專利名稱：基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖激光技術(shù)領(lǐng)域，特指一種能實(shí)現(xiàn)高平均功率全光纖化超連續(xù)譜輸出的光源。
背景技術(shù)：
目前，采用光纖激光泵浦光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)的低功率超連續(xù)譜光源已經(jīng)成為一種實(shí)用化的商品。但是，某些應(yīng)用領(lǐng)域需要具有高平均輸出功率和高光譜密度的超連續(xù)譜光源，現(xiàn)有的超連續(xù)譜光源尚不能滿足需求。超連續(xù)譜光源一般包括泵浦源和超連續(xù)譜產(chǎn)生介質(zhì)兩部分。泵浦激光的參數(shù)(工作波長(zhǎng)，脈沖寬度，脈沖峰值功率)和非線性介質(zhì)的特性(色散特性，非線性響應(yīng))共同決定了何種非線性效應(yīng)可以發(fā)生以及最終輸出的超連續(xù)譜形式。實(shí)際上泵浦源的參數(shù)和光纖特性的細(xì)小差別會(huì)對(duì)超連續(xù)譜產(chǎn)生過程以及最終輸出的光譜產(chǎn)生顯著影響，只有非線性介質(zhì)的特性同泵浦源比較匹配時(shí)才能夠產(chǎn)生比較理想的超連續(xù)譜。目前，獲得高平均輸出功率和高光譜密度的超連續(xù)譜主要是利用技術(shù)比較成熟的高功率光纖激光泵浦單芯光子晶體光纖來開展的。為實(shí)現(xiàn)超連續(xù)光譜的極大展寬，要求泵浦激光工作波長(zhǎng)應(yīng)該選擇在靠近光子晶體光纖零色散點(diǎn)的反常色散區(qū)。但是高功率泵浦源的輸出尾纖的纖芯直徑一般都大于10微米，色散特性與之匹配的光子晶體光纖的纖芯直徑小于10微米，兩者之間存在較大的模場(chǎng)不匹配，這使得高功率泵浦激光到光子晶體光纖的耦合十分困難。雖然可以通過增加單芯光子晶體光纖的纖芯直徑來減小模場(chǎng)不匹配，但是這一方面會(huì)降低單芯光子晶體光纖的非線性系數(shù)，另一方面也會(huì)改變光子晶體光纖的色散特性，不利于超連續(xù)譜的產(chǎn)生。模場(chǎng)不匹配導(dǎo)致的較大耦合損耗會(huì)降低系統(tǒng)的光學(xué)轉(zhuǎn)換效率，更為嚴(yán)重的是耦合損耗過大還會(huì)引起熔接點(diǎn)的熱損傷。即使高功率泵浦激光的耦合問題得以解決，由于單芯光子晶體光纖的模場(chǎng)直徑相對(duì)較小，熱效應(yīng)以及激光損傷等因素也從根本上限制了基于單芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源的輸出功率。 近年來，多芯光子晶體光纖的概念被提出。多芯光子晶體光纖的各個(gè)纖芯之間的光場(chǎng)相互耦合可以形成所謂“超?！?，其中的同相超模具有類高斯型的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布，有效模場(chǎng)分布面積較大，并且其模場(chǎng)分布對(duì)熱和應(yīng)力不敏感。另外，多芯光子晶體光纖超模的色散特性與具有相同空氣填充比的單芯光子晶體光纖的色散特性差別較小。所以，多芯光子晶體光纖可在擁有較大模場(chǎng)面積的同時(shí)具有同泵浦激光比較匹配的色散特性。有文獻(xiàn)證明采用多芯光子晶體光纖可以實(shí)現(xiàn)超連續(xù)譜的產(chǎn)生，但是這些文獻(xiàn)中泵浦激光都是采用透鏡耦合方式進(jìn)入到光子晶體光纖中，這降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不利于實(shí)際應(yīng)用。目前，已有連續(xù)譜光源相關(guān)的授權(quán)專利公告，但尚未有采用多芯光子晶體光纖作為超連續(xù)譜產(chǎn)生介質(zhì)的專利。