一种高亮度超宽带中红外超连续谱光源制造技术

一种高亮度超宽带中红外超连续谱光源，沿光路方向依次有飞秒光学参量放大器（OPA）、空间耦合装置、硒化物光纤；飞秒OPA包括飞秒锁模Yb激光器、连续可调谐半导体激光器、1/2波片、双色分束镜、消色差双胶合透镜、温控装置、周期极化铌酸锂晶体、红外透镜、长波通锗滤光片；空间耦合装置包括两片红外透镜和三维调整架；硒化物光纤设于两片红外透镜之间的三维调整架之上，三维调整架用于固定光纤。本发明专利技术可获得平均功率大于20mW、光谱范围覆盖2-12μm、光谱平坦度好的中红外超连续谱输出，亮度比同步辐射中红外光源高2个数量级以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种中红外光源，特别是一种高亮度超宽带中红外超连续谱光源，属于激光光电子

技术介绍
中红外（MIR）超连续谱(SC)光源因具有光谱宽、空间相干性好、亮度高等优点，所以其在分子光谱学、生物医学成像、光学测量、宽带激光雷达等领域都有着极重要的应用。目前常见的宽带中红外光源主要包括热棒、同步辐射光源、和新型量子级联激光器(QCL)。其中，同步辐射光源在1-10μm可产生1016-17photons/s/mm2/sr/cm-1的亮度，比热棒高2-3个数量级。高信噪比和高空间分辨率的MIR光谱检测仅能使用亮度较高的同步辐射光源，严重限制了普通实验环境下中红外光谱技术的应用。QCL的发展极大提高了MIR波段光源的亮度，典型的QCL可以产生4x1023photons/s/mm2/sr/cm-1的亮度，比同步辐射光源高5个数量级以上。然而，单个QCL的波长调谐范围较小，为了覆盖较宽的光谱范围，需将多个QCL进行组合，导致光源非常复杂且成本极高。相比而言，MIRSC光源可提供无间断宽带光谱覆盖，亮度通常比同步辐射光源高2个数量级以上。因此，高亮度宽带MIRSC光源的产生成为近年来红外光学和非线性光学领域的研究热点。以短脉冲激光和非线性中红外光纤分别作为抽运源和非线性介质，是产生MIRSC的重要途径。目前，用于产生MIRSC的非线性光纤主要有碲酸盐玻璃光纤、氟化物玻璃光纤和硫系玻璃光纤。由于材料的本征多声子吸收，碲酸盐玻璃光纤和氟化物玻璃光纤的红外截止波长较短，它们仅能分别用于产生小于5μm和小于6μm的MIRSC。硫系玻璃（包括硫化物、硒化物和碲化物玻璃）光纤在长波中红外具有更好的透光性，并且硫系玻璃在非晶材料中具有最高的非线性，非常适合用于产生宽带MIRSC。2011年，美国海军实验室用2.5μm超快激光泵浦阶跃折射率单模As2S3光纤产生了1.5~5μm超连续谱。2012年美国斯坦福大学等单位用Er掺杂锁模光纤激光器泵浦锥形As2S3硫系光纤产生了2.2~5μm超连续谱。2014年，澳大利亚国立大学等单位用光学参量放大器产生的4μm飞秒脉冲泵浦硫系波导获得了2~8μm超连续谱，2015年，江苏师范大学等单位用光学参量放大器产生的4.1μm飞秒脉冲泵浦硫系光纤获得了2~10μm超连续谱，平均功率约3mW，是获得的亮度最高的覆盖2~10μm的MIRSC。在实际应用中，通常期望MIRSC光源能够覆盖2-12μm，且平均功率能够达到20mW以上。然而，目前尚未见能够达到此性能的MIRSC光源的报道。
技术实现思路
针对现有技术难以获得覆盖2-12μm、平均功率大于20mW的中红外超连续谱光源的问题，本专利技术提供了一种高亮度超宽带中红外超连续谱光源。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种高亮度超宽带中红外超连续谱光源，沿光路方向依次有飞秒OPA、空间耦合装置、阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤；飞秒OPA包括飞秒锁模Yb激光器、连续可调谐半导体激光器、1/2波片、双色分束镜、消色差双胶合透镜、温控装置、PPLN晶体、红外透镜、长波通锗滤光片；空间耦合装置包括两片红外透镜和三维调整架；阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤设于两片红外透镜之间的三维调整架之上，三维调整架用于固定光纤；飞秒锁模Yb激光器和连续可调谐半导体激光器分别为OPA的抽运源和种子源，利用1/2波片将抽运源和种子源的输出光束的偏振方向旋转到与光轴平行，然后通过双色分束镜进行合束，合束后的光束由消色差双胶合透镜耦合进入PPLN晶体，焦点位于晶体中心；经PPLN晶体后得到的光束由红外透镜收集，非线性转换剩余的近红外抽运光和信号光用长波通锗滤光片去除；光束通过红外透镜耦合进入阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤的输入端对光纤进行抽运，在阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤的输出端用红外透镜收集产生的中红外超连续谱输出。作为优选，上述红外透镜材质为ZnSe或硫系玻璃。作为优选，阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤的纤芯材料为Ge-Sb-Se玻璃，包层材料为Ge-Se玻璃，光纤的数值孔径不小于0.9，光纤纤芯的直径为5~10μm，光纤包层的直径为200~400μm。作为优选，飞秒锁模Yb激光器为重复频率不小于20MHz、中心波长为1040nm的飞秒锁模Yb激光器。作为优选，连续可调谐半导体激光器为调谐范围为1344-1432nm的连续可调谐半导体激光器。作为优选，飞秒OPA为重复频率不小于20MHz、中心波长为3.8-4.6μm的飞秒OPA。作为优选，PPLN晶体（6）外设有温控装置(7)，可控制PPLN晶体（6）的工作温度。本专利技术具有以下特点和有益效果：（1）采用飞秒锁模Yb激光器和连续可调谐半导体激光器分别作为飞秒OPA的抽运源和种子源，以PPLN作为OPA的非线性介质，可获得波长在3.8-4.6μm的飞秒脉冲激光输出。由于用于产生中红外超连续谱的阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤的零色散波长在此波段范围，因此可实现在该光纤的低反常色散区对光纤进行抽运，从而获得平坦度好的超宽带中红外超连续谱输出。（2）阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤在2-12μm波段的透光性能优异，且激光损伤阈值较高，利于产生高亮度（或高平均功率）的超宽带中红外超连续谱。（3）阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤的数值孔径可调节至0.9以上，利于光纤色散的调节，从而使光纤的低反常色散区与可获得的抽运光源波长相匹配。与现有技术相比，本专利技术可获得平均功率大于20mW、光谱范围覆盖2-12μm、光谱平坦度好的超连续谱输出，亮度比同步辐射中红外光源高2个数量级以上，可用于分子光谱学、生物医学成像、光学测量等领域。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图中：1、飞秒锁模Yb激光器，2、连续可调谐半导体激光器，3、1/2玻片，4、双色分束镜，5、消色差双胶合透镜，6、周期极化铌酸锂晶体，7、温控装置，8、10、13、红外透镜，9、长波通锗滤光片，11、阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤，12、三维调整架。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施方式作优选说明，它仅用于说明本专利技术的一些具体的实施方式，而本专利技术的保护范围不仅限于这些实施方式。本专利技术沿光路方向依次有飞秒OPA、空间耦合装置、阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤11；其中，飞秒OPA包括飞秒锁模Yb激光器1、连续可调谐半导体激光器2、1/2波片3、双色分束镜4、消色差双胶合透镜5、温控装置7、PPLN晶体6、红外透镜8、长波通锗滤光片9；空间耦合装置包括两片红外透镜10、13和三维调整架12；硒化物光纤11设于两片红外透镜10、13之间的三维调整架12之上；飞秒锁模Yb激光器1和连续可调谐半导体激光器2分别为OPA的抽运源和种子源，利用1/2波片3将抽运本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高亮度超宽带中红外超连续谱光源，其特征在于：沿光路方向依次有飞秒光学参量放大器（OPA）、空间耦合装置、阶跃折射率Ge‑Sb‑Se/Ge‑Se硒化物光纤（11）；其中，飞秒OPA包括飞秒锁模Yb激光器（1）、连续可调谐半导体激光器（2）、1/2波片（3）、双色分束镜（4）、消色差双胶合透镜（5）、温控装置（7）、周期极化铌酸锂（PPLN）晶体（6）、红外透镜（8）、长波通锗滤光片（9）；空间耦合装置包括两片红外透镜（10，13）和三维调整架（12）；硒化物光纤（11）设于两片红外透镜（10，13）之间的三维调整架（12）之上；飞秒锁模Yb激光器（1）和连续可调谐半导体激光器（2）分别为OPA的抽运源和种子源，利用1/2波片（3）将抽运源和种子源的输出光束的偏振方向旋转到与光轴平行，然后通过双色分束镜（4）进行合束，合束后的光束由消色差双胶合透镜（5）耦合进入PPLN晶体（6），焦点位于晶体中心；经PPLN晶体（6）后得到的光束由红外透镜（8）收集，非线性转换剩余的近红外抽运光和信号光用长波通锗滤光片（9）去除；光束通过红外透镜（10）耦合进入阶跃折射率Ge‑Sb‑Se/Ge‑Se硒化物光纤（11）的输入端对光纤进行抽运，在阶跃折射率Ge‑Sb‑Se/Ge‑Se硒化物光纤（11）的输出端用红外透镜（13）收集产生的中红外超连续谱输出。...

