点，所述 零色散点位于许多常见激光的波长附近W使得明亮的超连续谱(SC)光可W生成。从fs脉冲 到连续波，通过运种方式已经成功和有效地扩大许多不同的激光[2]。因此，PCF在过去十年 里变革了白光源和频谱检测，现在PCF通常用于实验室和商用产品。然而，现有PCF基SC源的 一个限制是烙融二氧化娃在超过2微米的中红外光中会遭到强材料吸收，W及由紫外光引 起中途曝光(从波长<380nm开始），在运两个限制内约束了 SC的产生。其它材料，如重金属氧 化物、硫族化物或氣化物基玻璃，有希望代替二氧化娃W提供扩展的传输窗口（例如ZBLAN， 从~200纳米到高于7微米）。在运些玻璃中，氣化物基玻璃系列（例如ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-化F)，InFs，BeF2，等等）从紫外光到中红外光是透明的，并且在细致合成后具有 非常低的吸水率。运使得它成为生成多倍频宽超连续谱的理想材料。
【发明内容】
[0005] 本发明的一个具体实施例提供了一种光纤基超连续谱系统，包括:一累浦激光器； 一ZBLAN或者其它氣化物基微结构玻璃光纤；W及电子控制装置;其中，所述电子控制装置 控制所述累浦激光器W产生激光脉冲进入所述ZBLAN或者其它氣化物基微结构玻璃光纤 中。
[0006] 本发明的另一具体实施例提供了一 ZBLAN或者其它氣化物基微结构玻璃光纤，所 述ZBLAN或者其它氣化物基微结构玻璃光纤具有一玻璃-空气微结构，该玻璃-空气微结构 有纤忍直径和空气填充率，所述纤忍直径和空气填充率经设计可W在通过红外或红外激光 器累浦时产生最佳超连续谱。
[0007] 本发明的另一具体实施例提供了一 ZBLAN或者其它氣化物基微结构玻璃光纤，所 述ZBLAN或者其它氣化物基微结构玻璃光纤具有一稀±渗杂或稀±共渗杂纤忍，所述稀± 渗杂或稀±共渗杂纤忍适合从紫外光到红外光的高性能激光器和放大器。
[000引本发明的另一具体实施例提供了一内腔超连续谱光纤激光源，包括一 ZBLAN或者 其它氣化物基微结构玻璃光纤，所述ZBLAN或者其它氣化物基微结构玻璃光纤具有一玻璃-空气微结构，该玻璃-空气微结构具有稀上渗杂或稀上共渗杂纤忍，W及具有纤忍直径和空 气填充率，所述稀±渗杂或稀±共渗杂纤忍适合从紫外光到红外光的高性能激光器和放大 器，所述纤忍直径和空气填充率经设计可W在通过红外或红外激光器累浦时产生最佳超连 续谱。
【附图说明】
[0009] 图1为一高度非线性ZBLAN PCF;
[0010] 图2为一产生S倍频程宽频谱的ZBLAN PCF;
[00川图3为块状ZBLAN玻璃、双折射纤忍和包层内两间质接合（interstitial 化nctions)的色散图；
[001^ 图4为ZBLAN PCF中超连续谱的产生，在InJ下，光谱扩大到接近S倍频程(它的光 谱边界之间频率比为23)宽；
[OOK] 图5为ZBLAN PCF中超连续谱的产生;在830pJ下，光谱从200nm扩大到1750nm，跨越 超过=倍频程。
【具体实施方式】
