一種高亮度超寬帶中紅外超連續(xù)譜光源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種中紅外光源，特別是一種高亮度超寬帶中紅外超連續(xù)譜光源，屬于激光光電子技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]中紅外(MIR)超連續(xù)譜(SC)光源因具有光譜寬、空間相干性好、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，所以其在分子光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像、光學(xué)測(cè)量、寬帶激光雷達(dá)等領(lǐng)域都有著極重要的應(yīng)用。目前常見的寬帶中紅外光源主要包括熱棒、同步輻射光源、和新型量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)。其中，同步福射光源在1-10μηι可產(chǎn)生1016—17 photons/s/mm2/sr/cm—1的亮度，比熱棒高2_3個(gè)數(shù)量級(jí)。高信噪比和高空間分辨率的MIR光譜檢測(cè)僅能使用亮度較高的同步輻射光源，嚴(yán)重限制了普通實(shí)驗(yàn)環(huán)境下中紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用。QCL的發(fā)展極大提高了 MIR波段光源的亮度，典型的QCL可以產(chǎn)生4x 1023pho tons/s/mm2/sr/cm—1的亮度，比同步福射光源高5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。然而，單個(gè)QCL的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍較小，為了覆蓋較寬的光譜范圍，需將多個(gè)QCL進(jìn)行組合，導(dǎo)致光源非常復(fù)雜且成本極高。相比而言，MIR SC光源可提供無間斷寬帶光譜覆蓋，亮度通常比同步輻射光源高2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此，高亮度寬帶MIR SC光源的產(chǎn)生成為近年來紅外光學(xué)和非線性光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0003]以短脈沖激光和非線性中紅外光纖分別作為抽運(yùn)源和非線性介質(zhì)，是產(chǎn)生MIRSC的重要途徑。目前，用于產(chǎn)生MIR SC的非線性光纖主要有碲酸鹽玻璃光纖、氟化物玻璃光纖和硫系玻璃光纖。由于材料的本征多聲子吸收，碲酸鹽玻璃光纖和氟化物玻璃光纖的紅外截止波長(zhǎng)較短，它們僅能分別用于產(chǎn)生小于5μπι和小于6μπι的MIR SC。硫系玻璃(包括硫化物、砸化物和碲化物玻璃)光纖在長(zhǎng)波中紅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線性，非常適合用于產(chǎn)生寬帶MIR SG2011年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室用2.5μπι超快激光栗浦階躍折射率單模As2S3光纖產(chǎn)生了 1.5?5μπι超連續(xù)譜。2012年美國(guó)斯坦福大學(xué)等單位用Er摻雜鎖模光纖激光器栗浦錐形As2S3硫系光纖產(chǎn)生了2.2?5μπι超連續(xù)譜。2014年，澳大利亞國(guó)立大學(xué)等單位用光學(xué)參量放大器產(chǎn)生的4μπι飛秒脈沖栗浦硫系波導(dǎo)獲得了 2?8μm超連續(xù)譜，2015年，江蘇師范大學(xué)等單位用光學(xué)參量放大器產(chǎn)生的4.Ιμπι飛秒脈沖栗浦硫系光纖獲得了2?ΙΟμπι超連續(xù)譜，平均功率約3mW，是獲得的亮度最高的覆蓋2?ΙΟμπι的MIRSC。在實(shí)際應(yīng)用中，通常期望MIR SC光源能夠覆蓋2-12μπι，且平均功率能夠達(dá)到20mW以上。然而，目前尚未見能夠達(dá)到此性能的MIR SC光源的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)難以獲得覆蓋2_12μπι、平均功率大于20mW的中紅外超連續(xù)譜光源的問題，本發(fā)明提供了一種高亮度超寬帶中紅外超連續(xù)譜光源。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一種高亮度超寬帶中紅外超連續(xù)譜光源，沿光路方向依次有飛秒0ΡΑ、空間耦合裝置、階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖;飛秒0ΡΑ包括飛秒鎖模Yb激光器、連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、1/2波片、雙色分束鏡、消色差雙膠合透鏡、溫控裝置、PPLN晶體、紅外透鏡、長(zhǎng)波通鍺濾光片；空間耦合裝置包括兩片紅外透鏡和三維調(diào)整架;階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖設(shè)于兩片紅外透鏡之間的三維調(diào)整架之上，三維調(diào)整架用于固定光纖；飛秒鎖模Yb激光器和連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器分別為OPA的抽運(yùn)源和種子源，利用1/2波片將抽運(yùn)源和種子源的輸出光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)到與光軸平行，然后通過雙色分束鏡進(jìn)行合束，合束后的光束由消色差雙膠合透鏡耦合進(jìn)入PPLN晶體，焦點(diǎn)位于晶體中心；經(jīng)PPLN晶體后得到的光束由紅外透鏡收集，非線性轉(zhuǎn)換剩余的近紅外抽運(yùn)光和信號(hào)光用長(zhǎng)波通鍺濾光片去除;光束通過紅外透鏡耦合進(jìn)入階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖的輸入端對(duì)光纖進(jìn)行抽運(yùn)，在階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖的輸出端用紅外透鏡收集產(chǎn)生的中紅外超連續(xù)譜輸出。
[0006]作為優(yōu)選，上述紅外透鏡材質(zhì)為ZnSe或硫系玻璃。
[0007]作為優(yōu)選，階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖的纖芯材料為Ge-Sb-Se玻璃，包層材料為Ge-Se玻璃，光纖的數(shù)值孔徑不小于0.9，光纖纖芯的直徑為5?ΙΟμπι，光纖包層的直徑為200?400μπι。
[0008]作為優(yōu)選，飛秒鎖模Yb激光器為重復(fù)頻率不小于20MHz、中心波長(zhǎng)為1040nm的飛秒鎖模Yb激光器。
