專利名稱：寬光譜光源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光源領域，具體地說涉及波長延伸跨越幾百毫微米的寬光譜光源。
背景技術：
近年來，人們對光纖中的非線性相互作用非常感興趣。例如，石英玻璃的低非線性被長的互作用長度和光纖中的高的功率密度抵銷，產生引人注意的非線性作用。對于大部分非線性過程，可以使光纖物理長度長于有效互作用長度，所述有效互作用長度受相位匹配、脈沖加寬、側面輸出(walk-off)和衰減控制。具體地說，光纖色散對于非線性過程在短脈沖傳播和相位匹配狀態(tài)中起關鍵作用。
在1300nm以外的光譜區(qū)域中，其中石英玻璃本身的材料色散是反常的，光纖可以設計和制造成具有正常或反常的模色散，在任何給定的波長下具有零色散(例如，用于電信系統(tǒng)的色散移動光纖)。但是，把階梯折射率單模石英光纖零色散波長λ0移到比1270nm(體石英零色散波長)短的波長是不可能的。
光子晶體光纖(PCF)，亦稱微結構光纖或多孔光纖)是一種比較新型的光纖。PCF包括由形成多個細長孔的固態(tài)基質材料制成的包層區(qū)和纖心區(qū)。PCF在它們的纖心區(qū)通過若干機制引導光線，包括纖心區(qū)和包層區(qū)之間界面上的全內反射。盡管PCF是由單一的固態(tài)的材料制成的，但是包層區(qū)中的孔降低所述包層區(qū)的有效折射率，但是在固態(tài)的纖心和包層區(qū)之間提供折射率階梯，并使導波光線的全內反射成為可能。
在光子晶體光纖中，有可能把單模石英光纖的零色散波長移到短得多的波長(見例如，D.Mogilevtsev，T.A.Birks和P.St.Russell，″光子晶體光纖中的群速度色散″，Opt.Lett.23(21)，1662-1664(1998)；J.C.Knight，J.Arriaga，T.A.Birks，A.Ortigosa-Blanch，W.J.Wadsworth，P.St.J.Russell的″光子晶體光纖中的反常色散″，IEEE Photonic Technology Letters，12，807-809(2000)以及J.K.Ranka，R.S.Windeler和A.J.Stentz的″在800nm下具有反常色散的空氣石英微結構光纖可見光連續(xù)譜的產生″，Opt.Lett，25(1)，25-27(2000))。這已經用于在區(qū)域580-900nm中具有零色散波長、用鎖模Ti藍寶石激光器在750-850nm下泵浦的小纖心高折射率反差的PCF中產生超連續(xù)譜，得到引人注意的效果。盡管這些光纖一般都不是嚴格單模的，但是難以激勵階數(shù)較高的模式，而且也不是通過正常彎曲耦合到基模，所以所述光纖可以用作單模。
不僅可以制造嚴格的單模PCF，而且可以制造在所有波長上都只支持一個波導模的所謂循環(huán)單模PCF(例如，見T.A.Birks，J.C.Knight和P.St.J.Russell的″循環(huán)單模光子晶體光纖″，Opt.Lett.22，961-963(1997)和T.A.Birks。D.Mogilevtsevk，J.C.Knight，P.St.J.Russell，J.Broeng，P.J.Roberts，J.A.West，D.C.Allan，和J.C.Fajardo的″光子晶體光纖和階梯折射率光纖之間的相似性″，optical fibre Conference，Paper FG4-1，pages114-116，F(xiàn)riday，F(xiàn)ebruary26 1999)。
Schreiber等人在Opt.Comm.Vol.228(2003)一文pp 71-78中描述了通過以來自在1040nm下運行的釔摻雜光纖放大器的毫微秒脈沖進行泵浦，從PCF產生超連續(xù)譜。
Town等人在Appl.Phys.B-Lasers and Optics，Vol.77(2003)一文pp235-238描述了通過以來自Q開關的Nd:YAG激光器的毫微秒脈沖進行泵浦，從隨機微結構光纖空氣-石英光纖產生超連續(xù)光譜。
Coen等人在Opt.Lett.，Vol.26(2001)一文的pp 1356-1358描述了通過在675W功率下以來自運行在647nm下的Kr-離子激光器的60ps脈沖進行泵浦，從PCF產生超連續(xù)譜。
Dudley等人在J.Opt.Soc.Am.B，Vol.19(2002)一文的pp765-771描述了通過以來自在532nm下運行的倍頻，Q開關的Nd:YAG微片激光器的持續(xù)時間為0.8ns的脈沖進行泵浦，從空氣-石英微結構光纖產生超連續(xù)譜。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種波長分布在寬光譜上的相對緊湊和價廉的光源。
