本實(shí)用新型涉及激光技術(shù)與非線性光學(xué)領(lǐng)域的超連續(xù)譜光源，特別涉及一種高功率可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源。

背景技術(shù)：

超連續(xù)譜光源，是激光與非線性介質(zhì)相互作用產(chǎn)生光譜極大展寬的一種新型光源。超連續(xù)譜光源具有光譜寬、亮度高、空間相干性好、功率譜密度高等優(yōu)點(diǎn)，在基礎(chǔ)科學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)相干層析、光頻率計量、器件檢測、傳感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。如今超連續(xù)譜光源的光譜范圍可覆蓋可見光、近紅外、中紅外波段，其中可見光超連續(xù)譜光源在激光顯示、生物光譜分析、光電對抗等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，如何提高可見光超連續(xù)譜光源的輸出功率以及可見光產(chǎn)生效率是超連續(xù)譜光源發(fā)展的研究熱點(diǎn)。

超連續(xù)譜光源一般包括泵浦源和非線性介質(zhì)兩部分。由于目前工作波長在1.06μm的光纖激光器發(fā)展成熟，具有輸出功率高、體積小易集成等優(yōu)點(diǎn)，常被用作超連續(xù)譜光源的泵浦源。光子晶體光纖具有色散特性靈活可控的優(yōu)點(diǎn)，通常作為超連續(xù)譜光源的非線性介質(zhì)。改變光子晶體光纖的空氣孔結(jié)構(gòu)(直徑、間距、排布方式)，即可方便地調(diào)節(jié)其色散特性。

超連續(xù)譜光源的物理機(jī)制表明，可見光超連續(xù)譜光源的可見光產(chǎn)生效率與光纖的零色散波長、泵浦源的工作波長有關(guān)，泵浦源的工作波長在靠近光纖零色散波長的反常色散區(qū)時(即泵浦源工作波長略大于光纖零色散波長)，可實(shí)現(xiàn)超連續(xù)譜光源光譜的極大展寬。泵浦源工作波長與光纖零色散波長相距越遠(yuǎn)，泵浦光向可見光轉(zhuǎn)換的效率越低，即可見光產(chǎn)生效率越低。(參見J.M.Stone,J.C.Knight,Visibly″white″light 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體光纖中產(chǎn)生可見白光))。另外，超連續(xù)譜光源的短波邊界主要受限于光子晶體光纖的群折射率匹配特性，通常只有纖芯較細(xì)且空氣孔占空比(空氣孔直徑與空氣孔間距的比值)較大的光子晶體光纖才具有滿足超連續(xù)譜光源向藍(lán)光、紫外擴(kuò)展的群折射率匹配特性，這種光子晶體光纖的零色散波長一般小于1μm。最后，由于這種光子晶體光纖纖芯較細(xì)，熱效應(yīng)、激光損傷等因素從根本上限制了基于這種光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源的輸出功率。

國際上知名的超連續(xù)譜光源供應(yīng)商如英國Fianium公司型號為WL-SC400-20的超連續(xù)譜光源(輸出功率20W，可見光功率<4W，可見光占<20％)、丹麥NKT光子公司型號為EXU-6的超連續(xù)譜光源(輸出功率3W，可見光功率0.6W，可見光占20％)，以及國內(nèi)安揚(yáng)激光有限公司型號為SC-Pro的超連續(xù)譜光源(輸出功率2W，可見光功率0.4W，可見光占20％)，均使用1.06μm光纖激光器作為泵浦源獲得光譜覆蓋范圍400～2400nm的超連續(xù)譜光源?？梢钥闯觯河捎诒闷衷吹墓ぷ鞑ㄩL與光纖的零色散波長相距較遠(yuǎn)， 大部分光譜能量集中在近紅外波段，可見光產(chǎn)生效率較低。