[0014] 结合附图了解根据本发明原理的示例性实施例说明，所述说明将看作整个书面说 明的一部分。运里所公开的发明实施例的说明中，对方向或取向的任何指定仅为了说明的 方便，不W任何方式限制本发明的范围。相关词语，例如"下部V'上部"，"水平的"，"垂直 的"，"上方"，"下方"，"向上"，"向下"，"顶部"和"底部"W及它们的派生词，（例如，"水平 地"，"向下地"，"向上地"，等等），运些词语应被解释对取向的指定，所述取向如讨论中的附 图所接着说明或所示。除非有明确的指明，否则运些相关词语只是为了描述的方便，不需要 设备在特定的取向下构建或操作。除非另有明确的描述，否则像"附加的"，"粘着的"，"连接 的"，"禪合的"，"互联的"W及类似的词语，指的是一种关系，其中，一些结构直接地或间接 通过中间结构W及可动的或者固定的附件或者关系固定或附加到另外的结构上。另外，通 过引用具体实施例描述本发明的特点和有益效果。因此，应清楚地认为，本发明不限制于所 述具体实施例，所述具体实施例描述了一些可能的非限制的特征组合，所述特征组合可能 单独或者在其他特征组合中存在;本发明的范围由附加的权利要求限定。
[0015] 所述公开内容描述了目前所预期的实现本发明的最佳方式或方式。所述描述并非 为了限制，而是提供本发明的一个例子，提出所述例子仅仅为了参照附图实现说明的目的， 从而告知本领域普通技术人员本发明的优点和结构。在附图的不同视图中，相同的附图标 记表示相同或相似的部分。
[0016] 因为狭窄的溫度范围（<10°C，和二氧化娃的一 300°C比较）W及在该溫度范围内才 有合适的粘度，因此从ZBLAN玻璃中拉制复杂的微结构光纤是很有难度的。阿德莱德集团对 微结构ZBLAN光纤W前的工作则是利用挤制加工来产生一结构，所述结构具有大的（-100 微米)纤忍，该纤忍被一个中空管道环所包围[3]。迄今为止SC已经在具有一 7微米纤忍直径 的全固态阶跃型ZBLAN光纤中生成[4-6]。虽然结果比较理想，但由于运些光纤具有低有效 非线性和非理想色散图，所述光纤需要在W[3]或者甚至在mj范围[4]脉冲内累浦。在图3中 按波长绘制块状ZBLAN玻璃的色散。所述块状ZBLAN玻璃在1.62WI1处具有零色散点（与烙融 二氧化娃的-1.3WI1比较），所述零色散点可W通过生产具有更小纤忍的光纤W移动到更短 波长处。运是最近通过使用拉锥(tapering)实现的，从而证明了红外光谱从Iwii延长到3.化 m并在1550nm下一 l(K)nJ脉冲能量时具有…10地的平坦度[7]。
[0017] 本文公开了采用先进的堆找拉伸技术成功制造具有大的空气填充率的小纤忍 ZBLAN玻璃PCF(图1和图2)。图化中扫描电子显微镜图（SEM)展示了最大和最小直径为3.71 和3.03WI1的略呈楠圆形纤忍。所述略呈楠圆形纤忍被四排中空的包层通道包围，所述中空 的包层通道散布有直径~1皿的S角形间质波导（图2c)。可W看出，运些包层波导彼此间完 全光学隔离，W使得所述包层波导可W作为独立的波导纤忍使用(至少在较短的波长内，当 模场没有扩散太远时）。
[0018] 图3的圆圈310代表纤忍模态的色散值，所述色散值通过使用低相干干设技术测量 偏振本征态之一所得。在图中也展示了块状ZBLAN玻璃的色散。同时对间质接合A和B的数值 计算色散曲线也进行绘制，该间质接合A和B嵌入在ZBLAN玻璃中并终止于一完全匹配层。所 述计算基于来自JCMwave的高分辨率SEM和有限元软件。尽管所述间质模态在更长波长下会 分布更广，所述间质模态是=角形的并很好地限制于Iwii波长的玻璃原丝中（图4的插图）。 接合A(670和1300nm)和接合B(700和1720nm)的两个零色散波长也有展示。最大异常色散点 接近1042nm的累浦波长（图3)。与~850nm下具有一 ZDW的纤忍模态不同的是，所述间质接合 提供一理想生成SC的色散图。因此，重点在于使用所述间质接合生成SC。
