高功率可见光增强超连续谱光源的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种高功率可见光增强超连续谱光源，由短波长脉冲光纤激光器、多芯光子晶体光纤、光纤端帽构成；本发明采用短波长脉冲光纤激光器作为泵浦光，使可见光产生效率大大提高；采用多芯光子晶体光纤，通过对光纤的色散特性进行设计，不仅可获得覆盖可见光波段的光谱，而且有效提高了光纤的损伤阈值，实现高功率的可见光增强超连续谱光源。本发明为全光纤系统，结构简单，其输出具有光谱宽、功率高、可见光产生效率高的特点，提升了现有可见光超连续谱光源的可见光产生效率及输出功率，从而实现更广泛的可见光超连续谱光源应用。
【专利说明】
高功率可见光増强超连续谱光源
技术领域
[0001] 本发明涉及激光技术与非线性光学领域的超连续谱光源，特别涉及一种高功率可 见光增强超连续谱光源。
【背景技术】
[0002] 超连续谱光源，是激光与非线性介质相互作用产生光谱极大展宽的一种新型光 源。超连续谱光源具有光谱宽、亮度高、空间相干性好、功率谱密度高等优点，在基础科学研 究、生物医学、光学相干层析、光频率计量、器件检测、传感等领域具有重要的应用价值。如 今超连续谱光源的光谱范围可覆盖可见光、近红外、中红外波段，其中可见光超连续谱光源 在激光显示、生物光谱分析、光电对抗等领域具有重要的应用，如何提高可见光超连续谱光 源的输出功率以及可见光产生效率是超连续谱光源发展的研究热点。
[0003] 超连续谱光源一般包括栗浦源和非线性介质两部分。由于目前工作波长在1.06μπι 的光纤激光器发展成熟，具有输出功率高、体积小易集成等优点，常被用作超连续谱光源的 栗浦源。光子晶体光纤具有色散特性灵活可控的优点，通常作为超连续谱光源的非线性介 质。改变光子晶体光纤的空气孔结构(直径、间距、排布方式），即可方便地调节其色散特性。
[0004] 超连续谱光源的物理机制表明，可见光超连续谱光源的可见光产生效率与光纤的 零色散波长、栗浦源的工作波长有关，栗浦源的工作波长在靠近光纤零色散波长的反常色 散区时（即栗浦源工作波长略大于光纤零色散波长），可实现超连续谱光源光谱的极大展 宽。栗浦源工作波长与光纤零色散波长相距越远，栗浦光向可见光转换的效率越低，即可见 光产生效率越低。（参见 J ·Μ· Stone，J · C .Knight，Vi sib ly〃whi te〃 1 ight generation in uniform photonic crystal fiber using a microchip laser[J].Optics Express， 2008,16(4):2670-2675. (J.M. Stone等，用微芯片激光器在光子晶体光纤中产生可见白 光））。另外，超连续谱光源的短波边界主要受限于光子晶体光纤的群折射率匹配特性，通常 只有纤芯较细且空气孔占空比（空气孔直径与空气孔间距的比值)较大的光子晶体光纤才 具有满足超连续谱光源向蓝光、紫外扩展的群折射率匹配特性，这种光子晶体光纤的零色 散波长一般小于lwii。最后，由于这种光子晶体光纤纤芯较细，热效应、激光损伤等因素从根 本上限制了基于这种光子晶体光纤的超连续谱光源的输出功率。
[0005] 国际上知名的超连续谱光源供应商如英国Fianium公司型号为WL-SC400-20的超 连续谱光源(输出功率20W，可见光功率<4W，可见光占<20%)、丹麦NKT光子公司型号为 EXU-6的超连续谱光源(输出功率3W，可见光功率0.6W，可见光占20 % )，以及国内安扬激光 有限公司型号为SC-Pro的超连续谱光源(输出功率2W，可见光功率0.4W，可见光占20% )，均 使用1.06μπι光纤激光器作为栗浦源获得光谱覆盖范围400~2400nm的超连续谱光源。可以 看出：由于栗浦源的工作波长与光纤的零色散波长相距较远，大部分光谱能量集中在近红 外波段，可见光产生效率较低。
