本发明专利技术公开了一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，目的是解决斜率效率低、功率低的问题。本发明专利技术由掺杂光纤、两个信号源、抽运源、光耦合组件、包层模式滤除器构成。掺杂光纤为掺杂有稀土离子的双包层软玻璃光纤；两个信号源均为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管；抽运源为连续波多模激光器或带尾纤的连续波多模激光二极管；光耦合组件由第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜、第一二色镜、第二二色镜、第一耦合透镜、第二耦合透镜组成。包层模式滤除器是剥除涂覆层和外包层，并涂以折射率匹配膏的一段掺杂光纤。本发明专利技术能量转换效率高、产热少，可输出高斜率效率、高功率中红外超连续谱。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开了一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，属于激光
技术介绍
实现高功率超连续谱光源的有效途径之一是基于光纤放大器的超连续谱光源。虽然基于石英基光纤放大器的可见光波段和近红外波段超连续谱光源技术已经较为成熟，但受限于石英材料在2.4μm以上波段强烈的吸收损耗，现有的基于石英基光纤放大器的超连续谱光源输出光谱的长波边难以超越2.6μm(参见W.Yang,B.Zhang,J.Hou,R.Xiao,Z.Jiang,Z.Liu.Mid-IRsupercontinuumgenerationinTm/Hocodopedfiberamplifier[J].LaserPhysicsLetters,2013,10(5):055107.(杨未强等，铥钬共掺光纤放大器中产生中红外超连续谱，激光物理快报，2013年，第10期第5卷))，因此中红外波段超连续谱光源的实现有赖于采用声子能量较低、在中红外波段吸收损耗较低的软玻璃光纤(如氟化物玻璃光纤、碲化物(包括亚碲酸盐)玻璃光纤、硫化物玻璃光纤)。目前软玻璃光纤中发展最为成熟的是ZBLAN光纤(ZBLAN，即ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF，氟化物光纤组分的一种)。另外，在实现基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源时，须采用在2-5μm波段存在辐射跃迁的稀土离子构成的掺杂光纤，如目前使用最广泛的是掺杂铒离子(Er3+)或钬离子(Ho3+)等的ZBLAN光纤，即Er3+:ZBLAN光纤和Ho3+:ZBLAN光纤。由于软玻璃光纤材料技术的相对不成熟，以及软玻璃光纤的机械性能差、熔点低、处理难度较大的缘故，目前仅有一篇基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源的公开报道，即在976nm激光二极管泵浦的Er3+：ZBLAN光纤放大器中对重复频率为2kHz、波长2.75μm、脉冲宽度400ps的信号光进行放大，产生2.6-4.1μm的中红外超连续谱(参见J.Gauthier,V.Fortin,S.Duval,etal.In-amplifiermid-infraredsupercontinuumgeneration[J].OpticsLetters,2015,40(22):5247-5250.(J.Gauthier等，光纤放大器中红外超连续谱产生，光学快报，2015年，第40期第22卷))。但其在输出的超连续谱的光谱最宽时的斜率效率仅为4.5％，虽然可以通过牺牲光谱宽度进一步提升斜率效率，但斜率效率最高也仅为7.5％，且功率可扩展性较差。在该报道中，较低的斜率效率，在限制超连续谱输出功率的提升的同时，给系统的热管理、稳定性和可靠性带来严重的问题。因此提升放大器的斜率效率，对于提升输出的超连续谱的功率、降低系统的热负载进而提升系统的稳定性和可靠性至关重要。上述报道中的基于软玻璃光纤放大器的超连续谱光源是通过基于单一波长种子光的光纤放大器实现的。