覆盖中红外波段的全光纤级联结构超连续谱产生系统

本发明属于中红外超连续谱光源领域，特别涉及到覆盖中红外波段的全光纤级联结构超连续谱产生方法。

背景技术：

1、高强度激光在非线性介质中传输，受到介质非线性和色散的共同作用，最终在频域上获得输出光谱的极大展宽，这种光学现象被称为介质中的超连续谱产生。超连续谱光纤波导产生的超连续谱激光具有谱密度高、亮度高、结构紧凑、稳定性好、空间相干性好等显著特征，在光谱学、国防安全、环境监测等相关领域有着广泛应用。目前，已有紫外、可见光、近红外、短波红外、中红外波段的超连续谱激光光源见诸报道，并逐步走向商品化。而在高功率中红外超连续谱激光研究方面，已经在实验上使用氟化物光纤(如inf3光纤或zblan光纤)产生了2-5μm波段、以及软玻璃光纤级联实现了2-10μm波段甚至更宽光谱的超连续谱。

2、目前，全光纤级联结构的超连续谱光源所需的高峰值功率脉冲种子光的产生结构不够简单，脉冲种子光的放大大多基于主振荡功率放大(mopa：main oscillatorpoweramplification)，但由于mopa技术虽然能将激光放大到很高平均功率的水平，但峰值功率并不能实现很高的水平。同种类型光纤，纤芯直径越小则会导致单位面积纤芯承受的能量密度越高，由此引入更高峰值功率带来的更高非线性效应，而高的非线性累积就会导致激光光谱严重畸变甚至脉冲分裂，往往会引入滤波器、光纤布拉格光栅等器件来限制非线性效应，导致结构上较为复杂却不能实现很理想的光放大。基于啁啾脉冲放大(cpa：chirppulse amplification)技术的光放大可实现较高峰值功率的脉冲输出，而采用cpa同样存在结构较为复杂的问题，难以实现全光纤结构的简单、易于集成等优点。

3、在软玻璃光纤级联结构中，大多采用氟化物光纤与硫系非线性光纤级联实现更宽的光谱，但由于随着波长往长波方向移动，所需光纤纤芯直径往往更大。氟化物光纤与硫系玻璃光纤的光纤直径相差较大，因此损耗较高，导致后续级联的非线性效应减弱，从而超连续谱的频谱展宽受限、光源功率降低。

4、本发明发现啁啾脉冲放大技术可以通过全光纤结构直接熔接进入软玻璃级联结构。啁啾脉冲放大技术可以实现对脉冲种子光峰值功率的放大，使高非线性光纤中非线性效应更加明显，可产生频谱更宽、平坦度更好的超连续谱。通过控制啁啾脉冲放大结构中的光纤参数，可实现对脉冲种子光的调控，具有脉冲种子光峰值功率高、整体结构紧凑简单、易于调控、与目前级联结构的超连续谱光源具有较高的兼容度等优势。传统上，“负色散(β2<0)光纤展宽脉冲，正色散(β2>0)光纤压缩脉冲”的结构来实现啁啾脉冲放大，“先负后正”的cpa结构损失部分展宽啁啾却在光放大时引入了更多非线性效应积累，使得后续与高非线性光纤的损耗窗口以及零色散点难以对应调整。因此本发明考虑“先正后负”，即“正色散(β2>0)光纤展宽脉冲，负色散(β2<0)光纤压缩脉冲”，规避啁啾脉冲放大系统的非线性效应，从而可使后续非线性过程更易控制，两种方法采用合适方法进行对脉冲整形。

5、鉴于软玻璃级联结构中两级软玻璃光纤的直径差异以及零色散点的差异，以及综合考虑频谱在往长波方向移动时所需更粗的纤芯以及色散情况。本发明使用的渐变直径光纤作为第二级的高非线性光纤，可以降低熔接损耗。同时，光谱在往长波移动时，更粗的纤芯可以保证光的传输。光纤零色散点随着光纤直径由细到粗的向长波方向移动，同时超连续谱的频谱也向长波移动，可产生更宽光谱的超连续谱，同时也可容纳更高的功率。

