本發(fā)明屬于超連續(xù)譜激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超寬帶全光纖中紅外超連續(xù)譜光源。

背景技術(shù)：

波長在3～20μm的中紅外波段因其不僅涵蓋了3～5μm和8～12μm這兩個大氣窗口，同時也覆蓋了絕大多數(shù)重要分子的特征譜線(分子指紋譜)，故而此波段在國防、軍事等領(lǐng)域具有廣泛而特殊的應(yīng)用，比如激光定向干擾/摧毀、激光雷達(dá)、紅外成像、紅外測距、有毒氣體檢測及分子痕跡探測、光電對抗化學(xué)/物理學(xué)研究等。目前，實現(xiàn)中紅外光譜輸出的主要技術(shù)路線包括：量子級聯(lián)激光器，固體激光器，自由電子激光器，化學(xué)激光器，氣體激光器，基于非線性作用的光學(xué)倍頻激光器，差頻激光器，光參量振蕩opo等。然而，上述實現(xiàn)中紅外光譜輸出的方法各有優(yōu)劣，比如：量子級聯(lián)激光器體積小，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光束質(zhì)量差、輸出功率小；自由電子激光器雖然覆蓋波長范圍很寬，但價格昂貴、體積龐大；氣體激光器和化學(xué)激光器消耗昂貴的氣體，雖然產(chǎn)生激光能量高，但是也會產(chǎn)生有毒化學(xué)副產(chǎn)品；固體激光器和光參量振蕩技術(shù)產(chǎn)生激光能量高，并且可全固化，但是需要價格昂貴的晶體。而上述不足使得它們難以實現(xiàn)優(yōu)異的綜合性能。

普通激光在非線性介質(zhì)中經(jīng)歷一系列非線性效應(yīng)(如自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻、調(diào)制不穩(wěn)定性、受激喇曼散射、弧子分裂等)，使輸出光譜中產(chǎn)生了許多新的頻率成分，光譜范圍得到極大展寬，這種能夠輸出光譜被大范圍連續(xù)展寬的光源就稱為超連續(xù)譜光源?；诜蔷€性光纖的中紅外超連續(xù)譜光源因其具有高空間相干性、寬光譜范圍、高集成度、高亮度等優(yōu)勢，特別適合于車載、艦載、空載的軍用對抗武器、探測分析儀及大氣通信設(shè)備等領(lǐng)域，近年來受到了廣大科研工作者的關(guān)注。而傳統(tǒng)石英光纖的透明波段僅限于可見至近紅外波段(～2μm)，嚴(yán)重限制了超連續(xù)譜向中紅外波段的展寬。氟化物軟玻璃光纖具有低本征損耗以及長達(dá)5μm的寬透過窗口，且其～1.6μm的零色散波長較接近目前已較成熟的1.55μm波段脈沖激光源，被用來產(chǎn)生從可見到紅外波段的超連續(xù)譜。目前采用氟化物光纖已實現(xiàn)0.35～6.28μm波段的超連續(xù)譜，但是激光器的輸出功率只在mw量級而且波長>3μm光譜的總功率更是不足5mw?；诹蚧锊ＡУ墓饫w具有比石英和氟化物玻璃高兩個數(shù)量級的非線性系數(shù)，且在中紅外波段的透光范圍可長達(dá)20μm，被認(rèn)為是最有希望得到覆蓋兩個大氣窗口及大部分分子指紋區(qū)的中紅外波段超連續(xù)光譜的非線性介質(zhì)。但是硫化物玻璃具有較長的零色散波長(～5μm)，要有效產(chǎn)生寬帶超連續(xù)譜，需要波長在5μm附近的窄脈沖作為泵浦源。