按照本發(fā)明，提供一種波長譜伸展到300nm以上的光源，所述光源包括激光器，運行在它的基波波長或其附近，產生持續(xù)時間長于0.5ns的脈沖；以及微結構光纖，設置成引導所述脈沖，其中通過所述光纖中的脈沖來產生光。
所述光譜可以是超連續(xù)光譜，其中光處于范圍在300nm以上的基本上所有波長上，或者它可以是包括只在幾個相隔很遠的波長上的光，共同伸展到300nm。在這種情況下，所述光譜可以通過四波混合(FWM)產生。因而，所述光源可以是用于通過微結構光纖中的FWM產生光的光源，而所產生的光可以基本上處于FWM波長。我們已經令人驚訝地發(fā)現(xiàn)通過對FWM峰值有用的相對較長的脈沖，在微結構光纖中足夠有效地產生FWM峰值。另外，我們已經發(fā)現(xiàn)FWM峰值在高功率下不會明顯加寬。所述激光器可以是一種固態(tài)激光器，利用增益晶體，諸如ND:YAG，Nd:YLF或Ti:藍寶石。所述激光器可以是Q開關激光器。所述激光器可以是一種單片式激光器。在單片式激光器中，諸如微片激光器或非平面環(huán)形激光器、諧振器反光鏡直接涂在激光器增益晶體上。所述激光器一般地由一個或多個二極管激光器泵浦。
與主機激光器諸如Kr-離子激光器相比，微片激光器明顯價廉而且更緊湊。
所述激光器運行在它的基波波長上或其附近，與倍頻相反；在已經用來泵浦PCF的先有技術微片激光器中已經倍頻。在微片激光器基波波長上可以達到非常寬的光譜，例如，1000nm至1100nm，這是令人驚訝的。
特別令人驚訝的是，在所述波長下可以用長脈沖來產生寬光譜。所述光脈沖的持續(xù)時間可以大于500ps，大于1ns，大于2ns，大于3ns，大于4ns，大于5ns或甚至大于10ns。
另外，特別令人驚訝的是，峰值功率相對較低的脈沖可以用來產生寬光譜。所述脈沖可以具有小于50kW、小于20kW、小于15kW、小于10kW、小于9kW、小于3kW或甚至小于1kW的峰值功率。
產生寬光譜相對困難的另一個指示是由脈沖峰值功率和光纖中的互作用長度(就是說，在色散把它從它產生的光當中分離以前脈沖行進的長度，足以停止多波相互作用；可以考慮到或可以不考慮到光纖損失的影響來算出互作用長度的振幅)的乘積給出。我們已經發(fā)現(xiàn)，當功率乘以互作用長度的乘積小于2kWm、小于1kWm或甚至小于500Wm時，可以產生寬光譜。
我們已經發(fā)現(xiàn)，可以產生更寬的光譜，因而，所述光譜可以伸展到500nm或伸展到700nm。
所述基波波長可以長于600nm。所述基波波長可以在1000nm至1100nm的范圍內。
微結構光纖具有零色散波長λ0。激光器的工作波長可以小于零色散波長。在這種情況下，寬光譜一般由四波混合產生。
或者，激光器的工作波長可以大于零色散波長。在這種情況下，寬光譜一般由調制不穩(wěn)定性產生。
微結構光纖可以具有在1000nm和1100nm之間的零色散波長。零色散波長可以是制成光纖的材料(例如，硅石)的透射窗口中最短的零色散波長。
微結構光纖可以設置成支持光以單一橫模在波長譜的所有波長上，例如，在通過四波混合產生的或從脈沖的超連續(xù)譜產生的所有波長上傳播。
微結構光纖可以設置成支持脈沖以單一橫模傳播。利用運行在它的基波波長，而不是運行在倍頻上的激光器的優(yōu)點是基波波長將長于二次諧波波長，因而較容易把微結構光纖制造成單模。利用運行在532nm下的倍頻微片激光器的先有技術系統(tǒng)產生一些以它們的微結構光纖高階模式傳播的脈沖；為了在所述波長上以基模傳播，微結構光纖的纖心需要直徑小于1微米，這是難以制造的。
微結構光纖可以設置成支持光在所有波長上以單一橫模傳播。
波長譜的光的大于70％，大于80％，大于90％或甚至大于95％可以處于光纖所支持的最低次橫模。
微結構光纖可以具有大于2.5微米、大于2.7微米或甚至大于2.9微米的間距。
微結構光纖可以具有大于4微米、大于4.5微米或甚至大于4.8微米的纖心直徑。
微結構光纖可以具有包層區(qū)，所述包層區(qū)包括直徑為d，間距為Λ的孔的陣列，其中d/Λ小于0.7、小于0.6、小于0.5或甚至小于0.4。
微結構光纖可以具有大于8μm2、9μm2、12μm2、14μm2或甚至15μm2的有效非線性面積。以此使較高功率譜成為可能。
微結構光纖可以短于脈沖互作用長度。如在別處所討論的，脈沖可以通過微結構光纖中過程的串級產生波長譜的光。最好使用這樣的較短的長度來把串級停止在特定的點上，例如，為了在特定的波長上，例如，在四波混合波長上，獲得較高的輸出功率。光纖的長度可以短于作為脈沖側面輸出側面輸出(walk-off)長度算出的脈沖的互作用長度，因為由于光纖中損失影響它可以在較短的長度之后幾乎不出現(xiàn)附加的波長產生。
光源可以包括濾光鏡，用于在波長譜的子段上選擇波長的光。
另外，按照本發(fā)明，提供一種產生伸展到500nm的波長譜的光的方法，所述方法包括使激光器運行在它的基波波長上或基波波長附近，以便提供持續(xù)時間長于0.5ns的光脈沖，并在微結構光纖內引導所述脈沖。
