小芯径集束型高非线性光子晶体光纤的高功率频率变换器

摘要

本发明公开了一种小芯径集束型高非线性光子晶体光纤的高功率频率变换器，属于激光领域中高功率超连续激光技术。该装置包括单台高功率脉冲激光器，非球面准直扩束器或微透镜列阵，小芯径集束型高非线性光子晶体光纤，非球面聚焦透镜或微透镜列阵和大模场光子晶体光纤构成。或该装置包括单台高功率脉冲激光器，非球面准直扩束器或微透镜列阵，小芯径集束型高非线性光子晶体光纤和大模场光子晶体光纤构成。本发明的优点在于，该频率变换器具有几十瓦以上的超连续激光输出的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种小芯径集束型高非线性光子晶体光纤的高功率频率变换器，属于激光领域中高功率超连续激光光源技术。

背景技术

超连续激光源(白光激光器)是一种光谱分布很宽激光光源，由此产生的光谱分辨技术在光通信、生命科学、军事等领域得到了广泛的应用。超连续激光源的核心是频率变换，即将超短脉冲通过非线性介质实现光谱的展宽。用于超连续激光源频率变换的材料主要有三种：液体溶剂、块状介质和光纤[1]。前者由于液体材料在实用中的不方便已经逐渐淡出人们的视野；块状介质(白宝石、玻璃等)的作用长度短，转换效率较低，热效应影响大，一般仅仅作为OPO或时间分辨中的参考光源；光纤又分为两类，一种是普通的色散位移光纤，另一类是光子晶体光纤，由于后者比前者具有更高的高非线性(约2μm小芯径)所以转换效率较高，光谱展宽大且平坦，以及零色散点设计方便，由此成为目前超连续白光源的研究热点[2-4]。

然而采用单小芯径的光子晶体光纤进行频率变换存在明显的缺点，就是光纤的小芯径(小面积)不能承受较高的入射激光功率，因此使超连续激光源的输出功率较低。这样就导致了一对矛盾，即频率变换需要高非线性，即光纤的小芯径，而承受高入射功率(即高输出功率)则需要大的光纤芯径。

参考文献

[1]R.R.Alfano编辑，“超连续激光源”，Springer-Verlag出版社，1989年版。

[2]M.Yamashita，H.Shigekawa，R.Morita编辑“单周期光子学与光学扫描隧道显微技术”，Springer-Verlag出版社，2005年版。

[3]胡明列，王清月，栗岩锋，王专，张志刚，柴路，章若冰，“飞秒激光在光子晶体光纤中产生超连续光谱机制的实验研究”，《物理学报》，第53卷，第12期(2004)，页：4243-4247。

[4]G.Genty，S.Coen，J.M.Dudley，“光纤超连续源(特邀)”，美国光学学会杂志B，2007年，第24卷，第1771-1785页。

发明内容

本发明旨在提出一种小芯径集束型高非线性光子晶体光纤的高功率频率变换器。该高功率频率变换器具有几十瓦以上的超连续激光输出的能力。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种小芯径集束型高非线性光子晶体光纤的高功率频率变换器，其特征在于，该装置包括单台高功率大模场光子晶体光纤锁模激光器或单台高功率固体脉冲激光器或单台高功率半导体脉冲激光器1，非球面准直扩束器或微透镜列阵I2，小芯径集束型高非线性光子晶体光纤3，非球面聚焦透镜或微透镜列阵II4和大模场光子晶体光纤5构成，装置中各部件的连接关系为，激光器输出的激光通过非球面准直扩束器或微透镜列阵I，经扩束准直整形或微透镜列阵后耦合进入小芯径集束型高非线性光子晶体光纤，则在各个小芯径中同时进行频率变换，产生多束超连续激光，再经过非球面聚焦透镜或微透镜列阵II将多束超连续激光耦合进大模场光子晶体光纤，并束成为高功率的超连续激光输出。