需要指出的是，对于目前的基于软玻璃光纤放大器的超连续谱光源，其掺杂光纤中的稀土离子一般有三个可参与辐射跃迁的能级，且在三个能级之间存在两个级联的辐射跃迁，因而，在软玻璃掺杂光纤构成的放大器中仅对单一波长的信号光进行放大并产生超连续谱，一是会造成能量的浪费以及放大器输出的超连续谱斜率效率不高；二是浪费的能量绝大部分以多声子衰减的形式耗散，产生大量的热，对系统的热管理和稳定性造成严重威胁。上述两方面造成了目前基于软玻璃光纤放大器的超连续谱光源的输出功率较低。公开的技术资料已经从数值模拟和实验结果证明了，Er3+:ZBLAN光纤和Ho3+:ZBLAN光纤应用于级联激射激光器时斜率效率达60％的可行性。T.Sumiyoshi等人报道了在Ho3+:ZBLAN光纤中产生2.93μm和2.06μm连续波级联激光的实验，输出激光的斜率效率为52％(参见T.Sumiyoshi,H.Sekita.Dual-wavelengthcontinuous-wavecascadeoscillationat3and2μmwithaholmium-dopedfluoride-glassfiberlaser[J].OpticsLetters,1998,23(23):1837-1839.(TetsumiSumiyoshi等，3μm和2μm连续波级联双波长掺钬氟化物光纤激光器，光学快报，1998年，第23期第23卷))；后来该小组又将该实验的斜率效率提升至65％(参见T.Sumiyoshi,H.Sekita,T.Arai,etal.High-powercontinuous-wave3-and2-μmcascadeHo3+:ZBLANfiberlaseranditsmedicalapplications[J].IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,1999,5(4):936-943.(T.Sumiyoshi等，高功率连续波3μm和2μm级联双波长Ho3+:ZBLAN光纤激光器，高功率量子电子学选刊，1999年，第5期第4卷))；J.Li等人通过数值模拟，从理论上证明了，在Er3+:ZBLAN光纤和Ho3+:ZBLAN光纤构成的光纤激光器中，采用级联运转的方式，激光器的斜率效率均可达60％以上(参见J.Li,H.Luo,Y.Liu,etal.Modelingandoptimizationofcascadederbiumandholmiumdopedfluoridefiberlasers[J].SelectedTopicsinQuantumElectronics,IEEEJournal,2014,20(5):15-28.(李剑峰等，基于掺铒和掺钬氟化物光纤的级联激光器数值模拟和优化，2014年，第20期第5卷))。但目前仍没有公开的技术资料报道基于双波长信号光和软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源的斜率效率低、功率低的问题。本专利技术提出一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，在基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源中，分别选取两个信号源的工作波长与所掺杂的稀土离子的两个级联的辐射跃迁波长相同，分别对两个波长的信号光进行功率放大并产生中红外超连续谱，可以提高斜率效率、减少产热，实现高功率的中红外超连续谱输出。本专利技术的技术方案如下：一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，所述光源由掺杂光纤、第一信号源、第二信号源、抽运源、光耦合组件、包层模式滤除器构成。包层模式滤除器位于掺杂光纤中。