[0006] 为提高可见光产生效率，研究人员将1.06μπι光纤激光器通过倍频器倍频得到波长 为0.5μπι绿光，将此绿光作为栗浦源获得光谱能量主要集中在可见光波段的超连续谱光源 (参见申请号201410204625.X的中国专利"一种基于绿光光纤激光器栗浦的可见光超连续 谱光源"），此方案的缺点是需要将经过倍频晶体后的光束耦合到光纤中，导致光束质量变 差，同时倍频晶体可承受功率有限，采用该方法无法获得高功率可见光超连续谱光源。另 外，还有研究人员用1.06μπι光纤激光器作为栗浦源，两个或两个以上的零色散波长递减的 光子晶体光纤熔接作为非线性介质，获得可见光增强超连续谱光源（参见申请号 200810236572.4的中国专利"全光纤结构的可见光增强超连续谱激光系统"），此方案的缺 点是光子晶体光纤之间的熔接损耗较大，光子晶体光纤本身及熔点均不能承受高功率，因 此该方案也无法获得高功率可见光增强超连续谱光源。
[0007] 为提高超连续谱光源的输出功率，研究人员提出一种基于多芯光子晶体光纤的超 连续谱光源（参见申请号为201220703339.4的中国专利"基于多芯光子晶体光纤的超连续 谱光源"），有效实现40W全光纤化超连续谱输出，但由于该多芯光子晶体光纤未进行合理的 色散特性设计，且栗浦波长与零色散波长相距较远，光谱范围仅为600~1700nm，没有覆盖 全可见光波段。
[0008] 综上所述，现有技术方案无法实现高功率可见光增强超连续谱光源，这极大地限 制了可见光超连续谱光源的应用。
【发明内容】
[0009] 为解决现有可见光超连续谱光源的输出功率及可见光产生效率较低的问题，本发 明提出一种高功率可见光增强超连续谱光源，其输出具有光谱宽、功率高、可见光产生效率 高的特点，且为全光纤系统。
[0010] 本发明的技术方案是:一种高功率可见光增强超连续谱光源，所述光源由短波长 脉冲光纤激光器1、多芯光子晶体光纤2、光纤端帽3构成。其中短波长脉冲光纤激光器1的输 出端与多芯光子晶体光纤2的输入端通过熔接的方式连接，多芯光子晶体光纤2的输出端与 光纤端帽3通过熔接的方式连接，经光纤端帽3输出超连续谱。
[0011] 短波长脉冲光纤激光器1为工作波长为1〇〇〇~l〇25nm波段、脉冲宽度为lps~ 1000ns、脉冲重复频率为1kHz~1000GHz、输出平均功率为lmW~1000kW的脉冲信号，带尾纤 输出，输出激光光束质量好，为基横模或者接近基横模，作为可见光增强超连续谱光源的栗 浦源。输出的脉冲激光经熔点耦合到多芯光子晶体光纤2中以全反射的形式传输并发生非 线性光谱展宽。
[0012] 多芯光子晶体光纤2为超连续谱光源的非线性介质，能够形成稳定的同相超模，并 支持其低损耗传输;零色散波长在950~1020nm之间;群折射率曲线满足:大于2.5μπι波长处 的群折射率与小于〇.4μπι波长处的群折射率相匹配;各纤芯直径小于5μπι，且空气孔占空比 (空气孔直径与空气孔间距的比值)大于0.6;纤芯数目为大于一的正整数。
[0013] 光纤端帽3用于避免光子晶体光纤2的端面反射，保护短波长脉冲光纤激光器1免 受损伤。
[0014] 短波长脉冲光纤激光器1的输出端与多芯光子晶体光纤2的输入端进行恪接时，可 以运用光子晶体光纤后处理技术(参见专利"双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法"，申 请号201010567268.5,或参见Zhou，Xuanfeng，et al.Gaussian-Like Mode Field Generated in a Seven-Core Photonic Crystal Fiber for Low Loss Splicing by Air Hole Collapse Technique[J].Journal of Lightwave Technology,2014,32(21):3368-3371(周旋风等，通过空气孔塌缩低损耗熔接技术实现七芯光子晶体光纤的类高斯模场输 出）），实现低熔接损耗。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0016] 1.采用短波长脉冲光纤激光器代替常规1.06μπι光纤激光器作为栗浦光，其工作波 长与光子晶体光纤的零色散波长更接近，使可见光产生效率大大提高，从而实现可见光增 强超连续谱光源。
[0017] 2.采用多芯光子晶体光纤，通过调整光纤的空气孔直径和空气孔间距对光纤的色 散特性进行设计，使其满足超连续谱光源向蓝光、紫外扩展的群折射率匹配特性，不仅可获 得覆盖可见光波段的光谱，而且有效提高了光纤的损伤阈值，解决了现有可见光超连续谱 光源输出功率低的问题，从而实现高功率的可见光增强超连续谱光源。