所述波長譜的光可以通過非線性過程的串級產生，例如，四波混合后跟超連續(xù)譜產生。我們已經發(fā)現(xiàn)，利用這樣的串級的非線性可以例如從運行在1064nm下的微片激光器產生在可見光或甚至紫外波長上具有重大能量的光譜。產生伸展到短于500nm的波長的連續(xù)譜是特別有利的，而且具有許多潛在用途。通過利用倍頻微片激光器(例如，產生從532nm光起的超連續(xù)譜的激光器)的先有技術系統(tǒng)至今尚未做到這一點。但是，我們已經發(fā)現(xiàn)，通過四波混合，把從運行在它的基波波長上的單片式激光器產生的光，例如，從運行在1000nm至1100nm(例如，1064nm)范圍內的微片激光器產生的光，轉換為700nm至800nm范圍內的波長，然后轉換為超連續(xù)譜，可以產生延伸到可見光或UV的光譜是可能的。
附圖的簡要說明現(xiàn)將參照附圖只以舉例的方式描述本發(fā)明的實施例，附圖中

圖1是曲線圖(a)幾條考慮的光纖的實測色散曲線(05A，05E和31G，分別對應于表1中的光纖O，P和G)，以及針對帶有圓孔和間距Λ，3μm和d/Λ＝0.3的普通的PCF計算的色散；(b)對于2ωpump-＞ωsignal+ωidler的非線性相位匹配條件(實線從光纖G實測的色散曲線，輸入功率14W；；140W；1400W。圓光纖C，F(xiàn)，G，H，I，L(表1)的實測波長和泵浦的波長偏移量)；圖2是光纖O的SEM，Λ＝2.97，d/Λ＝0.39，λ0＝1065nm；圖3表示從100m的Nufern 1000-HP單模光纖的實測輸出連續(xù)光譜；(刻度單位dBm/5m帶寬)；圖4表示(a)6m長度的PCF L的輸出光譜，表示在正常色散方式下的強光學參量產生；以及
(b)2.5m長度的PCF L的輸出信號，具有2mW泵浦和9.5、4.2、1.4、0.07μW點火源(seed)。(只有泵浦，無點火源(seed)，黑。1μW cw點火源是600ps的4000個光子。光譜儀分辨率為0.1nm。)；圖5表示(a)3m長度PCF A，C，F(xiàn)，G，H，I的輸出光譜，表示在正常色散方式下強光學參數(shù)的產生，輸入功率10-20mW。光譜儀分辨率為0.2nm。(長于1750nm的空載波長不是用這個光譜儀實測的)；以及(b)光纖B功率與光譜依賴關系，產生λsignal＝716nm；圖6表示圖5(b)光譜的細節(jié)，光纖B(光譜儀分辨率為0.2nm)(a)泵浦波長(1064nm)和OPG信號波長(716nm)下的輸出線寬(全寬度一半最大值)；以及(b)低和高輸入功率的OPG信號波長下歸一化輸出光譜；圖7表示從以下長度的光纖P實測的輸出連線光譜(a)1m，(b)3m，(c)20m和(d)100m，以dBm/5nm帶寬為單位的偽彩色刻度；圖8表示20m長度的光纖O和P在30mW輸入功率下的輸出光譜(a)對數(shù)刻度，以及(b)線性刻度(任意單位，歸一化為1064nm下的剩余泵浦峰值)；圖9表示在20m的PCF P中輸出光譜超連續(xù)譜的產生，具有短的和長的脈沖；以及圖10表示按照本發(fā)明超連續(xù)光譜的實施例。
本發(fā)明實施方式利用先有技術眾所周知的技術，已經設計和制造一種PCF，其零色散波長接近于在1064nm下Nd:YAG激光器的波長并且在其任一側。我們已經詳細研究了當在1064nm下以600ps脈沖中的pJ能量泵浦時，這些光纖中的調制不穩(wěn)定性、超連續(xù)譜的產生和光學參數(shù)的產生和放大作用。Q開關的毫微秒脈沖的使用顯著地偏離以前利用鎖模毫微微秒和微微秒激光器的工作。Q開關所需的激光器技術比鎖模簡單得多，使尺寸上和成本上的節(jié)約成為可能。另外，在目標波長范圍1040-1070nm中還有許多Nd-和Y-摻雜激光器，它們可以直接用二極管泵浦并因而是緊湊和高效的。
大部分以前的超連續(xù)譜產生試驗都集中在超短脈沖方式上，采用來自鎖模激光器的毫微微秒脈沖。在所述情況下，自相位調制、soliton效應和脈沖側面輸出(walk-off)都是重要的考慮因素，通過一般化非線性Schrdinger方程描述傳播過程。
這里我們考慮長得多的脈沖，其中傳播可以考慮是準CW的。不論所述脈沖邊沿上的dl/dt的影響，還是不同波長之間脈沖側面輸出都是意義重大的。在這種情況下，主要非線性過程是相位匹配四波混合(FWM)，以便從所述泵浦產生頻率間隔相等的邊帶。用于這些過程的增益是通過硅石的非線性折射率提供的，n2＝2×10-20m2/W。相位匹配和能量守恒給出方程式2Kpump＝Ksignal+Kidler+2γP (1)和2ωpump＝ωsignal+ωidler(2)其中kj是模式的波矢量(傳播常數(shù))，而ωj是泵浦、信號和空載(idler)波的頻率；P是泵浦功率(在準CW情況下，是峰值泵浦功率)；以及γ是光纖的非線性系數(shù)，γ=2πn2λAeff---(3)]]>其中Aeff是光纖的有效面積，而λ是泵浦波長。