[0009]作為優(yōu)選，連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器為調(diào)諧范圍為1344-1432nm的連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。
[0010]作為優(yōu)選，飛秒0ΡΑ為重復(fù)頻率不小于20MHz、中心波長(zhǎng)為3.8-4.6μηι的飛秒0ΡΑ。
[0011]作為優(yōu)選，PPLN晶體(6 )外設(shè)有溫控裝置(7)，可控制PPLN晶體(6 )的工作溫度。
[0012]本發(fā)明具有以下特點(diǎn)和有益效果:
(1)采用飛秒鎖模Yb激光器和連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器分別作為飛秒0ΡΑ的抽運(yùn)源和種子源，以PPLN作為0ΡΑ的非線性介質(zhì)，可獲得波長(zhǎng)在3.8-4.6μπι的飛秒脈沖激光輸出。由于用于產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜的階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖的零色散波長(zhǎng)在此波段范圍，因此可實(shí)現(xiàn)在該光纖的低反常色散區(qū)對(duì)光纖進(jìn)行抽運(yùn)，從而獲得平坦度好的超寬帶中紅外超連續(xù)譜輸出。
[0013](2)階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖在2_12μπι波段的透光性能優(yōu)異，且激光損傷閾值較高，利于產(chǎn)生高亮度(或高平均功率)的超寬帶中紅外超連續(xù)譜。
[0014](3)階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖的數(shù)值孔徑可調(diào)節(jié)至0.9以上，利于光纖色散的調(diào)節(jié)，從而使光纖的低反常色散區(qū)與可獲得的抽運(yùn)光源波長(zhǎng)相匹配。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可獲得平均功率大于20mW、光譜范圍覆蓋2_12μπι、光譜平坦度好的超連續(xù)譜輸出，亮度比同步輻射中紅外光源高2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，可用于分子光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像、光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中:1、飛秒鎖模Yb激光器，2、連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，3、1/2玻片，4、雙色分束鏡，5、消色差雙膠合透鏡，6、周期極化鈮酸鋰晶體，7、溫控裝置，8、10、13、紅外透鏡，9、長(zhǎng)波通鍺濾光片，11、階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖，12、三維調(diào)整架。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作優(yōu)選說明，它僅用于說明本發(fā)明的一些具體的實(shí)施方式，而本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅限于這些實(shí)施方式。本發(fā)明沿光路方向依次有飛秒0ΡΑ、空間耦合裝置、階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖11;其中，飛秒0ΡΑ包括飛秒鎖模Yb激光器1、連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器2、1/2波片3、雙色分束鏡4、消色差雙膠合透鏡5、溫控裝置7、PPLN晶體6、紅外透鏡8、長(zhǎng)波通鍺濾光片9;空間耦合裝置包括兩片紅外透鏡10、13和三維調(diào)整架12;砸化物光纖11設(shè)于兩片紅外透鏡10、13之間的三維調(diào)整架12之上；飛秒鎖模Yb激光器1和連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器2分別為0ΡΑ的抽運(yùn)源和種子源，利用1/2波片3將抽運(yùn)源和種子源的輸出光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)到與光軸平行，然后通過雙色分束鏡4進(jìn)行合束，合束后的光束由消色差雙膠合透鏡5耦合進(jìn)入PPLN晶體6，焦點(diǎn)位于晶體中心;經(jīng)PPLN晶體6后得到的光束由紅外透鏡8收集，非線性轉(zhuǎn)換剩余的近紅外抽運(yùn)光和信號(hào)光用長(zhǎng)波通鍺濾光片9去除;光束通過紅外透鏡10耦合進(jìn)入階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖11的輸入端對(duì)光纖進(jìn)行抽運(yùn)，在階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖11的輸出端用紅外透鏡13收集產(chǎn)生的中紅外超連續(xù)譜輸出。紅外透鏡8、10、13材質(zhì)為ZnSe或硫系玻璃。階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖的纖芯材料為Ge-Sb-Se玻璃，包層材料為Ge-Se玻璃，光纖的數(shù)值孔徑不小于0.9，光纖纖芯的直徑為5~10μηι，光纖包層的直徑為200?400μηι。飛秒鎖模Yb激光器1為重復(fù)頻率不小于20MHz、中心波長(zhǎng)為1040nm的飛秒鎖模Yb激光器1。飛秒0ΡΑ為重復(fù)頻率不小于20MHz、中心波長(zhǎng)為3.8-4.6μπι的飛秒0ΡΑ。連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器2為調(diào)諧范圍為1344-1432nm的連續(xù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器2JPLN晶體6外設(shè)有溫控裝置。
[0019]具體過程如下:首先根據(jù)階躍折射率Ge-Sb-Se/Ge-Se砸化物光纖11的參數(shù)計(jì)算群速色散，確定光纖零色散波長(zhǎng);根據(jù)光纖的零色散波長(zhǎng)，通過選擇合適的種子源波長(zhǎng)設(shè)定0ΡΑ的輸出波長(zhǎng)，使其位于光纖的低反常色散區(qū)；設(shè)置好種子源波長(zhǎng)后，利用1/2波片3將抽運(yùn)源1和種子源2的輸出光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)到與光軸平行;然后通過雙色分束鏡4進(jìn)