專利名稱：小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換器，屬于激光 領域中高功率超連續(xù)激光光源技術。
背景技術：
超連續(xù)激光源(白光激光器)是一種光譜分布很寬激光光源，由此產生的光譜分辨技 術在光通信、生命科學、軍事等領域得到了廣泛的應用。超連續(xù)激光源的核心是頻率變換， 即將超短脈沖通過非線性介質實現光譜的展寬。用于超連續(xù)激光源頻率變換的材料主要有 三種液體溶劑、塊狀介質和光纖[l]。前者由于液體材料在實用中的不方便已經逐漸淡 出人們的視野；塊狀介質(白寶石、玻璃等)的作用長度短，轉換效率較低，熱效應影響 大， 一般僅僅作為OPO或時間分辨中的參考光源；光纖又分為兩類， 一種是普通的色散位 移光纖，另一類是光子晶體光纖，由于后者比前者具有更高的高非線性(約2nm小芯徑) 所以轉換效率較髙，光譜展寬大且平坦，以及零色散點設計方便，由此成為目前超連續(xù)白 光源的研究熱點[2-4]。
然而采用單小芯徑的光子晶體光纖進行頻率變換存在明顯的缺點，就是光纖的小芯徑
(小面積)不能承受較高的入射激光功率，因此使超連續(xù)激光源的輸出功率較低。這樣就 導致了一對矛盾，即頻率變換需要高非線性，即光纖的小芯徑，而承受高入射功率(即高 輸出功率)則需要大的光纖芯徑。
參考文獻 ILR. Alf肌o編輯，"超連續(xù)激光源，，,Springer-Verlag出版社，1989年版. M. Yamashita, H. Shigekawa, IL Morita編輯"單周期光子學與光學掃描隧道顯微技術"，
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續(xù)光譜機制的實驗研究"，《物理學報》，第53巻，第12期(2004),頁4243—4247。 [4] G. Genty, S. Coen, J. M. Dudley,"光纖超連續(xù)源(特邀)"，美國光學學會雜志B, 2007年，
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發(fā)明內容
本發(fā)明旨在提出一種小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換器。該高 功率頻率變換器具有幾十瓦以上的超連續(xù)激光輸出的能力。本發(fā)明是通過以下技術方案加以實現的， 一種小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的 高功率頻率變換器，其特征在于，該裝置包括單臺高功率大模場光子晶體光纖鎖模激光器 或單臺高功率固體脈沖激光器或單臺高功率半導體脈沖激光器1，非球面準直擴束器或微 透鏡列陣I2，小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖3，非球面聚焦透鏡或微透鏡列陣I14 和大模場光子晶體光纖5構成，裝置中各部件的連接關系為，激光器輸出的激光通過非球 面準直擴束器或微透鏡列陣I ，經擴束準直整形或微透鏡列陣后耦合進入小芯徑集束型高 非線性光子晶體光纖，則在各個小芯徑中同時進行頻率變換，產生多束超連續(xù)激光，再經 過非球面聚焦透鏡或微透鏡列陣II將多束超連續(xù)激光耦合進大模場光子晶體光纖，并束成 為高功率的超連續(xù)激光輸出。本發(fā)明的技術方案之二是， 一種小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變 換器，其特征在于，該裝置包括單臺高功率大模場光子晶體光纖鎖模激光器或單臺高功率 固體脈沖激光器或單臺半導體脈沖激光器1,非球面準直擴束器或微透鏡列陣I 2，小芯 徑集束型高非線性光子晶體光纖3和大模場光子晶體光纖5構成，裝置中各部件的連接關 系為，激光器輸出的激光通過非球面準直擴束器或微透鏡列陣I2，經擴束準直整形或微 透鏡列陣后耦合進入小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖，則在各個小芯徑光纖中同時進 行頻率變換，產生多束超連續(xù)激光，若選擇的大模場光子晶體光纖的模面積與小芯徑集束 型光子晶體光纖的有效模場面積相當，小芯徑集束型光子晶體光纖與大模場光子晶體光纖 用塌陷熔接直接耦合，多束超連續(xù)激光并束成為高功率的超連續(xù)激光輸出。