多波長超短脈沖光纖激光光源的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光光源領域，特別是一種多波長超短脈沖輸出的光纖激光光源。
【背景技術(shù)】
[0002]在非線性光學顯微成像、非線性光學顯微頻譜成像及神經(jīng)元網(wǎng)絡的全光激發(fā)與成像等領域均需要多波長高能量超短脈沖激光光源。例如在多色雙光子顯微成像中，需要依據(jù)幾種所成像熒光物質(zhì)的吸收譜選取多束不同中心波長的超短脈沖;在相干拉曼顯微系統(tǒng)中，需要兩束波長間隔與所探測物質(zhì)的拉曼峰相匹配的高能量超短脈沖;在非簡并雙光子吸收顯微系統(tǒng)中，需要兩束光子能量之和與所探測物質(zhì)的吸收峰相匹配的高能量超短脈沖;在神經(jīng)網(wǎng)絡的全光激發(fā)與成像系統(tǒng)中，需要兩束不同中心波長的高能量脈沖分別進行基于光遺傳學(optogenetics)或光解籠鎖(uncaging)的神經(jīng)元激發(fā)與基于多光子焚光顯微成像的神經(jīng)元網(wǎng)絡活動記錄。
[0003]當前，多波長高能量超短脈沖激光光源通常是由多臺不同中心波長的脈沖激光器或高能量脈沖激光器及其同步栗浦的光學參量振蕩器組成。顯而易見，前者成本昂貴，所能獲得的激光波長數(shù)目受限于可用的激光晶體材料種類，且在需要多波長激光脈沖同步的應用領域還需復雜的同步裝置(如文獻David J.Jones,Eric 0.Potma,J1-xin Cheng,BerndtBurfeindt，Yang Pang,Jun Ye and X.Sunney Xie，Synchronizat1n of two passivelymode—locked,picosecond lasers within 20fs for coherent ant1-Stokes Ramanscattering microscopy，Rev.Sc1.1nstrum.73，2843(2002))。在后者中，高能量脈沖激光器產(chǎn)生某單一中心波長的高能量超短脈沖，并被直接或經(jīng)倍頻后用于栗浦光學參量振蕩器(如文南犬Feruz Ganikhanov,Silvia Carrasco,X.Sunney Xie ,Mordechai Katz ,WolfgangSeitz,and Daniel Kopf,Broadly tunable dual-wavelength light source forcoherent ant1-Stokes Raman scattering microscopy,Optics Letters 31(9)，1292-1294(2006))。光學參量振蕩器內(nèi)的非線性光學晶體或其他高非線性光學元件在滿足一定條件下將栗浦脈沖變換為其他波長的超短脈沖。但是該方法的缺點在于:該系統(tǒng)包含兩個諧振腔，且光學參量振蕩器的腔長需與激光器的腔長實時匹配，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，成本昂貴；激光器的輸出功率決定了參量振蕩器的最大輸出脈沖能量。
[0004]為了解決脈沖激光器及其所栗浦的參量振蕩器之間腔長匹配的復雜問題，人們提出了腔內(nèi)振蕩參量振蕩器(intracavity optical parametric oscillator)。該結(jié)構(gòu)中，將激光增益介質(zhì)與非線性晶體置于同一個振蕩腔中，自動實現(xiàn)了腔長匹配，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如專利Malcolm H.Dunn ,David Stothard, Intra-cavity optical parametricosci I lator，US 8867584 B2)。但上述系統(tǒng)采用空間結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差，維護成本高，輸出光束質(zhì)量差。此外，所采用的非線性晶體通常為特定的波長轉(zhuǎn)換所定制，相對于豐富的非線性光纖光學效應，波長調(diào)諧的靈活性低。
[0005]因此，目前需要本領域技術(shù)人員迫切解決的一個技術(shù)問題就是:如何能夠創(chuàng)新地提出一種有效措施，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、易維護的多波長超短脈沖光纖激光光源。