為提高可見光產(chǎn)生效率，研究人員將1.06μm光纖激光器通過倍頻器倍頻得到波長為0.5μm綠光，將此綠光作為泵浦源獲得光譜能量主要集中在可見光波段的超連續(xù)譜光源(參見申請?zhí)?01410204625.X的中國專利“一種基于綠光光纖激光器泵浦的可見光超連續(xù)譜光源”)，此方案的缺點(diǎn)是需要將經(jīng)過倍頻晶體后的光束耦合到光纖中，導(dǎo)致光束質(zhì)量變差，同時倍頻晶體可承受功率有限，采用該方法無法獲得高功率可見光超連續(xù)譜光源。另外，還有研究人員用1.06μm光纖激光器作為泵浦源，兩個或兩個以上的零色散波長遞減的光子晶體光纖熔接作為非線性介質(zhì)，獲得可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源(參見申請?zhí)?00810236572.4的中國專利“全光纖結(jié)構(gòu)的可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜激光系統(tǒng)”)，此方案的缺點(diǎn)是光子晶體光纖之間的熔接損耗較大，光子晶體光纖本身及熔點(diǎn)均不能承受高功率，因此該方案也無法獲得高功率可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源。

為提高超連續(xù)譜光源的輸出功率，研究人員提出一種基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源(參見申請?zhí)枮?01220703339.4的中國專利“基于多芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源”)，有效實(shí)現(xiàn)40W全光纖化超連續(xù)譜輸出，但由于該多芯光子晶體光纖未進(jìn)行合理的色散特性設(shè)計，且泵浦波長與零色散波長相距較遠(yuǎn)，光譜范圍僅為600～1700nm，沒有覆蓋全可見光波段。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)方案無法實(shí)現(xiàn)高功率可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源，這極大地限制了可見光超連續(xù)譜光源的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有可見光超連續(xù)譜光源的輸出功率及可見光產(chǎn)生效率較低的問題，本實(shí)用新型提出一種高功率可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源，其輸出具有光譜寬、功率高、可見光產(chǎn)生效率高的特點(diǎn)，且為全光纖系統(tǒng)。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：一種高功率可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源，所述光源由短波長脈沖光纖激光器1、多芯光子晶體光纖2、光纖端帽3構(gòu)成。其中短波長脈沖光纖激光器1的輸出端與多芯光子晶體光纖2的輸入端通過熔接的方式連接，多芯光子晶體光纖2的輸出端與光纖端帽3通過熔接的方式連接，經(jīng)光纖端帽3輸出超連續(xù)譜。

短波長脈沖光纖激光器1為工作波長為1000～1025nm波段、脈沖寬度為1ps～1000ns、脈沖重復(fù)頻率為1kHz～1000GHz、輸出平均功率為1mW～1000kW的脈沖信號，帶尾纖輸出，輸出激光光束質(zhì)量好，為基橫?；蛘呓咏鶛M模，作為可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源的泵浦源。輸出的脈沖激光經(jīng)熔點(diǎn)耦合到多芯光子晶體光纖2中以全反射的形式傳輸并發(fā)生非線性光譜展寬。

多芯光子晶體光纖2為超連續(xù)譜光源的非線性介質(zhì)，能夠形成穩(wěn)定的同相超模，并支持其低損耗傳輸；零色散波長在950～1020nm之間；群折射率曲線滿足：大于2.5μm波長處的群折射率與小于0.4μm波長 處的群折射率相匹配；各纖芯直徑小于5μm，且空氣孔占空比(空氣孔直徑與空氣孔間距的比值)大于0.6；纖芯數(shù)目為大于一的正整數(shù)。

光纖端帽3用于避免光子晶體光纖2的端面反射，保護(hù)短波長脈沖光纖激光器1免受損傷。

短波長脈沖光纖激光器1的輸出端與多芯光子晶體光纖2的輸入端進(jìn)行熔接時，可以運(yùn)用光子晶體光纖后處理技術(shù)(參見專利“雙包層光纖和光子晶體光纖的熔接方法”，申請?zhí)?01010567268.5，或參見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(周旋風(fēng)等，通過空氣孔塌縮低損耗熔接技術(shù)實(shí)現(xiàn)七芯光子晶體光纖的類高斯模場輸出))，實(shí)現(xiàn)低熔接損耗。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果在于：

