CN102916328B - 一种紧凑型全光纤超连续白光光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型全光纤超连续白光光源，涉及白光激光光源领域，在原理上，采用全光纤结构的非线性偏振旋转锁模激光器作为振荡级，输出的种子光经过放大后耦合入高非线性光子晶体光纤中进行非线性展宽以获得超连续白光输出；在结构上，采用紧凑型模块化设计，对光纤盘绕及其他光学器件的布局进行优化，将光学器件集成在工作台上，将经过尺寸优化的磁带式光纤盘绕槽集成在底座上。较之传统白光光源因使用空间耦合装置造成的体积大，重量重，稳定性差，价格昂贵，需额外设备辅助降温等缺点，本发明由于采用多次小电流放电将光子晶体光纤与单模光纤直接熔接及相应的模块化设计避免了上述缺点，实现了整机性能和紧凑型上的提高。

Description

一种紧凑型全光纤超连续白光光源

技术领域

本发明涉及白光激光光源领域，尤其涉及一种紧凑型全光纤超连续白光光源。

背景技术

光脉冲在高非线性光纤中的时域和频域演化，不仅受到诸如自发相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）、受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）等多种非线性效应的影响，也受到光纤色散特性的影响，所有这些非线性过程都可以产生新的频率分量。对于足够强的脉冲，能够将光谱展宽数百纳米以上，这种现象称之为超宽光谱的产生。

超连续白光光源能输出超宽光谱激光，其在生物、医学、物理、国防和工业等对低相干光源或光谱分析有高要求的领域上有着重要的应用。在当前应用过程中，对超连续激光器的小体积和便携性的追求日益提高。全光纤激光器不仅能保证整体结构的紧凑和散热的优良，更能实现高稳定的激光输出。因此在实际应用中有着不可取代的地位和良好的发展前景。

在传统的对超连续光谱产生的研究中，是以非线性晶体来展宽光谱。但非线性晶体在抽运功率提高时极易被损坏，从而导致超连续激光器的平均输出功率被限制。此后，光纤由于其散热面积大而被应用在进一步的研究中，而普通光纤的色散限制了优质超连续谱的生成。光子晶体光纤的出现则为超连续谱生成开启了新的篇章。光子晶体光纤的光纤参数可以通过设计光纤内部微结构从而得到控制，非线性作用丰富，色散可控。基于非线性光子晶体光纤的超连续谱技术由于在频谱学、超短脉冲激光技术、频率计量及光学相干层析(OCT)等领域中的应用价值在国际上引起了广泛的研究兴趣。但是，光子晶体光纤也有其显著缺点，例如与普通光纤的熔接困难、熔接损耗大、光纤制造成本高、处理困难等问题。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

目前以光子晶体光纤为基础的超连续激光理论比较成熟，但用来激励光子晶体光纤的超短脉冲激光器一般体积较大，重量较重，造价昂贵；同时，许多现有装置采用透镜组做空间耦合，透镜组设计复杂，体积庞大，效率较低，对环境要求苛刻，难以实现工程可靠性要求；此外，由于耦合效率低下产生的大量热量，必须通过风冷或水冷等额外的辅助设备散失掉，这又进一步增加了整机的体积和重量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种紧凑型全光纤超连续白光光源，详见下文描述：

一种紧凑型全光纤超连续白光光源，包括：激光器模块，所述激光器模块包含振荡级与放大级两部分，

振荡级结构为依次相连的第一泵浦源、第一光纤耦合器、第一掺镱增益光纤、第一光纤准直器、第一λ/4波片、λ/2波片、偏振分束器、第二λ/4波片、双折射滤波片、第二光纤准直器和光纤隔离器；放大级结构为依次相连的第二泵浦源、第二光纤耦合器、第二掺镱增益光纤和高非线性光子晶体光纤；各段光纤与上述器件之间均由单模光纤连接。