上述的高功率大模場光子晶體光纖鎖模激光器由振蕩級和放大級及振蕩級和放大級 之間的偏振法拉第隔離器構成，振蕩級包括大模場的摻鐿離子或摻鉺離子的雙包覆光子晶 體增益光纖、半導體可飽和吸收鏡和偏振旋轉(NPE)混合鎖模器、振蕩級光柵對或大負 色散光纖色散補償器構成，其中，光子晶體增益光纖的芯徑為10 — 50微米，數值孔徑(NA) 為0.02-0.06，外包層直徑200—400微米，數值孔徑(NA)為0.4-0.8，長度為1 —10m; 包層泵浦為5-30W的高功率激光二極管，放大級包括大模場的摻鐿離子或摻鉺離子的雙 包覆光子晶體增益光纖、放大級光柵對或大負色散光纖色散補償器構成，其中，光子晶體 增益光纖的芯徑為20—70微米，數值孔徑(NA)為0.02-0.06，外包層直徑200—400微 米，數值孔徑(NA)為0.4-0.8，長度為l一10m，包層泵浦為20_ 100W高功率激光二極 管。h述的非球面準直擴束器是伽利略望遠鏡系統(tǒng)，擴束比是相對于小芯徑集束型光子晶 體光纖有效模場直徑的1:2-10，或者焦距為毫米量級的為微透鏡列陣。上述的小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖，該光纖的有效模場由多個芯徑為1-2微 米的光纖集束構成，每個小纖芯周圍有小空氣孔構成包層，其中小空氣孔的直徑為D,， (KD^纖芯直徑；相鄰的兩個小空氣孔的中心距為Ap取值滿足D,/A尸0.3-0.8;集束小芯外圍為多層大空氣孔包層結構，其中大空氣孔的直徑為D2，纖芯直徑<02<八2;相鄰的 兩個大空氣孔的中心距為A2，取值滿足02/八2=0.8-0.95。
上述的非球面會聚透鏡為焦距為5—20mm的顯微物鏡，或者焦距為毫米量級的微透鏡 列陣。
上述的大模面積光子晶體光纖為芯徑為30—100微米的光子晶體光纖。 本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)采用小芯徑集束型光子晶體光纖作為頻率變換器件提高了光 纖的非線性系數，因此使用的光纖長度可以減小。(2)這種由多個小芯徑集成的新型高非 線性光子晶體光纖在保持(提高)了原有高非線性的同時，又具有了較大的有效模場面積， 因此這種光子晶體光纖能夠承受較大的泵浦能量，即可用于高功率頻率變換激光產生。(3) 采用微光學非球面透鏡列陣進行并束耦合效率高。(4)采用與多小芯徑集束型高非線性光 子晶體光纖有效模場面積相匹配的大模場光子晶體光纖進行直接塌陷熔接耦合更簡便易 行。(5)將這種多小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖與高功率光子晶體光纖鎖模激光器 結合，能夠構成了小型化、高功率的頻率變換器。
圖1為本發(fā)明的小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換器的結構框圖。
圖中l(wèi)為高功率脈沖激光器；2為非球面準直擴束器或微透鏡列陣I ; 3為小芯徑 集束型高非線性光子晶體光纖；4為非球面聚焦透鏡或微透鏡列陣II; 5為大模場光子晶 體光纖。
圖2為圖1中小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖3的結構示意圖。
圖中3-1為小芯徑纖芯；3-2為小纖芯周圍內的小空氣孔包層；3-3為集束小纖芯 周圍的大空氣孔內包層；3-4為光纖外包層。 圖3為圖1中高功率脈沖激光器采用的高功率大模場光子晶體光纖鎖激光器的結構 示意圖。
圖中l(wèi)-l為振蕩級泵浦源；l-2為振蕩級大模場光子晶體增益光纖；l-3為半導體 可飽和吸收鏡和偏振旋轉(NPE)混合鎖模器；1-4為振蕩級光柵對或大負色散光纖色散
補償器；1-5為偏振法拉第隔離器；l-6為放大級大模場光子晶體增益光纖；1-7為放大級
光柵對或大負色散光纖色散補償器；1-8為放大級級泵浦源。
具體實施例方式
本發(fā)明的小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換器如附圖1所示，具