1.采用短波長脈沖光纖激光器代替常規(guī)1.06μm光纖激光器作為泵浦光，其工作波長與光子晶體光纖的零色散波長更接近，使可見光產(chǎn)生效率大大提高，從而實(shí)現(xiàn)可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源。

2.采用多芯光子晶體光纖，通過調(diào)整光纖的空氣孔直徑和空氣孔間距對光纖的色散特性進(jìn)行設(shè)計，使其滿足超連續(xù)譜光源向藍(lán)光、紫外擴(kuò)展的群折射率匹配特性，不僅可獲得覆蓋可見光波段的光譜，而且有效提高了光纖的損傷閾值，解決了現(xiàn)有可見光超連續(xù)譜光源輸出功率低的問題，從而實(shí)現(xiàn)高功率的可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源。

3.本高功率可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，提升了現(xiàn)有可見光超連續(xù)譜光源的可見光產(chǎn)生效率及輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的可見光超連續(xù)譜光源應(yīng)用。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中多芯光子晶體光纖2的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中多芯光子晶體光纖2的色散曲線圖；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中多芯光子晶體光纖2的群折射率曲線圖；

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的輸出光譜圖；

圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例的輸出功率與泵浦功率關(guān)系圖。

附圖標(biāo)記：1、短波長脈沖光纖激光器；2、多芯光子晶體光纖；3、光纖端帽；4、光子晶體光纖的基底材料；5、光子晶體光纖的空氣孔；6、光子晶體光纖的纖芯；21-22、熔接點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

在本實(shí)用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本實(shí)用新型中的具體含義。

本實(shí)用新型一種“高功率可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源”的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由短波長脈沖光纖激光器1、多芯光子晶體光纖2、光纖端帽3構(gòu)成。其中短波長脈沖光纖激光器1與多芯光子晶體光纖2通過熔接的方式連接，21表示它們的熔接點(diǎn)。多芯光子晶體光纖2與光纖端帽3通過熔接的方式連接，22表示它們的熔接點(diǎn)，經(jīng)光纖端帽3輸出超連續(xù)譜。

在本實(shí)施例中，短波長脈沖光纖激光器1為皮秒脈沖摻鐿光纖激光器，工作波長為1016nm，脈沖寬度120ps，脈沖重復(fù)頻率為25MHz，平均功率為50W，輸出尾纖為纖芯直徑25μm、內(nèi)包層直徑250μm的雙包層光纖。

如圖2所示，本實(shí)施例中多芯光子晶體光纖2為七芯光子晶體光纖，空氣孔5按六邊形周期性排列，其中空氣孔5的直徑d為3.7μm，任意相鄰兩個空氣孔5的間距Λ為4.5μm，空氣孔占空比d/Λ為0.82，取消中心處空氣孔以及與中心處空氣孔間距為的六個空氣孔形成七個纖芯6，光纖包層直徑120μm，光纖長度為13.5m。通過光子晶體光纖后處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)短波長脈沖光纖激光器1和多芯光子晶體光纖2的低損耗熔接。

如圖3所示，本實(shí)施例中多芯光子晶體光纖2的光纖零色散波長為990nm。如圖4所示，2.5μm波長處的群折射率與0.42μm波長處的群折射率相匹配。如圖5所示，在短波長脈沖光纖激光器1最大輸出功率下，本實(shí)施例中的高功率可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源輸出光譜范圍為400-2300nm。如圖6所示，本實(shí)施例中的高功率可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜光源輸出功率約為24W(其中可見光功率6W，占25％)，且隨短波長脈沖光纖激光器1輸出功率的增加而線性增加。

綜上所述，本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜輸出，且具有進(jìn)一步的功率提升潛力。

以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。