這些相位匹配條件將給出的光纖中峰值增益的波長，并將取決于光纖的色散。我們可以測量或計算不同的光纖的色散，因而計算相位匹配條件(1)。從PCF的數(shù)字建模我們直接獲得傳播常數(shù)ki，然后可以將其代入(1)式。對于測量，我們只知道群速度色散，所述傳播常數(shù)的二階微分。通常展寬色散曲線(作為光學頻率的函數(shù))作為帶有色散系數(shù)βn的泰勒級數(shù)，由此可以算出相位匹配(1)。對于這里考慮的PCF，為了向實測群速度色散曲線(圖1a)提供合理的擬合和外推，我們包括直到β6的各項。所述泰勒系數(shù)β2(ps2/km)與群速度色散的工程單位D(ps/nm km)有關，β2=-λ22πcD---(4)]]>圖1(b)中以偏離零色散波長的泵浦波長偏移量的函數(shù)的形式示出從一種PCF的實測色散計算的相位匹配的FWM波長。有3個重要的區(qū)域a)λpump＜＜λ0，b)λpump＜-λ0，C)λpump＞λ0。
把順序反過來；情況c)(圖1(b)右半)表示接近于泵浦波長的FWM的峰值強烈地依賴功率的相位匹配。在這個區(qū)域求(1)式的解需要非零的γP值。出現(xiàn)在所有光纖反常色散方式下的調制不穩(wěn)定性(MI)的現(xiàn)象是眾所周知的。所述增益峰值相對較寬，而中央頻率主要取決于群速度色散β2，而且只是微弱地取決于較高階色散。
情況b)(圖1(b)左半)有一個相隔很遠的FWM峰值的在很大程度上取決于功率的相位匹配。在所述區(qū)域中(1)式的解甚至對于零功率都存在，但是只用于非零階數(shù)較高的色散(甚至在泰勒展開式中的偶數(shù)項134，136等)。所述增益峰相對狹窄，而中央頻率強烈地取決于較高階色散。
在情況a)(超出圖1(b)左側)中不存在FWM的相位匹配。a)和b)之間的邊界具有試驗和理論的位置。從圖1(b)可以看出，隨著泵浦偏離λ0的偏移量增大，空載波長進一步移到2μm以外。2.2μm以外的空載信號無法檢測出來，因為硅石的吸收在所述波長范圍內快速增大。即使忽略吸收，理想化的光纖表現(xiàn)FWM相位匹配分支，其曲線回到它們本身，給出可能出現(xiàn)FWM的最大值波長偏移量的極限。
現(xiàn)在已經經常討論相隔很遠的FWM峰值(情況b)，但只是最近本發(fā)明人等才在652nm上在帶有零色散波長的PCF中從鎖模Kr+激光器在647nm下利用60ps脈沖觀察到(例如，見J.D.Harvey，R.Leonhardt，K.L.G.Wong，J.C.Knight，W.J.Wadsworth和P.St.J.Russell 的″利用PCF在可見光中的光學參數(shù)振蕩器″，CLEO2003，paper(2003))。在這種工作中，我們更詳細地研究了FWM/MI現(xiàn)象，用數(shù)量級較長的，600ps，的脈沖和工程上有重大意義的1064nm波長上，給出許許多多不同的可用的Nd-和Yb-摻雜的激光器。
除了FWM/MI增益之外，在13THz的特性曲線漂移下所有石英光纖都將顯示Raman增益。因為這不是相位匹配過程，所以它將在所有光纖中出現(xiàn)并在很大程度上不受光纖色散差異的影響。其中相位匹配可用，F(xiàn)WM/M1增益一般地高于硅石中的Raman增益，所以只有當FWM/MI增益不存在(亦即，情況a)時，才預期觀察到顯著的Raman效應。
制造了許多零色散波長在1064nm任何一側的PCF。所述光纖具有125pm直徑和250μm丙烯酸鹽樹脂緩沖區(qū)，用于與標準光纖cleavers、剝皮器(strippers)、機械夾持器和適配器兼容。全部光纖都具有相同的孔到孔的標稱間距Λ＝3μm，但是帶有不同的孔徑d，從d/Λ＝0.3至d/Λ＝0.5，對應于大致5μm纖心直徑。對于較大的孔，零色散波長處于較短的波長。實測零色散波長，λ0從1040nm跨越至1105nm。在制造過程中并未特意減少光纖損失，其后果是光纖損失相對較高，在1550nm下是4.5dB/km，和在1064nm下是12dB/km，在1380nm下有110dB/km的OH-吸收峰值。圖2所示的是代表性的光纖的掃描電子顯微照片。為了進行比較，還研究了傳統(tǒng)的階梯折射率光纖Nufem 1000-HP，它具有920nm的單模截止波長，在1060nm下模場(mode-field)直徑6.2pm。