體實施例如下高功率脈沖激光器采用圖3所示的高功率大模場光子晶體光纖鎖激光器，其中的振蕩 級的增益介質采用摻Yb的大模場雙包覆保偏光子晶體光纖1-2,芯徑25微米,NA為0.03， 外包層直徑250微米，NA為0.5，長度為3.5m，兩端經過塌陷和打磨出斜角直接進行包 層泵浦，或焊接]Ocm的SMF，由WDM方式泵浦；振蕩級采用10W的LD進行單面或 雙面包層泵浦形式，諧振腔的一端采取半導體可飽和吸收鏡和偏振旋轉混合器鎖模1-3以 及作為輸出端口，在諧振腔的另一端采用光柵對或大負色散光纖色散補償器l-4進行色散 補償和脈沖壓縮；放大級的增益介質采用摻Yb的大模場雙包覆保偏光子晶體光纖1-6， 芯徑40微米，NA為0.03，外包層直徑270微米，NA為0.6，長度為1.5m，兩端經過塌 陷和打磨出斜角直接進行包層泵浦，或焊接上適當長度的SMF，由WDM方式泵浦；采 用高功率30W的LD進行單面或雙面包層泵浦形式，在該諧振腔的輸入端放置偏振法拉 第隔離器1-5以防止激光返回振蕩級，在諧振腔的輸出端采用光柵對或大負色散光纖色散 補償器l-7進行色散補償和脈沖壓縮；高功率脈沖激光器也可以是任何其他高功率脈沖激 光器。非球面準直擴束器選用非球面透鏡構成擴束比為1:2-10的伽利略望遠鏡系統(tǒng)；或者 采用微透鏡列陣將高功率脈沖激光器的輸出直接聚焦進小芯徑集束型高非線性光子晶體 光纖的每個纖芯中。小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖如圖2所示。它是由7個(或以 上)芯徑為2微米的小纖芯匯集而成，在每個小芯周圍包圍一層小空氣孔，相鄰的兩個小 空氣孔孔中心距為Ap小空氣孔的直徑為Dn在整個集束小芯周圍再包圍多層大空氣孔， 相鄰的兩個大空氣孔孔中心距為A2，大空氣孔的直徑為D2;通過調節(jié)周圍空氣孔的間隔 和直徑就可以調整零色散點的位置，以適應不同波段激光器的需要；如具體數據l:對于石英材料，零色散在800nm波段，7芯集束，可取內包層空氣孔參數A,二2.0pm， D產1.6pm，外包層空氣孔參數八2=4. 5nm， D2=3.90nm，構成有效模面積為58.22(im2; 具體數據2:對于石英材料，零色散在1550nm波段，7芯集束，可取內包層空氣孔參 數Ai = 2. Opm， D尸1.32pm，外包層空氣孔參數A2 = 4. 5pm， D2=3.90pm，構成有效模 面積為33.41pm2;上述光纖長度可取l一 10m。非球面聚焦透鏡或微透鏡列陣II4為焦距 為10 — 20mm的非球面透鏡構成的顯微物鏡，或者釆用小芯徑集束型高非線性光子晶體光 纖3的纖芯對應微透鏡列陣。大模場光子晶體光纖5，其模面積與多小芯徑集束型高非線 性光子晶體光纖的大有效模場面積相當，長度為0.5 —lm。本發(fā)明的技術方案之二，所采用的高功率脈沖激光器l、非球面準直擴束器或微透 鏡列陣I 2、小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖3和大模場光子晶體光纖5，均與上述 技術方案之一相同，不同的是，當選擇的大模場光子晶體光纖的模面積與小芯徑集束型光 子晶體光纖的有效模場面積相當時，采用塌陷熔接技術將小芯徑集束型高非線性光子晶體 光纖3和大模場光子晶體光纖5直接耦合，不在需要通過非球面聚焦透鏡或微透鏡列陣II 4將二者進行耦合。
權利要求
1.一種小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換器，其特征在于，該裝置包括單臺高功率大模場光子晶體光纖鎖模激光器或單臺高功率固體脈沖激光器或單臺高功率半導體脈沖激光器(1)，非球面準直擴束器或微透鏡列陣I(2)，小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖(3)，非球面聚焦透鏡或微透鏡列陣II(4)和大模場光子晶體光纖(5)構成，裝置中各部件的連接關系為，激光器輸出的激光通過非球面準直擴束器或微透鏡列陣I(2)，經擴束準直整形或微透鏡列陣后耦合進入小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖，則在各個小芯徑中同時進行頻率變換，產生多束超連續(xù)激光，再經過非球面聚焦透鏡或微透鏡列陣II將多束超連續(xù)激光耦合進大模場光子晶體光纖，并束成為高功率的超連續(xù)激光輸出。