技术实现思路

1、本发明为解决目前现有技术中中红外超连续谱光源的不足，提出了一种覆盖中红外波段的全光纤级联结构超连续谱产生系统，旨在通过啁啾脉冲放大技术产生高峰值功率种子光，通过全光纤啁啾脉冲放大系统融入到全光纤级联结构的超连续谱光源，实现集成化全光纤结构的宽谱、高平坦度的超连续谱光源，其整体结构紧凑，光源光谱宽、平坦度高，功率高。

2、本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

3、本发明公开了一种覆盖中红外波段的全光纤级联结构超连续谱产生系统，包括种子光产生单元、啁啾脉冲放大单元、软玻璃光纤级联单元。所述种子光产生单元包括1.5μm脉冲激光器、铒镱共掺光纤放大器、单模光纤、滤波片和第一隔离器；所述啁啾脉冲放大单元包括脉冲展宽光纤、第二隔离器、790nm泵浦光源、波分复用器、大模场掺铥光纤、第三隔离器和脉冲压缩光纤；所述软玻璃光纤级联单元包括高非线性光纤和渐变直径高非线性光纤。

4、具体的：

5、在所述种子光产生单元：所述1.5μm脉冲激光器发射1.5μm的脉冲光。所述铒镱共掺光纤放大器将该脉冲光实现初步的放大后提升其功率，产生高功率1.5μm脉冲光。高功率1.5μm脉冲光进入所述单模光纤中发生孤子自频移，通过调节所述1.5μm脉冲激光器的激光参数、所述铒镱共掺光纤放大器的增益、所述种子光产生单元中所述单模光纤长度，产生可控占空比和强度大小2μm波段脉冲种子光。所述2μm波段脉冲种子光通过所述滤波片滤去2μm波段脉冲种子光中残有的1.5μm波段的光。2μm波段脉冲种子光在后续结构中产生孤子脉冲，当抽运波长为2μm时，往长波频移所需距离变得更短。所述第一隔离器可以保证激光的单向输出。

6、在所述啁啾脉冲放大单元：所述脉冲展宽光纤作为啁啾脉冲放大单元的展宽级，所述2μm波段脉冲种子光经过展宽级后在时域上得到展宽。所述790nm泵浦光源、波分复用器、大模场掺铥光纤构成一个放大级系统，所述大模场掺铥光纤作为增益光纤，使用所述790nm的泵浦，实现高增益放大，提升饱和平均功率。所述大模场掺铥光纤的非线性效应较低，可以保持脉冲的形状，所述第二隔离器和所述第三隔离器可以保证激光的单向输出。所述脉冲压缩光纤作为所述啁啾脉冲放大单元的压缩级，将脉冲压缩后产生峰值功率极高的脉冲泵浦光。

7、在所述软玻璃光纤级联单元：所述高非线性光纤作为第一级频谱展宽，其零色散波长接近2μm波段。所述渐变直径高非线性光纤在中红外长波波段损耗更小，其零色散波长大于2μm。经过所述啁啾脉冲放大单元放大的脉冲泵浦光直接通过光纤熔接，直接进入所述高非线性光纤，产生2-5μm波段的第一级超连续谱，再次级联渐变直径高非线性光纤，第一级超连续谱经过所述渐变直径高非线性光纤产生超宽带超连续谱。

