基于悬浮芯光纤的可见光增强超连续谱光源的制作方法

本发明涉及超连续谱光源领域，具体而言涉及一种基于悬浮芯光纤的可见光增强超连续谱光源。

背景技术：

超连续谱产生技术最早由alfano于1970年实现并报道[r.r.alfano,ands.l.shapiro,phys.rev.lett.24,592(1970)]，但直到2000年，商用超快脉冲激光器的出现和色散调节高非线性光子晶体光纤(photoniccrystalfiber,pcf)技术的成熟，该技术才得以实用化。光纤超连续谱光源具有系统结构紧凑、输出光束质量高、光谱带宽宽等优点，是光纤性能测试、光纤传感、oct(opticalcoherencetomography)等领域的理想光源，并在很多应用领域可以替代已有的放大自发发射ase(amplifiedspontaneousemission)光源、超发光二极管sld(superluminescentdiode)光源和卤素灯光源。

光纤超连续谱光源的产生机理是：高能量的超短激光脉冲在高非线性光纤(通常为色散调节的光子晶体光纤pcf[t.a.birks,j.c.knight,p.s.russell,opt.lett.(1997)22,961-963.])中传输时，由于高脉冲峰值功率、光纤高非线性系数、及光纤色散等参数的共同影响，发生包括自相位调制spm、拉曼散射、四波混频等多种非线性效应，从而导致输出的脉冲发生大幅度的光谱展宽[supercontinuumgenerationinphotonicscrystalfibers,v2.0,july2009]。通过优化组合泵浦光源参数(泵浦波长、脉冲宽度、峰值功率、重复频率等)和非线性光子晶体光纤的参数(光纤基质材料折射率n、非线性科尔系数n2、光纤基质材料色散特性、光纤的光子晶体微结构、光纤色散特性等)，可以优化光纤超连续谱光源的输出带宽、输出总功率、光谱功率密度或特定波段的光谱功率密度、和相位相干性等性能指标。其中，具有高相位相干性的可见光超连续谱光源是生物学、化学和医学领域许多应用的理想光源，比如oct、非线性光谱学、荧光寿命成像显微镜(flim)和激光扫描共聚焦显微镜(lscm)等，具有较大的应用前景，是当前研究的热点。

可见光增强的光纤超连续谱光源通常采用超短脉冲(10-1000飞秒)激光为泵浦源，色散调节的pcf光纤为传输介质，在长波孤子波和短波色散波等非线性作用相互影响下，输出波长扩展到紫外和中红外波段。在频谱展宽的过程中，当自相位调制占主导地位时，可以保持光谱的高相位相干性(即低的时域噪声)，而当调制不稳定性(modulationinstability，mi)起主导作用时，相位相干性会明显降低，在时域上表现为极高的噪声。当泵浦脉冲宽度越短，比如小于50fs，产生超连续谱的相位相干性越高。因此，采用超短脉冲激光泵浦源，有利于提高超连续谱光源的相干性。

在相位相干度之外，超连续谱光源的可见光波段能量占比，以及泵浦激光功率到可见光波段功率的转换效率，也是实用的超连续谱光源非常重要的两个技术指标。在过去近二十年的相关研究成果中，发明人对该两项指标进行了总结(见图1a和图1b)。如图1a所示,已报道的光纤超连续谱光源的输出功率的范围从毫瓦到百瓦量级，其中可见光波段(400-700纳米)功率占总光谱功率比超过60％的，只有用532nm倍频光纤激光器作为泵浦源的一个例子，在其它工作中，该指标都在50％以下。在所有这些报道中，泵浦激光功率到可见光(400-700纳米)波段功率的转换效率最大只有25％，如图1b所示。

综上所述，现有的技术方案无法获得一种高相干性、高转换效率的可见光增强的超连续谱光源，极大的限制了可见光超连续谱光源的广泛应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：

针对上述现有的超连续谱光源中可见光波段转化效率较低、相干度较差的问题，导致超连续谱光源在某些重要应用中仍有较大的限制，本发明提出了一种基于悬浮芯光纤的可见光波段转换效率较高且功率增强的超连续谱产生技术。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于悬浮芯光纤的可见光增强超连续谱光源，其包括依次光学耦合的超短脉冲激光泵浦源、输入耦合光学器件、悬浮芯光纤及输出耦合光学器件，其中，