通過以來自無源的Q開關Nd:YAG激光器(JDS單相型號NP-10620-100)的600ps脈沖泵浦，觀察光纖中的非線性相互作用。輸送至光纖的平均功率是30mW，脈沖重復率為7.25千周/秒，對應于脈沖能量4.1μJ和峰值功率6.9kW。耦合進不同的單模光纖的效率是35-50％。這個泵浦激光器是低成本和極其緊湊的，激光頭100×22×32毫米，給波長轉換和連續(xù)譜產生中的科學利益添加實際有用性。利用云母波片和晶體偏振器控制輸出到待測試的光纖的功率。輸入到所述光纖的偏振是固定的，任何時侯都是垂直的。用熱功率計測量輸入和輸出功率，因為它在所產生的輸出波長寬范圍內有平坦的光譜響應。用光譜分析儀(Ando A0-6315B)測量輸出光譜。光譜分辨率設置為5nm，除非另有說明。用等邊棱鏡SF11散射輸出測量離散的參變波長上的功率，并用熱功率計測量各個光束。為了測量參變增益，耦合的CW二極管激光器的光纖輸出通過從無涂層玻璃平板在45°下反射引入輸入光束。調整所述二極管的偏振使得來自所述平板的反射達到最大，這對應于主要是垂直偏振，與泵浦的光偏振平行。利用在點火源波長下標定的小功率光電二極管檢測器在光纖輸出端測量耦合到光纖的點火源功率(seed power)。
表1表示在本文中考慮的幾個PCF的光學數(shù)據(jù)。利用低相干性干涉儀技術測量色散。光學參量產生(OPG)波長是指當用1064nm下的脈沖泵浦長度短的(1至3m)的光纖時實測的輸出波長。表1中列出的所有光纖，光纖P除外，都是循環(huán)單模的；無論什么波長只存在一種波導模?？字睆絛/Λ＞0.4的光纖P不是循環(huán)單模，但是，單模截止波長＜650nm，于是在感興趣的波長下它是單模的。圖1(a)中示出用于選擇光纖的實測色散曲線，以及針對Λ＝3μm，d/Λ＝0.3的理想化光纖算出的曲線。上述非線性交互作用的不同方式是可用光纖范圍內可訪問的方式；a)λpump＜＜λ0，如Nufem 1000-HP傳統(tǒng)的階梯折射率光纖所代表的，b)λpump＜＝λ0，如PCF L所代表的，c)λpump＞λ0，如PCF P所代表的。
在以下的各部分中，針對每一種情況，討論輸出光譜隨著輸入功率和光纖長度的變化情況a)λpump＜＜λ0階梯折射率光纖1000-HP具有λ0＝1440nm的實測零色散波長。所述泵浦波長偏移量非常大，-376nm，它處于沒有非線性相位匹配的區(qū)域中。在所述泵浦波長1064nm下，色散是-37ps/nm km。對于100m這種光纖，實測輸出光譜隨著輸入功率的演變如圖3中所示。有顯著的Raman產生，可見的幾階Raman Stokes線。所述光譜是單側的，沒有短于泵浦波長的波長產生。如預期的，這清清楚指明不存在參變過程。
情況b)λpump＜＝λ0PCF L具有λ0＝1069nm的實測零色散波長。泵浦波長偏移量是小的，-5nm，這處于相隔很遠的波長相位匹配的區(qū)域中，功率依賴性很小(FWM，圖1(b)左半)。在所述泵浦波長下的色散也小，僅僅-1ps/nmkm。對于6m的這種光纖，實測輸出光譜隨輸入功率的變化如圖4(a)所示。在小功率下，在895和1315nm下產生兩個截然不同的參變波長，圍繞所述泵浦波長，在能量上均等地相隔。如預期的，這是從相位匹配計算得到的。隨著泵浦功率進一步增大，圍繞泵浦、信號和空載波長，光譜加寬。對于其它PCF，A-N，對λ0的泵浦偏移量多達-40nm，看到類似的參量產生，信號波長范圍從686nm至975nm，而空載波長的范圍從1168nm至1900nm以上(表1，圖5(a))。
在圖4(a)在高功率下看到的所產生的參數(shù)峰值的加寬大大減小，產生相隔更遠的FWM波長的光纖。例如，圖5(b)表示光纖B的輸出。這里隨著泵浦功率增大存在泵浦波長和信號波長非常小的加寬。這是因為，方程式(1)的右側具有陡的斜率(相對于信號波長改變)，接近于精確的相位匹配解，因此所述參變增益峰值狹窄。圖6中示出在中和高輸入功率下716nm信號的光譜以及716nm峰值的帶寬隨著泵浦功率的變化。當在30mW泵浦功率下兩者都增大至1.8nmFWHM時，對于高達25mW的泵浦功率，帶寬不變。通過測量所述信號的功率確定在這光纖中參數(shù)轉換效率，并通過棱鏡測量泵浦光束散射。對于30mW輸入功率，總輸出是11mW，其中8.3mW是在1064nm下泵浦的，而2.5mW是在716nm處的信號，轉換率22％。在預期的2.07μm空載波長下沒有測量到輻射。我們相信，在長的波長下限制損失是在所述輸出中不存在所述波長的原因。利用泵浦波長偏移量較小的光纖C，F(xiàn)WM波長略微接近732nm(實測)和1945nm(從信號波長推算)。在這種情況下，觀察到空載波長下的輸出輻射。對于30mW泵浦功率下3m長度的光纖，總輸出功率是13mW，其中8.0mW是在1064nm下泵浦；4.5mW是732nm下的信號，轉換率35％；而0.43mW是1945nm下的空載，轉換率3％。
圖1(b)中畫出在光纖C，F(xiàn)，G，I，L中測得的參變產生波長相對于每一條光纖的偏離實測λ0的泵浦波長偏移量?？闯鲞@些點和按方程式(1)和(2)從光纖G的實測色散算出的線非常一致。