[0019] 通过穿过所述包层结构紧紧聚焦激光和扫描所述激光，W-个接一个地观看不同 的间质接合，本发明的一个实施例可W识别一接合，在所述识别的接合中，近=倍频程宽的 SC在一4.3cm长的光纤样品中生成。在一个实施例中，在最大可用能量（11. SnJ，对应于在~ 8 %的所测发射效率下~In J的光纤内能量)下累浦接合B时，所述频谱从350nm扩展到2.5]im 并具有优于10地的平坦度，W及从SOOnm扩展到2.4WI1并具有优于3地的平坦度。在运个范围 内平均光谱能量密度为~〇.5pJ/nm。如图5所示，在一个实施例中，具有发射脉冲能量为 830pJ的累浦接合A导致大于S倍频程宽的SC的生成，所述大于S倍频程宽的SC从200nm扩 展到1750nm。在如此低的脉冲能量下，运种极端的光谱展宽得自合适的色散图和小的模态 区域（由有限元计算结果估计，在1皿波长下为~1.42皿 2)，运导致了在一 0.25nfVi的有效 光纤非线性。
[0020] 从接合A中发射的紫外光，甚至在几个月内每天进行5-6小时的实验后，没有出现 光损伤的迹象。运已经通过进行寿命实验得到进一步验证，在所述实验中，在超过24小时的 时间里每隔5分钟记录200和400nm之间的输出光谱。结果显示没有损伤的迹象。
[0021] 值得注意的是，现有的系统不能在该深紫外光区域产生超连续谱。例如，在具有一 二氧化娃玻璃光纤的现有超连续谱系统中，甚至在所述二氧化娃玻璃光纤中生成300nm的 光线时，会因为中途曝光而损伤所述二氧化娃玻璃光纤。
[0022] 在一个实施例中，针对所述计算的色散图，基于广义非线性薛定禪方程的数值解， 进行初步模拟，大致上证实运些结果。遵从孤子动力学W产生SC,使得初始光谱展宽（由自 相位调制驱动)伴随着~380nm的色散波发射。同时，孤子从累浦脉冲出现，并由于孤子自频 移而移到更长的波长处。当所述孤子在1720nm处接近第二ZDW时，色散波在正常色散区内W 超过1720nm的波长发射。
[0023] 在一个实施例中，具有高空气填充率和亚微米尺度特征的高质量光子晶体光纤可 W从ZBLAN玻璃中拉制。相比全固态阶跃型ZBLAN光纤的W往技术，所述玻璃的宽传输窗口 W及大幅修改所述色散图的能力是一显著的进步，呈现出产生超宽带的超连续谱的显著可 能性。一种超连续谱系统，包括:一粟浦激光器，一ZBLAN光纤，W及电子控制装置;其中，所 述电子控制装置控制所述粟浦激光器^产生激光脉冲进入所述ZBLAN光纤中。预计所述公 开技术在未来能够生产出一具有更小中央纤芯的光纤。ZBLAN玻璃也是稀上离子的优良载 体，预示在光纤激光器中超宽频带内腔SC生成的可能性。本发明的一实施例展示了超过兰 倍频程宽的稳定SC,所述超过兰倍频程宽的稳定SC从深紫外光跨度到中红外光并由~InJ 能量的HOfs脉冲产生，已经在诸如光谱学和污染监测的领域中有许多应用。
[0024] 参考文献
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[0032]虽然本发明相当详细地叙述了具有某些特殊性的几个实施例，但不意味着本发明 限定于任何此类实施例或任何特定的实施例中，但本发明将根据附加的权利要求进行解 释，^从现有技术的角度提供这类权利要求的最广泛的可能解释，因而能有效地涵盖本发 明的预期范围。进一步地，^上描述了根据发明人所预知实施例的本发明，所述实施例中已 有一个可用的授权描述，虽然本发明做了轻微的修改，并且目前不能预知，但是仍然可^代 表其等同物。