所述的第一信号源、第二信号源和抽运源分别发射本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于所述光源由掺杂光纤(1)、第一信号源(2)、第二信号源(3)、抽运源(4)、光耦合组件(5)、包层模式滤除器(6)构成，包层模式滤除器(6)位于掺杂光纤(1)中；第一信号源(2)、第二信号源(3)和抽运源(4)分别发射第一信号光、第二信号光、抽运光，第一信号光、第二信号光、抽运光经光耦合组件(5)耦合进入掺杂光纤(1)中，经包层模式滤除器(6)输出超连续谱；掺杂光纤(1)为掺杂有稀土离子的双包层软玻璃光纤；掺杂光纤(1)掺杂的稀土离子要求在抽运波长下有三个可参与辐射跃迁的能级，能级由低到高分别为第一能级、第二能级、第三能级，并且第三能级与第二能级之间、第二能级与第一能级之间的跃迁均能够以辐射跃迁的形式实现；第三能级与第二能级之间的辐射跃迁对应的波长为第一波长λ1，第二能级与第一能级之间的辐射跃迁对应的波长为第二波长λ2，第一能级到第三能级的吸收跃迁波长为第三波长λ3，并满足1/λ1≥1/λ2+1/λ3；掺杂光纤(1)靠近抽运源(4)的一端为第一端，另一端为第二端；第一信号源(2)为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，工作波长即第一信号光与λ1相同，第一信号源(2)位于掺杂光纤(1)的一端，第一信号源(2)发射第一信号光，经光耦合组件(5)准直、聚焦，在掺杂光纤(1)中的纤芯中以全反射的形式传输并放大；第二信号源(3)为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，工作波长即第二信号光与λ2相同，第二信号源(3)与第一信号源(2)位于掺杂光纤(1)的同一端，第二信号源(3)发射第二信号光，经光耦合组件(5)准直、聚焦，在掺杂光纤(1)中的纤芯中以全反射的形式传输并放大；抽运源(4)为连续波多模激光器或带尾纤的连续波多模激光二极管，工作波长即抽运光与λ3相同；抽运源(4)位于掺杂光纤(1)靠近第一信号源(2)与第二信号源(3)所在的那一端或位于掺杂光纤(1)的另一端，抽运源(4)发射的抽运光，经光耦合组件(5)准直、聚焦，在掺杂光纤(1)中的内包层中以全反射的形式传输，并在经过掺杂光纤(1)纤芯时被吸收；光耦合组件(5)由第一准直透镜(51)、第二准直透镜(52)、第三准直透镜(53)、第一二色镜(54)、第二二色镜(55)、第一耦合透镜(56)、第二耦合透镜(57)组成；光耦合组件(5)接收第一信号光、第二信号光、抽运光的一端为输入端，出射第一信号光、第二信号光、抽运光的一端为输出端；第一信号源(2)、第二信号源(3)以及抽运源(4)均位于光耦合组件(5)的输入端，光耦合组件(5)的输出端与掺杂光纤(1)正对；第一准直透镜(51)正对第一信号源(2)的输出尾纤放置，并使第一信号源(2)的输出尾纤端面位于第一准直透镜(51)的焦点处；第二准直透镜(52)正对第二信号源(3)的输出尾纤放置，并使第二信号源(3)的输出尾纤端面位于第二准直透镜(52)的焦点处；第三准直透镜(53)正对抽运源(4)的输出尾纤放置，并使抽运源(4)的输出尾纤端面位于第三准直透镜(53)的焦点处；第一准直透镜(51)将第一信号源(2)输出的第一信号光准直；第二准直透镜(52)将第二信号源(3)输出的第二信号光准直；第三准直透镜(53)将抽运源(4)输出的抽运光准直；第一准直透镜(51)与第二准直透镜(52)相互垂直放置，经第一准直透镜(51)准直的第一信号光光束与经第二准直透镜(52)准直的第二信号光光束垂直；第一二色镜(54)在光路中与准直后的第一信号光光束和第二信号光光束光路均成45°角放置，第一二色镜(54)将准直后的第一信号光和第二信号光合并成一束光；第三准直透镜(53)与第二准直透镜(52)垂直放置，经第三准直透镜(53)准直的抽运光光束与经第一二色镜(54)合束的第一信号光和第二信号光光束垂直；第二二色镜(55)在光路中与准直后的抽运光光束和经第一二色镜(54)合束的第一信号光和第二信号光光束均成45°角放置，第二二色镜(55)将准直后的抽运光与经第一二色镜(54)合束之后的第一信号光和第二信号光合并成一束光；第一耦合透镜(56)正对第二准直透镜(52)，并与第二准直透镜(52)平行放置，并使掺杂光纤(1)靠近第一信号源(2)和第二信号源(3)一端的光纤端面位于第一耦合透镜(56)的焦点处；第一耦合透镜(56)将合束后的上述三个波长的光耦合进掺杂光纤(1)中；第二耦合透镜(57)正对掺杂光纤(1)远离第一信号源(2)和第二信号源(3)的一端，并使掺杂光纤(1)远离第一信号源(2)和第二信号源(3)一端的光纤端面位于第二耦合透镜(57)的焦点处；第二耦合透镜(57)将产生的超连续谱准直输出；包层模式滤除器(6)是在掺杂光纤(1)的第二端，将一段掺杂光纤(1)剥除涂覆层和...