超短脉冲激光泵浦源输出线偏振光，中心波长为750-850纳米，脉冲宽度为10-200飞秒，重复频率为1khz-100mhz；

输入耦合光学器件用于将超短脉冲激光泵浦源输出的线偏振光耦合至悬浮芯光纤；

悬浮芯光纤包括纤芯、包层和由包层围绕的空气间隙，纤芯由与包层内壁相连的纤芯支撑薄片支撑而悬浮在空气间隙中，所述悬浮芯光纤长度为1-100厘米，包层直径为100-500微米，纤芯直径为0.5-3.0微米，纤芯支撑薄片长度为5-50微米，厚度为0.05-0.5微米，纤芯、纤芯支撑薄片和包层由折射率为1.30-1.60的玻璃光学材料制成；

输出耦合光学器件用于将从悬浮芯光纤出射的光准直并输出。

优选地，所述悬浮芯光纤长度为10厘米，包层直径为160微米，纤芯直径为1.7微米，纤芯支撑薄片长度为16微米，厚度为0.4微米。

优选地，超短脉冲激光泵浦源输出的线偏振光中心波长为800纳米，脉冲宽度为29飞秒，重复频率为80mhz。

优选地，所述玻璃光学材料为氟化物玻璃、氟氧化物玻璃、硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃。

优选地，纤芯、纤芯支撑薄片和包层由不同玻璃光学材料制成，且所述不同玻璃光学材料拉制温度差不大于100度。

优选地，纤芯横截面为椭圆形、圆形或三角形。

优选地，输入耦合光学器件包括依次光学耦合的衰减片、半波片及耦合透镜，其中衰减片用于控制线偏振光进入悬浮芯光纤的功率，半波片用于控制线偏振光的偏振，耦合透镜用于将线偏振光聚焦以输入悬浮芯光纤。

优选地，耦合透镜的数值孔径小于或等于悬浮芯光纤的数值孔径，且聚焦后的光斑大小小于或等于悬浮芯光纤的纤芯大小。

优选地，耦合透镜为非球面镜。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

根据本发明的可见光增强的超连续谱光源具有高相干性、高转换效率，实验测量了其相位相干度，大于0.7，具有高输出光束质量、结构紧凑、简单的优点。

附图说明

图1a和图1b分别图示了常规超连续谱光源的可见光波段能量百分比和泵浦激光功率到可见光波段功率的转换效率。

图2为本发明超连续谱光源的结构示意图。

图3a到图3c分别图示本发明悬浮芯光纤的几种可选横截面结构。

图4为本发明悬浮芯光纤的横截面扫描电子显微镜照片。

图5为本发明悬浮芯光纤及其材料色散曲线。

图6为本发明悬浮芯光纤超连续谱输出近场照片。

图7为基于悬浮芯光纤的超连续谱频谱展宽曲线。

图8为超连续谱输出功率与输入泵浦功率关系图。

图9为可见光波段功率与输出总功率关系图。

图10为采用直径为400微米的多模光纤收集频谱时，可见光波段相干度实验测量结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图2所示，根据本发明的基于悬浮芯光纤的可见光增强超连续谱光源包括依次光学耦合的超短脉冲激光泵浦源1、输入耦合光学器件、悬浮芯光纤5及输出耦合光学器件6，其中，超短脉冲激光泵浦源1输出线偏振光，中心波长为750-850纳米，脉冲宽度为10-200飞秒，重复频率为1khz-100mhz；输入耦合光学器件用于将超短脉冲激光泵浦源输出的线偏振光耦合至悬浮芯光纤，输入耦合光学器件包括依次光学耦合的衰减片2、半波片3及耦合透镜4，其中衰减片2用于控制线偏振光进入悬浮芯光纤的功率，半波片3用于控制线偏振光的偏振，耦合透镜4用于将线偏振光聚焦以输入悬浮芯光纤，可为非球面镜；悬浮芯光纤5包括纤芯、包层和由包层包围的空气间隙，纤芯由与包层内壁相连的纤芯支撑薄片支撑而悬浮在空气间隙中，所述悬浮芯光纤长度为1-100厘米，包层直径为100-500微米，纤芯直径为0.5-3.0微米，纤芯支撑薄片长度为5-50微米，厚度为0.05-0.5微米，纤芯、纤芯支撑薄片和包层由折射率为1.30-1.60的玻璃光学材料制成。