8、具体的：

9、包括种子光产生单元(i)、啁啾脉冲放大单元(ii)、软玻璃光纤级联单元(iii)的所有单元采用全光纤级联结构，结构简单，易于集成。

10、在所述啁啾脉冲放大单元中：所述的脉冲展宽光纤和脉冲压缩光纤可使用适合的色散光纤。展宽级以及压缩级在设计结构上可采用一种或者多种光纤级联，对其色散以及脉冲形状进行调控。可考虑采用“正色散(β2>0)光纤展宽，负色散(β2<0)光纤压缩”的结构，以降低所述啁啾脉冲放大单元的非线性效应，调控脉冲形状。所述大模场掺铥光纤作为增益光纤，可承受更高的功率以及更低的非线性效应，以保证脉冲的形状和更高的峰值功率。在所述软玻璃光纤级联单元中的高非线性光纤的零色散点与损耗窗口根据光纤确定，因此前段光束的脉冲形状以及频谱信息需要便于调控。在所述啁啾脉冲放大系统中，调节所述大模场掺铥增益光纤、脉冲展宽光纤、脉冲压缩光纤可以改变其长度、光纤结构等参数以及790nm泵浦功率等，以获得所需的高峰值功率的泵浦光。

11、在所述软玻璃光纤级联单元中：所述高非线性光纤和渐变直径高非线性光纤可选用适合的色散、损耗以及非线性效应的光纤级联。所述高非线性光纤与所述渐变直径高非线性光纤通过光纤熔接工作站熔接在一起。其中所述高非线性光纤的零色散点接近于1.5-2μm波段，如inf3、zblan光纤为代表的氟化物光纤，此类光纤的损耗窗口约在5μm，在5μm后损耗急剧增加。因此，级联所述渐变直径高非线性光纤，如as2s3和as2se3光纤为代表的硫系玻璃光纤等，此类光纤的窗口甚至可达20μm。在所述级联结构中，所述高非线性光纤与所述渐变直径高非线性光纤的光纤直径有所区别。当泵浦光进入所述软玻璃光纤级联单元中，由于孤子频移、自相位调制、受激拉曼散射等非线性效应，波长往长波方向移动。所述渐变直径高非线性光纤的零色散点一般在3-5μm波段，因此调控其中色散可以使光谱继续向更远的长波方向移动，产生更宽的超连续谱。所述渐变直径高非线性光纤采取纤芯直径由细变粗的渐变纤芯直径光纤。一方面开始时直径较小，便于与高非线性光纤熔接，减小熔接损耗。另一方面，光谱往长波移动也需要更粗的纤芯保证光的传输，光纤零色散点随着光纤直径由细到粗的向长波方向移动，同时超连续谱的频谱也向长波移动，可产生更宽光谱的超连续谱，同时也可容纳更高的功率。

12、与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

13、1.本发明采用基于啁啾脉冲放大的全光纤级联结构，多数全光纤级联结构超连续谱光源所需的种子脉冲光多采用mopa结构，本发明采用全光纤结构的啁啾脉冲放大系统，直接熔接到下一级的软玻璃光纤级联单元，将产生超连续谱所需的高峰值功率脉冲种子光与产生高非线性效应的光纤级联，整体结构紧凑简单，易于集成。

14、2.本发明采用的全光纤结构啁啾脉冲放大系统，也可采用“正色散(β2>0)光纤展宽，负色散光纤压缩”的结构，减少脉冲放大过程中的非线性效应，便于调整脉冲形状。相比于传统上使用较多的色散补偿光栅等光学器件，本发明的啁啾脉冲放大系统采用全光纤结构，将“展宽—放大—压缩”的结构全采用合适的光纤以及光放大结构，以产生适合超连续谱光源所需的脉冲种子光。

15、3.通过调整脉冲展宽光纤、脉冲压缩光纤的光纤参数，也可以同时级联多种、多根光纤，整体调整输出的泵浦光，可得到抽运下一级软玻璃光纤级联单元所需的高峰值功率脉冲泵浦光，中心波长趋于下一级高非线性光纤的零色散波长。

16、4.本发明采用的软玻璃光纤级联单元中，高非线性光纤与渐变直径高非线性光纤采用光纤熔接工作站直接熔接。所述渐变直径高非线性光纤的纤芯直径是由细变粗的，一方面便于与上一级的第一高非线性光纤熔接，减小熔接损耗。另一方面，光谱在往长波移动时，更粗的纤芯可以保证光的传输。光纤零色散点随着光纤直径由细到粗的向长波方向移动，同时超连续谱的频谱也向长波移动，可产生更宽光谱的超连续谱，同时也可容纳更高的功率。