[0018] 3.本高功率可见光增强超连续谱光源结构简单，性能良好，提升了现有可见光超 连续谱光源的可见光产生效率及输出功率，从而实现更广泛的可见光超连续谱光源应用。
【附图说明】
[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。
[0020] 图1为本发明的结构不意图；
[0021] 图2为本发明实施例中多芯光子晶体光纤2的横截面结构示意图；
[0022] 图3为本发明实施例中多芯光子晶体光纤2的色散曲线图；
[0023] 图4为本发明实施例中多芯光子晶体光纤2的群折射率曲线图；
[0024] 图5为本发明实施例的输出光谱图；
[0025] 图6为本发明实施例的输出功率与栗浦功率关系图。
[0026] 附图标记：1、短波长脉冲光纤激光器;2、多芯光子晶体光纤;3、光纤端帽；4、光子 晶体光纤的基底材料;5、光子晶体光纤的空气孔;6、光子晶体光纤的纤芯;21-22、熔接点。 具体实施方案
[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028] 本发明一种"高功率可见光增强超连续谱光源"的结构如图1所示，它由短波长脉 冲光纤激光器1、多芯光子晶体光纤2、光纤端帽3构成。其中短波长脉冲光纤激光器1与多芯 光子晶体光纤2通过熔接的方式连接，21表示它们的熔接点。多芯光子晶体光纤2与光纤端 帽3通过熔接的方式连接，22表示它们的熔接点，经光纤端帽3输出超连续谱。
[0029] 在本实施例中，短波长脉冲光纤激光器1为皮秒脉冲掺镱光纤激光器，工作波长为 1016nm，脉冲宽度120ps，脉冲重复频率为25MHz，平均功率为50W，输出尾纤为纤芯直径25μ m、内包层直径250μπι的双包层光纤。
[0030] 如图2所不，本实施例中多芯光子晶体光纤2为七芯光子晶体光纤，空气孔5按六边 形周期性排列，其中空气孔5的直径d为3.7μπι，任意相邻两个空气孔5的间距Λ为4.5μπι，空 气孔占空比d/Λ为0.82,取消中心处空气孔以及与中心处空气孔间距为的六个空气孔 形成七个纤芯6,光纤包层直径120μπι，光纤长度为13.5m。通过光子晶体光纤后处理技术实 现短波长脉冲光纤激光器1和多芯光子晶体光纤2的低损耗恪接。
[0031 ]如图3所不，本实施例中多芯光子晶体光纤2的光纤零色散波长为990nm。如图4所 示，2.5μπι波长处的群折射率与0.42μπι波长处的群折射率相匹配。如图5所示，在短波长脉冲 光纤激光器1最大输出功率下，本实施例中的高功率可见光增强超连续谱光源输出光谱范 围为400-2300nm。如图6所示，本实施例中的高功率可见光增强超连续谱光源输出功率约为 24W(其中可见光功率6W，占25% )，且随短波长脉冲光纤激光器1输出功率的增加而线性增 加。
[0032]综上所述，本实施例实现了可见光增强超连续谱输出，且具有进一步的功率提升 潜力。
【主权项】
1. 一种高功率可见光增强超连续谱光源，包括:短波长脉冲光纤激光器I、多芯光子晶 体光纤2、光纤端帽3;所述短波长脉冲光纤激光器1的输出端与所述多芯光子晶体光纤2的 输入端连接，所述多芯光子晶体光纤2的输出端与所述光纤端帽3连接，经光纤端帽3输出超 连续谱;所述短波长脉冲光纤激光器1为工作波长为1000~l〇25nm波段、脉冲宽度为Ips~ 1000ns、脉冲重复频率为IkHz~1000GHz、输出平均功率为ImW~1000 kW的脉冲信号，带尾纤 输出，输出激光为基横模或者接近基横模;所述多芯光子晶体光纤2中各纤芯直径小于5μπι， 且空气孔占空比大于0.6;纤芯数目为大于1的正整数;零色散波长在950~1020nm之间；群 折射率曲线满足:大于2.5μπι波长处的群折射率与小于0.4μπι波长处的群折射率相匹配。2. 如权利要求1所述的超连续谱光源，其特征在于，所述短波长脉冲光纤激光器1的输 出端与多芯光子晶体光纤2的输入端采用熔接方式连接;所述多芯光子晶体光纤2的输出端 与所述光纤端帽3采用熔接方式连接。
【文档编号】H01S3/094GK105896252SQ201610416974
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】侯静, 陈胜平, 张斌, 靳爱军, 李荧, 齐雪
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学