【主权项】
1. 一种光纤基超连续谱系统，包括： 一栗浦激光器， 一 ZBLAN或者其它氟化物基微结构玻璃光纤，以及 电子控制装置； 其中，所述电子控制装置控制所述栗浦激光器以产生激光脉冲进入所述ZBLAN或者其 它氟化物基微结构玻璃光纤中。2. 根据权利要求1所述的光纤基超连续谱系统，其中，所述系统产生至少两倍频程宽的 超连续谱，该超连续谱具有优于20dB的频谱平坦度，其中，最高频与最低频的比率至少等于 4〇3. 根据权利要求1所述的光纤基超连续谱系统，其中，所述系统产生波长短于300nm的 紫外光，所述紫外光具有超过一天或者更多天的稳定性而不会造成所述光纤的退化。4. 根据权利要求2所述的光纤基超连续谱系统，所述系统具有优于10dB的频谱平坦度。5. 根据权利要求2所述的光纤基超连续谱系统，所述系统具有优于5dB的频谱平坦度。6. 根据权利要求2所述的光纤基超连续谱系统，所述系统具有低于lnj的栗浦脉冲能 量。7. 根据权利要求3所述的光纤基超连续谱系统，所述系统具有低于lnj的栗浦脉冲能 量。8. 根据权利要求2所述的光纤基超连续谱系统，其中，所述ZBLAN或者其它氟化物基微 结构玻璃光纤包括一玻璃-空气微结构，该玻璃-空气微结构具有一纤芯直径和一空气填充 率，所述纤芯直径和空气填充率设计为在通过红外或红外激光器栗浦时产生最佳超连续 谱。9. 根据权利要求3所述的光纤基超连续谱系统，其中，所述ZBLAN或者其它氟化物基微 结构玻璃光纤包括一玻璃-空气微结构，该玻璃-空气微结构具有一纤芯直径和一空气填充 率，所述纤芯直径和空气填充率设计为在通过红外或红外激光器栗浦时产生最佳超连续 谱。10. 根据权利要求8所述的光纤基超连续谱系统，其中，所述系统使用一脉冲光纤激光 器作为栗浦源，该栗浦源具有Yb:掺杂（Ιμπι)，Er:掺杂（1.55μπι)或者Tm:掺杂(2μπι)或者任何 其他掺杂剂或者任何掺杂剂的组合。11. 根据权利要求9所述的光纤基超连续谱系统，其中，所述系统使用一脉冲光纤激光 器作为栗浦源，该栗浦源具有Yb:掺杂（Ιμπι)，Er:掺杂（1.55μπι)或者Tm:掺杂(2μπι)或者任何 其他掺杂剂或者任何掺杂剂的组合。12. -种ZBLAN或者其它氟化物基微结构玻璃光纤，具有一玻璃-空气微结构，该玻璃-空气微结构具有一纤芯直径和一空气填充率，所述纤芯直径和空气填充率设计为在通过红 外或红外激光器栗浦时产生最佳超连续谱。13. -种ZBLAN或者其它氟化物基微结构玻璃光纤，具有一稀土掺杂或稀土共掺杂纤 芯，所述纤芯适用于从紫外光到红外光的高性能激光器和放大器。14. 一种内腔超连续谱光纤激光源，包括一 ZBLAN或者其它氟化物基微结构玻璃光纤， 所述ZBLAN或者其它氟化物基微结构玻璃光纤具有一玻璃-空气微结构，该玻璃-空气微结 构具有稀土掺杂或稀土共掺杂纤芯，所述稀土掺杂或稀土共掺杂纤芯适合从紫外光到红外 光的高性能激光器和放大器，以及具有一纤芯直径和一空气填充率，所述纤芯直径和空气 填充率设计为在通过红外或红外激光器栗浦时产生最佳超连续谱。
【文档编号】H01S3/067GK105849986SQ201480071718
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年10月29日
【发明人】江昕, F·巴比克, N·Y·乔利, P·S·J·鲁塞尔
【申请人】马克斯·普朗克科学促进学会