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有基于單芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜產(chǎn)生技術(shù)中的不足，提升超連續(xù)譜光源的平均輸出功率，本發(fā)明提出一種基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源，能實(shí)現(xiàn)高平均功率全光纖化超連續(xù)譜輸出。本發(fā)明提出的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源由帶輸出尾纖的泵浦激光器和多芯光子晶體光纖兩部分組成，把選用的泵浦激光器的輸出尾纖同模場(chǎng)和色散特性匹配的多芯光子晶體光纖的輸入端進(jìn)行熔接，即構(gòu)成了全光纖化的超連續(xù)譜光源。所述的泵浦激光器為工作波長(zhǎng)與多芯光子晶體光纖的色散特性相匹配；帶尾纖輸出，并且從尾纖中輸出的激光的光束質(zhì)量好，為基橫?；蛘呓咏鶛M模；輸出尾纖的模場(chǎng)與多芯光子晶體光纖的超模的模場(chǎng)相匹配；輸出激光進(jìn)入到多芯光子晶體光纖中能夠有效地激發(fā)超連續(xù)譜。所述的泵浦激光器為摻稀土離子(鐿、鉺、銩、欽、鉍等)光纖激光器或者基于非線性效應(yīng)的光纖激光器(拉曼光纖激光器，參量光纖激光器等)，或者是固體激光器，或者是半導(dǎo)體激光器，通過耦合系統(tǒng)把輸出激光耦合到光纖中，構(gòu)成帶輸出尾纖的泵浦激光器。
泵浦激光器的工作方式可以是脈沖激光運(yùn)行，也可以是連續(xù)波激光運(yùn)行。所述的多芯光子晶體光纖為超連續(xù)譜產(chǎn)生介質(zhì)，能夠形成穩(wěn)定的同相超模，并支持其低損耗傳輸；多芯光子晶體光纖的色散特性與泵浦激光器的工作波長(zhǎng)相匹配；多芯光子晶體光纖的同相超模的模場(chǎng)與泵浦激光的輸出尾纖的模場(chǎng)相匹配；具有非線性特性，滿足功率條件即滿足可產(chǎn)生超連續(xù)譜條件。所述的多芯光子晶體光纖的特性通過設(shè)計(jì)光纖來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)光子晶體光纖主要是考慮光纖的端面結(jié)構(gòu)，多芯光子晶體的端面由光纖基底材料、纖芯和與光纖基底材料折射率不同的孔組成。通過改變各個(gè)部分的折射率，幾何尺寸和排布方式，可實(shí)現(xiàn)不同的光纖特性。所述的多芯光子晶體光纖的基底材料要根據(jù)所需超連續(xù)譜的波段進(jìn)行合理選擇，包括純石英(主要產(chǎn)生可見光和近紅外波段超連續(xù)譜)，碲化物，硫化物和氟化物材料(主要產(chǎn)生紅外波段超連續(xù)譜)。所述的多芯光子晶體光纖的纖芯數(shù)目沒有嚴(yán)格要求(可以是七芯，十九芯或者其它數(shù)目)。纖芯的折射率可以與光纖基底材料相同，也可以不同。各個(gè)纖芯的折射率和幾何形狀可以相同，也可以不同。纖芯的材料中可以摻稀土元素，也可以不摻。所述的多芯光子晶體光纖端面的孔可以是空氣孔，也可以由其它高折射率材料填充。單個(gè)孔的形狀可以是圓形，橢圓形或其它的形狀，每一個(gè)孔與其它的孔的形狀可以一樣，也可以不一樣?？椎恼w排布可以是允許的任意形狀(正六邊形，正八邊形，正十二邊形，圓形等)。所述的多芯光子晶體光纖的外徑沿光纖縱向可以是均勻的，也可以是非均勻。所述的泵浦激光器的輸出尾纖同多芯光子晶體光纖的輸入端進(jìn)行熔接時(shí)，可以運(yùn)用光子晶體光纖后處理技術(shù)，對(duì)光子晶體光纖端面進(jìn)行處理，進(jìn)一步減小熔接損耗。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用具有較大模場(chǎng)面積，色散特性可調(diào)節(jié)的多芯光子晶體光纖作為超連續(xù)譜的產(chǎn)生介質(zhì)，有效解決了常規(guī)采用單芯光纖晶體光纖作為超連續(xù)譜的產(chǎn)生介質(zhì)在實(shí)現(xiàn)高平均功率全光纖化超連續(xù)譜產(chǎn)生時(shí)，存在的泵浦激光耦合困難、光子晶體光纖的色散特性與泵浦激光工作波長(zhǎng)不匹配等問題，能有效實(shí)現(xiàn)高平均功率全光纖化超連續(xù)譜輸出，同時(shí)大大提升了系統(tǒng)的功率上限。