【技术特征摘要】
1.一种高亮度超宽带中红外超连续谱光源，其特征在于：沿光路方向依次有飞秒光学参量放大器（OPA）、空间耦合装置、阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤（11）；其中，飞秒OPA包括飞秒锁模Yb激光器（1）、连续可调谐半导体激光器（2）、1/2波片（3）、双色分束镜（4）、消色差双胶合透镜（5）、温控装置（7）、周期极化铌酸锂（PPLN）晶体（6）、红外透镜（8）、长波通锗滤光片（9）；空间耦合装置包括两片红外透镜（10，13）和三维调整架（12）；硒化物光纤（11）设于两片红外透镜（10，13）之间的三维调整架（12）之上；飞秒锁模Yb激光器（1）和连续可调谐半导体激光器（2）分别为OPA的抽运源和种子源，利用1/2波片（3）将抽运源和种子源的输出光束的偏振方向旋转到与光轴平行，然后通过双色分束镜（4）进行合束，合束后的光束由消色差双胶合透镜（5）耦合进入PPLN晶体（6），焦点位于晶体中心；经PPLN晶体（6）后得到的光束由红外透镜（8）收集，非线性转换剩余的近红外抽运光和信号光用长波通锗滤光片（9）去除；光束通过红外透镜（10）耦合进入阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤（11）的输入端对光纤进行抽运，在阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，杨志勇，李雷，翟诚诚，祁思胜，任和，杨安平，唐定远，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32