悬浮芯光纤的几种可选横截面结构如图3a到图3c所示，其中黑色部分为空气，折射率为1，白色部分为低折射率玻璃光学材料，其折射率为1.30-1.60(对应波长800纳米)。玻璃成分为氟化物玻璃(zrf4基、或alf3基)，氟氧化物玻璃(p2o5-alf3基、或sio2-rf基(r为碱金属或碱土金属))，硅酸盐玻璃(sio2基)、硼硅酸盐玻璃(sio2-b2o3-rf基(r为碱金属或碱土金属))，磷酸盐玻璃(p2o5基)。如图3a到图3c所示，悬浮芯光纤纤芯可以为椭圆、圆和三角形，dcore为光纤纤芯直径，定义为芯几何形状的内切圆直径，为0.5-3.0微米。纤芯以外的材料(包括支撑纤芯的薄膜和包层)可以是和芯材料不同，折射率不同，但拉制温度差不大于100度。支撑纤芯的薄膜厚度为0.05-0.5微米，长度为5-50微米。光纤包层直径为100-500微米。

通过实验装置对根据本发明实施例的基于悬浮芯微结构光纤的可见光增强超连续谱光源进行了测试，实验装置包括：钛宝石飞秒放大器、衰减片、半波片、耦合透镜、悬浮芯微结构光纤、输出耦合透镜、测量用的光谱仪、功率计和成像显微镜。其中钛宝石飞秒放大器中心波长为800nm、脉冲宽度29fs、重复频率80mhz，输出平均功率最高可达460mw，输出激光为线偏振光，输出光束质量好；耦合透镜采用非球面镜，其数值孔径为0.4，采用空间耦合的方式，为了提高耦合效率，非球面镜的数值孔径小于或等于光纤的数值孔径，且聚焦后的光斑大小要小于或等于悬浮芯光纤的纤芯大小。悬浮芯光纤的长度为10厘米，其包层直径为160μm，纤芯直径为1.7μm，薄片的长度和厚度分别为16μm和0.4μm，如图4所示。光纤的制造方法参见[j.shi,x.feng,p.horak,andf.poletti,opt.fibertechno.23,137(2015).]；悬浮芯光纤的零色散点在730nm附近，如图5所示。随着纤芯直径的减少，光纤的零色散点会向短波长移动。衰减器用于控制泵浦激光进入悬浮芯光纤的功率，半波片用于控制泵浦激光的偏振态，使得泵浦激光与光纤的耦合达到最佳状态。输出耦合透镜将输出的光进行准直。采用光谱仪(hr4000，oceanoptics)测量输出光谱，用带有球面探头的功率计(s142c，thorlabs)测量输出功率，用ccd显微镜(jaigo-50000c-usb，kowainc.)测量光纤输出近场模场，如图6所示。

采用自制的10厘米长的悬浮芯光纤，在800纳米超短脉冲(29fs)激光泵浦作用下，产生了500nm至1000nm的平坦超连续谱输出，如图7所示。当输入泵浦功率为97.2mw时，输出的平均功率为42.3mw,如图8所示，其中，可见光部分(700nm以下(含700nm)波长)功率约为28.4mw，泵浦激光到可见光波段的转换效率高达29％，高出目前最好指标的25％。同时，可见光与总输出光谱的功率占比高达73.9％，如图9所示，达到当前最高水平。此外，通过非对称迈克尔逊干涉法[a.r.johnson,a.s.mayer,a.klenner,k.luke,e.s.lamb,m.r.e.lamont,c.joshi,y.okawachi,f.w.wise,m.lipson,u.keller,anda.l.gaeta,opt.lett.40,5117(2015).]测量了可见光波段的相干度，采用直径为400微米的多模光纤收集干涉频谱时，测得相位相干度高达0.7，如图10所示。在此需要指出，直径为400微米的光纤在可见光波段支持超过20000个模式，存在严重的模式竞争，将极大地降低光源本身的相位相干度。发明人用同样的方法测试了泵浦光源的相位相干度，当采用少模光纤(支持近7个模式的光纤)来收集干涉频谱时，测得相干度为0.91±0.05，而采用直径为400微米的多模光纤来收集干涉频谱时，测得相干度为0.67±0.07。因此，所产生的超连续谱光源的相位相干度大于0.7，保持了高相位相干性。这种具有高相干性的可见光增强的超连续谱光源具有很大的实际应用前景。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。