CN104009377B - 全光纤结构的蓝光和紫外光增强超连续谱激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全光纤结构的蓝光和紫外光增强超连续谱激光器，属于激光技术与非线性光学领域。具体包括依次连接的泵浦源，光纤放大器和拉锥石英光子晶体光纤，其中，所述泵浦源为全光纤结构的非线性偏振旋转锁模激光器，光纤放大器为单模光纤放大器和双包层光纤放大器，同时利用光纤拉丝塔或光纤拉锥机对石英光子晶体光纤作拉锥处理，增强超连续谱中蓝光和紫外光成分。本发明产生的超连续具有光谱成分中蓝光和紫外光成分高、光谱平坦度好、光谱带宽广，耦合效率高和转换效率高的特点。

Description

全光纤结构的蓝光和紫外光增强超连续谱激光器

技术领域

本发明属于激光技术、非线性光学领域，具体涉及一种全光纤结构的蓝光和紫外光增强超连续谱激光器。

背景技术

高峰值功率的光脉冲在高非线性光纤中传播时，其时域和频域的演化不仅受到光纤色散特性的影响，还受到光纤非线性效应的影响，例如，自发相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)和四波混频(FWM)等非线性效应，所有这些色散和非线性过程共同导致光谱带宽展开数百甚至数千纳米，这种现象称为超连续光谱的产生。

超连续谱光源由于其带宽广、稳定性好、重复频率由泵浦光源决定这些特点，使其在光学相干成像、频率测度、光学仪器测试、光纤陀螺、超短脉冲产生以及材料光谱学、环境测量、光纤传感、光计量学、激光光谱学、生物医学及光学采样等很多领域拥有重要的应用价值。其中，蓝光和紫外光超连续激光更是在激光显示、生物光谱成像、光电对抗等领域有着难以估量的价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全光纤结构的蓝光和紫外光增强超连续谱激光器，其产生的超连续具有光谱成分中蓝光和紫外光成分高，光谱平坦度好，光谱带宽广，耦合效率高和转换效率高的特点。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为一种全光纤结构的蓝光和紫外光增强超连续谱激光器，该激光器包括由光纤连接的泵浦源(1)、光纤放大器(2)、拉锥石英光子晶体光纤(3)。

所述泵浦源(1)为全光纤环形腔结构的非线性偏振旋转锁模光纤激光器，泵浦源(1)包括单模半导体激光器a(4)、光纤波分复用器a(5)、单包层掺稀土光纤a(6)、延迟纤(7)、光纤滤波器(8)、偏振控制器a(9)、偏振相关隔离器(10)、偏振控制器b(11)、光纤耦合器(12)、光纤隔离器a(13)；所述单模半导体激光器a(4)的尾纤与光纤波分复用器a(5)的第一输入端连接；光纤波分复用器a(5)的输出端与单包层掺稀土光纤a(6)连接，单包层掺稀土光纤a(6)的另一端与延迟纤(7)连接；延迟纤(7)的另一端与光纤滤波器(8)的输入端连接，光纤滤波器(8)的输出端与偏振控制器a(9)连接；偏振控制器a(9)的另一端与偏振相关隔离器(10)的输入端连接，偏振相关隔离器(10)的输出端与偏振控制器b(11)连接，偏振控制器b(11)的另一端与光纤耦合器(12)的输入端连接，光纤耦合器(12)的第一输出端与光纤波分复用器a(5)的第二输入端连接，构成环形激光腔结构。所述光纤耦合器(12)的第二输出端与光纤隔离器a(13)的输入端相连，光纤隔离器a(13)的输出端为信号激光输出口。单模半导体激光器a(4)输出的泵浦光通过光纤波分复用器a(5)耦合进激光腔，泵浦单包层掺稀土光纤a(6)得到信号光，两个偏振控制器a(9)偏振控制器b(11)和偏振相关隔离器(10)组成了非线性偏振旋转的锁模元件可以实现被动锁模，延迟纤(7)起到增加腔长降低重频的作用，这样，泵浦源(1)得到的信号光具有低重频、窄脉宽、啁啾含量大的特性，经光纤放大器放大后可以得到高峰值功率的激光输出。

所述光纤放大器(2)包括依次设置的第一级单模光纤放大器、第二级双包层光纤放大器和第三级双包层光纤放大器；所述第一级单模光纤放大器包括单模半导体激光器b(14)、光纤波分复用器b(15)、单包层掺稀土光纤(16)、光纤隔离器b(17)；其中，单模半导体激光器b(14)的输出端与光纤波分复用器b(15)的第一输入端连接，光纤隔离器a(13)输出的信号激光与光纤波分复用器b(15)的第二输入端相连，光纤波分复用器b(15)的输出端与单包层掺稀土光纤b(16)连接，单包层掺稀土光纤b(16)的另一端与光纤隔离器b(17)的输入端连接。