本发明的技术方案之二是，一种小芯径集束型高非线性光子晶体光纤的高功率频率变换器，其特征在于，该装置包括单台高功率大模场光子晶体光纤锁模激光器或单台高功率固体脉冲激光器或单台半导体脉冲激光器1，非球面准直扩束器或微透镜列阵I2，小芯径集束型高非线性光子晶体光纤3和大模场光子晶体光纤5构成，装置中各部件的连接关系为，激光器输出的激光通过非球面准直扩束器或微透镜列阵I2，经扩束准直整形或微透镜列阵后耦合进入小芯径集束型高非线性光子晶体光纤，则在各个小芯径光纤中同时进行频率变换，产生多束超连续激光，若选择的大模场光子晶体光纤的模面积与小芯径集束型光子晶体光纤的有效模场面积相当，小芯径集束型光子晶体光纤与大模场光子晶体光纤用塌陷熔接直接耦合，多束超连续激光并束成为高功率的超连续激光输出。

上述的高功率大模场光子晶体光纤锁模激光器由振荡级和放大级及振荡级和放大级之间的偏振法拉第隔离器构成，振荡级包括大模场的掺镱离子或掺铒离子的双包覆光子晶体增益光纤、半导体可饱和吸收镜和偏振旋转(NPE)混合锁模器、振荡级光栅对或大负色散光纤色散补偿器构成，其中，光子晶体增益光纤的芯径为10-50微米，数值孔径(NA)为0.02-0.06，外包层直径200-400微米，数值孔径(NA)为0.4-0.8，长度为1-10m；包层泵浦为5-30W的高功率激光二极管，放大级包括大模场的掺镱离子或掺铒离子的双包覆光子晶体增益光纤、放大级光栅对或大负色散光纤色散补偿器构成，其中，光子晶体增益光纤的芯径为20-70微米，数值孔径(NA)为0.02-0.06，外包层直径200-400微米，数值孔径(NA)为0.4-0.8，长度为1-10m，包层泵浦为20-100W高功率激光二极管。

上述的非球面准直扩束器是伽利略望远镜系统，扩束比是相对于小芯径集束型光子晶体光纤有效模场直径的1∶2-10，或者焦距为毫米量级的为微透镜列阵。

上述的小芯径集束型高非线性光子晶体光纤，该光纤的有效模场由多个芯径为1-2微米的光纤集束构成，每个小纤芯周围有小空气孔构成包层，其中：小空气孔的直径为D₁，0＜D₁＜纤芯直径；相邻的两个小空气孔的中心距为Λ₁，取值满足D₁/Λ₁＝0.3-0.8；集束小芯外围为多层大空气孔包层结构，其中：大空气孔的直径为D₂，纤芯直径＜D₂＜Λ₂；相邻的两个大空气孔的中心距为Λ₂，取值满足D₂/Λ₂＝0.8-0.95。

上述的非球面会聚透镜为焦距为5-20mm的显微物镜，或者焦距为毫米量级的微透镜列阵。

上述的大模面积光子晶体光纤为芯径为30-100微米的光子晶体光纤。

本发明的优点在于：(1)采用小芯径集束型光子晶体光纤作为频率变换器件提高了光纤的非线性系数，因此使用的光纤长度可以减小。(2)这种由多个小芯径集成的新型高非线性光子晶体光纤在保持(提高)了原有高非线性的同时，又具有了较大的有效模场面积，因此这种光子晶体光纤能够承受较大的泵浦能量，即可用于高功率频率变换激光产生。(3)采用微光学非球面透镜列阵进行并束耦合效率高。(4)采用与多小芯径集束型高非线性光子晶体光纤有效模场面积相匹配的大模场光子晶体光纤进行直接塌陷熔接耦合更简便易行。(5)将这种多小芯径集束型高非线性光子晶体光纤与高功率光子晶体光纤锁模激光器结合，能够构成了小型化、高功率的频率变换器。

附图说明

图1为本发明的小芯径集束型高非线性光子晶体光纤的高功率频率变换器的结构框图。

图中：1为高功率脉冲激光器；2为非球面准直扩束器或微透镜列阵I；3为小芯径集束型高非线性光子晶体光纤；4为非球面聚焦透镜或微透镜列阵II；5为大模场光子晶体光纤。

图2为图1中小芯径集束型高非线性光子晶体光纤3的结构示意图。

图中：3-1为小芯径纤芯；3-2为小纤芯周围内的小空气孔包层；3-3为集束小纤芯周围的大空气孔内包层；3-4为光纤外包层。

图3为图1中高功率脉冲激光器采用的高功率大模场光子晶体光纤锁激光器的结构示意图。

图中：1-1为振荡级泵浦源；1-2为振荡级大模场光子晶体增益光纤；1-3为半导体可饱和吸收镜和偏振旋转(NPE)混合锁模器；1-4为振荡级光栅对或大负色散光纤色散补偿器；1-5为偏振法拉第隔离器；1-6为放大级大模场光子晶体增益光纤；1-7为放大级光栅对或大负色散光纤色散补偿器；1-8为放大级级泵浦源。

