基于高功率多模激光器和超多芯高非线性光纤的超连续谱光源

摘要

一种基于高功率多模激光器和超多芯高非线性光纤的超连续谱光源，包括高功率多模激光器和超多芯高非线性光纤。通过耦合技术将高功率多模激光引入超多芯高非线性光纤，并生成超连续谱激光。该发明打破了多模激光难于作为泵浦光源直接产生超连续谱的现状，可以实现大功率、宽波段的超连续谱激光。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，具体指一种基于高功率多模激光器和超多芯高非线性光纤的超连续谱光源。

背景技术

超连续谱光源是指一种波长覆盖范围极宽的高亮度宽带光源。通常采用高亮度的单模激光泵浦高非线性光纤来产生。之所以采用高亮度的单模激光泵浦源，是由于高非线性光纤通常为小芯径的，其紧凑的模场更易实现高非线性。只有单模激光泵浦源，才可能被顺利耦合到小芯径的高非线性光纤中。

然而，许多应用场景需要高功率或大能量的超连续谱激光，必须采用高功率或大能量的激光来泵浦。例如在远程高光谱雷达探测等领域，不同工作波段的高功率超连续谱光源可以用于探测不同的生物物种，大大促进了生物多样性遥感探测技术的发展。多模激光的功率和能量远大于单模激光，常被用作上述场景的泵浦源。但由于多模激光的光束质量差，因此很难被高效率地耦合到小芯径高非线性光纤中。

公开号为“CN 202995205 U”的中国实用新型专利提出采用多芯光纤来产生高功率超连续谱，其出发点主要是通过多芯结构来提高光纤的损伤阈值，但并未解决高功率多模激光器泵浦生成超连续谱激光的技术难题。

发明内容

本发明提供了一种基于高功率多模激光器和超多芯高非线性光纤的超连续谱光源，为远程高光谱雷达探测等领域提供了新型光源。

纤芯区域直径与泵浦激光光束横截面存在如下关系即可保证耦合效率，如公式(1)所示：

NA

上式中NA

输出光束的数值孔径一般定义为公式(2)：

NA＝sinθ (2)

上式中θ表示光束的发散半角。

而输出光束的发散半角又可表示为公式(3)：

上式中M

当高功率多模激光器的中心波长为1064纳米，超多芯高非线性光纤的等效纤芯直径为100微米、NA为0.3时，可由上述公式(1)、(2)、(3)推出泵浦源的光束质量为45。换言之，针对于光束质量如此之差的高功率多模激光器，仍可通过增加超多芯光子晶体光纤的等效纤芯直径来生成超连续谱激光。

本发明采用多模激光器作为泵浦源，其功率和能量远大于单模激光器。超多芯的光纤结构用于增加光子晶体光纤的等效直径，使其与高功率多模激光的大模场相适配。本发明主要利用超多芯光纤对泵浦激光光束质量的高度包容性，直接通过高功率多模激光器，生成了高亮度、大功率、宽波段的超连续谱激光。

本发明的基于高功率多模激光器和超多芯高非线性光纤的超连续谱光源包括：高功率多模激光器和超多芯高非线性光纤，通过耦合技术将高功率多模激光器的输出光引入超多芯高非线性光纤生成超连续谱激光。