所述振荡级和所述放大级之间采用第三光纤耦合器进行耦合。

所述第一泵浦源和第二泵浦源具体为：输出波长为970nm的半导体激光器。

所述高非线性光子晶体光纤与单模光纤之间为直接熔接，采用多次小电流放电。

还包括：底座，

所用各段光纤紧密盘绕在与所述底座集成在一起的磁带式光纤盘绕槽中；所述第一光纤耦合器、所述第二光纤耦合器、所述第三光纤耦合器和所述光纤隔离器也设置在所述磁带式光纤盘绕槽内；各段光纤外部包裹软性导热硅胶片。

所述磁带式光纤盘绕槽上设置有透明塑料盖板，所述透明塑料盖板下部设置有凸台，所述凸台与所述磁带式光纤盘绕槽相配合用于固定光纤。

还包括：打有固定沉孔的工作台，

所述第一光纤准直器、所述第一λ/4波片、所述λ/2波片、所述偏振分束器、所述第二λ/4波片、所述双折射滤波片和所述第二光纤准直器集成在所述工作台上。

还包括：设置有U型孔的侧面板，所述底座上还设置有第二V形槽，

泵浦输入光纤及超连续白光输出光纤通过所述侧面板上的所述U型孔与所述底座上的所述第二V形槽配合成的通道。

所述底座上设置有自由曲线固定孔和自由曲线孔。

所述底座上还设置有激光器上盖；所述底座上还设置有第一V形槽，单模光纤通过所述第一V形槽的引导进入所述磁带式光纤盘绕槽中。

本发明提供的技术方案的有益效果是：整机均采用铝合金制作，在保证装置整体强度的同时也能获得良好的散热性能和轻便的特性。此外，利用铝合金底座的直接接触式散热可省去传统装置中笨重的水冷或风冷设备，进一步减小整机体积和重量。上述设计可以使得整个激光器因为调节装置和辅助装置少而既体积小、结构紧凑，又增加了稳定性和可靠性，同时模块化的设计也使维护和调节更为简便易行；时间稳定性好、温度稳定性好、组装维护简单、便与集成、模块化、成本低、工艺简单、易于工业化。

附图说明

图1为超连续白光激光器的***示意图；

图2为侧面板的结构图；

图3为工作台的结构图；

图4为底座的结构图；

图5为超连续白光激光器的工作原理图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：激光器上盖；                2：侧面板；

3：透明塑料盖板；              4：工作台；

5：自由曲线孔；                6：底座；

7：第一泵浦源；                8：第二泵浦源；

9：第一光纤准直器；            10：第一λ/4波片；

11：第一λ/2波片；             12：偏振分束器；

13：第二λ/4波片；             14：双折射滤波片；

15：第二光纤准直器；           16：第一掺镱增益光纤；

17：第一光纤耦合器；           18：光纤隔离器；

19：第二光纤耦合器；           20：第三光纤耦合器；

21：第二掺镱增益光纤；                22：高非线性光子晶体光纤；

23：单模光纤；                        24：第一V型槽；

25：自由曲线固定孔；                  26：第二V形槽；

27：U型孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例按功能集成为三个模块：

1、外壳固定模块，包括：

一体化流线型激光器上盖1，起到保护支持整机的作用。实际使用过程中只需将激光器上盖卸下就可以方便地利用偏振分束器（PBS）12一侧的输出光检测激光器的运行状态或通过调整波片来调整激光器的锁模状态，其余部分仍保持在原位置；

带有U型孔27的两侧面板2，与底座6上的第二V型槽26配合使用可起到固定输入输出光纤的作用；

透明塑料防尘盖板3，采用透明设计，可直接观察到内部光纤及光纤器件的状态，便于维护保养，起到固定防尘的作用；

经过尺寸优化的磁带式光纤盘绕槽，边缘的第一V型槽24可引导光纤进出凹槽，同时凹槽与透明塑料盖板3上的凸台配合起来固定槽内的光纤及光纤器件；

自由曲线固定孔25中放置自由曲线孔5，通过螺栓的压力在光学平台上对白光光源进行固定，使得白光光源无论放置在光学平台上任意位置都可以灵活地固定。

2、工作台（bench）4模块：

经过尺寸优化的工作台（bench）4，预留出用来固定波片、偏振分束器（PBS）12、光纤准直器（collimator）的沉孔，同时底部略高于底座6下平面，可以在不将激光器与光学平台分离的前提下方便地将其拆卸更换其自身或其上固定的光学元件。

