一种高亮度超宽带中红外超连续谱光源

摘要

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。

说明书

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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10^16-17photons/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。

发明内容

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，本发明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，本发明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。

本发明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，本发明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为本发明的结构示意图。

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

下面结合附图对本发明的实施方式作优选说明，它仅用于说明本发明的一些具体的实施方式，而本发明的保护范围不仅限于这些实施方式。本发明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。红外透镜8、10、13材质为ZnSe或硫系玻璃。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。飞秒锁模Yb激光器1为重复频率不小于20MHz、中心波长为1040nm的飞秒锁模Yb激光器1。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。连续可调谐半导体激光器2为调谐范围为1344-1432nm的连续可调谐半导体激光器2。PPLN晶体6外设有温控装置。

具体过程如下：首先根据阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤11的参数计算群速色散，确定光纤零色散波长；根据光纤的零色散波长，通过选择合适的种子源波长设定OPA的输出波长，使其位于光纤的低反常色散区；设置好种子源波长后，利用1/2波片3将抽运源1和种子源2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PPLN晶体6中心。经PPLN晶体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，在光纤的输出端用终端红外透镜13收集产生的中红外超连续谱输出。PPLN晶体6外部设有温控装置7，可控制PPLN晶体的工作温度；红外透镜8、10、13的材质为ZnSe或硫系玻璃；阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤11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，光纤采用常规棒管法制备。

实施例1：平均功率为30mW、光谱范围为2-12μm、光谱平坦度为±13dB的MIRSC光源。

以芯径为10μm、包层直径为400μm、数值孔径为0.9、长度为14cm的阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤11作为产生MIRSC的非线性介质，以重复频率为30MHz、中心波长为4.586μm、脉冲宽度为330fs的OPA为抽运光源，当平均抽运功率为120mW时，获得了平均功率为30mW、光谱范围为2-12μm、光谱平坦度为±13dB的MIRSC光源。

具体方法是：首先根据阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤11的参数（纤芯和包层尺寸及折射率）计算光纤的群速色散，得到其零色散波长为4.5μm；然后根据光纤的零色散波长，通过设置种子源的中心波长为1344nm精确设定OPA的输出波长为4.586μm，该波长位于光纤的低反常色散区；设置好种子源的波长后，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晶体后得到的光束由硫系玻璃透镜8收集，非线性转换剩余的近红外抽运光和信号光用锗滤波片9去除；得到的波长为4.586μm的光束通过ZnSe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泵浦，在光纤的输出端用ZnSe透镜13收集产生的MIRSC输出。

实施例2：平均功率为25mW、光谱范围为2-12μm、光谱平坦度为±12dB的MIRSC光源

以芯径为7.5μm、包层直径为300μm、数值孔径为1.0、光纤长度为12cm的阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤11作为非线性介质，以重复频率为25MHz、中心波长为3.964μm、脉冲宽度为320fs的OPA为抽运光源，当平均泵浦功率为100mW时，获得了平均功率为25mW、光谱范围为2-12μm、光谱平坦度为±12dB的MIRSC光源。

具体方法是：首先根据阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤11的参数（纤芯和包层尺寸及折射率）计算光纤的群速色散，得到光纤零色散波长为3.9μm；然后根据光纤的零色散波长，通过设置种子源的中心波长为1410nm精确设定OPA的输出波长为3.964μm，该波长位于光纤的低反常色散区；设置好种子源的波长后，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晶体后得到的光束由ZnSe透镜8收集，非线性转换剩余的近红外抽运光和信号光用锗滤波片9去除；得到的波长为3.964μm的光束通过ZnSe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，在光纤的输出端用ZnSe透镜13收集产生的MIRSC输出。

实施例3：平均功率为21mW、光谱范围为2-12μm、光谱平坦度为±10dB的MIRSC光源

以芯径为5μm、包层直径为200μm、数值孔径为1.3、光纤长度为18cm的阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se硒化物光纤11作为非线性介质，以重复频率为21MHz、中心波长为3.8μm、脉冲宽度为350fs的OPA为抽运光源，当平均泵浦功率为85mW时，获得了平均功率为21mW、光谱范围为2-12μm、光谱平坦度为±10dB的MIRSC光源。

具体方法是：首先根据阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se光纤11的参数（纤芯和包层尺寸及折射率）计算光纤的群速色散，得到光纤零色散波长为3.7μm；然后根据光纤的零色散波长，通过设置种子源2的波长中心波长为1432nm精确设定OPA的输出波长为3.8μm，该波长位于光纤的低反常色散区；设置好种子源的波长后，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晶体后得到的光束由硫系玻璃透镜8收集，非线性转换剩余的近红外抽运光和信号光用锗滤波片9去除；得到的波长为3.8μm的光束通过硫系玻璃透镜10耦合进入阶跃折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se光纤11的输入端对光纤进行抽运，在光纤的输出端用硫系玻璃透镜13收集产生的MIRSC输出。