具体实施方式

本发明的小芯径集束型高非线性光子晶体光纤的高功率频率变换器如附图1所示，具体实施例如下：

高功率脉冲激光器采用图3所示的高功率大模场光子晶体光纤锁激光器，其中的振荡级的增益介质采用掺Yb的大模场双包覆保偏光子晶体光纤1-2，芯径25微米，NA为0.03，外包层直径250微米，NA为0.5，长度为3.5m，两端经过塌陷和打磨出斜角直接进行包层泵浦，或焊接10cm的SMF，由WDM方式泵浦；振荡级采用10W的LD进行单面或双面包层泵浦形式，谐振腔的一端采取半导体可饱和吸收镜和偏振旋转混合器锁模1-3以及作为输出端口，在谐振腔的另一端采用光栅对或大负色散光纤色散补偿器1-4进行色散补偿和脉冲压缩；放大级的增益介质采用掺Yb的大模场双包覆保偏光子晶体光纤1-6，芯径40微米，NA为0.03，外包层直径270微米，NA为0.6，长度为1.5m，两端经过塌陷和打磨出斜角直接进行包层泵浦，或焊接上适当长度的SMF，由WDM方式泵浦；采用高功率30W的LD进行单面或双面包层泵浦形式，在该谐振腔的输入端放置偏振法拉第隔离器1-5以防止激光返回振荡级，在谐振腔的输出端采用光栅对或大负色散光纤色散补偿器1-7进行色散补偿和脉冲压缩；高功率脉冲激光器也可以是任何其他高功率脉冲激光器。非球面准直扩束器选用非球面透镜构成扩束比为1∶2-10的伽利略望远镜系统；或者采用微透镜列阵将高功率脉冲激光器的输出直接聚焦进小芯径集束型高非线性光子晶体光纤的每个纤芯中。小芯径集束型高非线性光子晶体光纤如图2所示。它是由7个(或以上)芯径为2微米的小纤芯汇集而成，在每个小芯周围包围一层小空气孔，相邻的两个小空气孔孔中心距为Λ₁，小空气孔的直径为D₁；在整个集束小芯周围再包围多层大空气孔，相邻的两个大空气孔孔中心距为Λ₂，大空气孔的直径为D₂；通过调节周围空气孔的间隔和直径就可以调整零色散点的位置，以适应不同波段激光器的需要；如：具体数据1：对于石英材料，零色散在800nm波段，7芯集束，可取：内包层空气孔参数：Λ₁＝2.0μm，D₁＝1.6μm，外包层空气孔参数：Λ₂＝4.5μm，D₂＝3.90μm，构成有效模面积为：58.22μm²；具体数据2：对于石英材料，零色散在1550nm波段，7芯集束，可取：内包层空气孔参数：Λ₁＝2.0μm，D₁＝1.32μm，外包层空气孔参数：Λ₂＝4.5μm，D₂＝3.90μm，构成有效模面积为：33.41μm²；上述光纤长度可取1-10m。非球面聚焦透镜或微透镜列阵II4为焦距为10-20mm的非球面透镜构成的显微物镜，或者采用小芯径集束型高非线性光子晶体光纤3的纤芯对应微透镜列阵。大模场光子晶体光纤5，其模面积与多小芯径集束型高非线性光子晶体光纤的大有效模场面积相当，长度为0.5-1m。

本发明的技术方案之二，所采用的高功率脉冲激光器1、非球面准直扩束器或微透镜列阵I2、小芯径集束型高非线性光子晶体光纤3和大模场光子晶体光纤5，均与上述技术方案之一相同，不同的是，当选择的大模场光子晶体光纤的模面积与小芯径集束型光子晶体光纤的有效模场面积相当时，采用塌陷熔接技术将小芯径集束型高非线性光子晶体光纤3和大模场光子晶体光纤5直接耦合，不在需要通过非球面聚焦透镜或微透镜列阵II4将二者进行耦合。