針對2.5m長的光纖L，利用CW二極管激光器探測光束，測量了1315nm下的參變增益。在4mW(峰值功率920W)的耦合泵浦功率下(其中自發(fā)參量產生仍然是低的)，在1315nm下對于15μW的點火源功率測到＞55dB的增益。為了在信號波長(895nm)下觀察光，閾值從無點火源自發(fā)產生用的2mW(460W峰值)泵浦功率降低至1315nm下11μW點火源功率用的0.95mW(218W峰值)。在2mW(460W峰值)泵浦功率下，針對0.07pW可達到的最低點火源功率，觀察了點火源參量產生，這對應于在600ps增益周期過程中少于300光子，圖4(b)。在對應于1310nm下點火源二極管激光器縱向模式的加點火源的信號中看出所述模式。所需的泵浦功率和點火源功率足夠低，人們可以合理地預期利用帶有反饋的較長的光纖產生CW參數(shù)振蕩。
情況c)λpump＞λ0PCF P具有λ0＝1039nm的實測零色散波長。泵浦波長偏移量是+25nm，這處于存在間隔較短的波長(MI，圖1(b)右半)取決于功率的相位匹配的區(qū)域。在所述泵浦波長下色散是+5ps/nm km。1m，3m，20m和100m光纖的實測輸出光譜與輸入功率的關系如圖7所示。對于短的1m和3m長度，在所述泵浦波長的任何一側都清楚可見對稱的MI峰值。在低功率(5-7mW)下，如從方程式(1)預期的，存在所產生的MI波長隨輸入功率的漂移，但是一旦在所述MI峰值有顯著的功率，所述波長便由于飽和而變得固定。對于長的20m和100m光纖長度，MI只在非常低的功率，＜2mW下才可見。所產生的波長對泵浦波長接近得多(對于100m幾乎與泵浦波長沒有間隔)，如從較低泵浦功率預期的，在所述泵浦功率下可以看到它們，在高功率下所述峰值的位置再一次穩(wěn)定。在高功率下所述輸出帶寬增大為寬闊和極其平坦的連續(xù)譜，從大致500nm跨越至超出1750nm下OSA的極限。其它檢測器用來表示在1900nm以外光譜上確定地存在功率。圖8中既以線性刻度又以對數(shù)刻度示出兩條20m長度的光纖的代表性的高功率光譜。在所述平坦的連續(xù)譜上缺乏光譜特征，與采用毫微微秒脈沖的PCF中產生的連續(xù)譜形成鮮明對照。短期和中期時間穩(wěn)定性也是良好的，因為我們已經應用所述連續(xù)譜作為干涉儀測量的光源，而不必監(jiān)視它們的輸入功率。因為20m光纖之后所述光譜已經極其寬闊，進一步傳播至100m帶寬增加不多。事實上，進一步傳播的主要作用是功率損失。但是，在光纖的前20m中，所述傳播并非所產生的寬光譜的無源線性傳播?？纯从伤龉饫w在1380nm的OH吸收所引起輸出光譜下跌，便可以看出這一點，對于從20至100m的無源光纖傳播，其數(shù)量達8dB。在所述光譜上100m之后實測的實際下跌只有4dB，說明在所述吸收的任何一側在所述連續(xù)譜中都有足夠的功率，在能量因吸收而損失時能夠繼續(xù)把能量重新分布進入所述區(qū)域。
我們已經證明單模光纖新的色散方式，其中零GVD波長接近于1064nm。這適用于亞毫微秒Q開關的激光器脈沖的非線性相互作用，或者產生寬闊、平坦的、在光譜上和在空間上明亮的單模連續(xù)譜輻射的緊湊光源，或者用于緊湊的有效的波長轉換，在近紅外的一個選定的波長上產生脈沖。寬闊、平坦和緊湊的連續(xù)譜光源顯然可以應用于光纖部件的光譜測試(對此在我們的實驗室已經證明它的能力和多種用途)和化學和生物學樣本的光譜分析。
在其它選定的波長上的脈沖窄帶光源增大了在諸如雙光子熒光等方案中容易適用于非線性識別和檢測的波長范圍，以及向光纖中其它感興趣的波長上的非線性相互作用提供泵浦源。例如，可以使在750nm下產生的脈沖進入為以Ti:藍寶石激光器產生連續(xù)譜而設計的非線性色散漂移的PCF中，并產生比在紅外1064nm處開始時更可能進一步跨入可見光的連續(xù)譜。所觀察到的非線性環(huán)節(jié)適合眾所周知的FWM和MI的物理過程，而用PCF技術容易獲得的色散的控制，使在激光工程有重大意義的波長的應用成為可能。光纖色散的其他考慮可以幫助進一步改善這里所呈現(xiàn)的結果。
在上述工作的進一步發(fā)展中，我們現(xiàn)在報告脈沖形式的強FWM和超連續(xù)譜產生比一般考慮的要長幾個數(shù)量級。在這準CW方式中，表明(峰值功率)×所需的(互作用長度)小于500W*m。如上面討論的，所產生的連續(xù)譜可應用于光譜學和光子器件的測試。FWM可以用來在特定的所需波長下產生強脈沖，用于雙光子熒光顯微鏡或其他非線性轉換。
這里我們采取下一個步驟，邁向帶有102至103W峰值功率的毫微秒Q開關的激光器脈沖的單模參數(shù)連續(xù)譜轉換的真CW操作。除了科學興趣之外，由于Q開關的Nd激光器的緊湊和低成本屬性，這具有實際重要性。
由于其緊湊和低成本，我們選擇一個無源Q開關Nd:YAG微片激光器(短脈沖，7.25kHz下0.6ns，30mW，1064nm)，而曲于其穩(wěn)定性和靈活性我們選擇一個有源Q開關Nd:YLF激光器(長脈沖，在1Hz至50kHz下6-30ns，250mW，1047nm，Lightwave Electronics Inc.(公司)捐贈)。圖9(a)表示λ0＝1038nm的PCF P的輸出光譜和在兩個泵浦波長下的反常色散，每一個激光器都運行在7.25kHz和全功率下。在兩種情況下連續(xù)譜都是寬闊和平坦的，長脈沖激光器較高的平均功率給出較高光譜密度。圖2b表示利用短脈沖激光器在正常色散方式下λ0＝1080-1105nm的六不同的PCF的輸出?？梢钥吹皆谙喔艉苓h的波長下的強的四波混合(FWM)。