优选地，所述高功率多模泵浦激光器是连续的或脉冲的。

进一步地，所述高功率多模泵浦激光器是光纤激光器、固体激光器、或半导体激光器中的任意一种。

更进一步地，所述高功率多模泵浦激光器可以是保偏的或非保偏的。

更进一步地，所述高功率多模泵浦激光器的M平方因子大于等于2，且光束质量为非单横模。

更进一步地，所述高功率多模激光器的平均输出功率为百瓦级至万瓦级。

优选地，所述超多芯高非线性光纤的纤芯数目大于等于30。

进一步地，所述超多芯高非线性光纤是空气孔多芯光子晶体光纤结构，或全固态型多芯光纤结构。

更进一步地，所述超多芯高非线性光纤的纤芯区域直径大于等于30微米。

更进一步地，所述超多芯高非线性光纤的多数单芯的数值孔径与高功率多模激光器的数值孔径相比，不大于其300％。

更进一步地，所述超多芯高非线性光纤的各个纤芯直径约为3～6微米。

更进一步地，所述超多芯高非线性光纤的填充率为0.5～0.8。

更进一步地，所述超多芯高非线性光纤径向结构可调整，通过改变纤芯和包层的折射率使多芯高非线性光纤的零色散点与泵浦激光的波长相匹配。

更进一步地，所述超多芯高非线性光纤纵向均匀性可调整，为均匀的或非均匀的。

更进一步地，所述超多芯高非线性光纤的基底材料根据不同的超连续谱工作波段进行选择，为石英(工作于可见光和近红外波段)，碲化物、氟化物(工作于中红外波段)，硫化物(工作于远红外波段)中的任意一种。

更进一步地，所述超多芯高非线性光纤的使用长度为米级至千米级。

优选地，所述高功率多模激光器与超多芯高非线性光纤的耦合方式为熔接或其它空间耦合形式。

优选地，所述基于高功率多模激光器和超多芯高非线性光纤的超连续谱光源的光斑为非单横模，其远场处的光强分布为平顶型或类高斯型。

本发明具有以下技术特点和优势：

1、泵浦激光器为高功率多模激光器。

2、超多芯高非线性光纤的高度包容性使其与光束质量大于等于2的高功率多模激光相适配。

3、超连续谱光源的输出激光为多模。

4、超连续谱光源的输出激光功率和能量远高于现有技术，当千瓦级连续激光泵浦超多芯高非线性光纤时，其产生的超连续谱激光功率至少为百瓦量级。

5、结构紧凑、搭建简易。

附图说明

图1为本发明提出的基于高功率多模激光器和超多芯高非线性光纤的超连续谱光源结构示意图。

图中:1-高功率多模激光器；2-超多芯高非线性光纤。

图2为超多芯全固态型光纤端面示意图。

图中：3-超多芯全固态型光纤的纤芯。

图3为超多芯空气孔型光子晶体光纤端面示意图。

图中：4-超多芯空气孔型光子晶体光纤的纤芯；5-超多芯空气孔型光子晶体光纤的包层空气孔。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为基于高功率多模激光器和超多芯高非线性光纤的超连续谱光源的结构示意图。本发明提出的基于高功率多模激光器和超多芯高非线性光纤的超连续谱光源包括高功率多模激光器1和超多芯高非线性光纤2。通过耦合技术将高功率多模激光器输出光引入超多芯高非线性光纤生成超连续谱。所述超多芯高非线性光纤为超多芯全固态型光纤，其端面如图2所示，图中3为其纤芯；或为超多芯空气孔型光子晶体光纤，其端面如图3所示，图中4为其纤芯，5为其包层空气孔。

在本发明的一种具体实施例中，高功率多模激光器1采用的是平均输出功率达千瓦级的连续光光纤激光器，中心波长位于1.08微米处，其输出尾纤类型为纤芯30微米-内包层600微米-外包层750微米的多模双包层光纤，且光束最后以光纤激光光缆形式输出。最后将泵浦激光器的输出光束直射打入超多芯高非线性光纤2中生成超连续谱激光。

本实例中使用的超多芯高非线性光纤2为三十七芯光子晶体光纤，其基底材料为石英，各纤芯4的直径约为3～6微米，填充率为0.5～0.8。本实例中使用的三十七芯光子晶体光纤零色散点位于1微米附近，且光纤纵向为均匀的，长度约为百米。

在本发明的另一种具体实施例中，高功率多模激光器1中心波长位于980纳米处，其输出尾纤类型为纤芯300微米，数值孔径为0.22，平均输出功率达千瓦级的连续光半导体激光器，最后以光纤激光光缆形式输出。该泵浦源直射打入超多芯高非线性光纤2，该光纤为一百二十七芯光子晶体光纤，其基底材料为石英，各纤芯的直径约为3～6微米，填充率为0.5～0.8，其零色散点位于1微米附近，且光纤纵向均匀，长度约为百米。

本发明实施例千瓦级连续激光泵浦超多芯高非线性光纤，其产生的超连续谱激光功率至少为百瓦量级。