3、激光器模块：

激光器模块包含振荡级与放大级两部分，经过数值模拟优化的非线性偏振旋转锁模光纤激光器作为振荡级，产生种子光脉冲，耦合至掺镱（Yb）增益光纤放大级之中进行放大，进而耦合进入高非线性光子晶体光纤（PCF）22中进行非线性展宽从而获得超连续白光输出。

（一）数值模拟

首先基于Ginzburg-Landau方程和非线性Schrodinger方程对孤子脉冲在光纤传播中的非线性过程、色散过程和增益过程进行数值模拟，对于各主要部分选取最优的单模光纤、掺镱（Yb）增益光纤、高非线性光子晶体光纤长度，以保证***能在实现优质脉冲输出、频谱非线性展宽的同时保证紧凑结构及较低的成本。

（二）实验搭建

振荡级采用输出波长为970nm的单模输出激光二极管7抽运激光***，包覆有塑料保护套的单模光纤从激光器侧面板2上的U型孔27进入激光器内，通过第二V型槽26进入磁带式光纤盘绕槽中，经过第一泵浦耦合器（WDM）17耦合入第一掺镱（Yb）增益光纤16后再经过第一V型槽24穿过透明塑料盖板3，接着通过工作台bench4上安装的第一光纤准直器（collimator）9的准直后再依次经过第一λ/4波片10、λ/2波片11、偏振分束器（PBS）12、第二λ/4波片13、双折射滤波片（BF）14和第二光纤准直器（collimator）15，通过第一V型槽24的引导穿过透明防尘盖板3回到磁带式光纤盘绕槽中，最后通过光纤隔离器（ISO）18完成一次振荡回路。

振荡级中的孤子脉冲在光纤的的非线性Kerr效应作用下会产生非线性相移。由于非线性相移与光强有关，因而脉冲不同部分产生的非线性相移不同，从而使脉冲各部分的偏振态发生变化。通过调整波片使光脉冲的峰值能够经过偏振分束器（PBS）12，而强度较弱的前后沿则不能经过偏振分束器（PBS）12。从而使峰值越来越强，而前后沿则越来越弱，最后形成稳定的超短脉冲。同时，由于啁啾效应的作用，脉冲不同部位具有不同的瞬时频率，在***中引入滤波器可以提供损耗机理，将非线性效应产生的中心频率两侧的边带损耗掉，并再次导入增益光纤中实现环腔型结构，光以自相似子的形式在光纤中传播并稳定输出。这种脉冲形成过程就是利用光纤的非线性偏振旋转效应产生一个具有自幅度调制（SAM）作用的等效快速可饱和吸收体的被动锁模机制。

放大级同样采用输出波长为970nm的单模输出激光二极管8抽运激光***，从激光器侧面板2上的U型孔27进入激光器内的包覆有塑料保护套的单模光纤与从振荡级通过第二光纤耦合器（WDM）19输出的种子光通过第三光纤耦合器（WDM）20被耦合入第二掺镱（Yb）增益光纤21中实现放大，种子光在传输过程中能量被不断放大，脉宽亦变大以利于非线性展宽，获得更宽的光谱。放大后的光脉冲进入高非线性光子晶体光纤22中，由于其孤子波中心波长位于光子晶体光纤的反常色散区，会产生多种非线性过程。在输入抽运功率较低时，会发生明显的孤子自频移效应，在长波方向出现峰，随着输入抽运功率的增加，高阶孤子***成数个基孤子，并在脉冲内拉曼散射的作用下逐渐红移，伴随着同时产生蓝移的非孤子辐射。进而随着功率提高，四波混频产生的新频率成分使得光谱趋向平坦并得到进一步加宽。