另外，對于在1047nm下正常色散的PCF 0，長脈沖激光器所產生的隔離FWM峰值。這等效于圖4的FWM，但是針對長得多的脈沖。用30kHz下大致20ns持續(xù)時間的脈沖來產生接近于1400nm和接近于835nm的FWM峰值。
這些結果都指出在光纖環(huán)形空穴中在閾值功率(～1W)下在當前緊湊的激光器系統(tǒng)的范圍內真cw OPO振蕩的可能性。
寬光譜光源的示例參照圖10，以下示例描述按照本發(fā)明的光源的具體示例。圖10所示的超級連續(xù)譜光源是由3個部分構成的。第一部分(圖10的元件1至6)形成Q開關Nd:YAG激光器，在1064nm下以從2ns至5ns的脈沖寬度(其它脈沖長度，小于或大于2-5ns范圍，例如，可以通過改變腔長度實現(xiàn))發(fā)射光。第二部分(圖10的元件7和8)形成光耦合部分，用于把光從Nd:YAG激光器耦合進第三個部分。第三部分(圖10元件9)是光學非線性光子晶體光纖。
利用二極管激光器1裝配如圖10所示的白光光源，所述二極管激光器1以連續(xù)波方式在808nm的波長(JDSU，SDL-2472-P1)下發(fā)射高達3W的光。在二極管激光器1的前端大致8mm的距離L1處安裝焦距為8毫米(Thorlabs，C240TM)的非球形透鏡2，以便使所發(fā)射的光聚焦在離所述二極管激光器1米的距離處。在離開透鏡2為10mm的距離L2處在透鏡2的軸線上設置焦距為8毫米的第二非球形透鏡3(Thorlabs，C240TM)。在離開透鏡3為8mm的距離L3處在透鏡3的軸線上設置一端帶有在1064nm光下反射99.8％的涂層，另一端帶有對1064nm光減反射涂層的5mm厚的Nd:YAG晶體4(1％Nd)。在離開Nd:YAG晶體4為0.5mm的距離L4處在Nd:YAG晶體4的軸線上設置兩個光學表面上具有對于1064nm光的70％初始的透射和減反射涂層的1mm厚Cr4+:YAG晶體5。在離開Cr4+:YAG晶體5為0.5mm的距離L5處在Cr4+:YAG晶體5的軸線上設置具有對1064nm光反射90％的涂層和500mm曲率的激光反射鏡6(CASIX，ND00112)。所述反射鏡6必須與激光器1發(fā)射的光對準，以便使激光在1064nm下從所述元件4至6發(fā)射。距離L3可以進行優(yōu)化，以便反射鏡6的在1064nm下的光的輸出功率最大。在離開反射鏡6為40mm的距離L6處在反射鏡6的軸線上設置焦距為75mm的透鏡7。在離開透鏡7為125毫米的距離L7處在透鏡7的軸線上設置焦距為2.97mm的透鏡8(Lightpath，350660)。設置具有約4.0μm的模場直徑、數(shù)字孔徑0.20和零色散波長為1040nm的光學非線性光子晶體光纖9(晶體光纖A/S，Birkerod，Denmark，NL-4，8-1040)，其中所述輸入小平面在離開透鏡8為3mm的距離L8處在透鏡8的軸線上。兩個透鏡7和8的位置和光纖9要對準，以便使1064nm下的光到所述光纖的耦合最大化。
例如，Bjarklev，Broeng和Bjarklev在″光子晶體光纖″，KluwerAcademic Press，2003，第4章115-130頁討論的，通過從預成型(preform)拉制來制造光子晶體光纖。
上面已經表示某些推薦的實施例，但應該強調指出，本發(fā)明不限于此，而是在以下權利要求書定義的要點內可以用其它方法實施。
表I.所研究的光纖的參量產生波長。
標志 ABC D EF G Hλ0--1103 - -1095 1090 1087λsignal686 716 732 737 740 765 775 804λidler2367 2068 1945 1911 1891 1745 1694 1572------------------------------------------------------標志 I J KL MN O Pλ01078 - - 1069 --1065 1039λsignal818 824 856 895 918 975 - -λidler1521 1497 1403 1315 1266 1168 - -λ0-實測零色散波長(nm)λsignal-實測OPG信號波長(nm)λidler-OPG空載波長(nm)-帶陰影線的值是從λ0(nm)算出的。
權利要求
1.一種具有伸展到超過300nm的波長譜的光源，所述光源包括激光器，所述激光器工作在其基波波長上或其基波波長附近，產生持續(xù)時間長于0.5ns的脈沖；以及微結構光纖，設置成引導所述脈沖，其中所述光是由所述光纖中的脈沖產生的。