2. —種小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換器，其特征在于，該裝置包括單臺高功率大模場光子晶體光纖鎖模激光器或單臺高功率固體脈沖激光器或單臺半導體脈沖激光器(1)，非球面準直擴束器或微透鏡列陣I (2)，小芯徑集束型高非線 性光子晶體光纖(3)和大模場光子晶體光纖(5)構成，裝置中各部件的連接關系為，激 光器輸出的激光通過非球面準直擴束器或微透鏡列陣I (2)，經擴束準直整形或微透鏡列 陣后耦合進入小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖，則在各個小芯徑同時進行頻率變換， 產生多束超連續(xù)激光，若選擇的大模場光子晶體光纖的模面積與小芯徑集束型光子晶體光 纖的有效模場面積相當，小芯徑集束型光子晶體光纖與大模場光子晶體光纖用塌陷熔接直 接耦合，多束超連續(xù)激光并束成為高功率的超連續(xù)激光輸出。
3. 按權利要求1或2所述的小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換 器，其特征在于，高功率大模場光子晶體光纖鎖模激光器由振蕩級和放大級及振蕩級和放 大級之間的偏振法拉第隔離器構成，振蕩級包括包括大模場的摻鐿離子或摻鉺離子的雙包 覆光子晶體增益光纖、半導體可飽和吸收鏡和偏振旋轉混合鎖模器、振蕩級光柵對或大負 色散光纖色散補償器構成，其中，光子晶體增益光纖的芯徑為10—50微米，數值孔徑為 0.02-0.06，外包層直徑200—400微米，數值孔徑為0.4-0.8，長度為l一10m，包層泵浦為 5-30W的高功率激光二極管；放大級包括大模場的摻鐿離子或摻鉺離子的雙包覆光子晶體 增益光纖、放大級光柵對或大負色散光纖色散補償器構成，其中，光子晶體增益光纖的芯 徑為20—70微米，數值孔徑為0.02-0.06,外包層直徑200—400微米，數值孔徑為0.4-0.8， 長度為l一10m，包層泵浦為20—100W高功率激光二極管。
4. 按權利要求1或2所述的小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換 器，其特征在于，非球面準直擴束器是伽利略望遠鏡系統(tǒng)，擴束比是相對于小芯徑集束型 光子晶體光纖有效模場直徑的1:2-10，或者焦距為毫米量級的為微透鏡列陣。
5. 按權利要求1或2所述的小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換 器，其特征在于，小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的有效模場由多個芯徑為l-2微米的光纖集束構成，每個小纖芯周圍有小空氣孔構成包層，其中小空氣孔的直徑為Dp(XD-纖芯直徑；相鄰的兩個小空氣孔的中心距為Ap取值滿足Di/A尸0.3-0.8;集束小芯外圍為多層大空氣孔包層結構，其中大空氣孔的直徑為D2，纖芯直徑<02<八2;相鄰的兩個大空氣孔的中心距為A2，取值滿足02/八2=0.8-0.95。
6. 按權利要求1所述的小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換器， 其特征在于，非球面會聚透鏡為焦距為5 — 20mm的顯微物鏡，或者為焦距為毫米的微透鏡 列陣。
7. 按權利要求1或2所述的小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換 器，其特征在于，大模面積光子晶體光纖為芯徑為30—100微米的光子晶體光纖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖的高功率頻率變換器，屬于激光領域中高功率超連續(xù)激光技術。該裝置包括單臺高功率脈沖激光器，非球面準直擴束器或微透鏡列陣，小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖，非球面聚焦透鏡或微透鏡列陣和大模場光子晶體光纖構成?；蛟撗b置包括單臺高功率脈沖激光器，非球面準直擴束器或微透鏡列陣，小芯徑集束型高非線性光子晶體光纖和大模場光子晶體光纖構成。本發(fā)明的優(yōu)點在于，該頻率變換器具有幾十瓦以上的超連續(xù)激光輸出的能力。
文檔編號G02B6/04GK101329490SQ200810053628
公開日2008年12月24日 申請日期2008年6月25日 優(yōu)先權日2008年6月25日
發(fā)明者方曉慧, 路 柴, 王清月, 程同蕾, 胡明列 申請人:天津大學