該光源還利用成熟的高功率光纖激光技術(shù)、光子晶體光纖制造技術(shù)和光子晶體光纖后處理技術(shù)，簡(jiǎn)化了高平均功率全光纖化超連續(xù)譜光源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本，便于工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明提出的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為一種具體實(shí)施例中采用的多芯光子晶體光纖的端面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式圖中1_帶輸出尾纖的泵浦激光器；2_多芯光子晶體光纖；3_泵浦激光器的輸出尾纖3 ；4-熔接點(diǎn)；5_光子晶體光纖的基底材料；6_光子晶體光纖的纖芯；7_小孔。
以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。此處所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。圖I為本發(fā)明提出的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，本發(fā)明提出的超連續(xù)譜光源包括帶輸出尾纖的泵浦激光器1，多芯光子晶體光纖2，其中，泵浦激光器I的輸出尾纖3與多芯光子晶體光纖2的一個(gè)端面進(jìn)行熔接構(gòu)成全光纖結(jié)構(gòu)，熔接點(diǎn)4。當(dāng)泵浦激光耦合進(jìn)入到與之匹配的多芯光子晶體光纖2，由于各種非線性效應(yīng)的作用，在多芯光子晶體光纖2中形成超連續(xù)譜，產(chǎn)生的超連續(xù)譜從多芯光子晶體光纖2的另一個(gè)端面輸出。在本發(fā)明的一種具體的實(shí)施例中，泵浦激光器I采用皮秒脈沖摻鐿光纖激光器，其工作波長(zhǎng)在I. 06微米附近，脈沖寬度為20皮秒左右，脈沖重復(fù)頻率為500兆赫茲，平均功率為56瓦,輸出尾纖3為纖芯直徑15微米，內(nèi)包層直徑130微米的雙包層光纖；該泵浦激光器從尾纖輸出的激光的光場(chǎng)為基模分布。圖2為該實(shí)施例中采用的多芯光子晶體光纖的端面結(jié)構(gòu)示意圖。該多芯光子晶體光纖為七芯光纖晶體光纖，光子晶體光纖的基底材料5為純石英，光子晶體光纖的纖芯6為正六邊，端面上小孔7成正六邊形排布，并且都是孔直徑為I. 49微米的圓形空氣孔，任意相鄰兩個(gè)孔的孔間距為3. 26微米，纖芯是通過取消對(duì)應(yīng)位置的一個(gè)空氣孔形成的。實(shí)施例中多芯光子晶體光纖的外徑沿光纖縱向是均勻的，長(zhǎng)度為20 m；在最大泵浦激光功率下，該實(shí)施例中的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源輸出平均功率為40 W，光譜范圍為600—1700納米的超連續(xù)譜，輸出光場(chǎng)為同相超模分布。
權(quán)利要求
1.基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源，包括帶輸出尾纖的泵浦激光器和多芯光子晶體光纖，其特征在于，把選用的泵浦激光器的輸出尾纖同模場(chǎng)和色散特性匹配的多芯光子晶體光纖的輸入端進(jìn)行熔接，即構(gòu)成了全光纖化的超連續(xù)譜光源； 所述的泵浦激光器為工作波長(zhǎng)與多芯光子晶體光纖的色散特性相匹配；帶尾纖輸出，并且從尾纖中輸出的激光的光束質(zhì)量好，為基橫?