对于本发明所用的高非线性光子晶体光纤来说，其模场直径远小于与其熔接的单模光纤，限制了耦合效率及超连续谱展宽程度。针对此问题，将采用小电流多次放电熔接降低熔接损耗。实验搭建中，采用实验光从单模光纤入射的方式，通过优化放电参数、推进参数、偏移量等熔接参数，并对另一端出光功率实时监测，以确定相对低损耗的熔接方式。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种紧凑型全光纤超连续白光光源，包括：激光器模块，其特征在于：所述激光器模块包含振荡级与放大级两部分，

振荡级结构为依次相连的第一泵浦源（7）、第一光纤耦合器（17）、第一掺镱增益光纤（16）、第一光纤准直器（9）、第一λ/4波片（10）、λ/2波片（11）、偏振分束器（12）、第二λ/4波片（13）、双折射滤波片（14）、第二光纤准直器（15）和光纤隔离器（18）；放大级结构为依次相连的第二泵浦源（8）、第二光纤耦合器（20）、第二掺镱增益光纤（21）和高非线性光子晶体光纤（22）；各段光纤与上述器件之间均由单模光纤连接；

还包括：打有固定沉孔的工作台（4），

所述第一光纤准直器（9）、所述第一λ/4波片（10）、所述λ/2波片（11）、所述偏振分束器（12）、所述第二λ/4波片（13）、所述双折射滤波片（14）和所述第二光纤准直器（15）集成在所述工作台（4）上。

2.根据权利要求1所述的紧凑型全光纤超连续白光光源，其特征在于：所述振荡级和所述放大级之间采用第三光纤耦合器（19）进行耦合。

3.根据权利要求1所述的紧凑型全光纤超连续白光光源，其特征在于：所述第一泵浦源（7）和第二泵浦源（8）具体为：输出波长为970nm的半导体激光器。

4.根据权利要求1所述的紧凑型全光纤超连续白光光源，其特征在于：所述高非线性光子晶体光纤（22）与单模光纤之间为直接熔接，采用多次小电流放电。

5.根据权利要求2所述的紧凑型全光纤超连续白光光源，其特征在于：还包括：底座（6），

所用各段光纤紧密盘绕在与所述底座（6）集成在一起的磁带式光纤盘绕槽中；所述第一光纤耦合器（17）、所述第二光纤耦合器（20）、所述第三光纤耦合器（19）和所述光纤隔离器（18）也设置在所述磁带式光纤盘绕槽内；各段光纤外部包裹软性导热硅胶片。

6.根据权利要求5所述的紧凑型全光纤超连续白光光源，其特征在于：所述磁带式光纤盘绕槽上设置有透明塑料盖板（3），所述透明塑料盖板（3）下部设置有凸台，所述凸台与所述磁带式光纤盘绕槽相配合用于固定光纤。

7.根据权利要求5所述的紧凑型全光纤超连续白光光源，其特征在于：还包括：设置有U型孔（27）的侧面板（2），所述底座（6）上还设置有第二V形槽（26），

泵浦输入光纤及超连续白光输出光纤通过所述侧面板（2）上的所述U型孔（27）与所述底座（6）上的所述第二V形槽（26）配合成的通道。

8.根据权利要求5所述的紧凑型全光纤超连续白光光源，其特征在于：所述底座（6）上设置有自由曲线固定孔（25）和自由曲线孔（5）。

9.根据权利要求5所述的紧凑型全光纤超连续白光光源，其特征在于：所述底座（6）上还设置有激光器上盖（1）；所述底座（6）上还设置有第一V形槽（24），单模光纤（23）通过所述第一V形槽（24）的引导进入所述磁带式光纤盘绕槽中。