所述第二级双包层光纤放大器包括多模半导体激光器a(18)、光纤合束器a(19)、双包层掺稀土光纤b(20)、光纤隔离器c(21)；其中，多模半导体激光器a(18)的输出端与光纤合束器a(19)的泵浦输入端连接，第一级单模光纤放大器的光纤隔离器b(17)的激光输出端与光纤合束器a(19)的信号输入端连接，光纤合束器a(19)的输出端与双包层掺稀土光纤a(20)连接，双包层掺稀土光纤a(20)的另一端与光纤隔离器c(21)的输入端连接。

所述第三级双包层光纤放大器包括多模半导体激光器b(22)、光纤合束器b(23)、双包层掺稀土光纤b(24)、光纤隔离器d(25)；其特征在于多模半导体激光器b(22)的输出端与光纤合束器b(23)的泵浦输入端连接，第二级双包层光纤放大器的光纤隔离器c(21)的激光输出端与光纤合束器b(23)的信号输入端连接，光纤合束器b(23)的输出端与双包层掺稀土光纤b(24)连接，双包层掺稀土光纤b(24)的另一端与光纤隔离器d(25)的输入端连接。

所述拉锥石英光子晶体光纤(3)使用光纤拉丝塔对石英光子晶体光纤直接拉锥或使用光纤拉锥机采用空气孔膨胀后拉锥技术对石英光子晶体光纤拉锥。

光纤放大器(2)的工作过程如下，种子光经过光纤隔离器a(13)后，在由光纤波分复用器b(15)耦合的单模半导体激光器b(14)泵浦下，经过第一级单模光纤放大器后，经光纤隔离器b(17)输出，得到的种子光被放大；第一级放大后的激光进入第二级双包层光纤放大器，在经过光纤合束器a(19)耦合的多模半导体激光器a(18)泵浦下，经光纤隔离器c(21)输出，激光被进一步放大；最后，第二级放大后的激光进入第三级双包层光纤放大器，在经过光纤合束器b(23)耦合的多模半导体激光器b(22)泵浦下，经光纤隔离器d(25)输出，激光的功率被更进一步放大。

对光纤隔离器d(25)的尾纤进行拉锥处理减小其模场直径，对石英光子晶体光纤通过选择性空气孔塌缩技术处理增大其模场直径，这样使光纤隔离器d(25)尾纤的模场尽可能与石英光子晶体光纤模场达到匹配。

对石英光子晶体光纤的中部通过使用光纤拉丝塔直接拉锥处理，或使用光纤拉锥机采用空气孔膨胀后拉锥技术拉锥处理，得到纤芯直径为约2～3μm，孔孔间距(Λ)为1.5～3.5μm，填充率(d/Λ)为0.5～0.95，零色散波长向短波长移动的拉锥石英光子晶体光纤(3)。

光纤放大器(2)输出的激光经过上述拉锥石英光子晶体光纤(3)后产生的超连续谱，实现了光谱成分中的蓝光和紫外光成分增强的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：泵浦源采用了长腔非线性偏振旋转锁模光纤激光器，其产生信号光的重复频率可以通过延迟纤的长度调节，且脉冲宽度为皮秒量级，经过单模光纤放大器和两级双包层光纤放大器后，可以得到峰值功率较高的激光输出，将其输入到拉锥石英光子晶体光纤中，易于产生蓝光和紫外光增强的超连续谱。

附图说明

图1为本发明全光纤结构的蓝光和紫外光增强超连续谱激光器的结构示意图。

图中：1—泵浦源，2—光纤放大器，3—拉锥石英光子晶体光纤，4—单模半导体激光器a，5—光纤波分复用器a，6—单包层掺稀土光纤a，7—延迟纤，8—光纤滤波器，9—偏振控制器a，10—偏振相关隔离器，11—偏振控制器b，12—光纤耦合器，13—光纤隔离器a，14—单模半导体激光器b，15—光纤波分复用器b，16—单包层掺稀土光纤b，17—光纤隔离器b，18—多模半导体激光器a，19—光纤合束器a，20—双包层掺稀土光纤a，21—光纤隔离器c，22—多模半导体激光器b，23—光纤合束器b，24—双包层掺稀土光纤b，25—光纤隔离器d。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明的一种全光纤结构的蓝光和紫外光增强超连续谱激光器，包括依次连接的泵浦源(1)、光纤放大器(2)及拉锥石英光子晶体光纤(3)。其中，泵浦源(1)为全光纤结构的非线性偏振旋转锁模光纤激光器；该泵浦源采用环形腔结构，包括由单模光纤连接的单模半导体激光器a(4)、光纤波分复用器a(5)、单包层掺稀土增益光纤a(6)、延迟纤(7)、光纤滤波器(8)、偏振控制器a(9)、偏振相关隔离器(10)、偏振控制器b(11)和光纤耦合器(12)。本实例中的延迟纤(7)为长度1000m的SMF-28光纤。工作时，通过扳动偏振控制器(PC)(9)(11)实现单纵模锁定，得到的种子光的重复频率为200kHz，脉冲宽度约为250ps，输出平均功率约为200μW。