2.如權利要求1所述的光源，其中所述激光器是單片式激光器。
3.如權利要求2所述的光源，其中所述單片式激光器是微片激光器。
4.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述光脈沖具有大于1ns的持續(xù)時間，諸如大于2ns，諸如大于3ns，諸如大于4ns，諸如大于5ns，諸如大于8ns，諸如大于10ns。
5.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述脈沖具有小于50KW的峰值功率，諸如小于20kW，諸如小于15kW，諸如小于10kW，諸如小于9kW，諸如小于3kW，諸如小于1kW。
6.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述脈沖具有峰值功率并且在所述光纖長度范圍內與所述光纖相互作用，使得所述峰值功率與所述互作用長度的乘積小于2kWm，諸如小于1kWm，諸如小于500Wm。
7.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述光譜伸展到超過500nm，諸如伸展到超過700nm。
8.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述基波波長長于600nm。
9.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述基波波長在1000nm至1100nm的范圍內。
10.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述微結構光纖具有零色散波長λ0，而所述激光器的工作波長小于所述零色散波長。
11.如權利要求1至9中任何一項所述的光源，其中所述微結構光纖具有零色散波長λ0，而所述激光器的工作波長大于所述零色散波長。
12.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述微結構光纖具有1000nm和1100nm之間的零色散波長。
13.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述微結構光纖設置成支持所述光以波長譜中所有波長和單一橫模傳播。
14.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述微結構光纖設置成支持所述脈沖以單一橫模傳播。
15.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述微結構光纖設置成支持光線以單一橫模和所有波長傳播。
16.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述微結構光纖的間距大于2.5微米，諸如大于2.7微米，諸如大于2.9微米。
17.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述微結構光纖具有纖心，所述纖心的直徑大于4微米，諸如大于4.5微米，諸如大于4.8微米。
18.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述微結構光纖具有包層區(qū)，所述包層區(qū)包括直徑d和間距Λ的孔的陣列，其中d/Λ小于0.7，諸如小于0.6，諸如小于0.5，諸如小于0.4。
19.如上述權利要求中任何一項所述的光源，其中所述微結構光纖的有效非線性面積大于8μm2，諸如大于9μm2、諸如大于12μm2，諸如大于14μm2，諸如大于15μm2。
20.一種產生其波長譜伸展到300nm的光的方法，所述方法包括單片式激光器工作在其基波波長上或其基波波長附近，以便提供持續(xù)時間長于0.5ns的光脈沖；以及引導所述脈沖進入微結構光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及光源領域，具體地說涉及波長延伸跨越幾百毫微米的寬光譜的光源。本發(fā)明的目的是提供一種相對緊湊的和廉價的波長伸展在寬光譜上的光源。所述光源包括激光器(4)，它工作在基波波長上或其附近并產生持續(xù)時間長于0.5ns的脈沖；以及設置成引導所述脈沖的微結構光纖(9)，其中所述光是所述光纖(9)中的脈沖產生的。本發(fā)明還涉及產生具有一種光譜的光的方法。本發(fā)明可以例如應用于諸如光纖部件的光譜測試以及化學和生物學樣本的光譜分析等用途。
文檔編號G02F1/365GK1898597SQ200480038139
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月22日 優(yōu)先權日2003年12月22日
發(fā)明者W·沃茲沃思 申請人:科赫拉斯公司