[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種多波長超短脈沖光纖激光光源，其特征在于包括:
[0008]多波長超短脈沖光纖激光器；
[0009]分光器系統(tǒng)；以及
[0010]光纖放大器系統(tǒng)；
[0011]其中，所述多波長超短脈沖光纖激光器的腔包括:增益光纖和高非線性光纖;所述多波長超短脈沖光纖激光器設置成:在腔內(nèi)鎖?；蛘{(diào)Q元件的作用下，或在腔內(nèi)實現(xiàn)等效可飽和吸收效應元件的作用下在所述增益光纖中產(chǎn)生第一超短脈沖，所述第一超短脈沖的中心波長位于所述增益光纖的發(fā)射光譜內(nèi)；在所述高非線性光纖中經(jīng)由非線性效應將所述第一超短脈沖轉(zhuǎn)化為η個第二超短脈沖，η個所述第二超短脈沖的中心波長各不相同，并且都與所述第一超短脈沖的中心波長不同，η為整數(shù)，且η 2 I;由此，所述多波長超短脈沖光纖激光器總計產(chǎn)生(η+1)個不同中心波長的超短脈沖，包括η個所述第二脈沖和I個經(jīng)由所述高非線性光纖未被轉(zhuǎn)化成所述第二超短脈沖的殘余所述第一超短脈沖；
[0012]其中，所述分光器系統(tǒng)由(η+1)個分光器構(gòu)成;所述光纖放大器系統(tǒng)由(η+1)個光纖放大器構(gòu)成；(η+1)個所述分光器和(η+1)個所述光纖放大器與(η+1)個不同中心波長的所述超短脈沖對應；
[0013]第m(m為整數(shù)，且Iη+1)個所述分光器將第m個所述超短脈沖分離到第m個所述光纖放大器進行功率放大，得到高能量的超短脈沖;第m個所述光纖放大器的增益介質(zhì)的發(fā)射光譜范圍與第m個所述超短脈沖的中心波長相匹配。
[0014]優(yōu)選的，所述多波長超短脈沖光纖激光器為鎖模光纖激光器，調(diào)Q鎖模光纖激光器或調(diào)Q光纖激光器;所述高能量的超短脈沖的脈沖寬度為飛秒至皮秒(10—15?10—11秒)量級。
[0015]優(yōu)選的，所述多波長超短脈沖光纖激光器的腔為環(huán)形腔或線形腔;所述腔內(nèi)的光纖為單模光纖、雙包層光纖或大模場面積光纖。
[0016]優(yōu)選的，所述增益光纖為摻稀土離子光纖;所述多波長超短脈沖光纖激光器的栗浦方式為同向栗浦、反向栗浦或雙向栗浦。
[0017]優(yōu)選的，所述高非線性光纖為高非線性光子晶體光纖或除所述高非線性光子晶體光纖之外的其他類型的高非線性光纖；
[0018]所述非線性效應包括超連續(xù)譜產(chǎn)生、四波混頻、孤子自頻移、受激拉曼效應及調(diào)制不穩(wěn)定性。
[0019]優(yōu)選的，所述分光器為波分復用器、陣列波導光柵、光柵或棱鏡。
[0020]優(yōu)選的，所述光纖放大器的增益介質(zhì)為摻稀土離子光纖;所述摻稀土離子光纖為單模光纖、雙包層光纖或大模場面積光纖;所述光纖放大器的栗浦方式為同向栗浦、反向栗浦或雙向栗浦。
[0021]優(yōu)選的，所述摻稀土離子光纖為摻釹光纖、摻鐿光纖、摻鉺光纖、摻銩光纖、摻鈥光纖、鉺鐿共摻光纖、鈥銩共摻光纖或摻鉍光纖。
[0022]優(yōu)選的，所述光纖放大器為單級光纖放大器或多級光纖放大器。
[0023]優(yōu)選的，所述多波長超短脈沖光纖激光光源為全光纖結(jié)構(gòu)或部分光纖結(jié)構(gòu)。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0025]本發(fā)明通過在光纖激光器腔內(nèi)引入高非線性光纖，基于其豐富的非線性光學效應將激光器的輸出光譜進一步拓展，并將所得多波長脈沖利用光纖放大器進行功率放大，實現(xiàn)了高能量多波長超短脈沖輸出；高非線性光纖的輸出光譜可通過如改變腔內(nèi)脈沖的能量或通過改變栗浦功率等途徑進行調(diào)諧，波長調(diào)諧靈活性高;采用光纖放大器對頻率變換后的脈沖進行放大，可獲得高能量輸出脈沖。此外，本發(fā)明采用光纖結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，極大地降低了系統(tǒng)成本;采用光纖輸出，光束質(zhì)量好。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明所述的一種多波長超短脈沖光纖激光光源的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2是本發(fā)明實施實例中基于腔內(nèi)高非線性光纖中四波混頻效應獲得多波長超短脈沖輸出的一種光纖激光光源結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖3是摻鐿光纖的吸收譜(虛線)與發(fā)射譜(實線)。橫軸:波長，單位:納米;縱軸:截面，單位:平方皮米。