光纤放大器共有三级，包括依次连接的第一级单模光纤放大器、第二级双包层光纤放大器和第三级双包层光纤放大器。其中，第一级单模光纤放大器采用的掺稀土光纤b(16)为单包层6/125μm的掺镱光纤，在975nm处的吸收为250dB/m；第二级双包层光纤放大器采用的双包层掺稀土光纤a(20)为双包层7/128μm掺镱光纤，在975nm处的吸收为5.4dB/m；第三级双包层光纤放大器采用的双包层掺稀土光纤b(24)为双包层10/128μm掺镱光纤，在975nm处的吸收为6.8dB/m。

光纤放大器工作过程为：种子光经过光纤隔离器a(13)后，在由光纤波分复用器b(15)耦合的600mW/976nm单模半导体激光器b(14)泵浦下，经过第一级单模光纤放大器后，经光纤隔离器b(17)输出种子光被放大至约20mW；第一级放大后的激光进入第二级双包层光纤放大器，在经过光纤合束器a(19)耦合的10W/975nm的多模半导体激光器a(18)泵浦下，经光纤隔离器c(21)输出，激光被进一步放大至1W；最后，第二级放大后的激光进入第三级双包层光纤放大器，在经过光纤合束器b(23)耦合的2个25W/975nm的多模半导体激光器b(22)泵浦下，经光纤隔离器d(25)输出，激光的功率被放大至20W。

对光纤隔离器d(25)的尾纤进行拉锥处理减小其模场直径，对石英光子晶体光纤通过选择性空气孔塌缩技术处理增大其模场直径，这样使光纤隔离器d(25)尾纤的模场尽可能与石英光子晶体光纤模场达到匹配，熔接损耗应小于0.8dB。对石英光子晶体光纤的中部通过使用光纤拉丝塔直接拉锥处理，或使用光纤拉锥机采用空气孔膨胀后拉锥技术拉锥处理，得到纤芯直径为约2～3μm，孔孔间距(Λ)为1.5～3.5μm，填充率(d/Λ)为0.5～0.95，零色散波长向短波长移动的拉锥石英光子晶体光纤(3)。光纤放大器(2)输出的激光经过上述拉锥光子晶体光纤(3)后产生的超连续谱激光功率可以达到13W，输出光谱带宽约为370～2400nm，并且实现了产生的超连续谱中的蓝光和紫外光成分增强的效果。

Claims (2)

1.一种全光纤结构的蓝光和紫外光增强超连续谱激光器，其特征在于：该激光器包括由光纤连接的泵浦源(1)、光纤放大器(2)、拉锥石英光子晶体光纤(3)；

所述泵浦源(1)为全光纤环形腔结构的非线性偏振旋转锁模光纤激光器，泵浦源(1)包括第一单模半导体激光器(4)、第一光纤波分复用器(5)、第一单包层掺稀土光纤(6)、延迟纤(7)、光纤滤波器(8)、第一偏振控制器(9)、偏振相关隔离器(10)、第二偏振控制器(11)、光纤耦合器(12)、第一光纤隔离器(13)；所述第一单模半导体激光器(4)的尾纤与第一光纤波分复用器(5)的第一输入端连接；第一光纤波分复用器(5)的输出端与第一单包层掺稀土光纤(6)连接，第一单包层掺稀土光纤(6)的另一端与延迟纤(7)连接；延迟纤(7)的另一端与光纤滤波器(8)的输入端连接，光纤滤波器(8)的输出端与第一偏振控制器(9)连接；第一偏振控制器(9)的另一端与偏振相关隔离器(10)的输入端连接，偏振相关隔离器(10)的输出端与第二偏振控制器(11)连接，第二偏振控制器(11)的另一端与光纤耦合器(12)的输入端连接，光纤耦合器(12)的第一输出端与第一光纤波分复用器(5)的第二输入端连接，构成环形激光腔结构；所述光纤耦合器(12)的第二输出端与第一光纤隔离器(13)的输入端相连，第一光纤隔离器(13)的输出端为信号激光输出口；第一单模半导体激光器(4)输出的泵浦光通过第一光纤波分复用器(5)耦合进激光腔，第一单包层掺稀土光纤(6)得到信号光，第一偏振控制器(9)、第二偏振控制器(11)和偏振相关隔离器(10)组成了非线性偏振旋转的锁模元件可以实现被动锁模，延迟纤(7)起到增加腔长降低重频的作用，这样，泵浦源(1)得到的信号光具有低重频、窄脉宽、啁啾含量大的特性，经光纤放大器放大后可以得到高峰值功率的激光输出；