；蛘呓咏鶛M模；輸出尾纖的模場(chǎng)與多芯光子晶體光纖的同相超模的模場(chǎng)相匹配；輸出激光進(jìn)入到多芯光子晶體光纖中能夠有效地激發(fā)超連續(xù)譜； 所述的多芯光子晶體光纖是超連續(xù)譜產(chǎn)生介質(zhì)，能夠形成穩(wěn)定的同相超模，并支持其低損耗傳輸；多芯光子晶體光纖的色散特性與泵浦激光器的工作波長(zhǎng)相匹配；多芯光子晶體光纖的同相超模的模場(chǎng)與泵浦激光的輸出尾纖的模場(chǎng)相匹配；具有非線性特性，滿足功率條件即可產(chǎn)生超連續(xù)譜條件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源，其特征在于，所述的泵浦激光器為摻稀土離子，包括鐿、鉺、銩、欽、鉍的光纖激光器或者基于非線性效應(yīng)的光纖激光器，包括拉曼光纖激光器、參量光纖激光器，或者固體激光器，或者半導(dǎo)體激光器，通過耦合系統(tǒng)把輸出激光耦合到光纖中，構(gòu)成帶輸出尾纖的泵浦激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源，其特征在于，泵浦激光器的工作方式可以是脈沖激光運(yùn)行，也可以是連續(xù)波激光運(yùn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源，其特征在于，所述的多芯光子晶體光纖的端面由光纖基底材料、纖芯和與光纖基底材料折射率不同的孔組成，改變各個(gè)部分的折射率，幾何尺寸和排布方式，可實(shí)現(xiàn)不同的光纖特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源，其特征在于，所述的多芯光子晶體光纖的基底材料包括純石英，碲化物，硫化物和氟化物材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源，其特征在于，所述的多芯光子晶體光纖的纖芯數(shù)目可以是七芯、十九芯或者其它數(shù)目；纖芯的折射率可以與光纖基底材料相同，也可以不同；各個(gè)纖芯的折射率和幾何形狀可以相同，也可以不同；纖芯的材料中可以摻稀土元素，也可以不摻。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源，其特征在于，所述的多芯光子晶體光纖端面的孔可以是空氣孔，也可以由其它高折射率材料填充；單個(gè)孔的形狀可以是圓形，橢圓形或其它的形狀，每一個(gè)孔與其它的孔的形狀可以一樣，也可以不一樣；孔的整體排布可以是允許的任意形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源，其特征在于，所述的多芯光子晶體光纖的外徑沿光纖縱向可以是均勻的，也可以是非均勻。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源，其特征在于，所述的泵浦激光器的輸出尾纖同多芯光子晶體光纖的輸入端進(jìn)行熔接時(shí)，可以運(yùn)用光子晶體光纖后處理技術(shù)，對(duì)光子晶體光纖端面進(jìn)行處理，進(jìn)一步減小熔接損耗。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源，由帶輸出尾纖的泵浦激光器，多芯光子晶體光纖兩部分組成。把選用的泵浦激光器的輸出尾纖同模場(chǎng)和色散特性匹配的多芯光子晶體光纖的輸入端進(jìn)行熔接，即構(gòu)成全光纖化的超連續(xù)譜光源。采用具有較大模場(chǎng)面積和色散特性可調(diào)節(jié)的多芯光子晶體光纖作為超連續(xù)譜的產(chǎn)生介質(zhì)，有效解決了常規(guī)采用單芯光纖晶體光纖作為超連續(xù)譜的產(chǎn)生介質(zhì)在實(shí)現(xiàn)高平均功率全光纖化超連續(xù)譜產(chǎn)生時(shí)，存在的泵浦激光耦合困難、光子晶體光纖的色散特性與泵浦激光工作波長(zhǎng)不匹配等問題，能有效實(shí)現(xiàn)高平均功率全光纖化超連續(xù)譜輸出，同時(shí)大大提升了系統(tǒng)的功率上限。
文檔編號(hào)G02F1/365GK102967981SQ20121055161
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者諶鴻偉, 靳愛軍, 郭良, 侯靜, 陳勝平, 陳子倫, 陸啟生 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)