[0029]圖4是本發(fā)明實施實例中基于腔內(nèi)高非線性光纖中四波混頻效應獲得多波長超短脈沖輸出的另一種光纖激光光源結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖5是本發(fā)明實施實例中基于腔內(nèi)高非線性光纖中超連續(xù)譜效應獲得多波長超短脈沖輸出的一種光纖激光光源結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0031]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0032]參照圖1，示出了本發(fā)明所述的一種多波長超短脈沖光纖激光光源的結(jié)構(gòu)示意圖，包括多波長超短脈沖光纖激光器，分光器系統(tǒng)及光纖放大器系統(tǒng)。其中，分光器系統(tǒng)由多個分光器構(gòu)成，光纖放大器系統(tǒng)由多個光纖放大器構(gòu)成。
[0033]多波長超短脈沖光纖激光器設置成:在腔內(nèi)鎖?；蛘{(diào)Q元件的作用下，或在腔內(nèi)實現(xiàn)等效可飽和吸收效應元件的作用下，在其增益光纖中產(chǎn)生中心波長在其增益光纖發(fā)射光譜內(nèi)的超短脈沖。當該超短脈沖在腔內(nèi)高非線性光纖中傳輸時，經(jīng)歷非線性光學效應實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生了其他波長的超短脈沖。分光器將所得的不同中心波長的超短脈沖分離到相應增益介質(zhì)的光纖放大器，由光纖放大器將所得超短脈沖進行功率放大，得到高能量的多波長超短脈沖。
[0034]實施例1:
[0035]下面參照圖2，詳細敘述本發(fā)明的一個基于腔內(nèi)高非線性光纖中四波混頻效應獲得多波長超短脈沖輸出的一種光纖激光光源實例。其中，200為多波長超短脈沖光纖激光器及分光器件部分，201為摻鐿光纖，202為高非線性光子晶體光纖，203為波分復用器(用作分束)，204為耦合器，205為可飽和吸收體元件或偏振控制器，206為隔離器，207為栗浦光耦合端，208為波分復用器(用作合束)，209為波分復用器(用作分束)，210為一輸出端，211為栗浦光親合端，212為摻釹光纖放大器，213為一輸出端，214為栗浦光親合端，215為摻鐿光纖放大器，216為一輸出端。
[0036]該實施例中的多波長超短脈沖光纖激光器為基于可飽和吸收體或非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應鎖模的超短脈沖光纖激光器，腔內(nèi)含摻鐿光纖201 (發(fā)射光譜峰值之一在1020nm至1070nm波段，見圖3)及高非線性光子晶體光纖202。此例中所選用的高非線性光子晶體光纖的色散曲線需滿足將中心波長為1020nm至1070nm的超短脈沖(下述以中心波長為1064nm為例)高效的轉(zhuǎn)移至中心波長為920nm附近的超短脈沖所需的相位匹配條件。波分復用器208將栗浦光207耦合進腔內(nèi)，對摻鐿光纖201進行栗浦。隔離器206保證了腔內(nèi)脈沖的單向運行?？娠柡臀阵w元件或偏振控制器205啟動并維持穩(wěn)定的鎖模，獲得中心波長在1064nm附近的超短脈沖。經(jīng)光子晶體光纖202中簡并四波混頻效應，該超短脈沖被部分轉(zhuǎn)換為中心波長分別在920nm和1260nm附近的超短脈沖。由于摻鐿光纖201對中心波長在920nm附近的脈沖存在吸收(圖3)，故采用波分復用器203將該新產(chǎn)生的中心波長在920nm附近的超短脈沖耦合出腔外，作為摻釹光纖放大器212(發(fā)射光譜峰值之一在900nm附近)的輸入進行放大。耦合器204(例如20:80耦合器)將四波混頻效應產(chǎn)生的中心波長為1260nm附近的超短