【技术特征摘要】
1.一种高斜率效率、高功率的中红外超连续谱光源，其特征在于所述光源由掺杂光纤(1)、
第一信号源(2)、第二信号源(3)、抽运源(4)、光耦合组件(5)、包层模式滤除器(6)构
成，包层模式滤除器(6)位于掺杂光纤(1)中；第一信号源(2)、第二信号源(3)和抽运
源(4)分别发射第一信号光、第二信号光、抽运光，第一信号光、第二信号光、抽运光经光
耦合组件(5)耦合进入掺杂光纤(1)中，经包层模式滤除器(6)输出超连续谱；
掺杂光纤(1)为掺杂有稀土离子的双包层软玻璃光纤；掺杂光纤(1)掺杂的稀土离子
要求在抽运波长下有三个可参与辐射跃迁的能级，能级由低到高分别为第一能级、第二能级、
第三能级，并且第三能级与第二能级之间、第二能级与第一能级之间的跃迁均能够以辐射跃
迁的形式实现；第三能级与第二能级之间的辐射跃迁对应的波长为第一波长λ1，第二能级与
第一能级之间的辐射跃迁对应的波长为第二波长λ2，第一能级到第三能级的吸收跃迁波长为
第三波长λ3，并满足1/λ1≥1/λ2+1/λ3；掺杂光纤(1)靠近抽运源(4)的一端为第一端，
另一端为第二端；
第一信号源(2)为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，工作波
长即第一信号光与λ1相同，第一信号源(2)位于掺杂光纤(1)的一端，第一信号源(2)
发射第一信号光，经光耦合组件(5)准直、聚焦，在掺杂光纤(1)中的纤芯中以全反射的
形式传输并放大；
第二信号源(3)为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，工作波
长即第二信号光与λ2相同，第二信号源(3)与第一信号源(2)位于掺杂光纤(1)的同一
端，第二信号源(3)发射第二信号光，经光耦合组件(5)准直、聚焦，在掺杂光纤(1)中
的纤芯中以全反射的形式传输并放大；
抽运源(4)为连续波多模激光器或带尾纤的连续波多模激光二极管，工作波长即抽运光
与λ3相同；抽运源(4)位于掺杂光纤(1)靠近第一信号源(2)与第二信号源(3)所在的
那一端或位于掺杂光纤(1)的另一端，抽运源(4)发射的抽运光，经光耦合组件(5)准直、
聚焦，在掺杂光纤(1)中的内包层中以全反射的形式传输，并在经过掺杂光纤(1)纤芯时
被吸收；
光耦合组件(5)由第一准直透镜(51)、第二准直透镜(52)、第三准直透镜(53)、第
一二色镜(54)、第二二色镜(55)、第一耦合透镜(56)、第二耦合透镜(57)组成；光耦合
组件(5)接收第一信号光、第二信号光、抽运光的一端为输入端，出射第一信号光、第二信
号光、抽运光的一端为输出端；第一信号源(2)、第二信号源(3)以及抽运源(4)均位于
光耦合组件(5)的输入端，光耦合组件(5)的输出端与掺杂光纤(1)正对；第一准直透镜
\t(51)正对第一信号源(2)的输出尾纤放置，并使第一信号源(2)的输出尾纤端面位于第
一准直透镜(51)的焦点处；第二准直透镜(52)正对第二信号源(3)的输出尾纤放置，并
使第二信号源(3)的输出尾纤端面位于第二准直透镜(52)的焦点处；第三准直透镜(53)
正对抽运源(4)的输出尾纤放置，并使抽运源(4)的输出尾纤端面位于第三准直透镜(53)
的焦点处；第一准直透镜(51)将第一信号源(2)输出的第一信号光准直；第二准直透镜(52)
将第二信号源(3)输出的第二信号光准直；第三准直透镜(53)将抽运源(4)输出的抽运
光准直；第一准直透镜(51)与第二准直透镜(52)相互垂直放置，经第一准直透镜(51)
准直的第一信号光光束与经第二准直透镜(52)准直的第二信号光光束垂直；第一二色镜(54)
在光路中与准直后的第一信号光光束和第二信号光光束光路均成45°角放置，第一二色镜(54)
将准直后的第一信号光和第二信号光合并成一束光；第三准直透镜(53)与第二准直透镜(52)
垂直放置，经第三准直透镜(53)准直的抽运光光束与经第一二色镜(54)合束的第一信号
光和第二信号光光束垂直；第二二色镜(55)在光路中与准直后的抽运光光束和经第一二色
镜(54)合束的第一信号光和第二信号光光束均成45°角放置，第二二色镜(55)将准直后的
抽运光与经第一二色镜(5...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯静，杨林永，张斌，殷科，陈胜平，陈子伦，李志鸿，姚金妹，刘广琛，蔡振，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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