所述光纤放大器(2)包括依次设置的第一级单模光纤放大器、第二级双包层光纤放大器和第三级双包层光纤放大器；所述第一级单模光纤放大器包括第二单模半导体激光器(14)、第二光纤波分复用器(15)、第二单包层掺稀土光纤(16)、第二光纤隔离器(17)；其中，第二单模半导体激光器(14)的输出端与第二光纤波分复用器(15)的第一输入端连接，第一光纤隔离器(13)输出的信号激光与第二光纤波分复用器(15)的第二输入端相连，第二光纤波分复用器(15)的输出端与第二单包层掺稀土光纤(16)连接，第二单包层掺稀土光纤(16)的另一端与第二光纤隔离器(17)的输入端连接；

所述第二级双包层光纤放大器包括第一多模半导体激光器(18)、第一光纤合束器(19)、第一双包层掺稀土光纤(20)、第三光纤隔离器(21)；其中，第一多模半导体激光器(18)的输出端与第一光纤合束器(19)的泵浦输入端连接，第一级单模光纤放大器的第二光纤隔离器(17)的激光输出端与第一光纤合束器(19)的信号输入端连接，第一光纤合束器(19)的输出端与第一双包层掺稀土光纤(20)连接，第一双包层掺稀土光纤(20)的另一端与第三光纤隔离器(21)的输入端连接；

所述第三级双包层光纤放大器包括第二多模半导体激光器(22)、第二光纤合束器(23)、第二双包层掺稀土光纤(24)、第四光纤隔离器(25)；第二多模半导体激光器(22)的输出端与第二光纤合束器(23)的泵浦输入端连接，第二级双包层光纤放大器的第三光纤隔离器(21)的激光输出端与第二光纤合束器(23)的信号输入端连接，第二光纤合束器(23)的输出端与第二双包层掺稀土光纤(24)连接，第二双包层掺稀土光纤(24)的另一端与第四光纤隔离器(25)的输入端连接；

所述拉锥石英光子晶体光纤(3)使用光纤拉丝塔对石英光子晶体光纤直接拉锥或使用光纤拉锥机采用空气孔膨胀后拉锥技术对石英光子晶体光纤拉锥；得到纤芯直径为2～3μm，孔间距Λ为1.5～3.5μm，填充率d/Λ为0.5～0.95。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤结构的蓝光和紫外光增强超连续谱激光器，其特征在于：光纤放大器(2)的工作过程如下，种子光经过第一光纤隔离器(13)后，在由第二光纤波分复用器(15)耦合的第二单模半导体激光器(14)泵浦下，经过第一级单模光纤放大器后，经第二光纤隔离器(17)输出，得到的种子光被放大；第一级放大后的激光进入第二级双包层光纤放大器，在经过第一光纤合束器(19)耦合的第一多模半导体激光器(18)泵浦下，经第三光纤隔离器(21)输出，激光被进一步放大；最后，第二级放大后的激光进入第三级双包层光纤放大器，在经过第二光纤合束器(23)耦合的第二多模半导体激光器(22)泵浦下，经第四光纤隔离器(25)输出，激光的功率被更进一步放大；

对第四光纤隔离器(25)的尾纤进行拉锥处理减小其模场直径，对石英光子晶体光纤通过选择性空气孔塌缩技术处理增大其模场直径，这样使第四光纤隔离器(25)尾纤的模场与石英光子晶体光纤模场达到匹配；

对石英光子晶体光纤的中部通过使用光纤拉丝塔直接拉锥处理，或使用光纤拉锥机采用空气孔膨胀后拉锥技术拉锥处理，得到零色散波长向短波长移动的拉锥石英光子晶体光纤(3)；

光纤放大器(2)输出的激光经过上述拉锥石英光子晶体光纤(3)后产生的超连续谱，实现了光谱成分中的蓝光和紫外光成分增强的效果。