現(xiàn)有技術(shù)采用硫化物微結(jié)構(gòu)光纖或者懸吊芯結(jié)構(gòu)光纖作為非線性增益介質(zhì)，通過改變光纖的空氣孔占空比來控制其色散特性，設(shè)計合適的纖芯直徑將光纖的零色散點剪裁至5μm及以下，以合適的激光器作為有效泵源得到超連續(xù)譜光源。然而這一方案采用微結(jié)構(gòu)或者懸吊芯結(jié)構(gòu)，一方面導(dǎo)致光纖的有效模場面積大大減小，從而增加了光束耦合難度，并且限制了超連續(xù)譜亮度的提升，比如中國寧波大學(xué)在2017年發(fā)表的文章《mid-infraredsupercontinuumgenerationinathree-holege20sb15se65chalcogenidesuspended-corefiber》(《通過三孔懸吊芯光纖產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜》)中采用三孔懸吊芯光纖芯徑為6μm，依次得到的耦合效率僅有5％。另一方面，目前采用這種方案所獲得的超連續(xù)譜的長波邊緣均小于10μm，此外，微結(jié)構(gòu)或懸吊芯結(jié)構(gòu)光纖的制備過程對制備工藝要求較高，其回火速率、氣壓、注入氣體流速等因素難以精確控制，制備過程雜質(zhì)的引入易增加光纖損耗，進而使得超連續(xù)譜透射率較低、譜寬范圍窄。

現(xiàn)有技術(shù)纖芯及包層采用不同硫化物制備數(shù)值孔徑較大的硫化物階躍光纖，比如as2se3-as2s3硫化物光纖、as2se3-asse2硫化物光纖及ge-sb-se硫化物光纖，并采用大型波長可調(diào)光前置放大器(opticalpreamplifieramplifier,opa)或者光學(xué)差頻產(chǎn)生器(differencefrequencygeneratior,dfg)等設(shè)備進行泵浦，通常是以中心波長在其零色散波長附近的脈沖光泵入硫化物階躍光纖，進而得到不同范圍的超連續(xù)譜光源。如采用150fs中心波長為4.8μm，泵浦20cmas2se3-as2s3硫化物光纖(零色散波長為4.5μm)，可獲得1.4～8.8μm超連續(xù)譜光源。采用方案的中紅外超連續(xù)譜光源的發(fā)射光譜長波邊緣已拓展至大于15μm。然而，這一方案采用波長可調(diào)的opa、dfg等大型設(shè)備作為泵源，使得光源系統(tǒng)極其復(fù)雜笨重且造價昂貴；同時由于其采用自由空間耦合系統(tǒng)，泵浦激光經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直聚焦后耦合至光纖中，激光器的輸出尾纖、透鏡以及光纖需要固定后進行精確調(diào)節(jié)，限制了光源靈活性的同時也會引入額外的機械誤差，導(dǎo)致泵浦激光與光纖之間的耦合效率下降；另外，整個系統(tǒng)由于不是全光纖結(jié)構(gòu)，容易受到外界環(huán)境干擾和影響，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

現(xiàn)有技術(shù)以氟化物光纖作為非線性介質(zhì)，采用級聯(lián)方式對泵浦激光進行多級放大，以多種光纖作為非線性介質(zhì)并通過拉曼自頻移效應(yīng)進行多級譜展寬，然后在以此光源注入zblan光纖中得到超連續(xù)譜光源。這一方法多采用全光纖結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，然而受限于氟化物光纖的非線性特點，因此得到的超連續(xù)譜范圍較窄。目前，采用氟化物光纖已實現(xiàn)0.35～6.28μm波段的超連續(xù)譜，但是激光器的輸出功率只在mw量級，并且波長大于3μm光譜的總功率更是不足5mw。國防科技大學(xué)侯靜研究小組在文章《15.2wspectrallyflatall-fibersupercontinuumlasersourcewith>1wpowerbeyond3.8μm》)(《全光纖超連續(xù)譜激光源》)采用zblan氟化物光纖作為非線性介質(zhì)，通過全光纖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了1.9～4.2μm超連續(xù)譜光源，如圖1所示，實驗中采用重頻為6mhz、脈寬為1ns、中心波長為1550nm的脈沖激光器作為種子源，通過一個摻鉺光纖放大器(edfa)及兩個鉺-鐿共摻光纖放大器(eydfas)將脈沖進行放大，放大后的脈沖峰值功率達(dá)到2kw，再將其注入單模光纖(smf)通過拉曼孤子自頻移產(chǎn)生1.5～2.3μm的超連續(xù)激光，再將其注入摻銩光纖放大器(tdfa)將1.5～1.9μm的光吸收掉，同時將1.9～2.2μm的光放大，放大后的光通過光纖模式場適配器(mfa)進一步頻移產(chǎn)生1.9～2.8μm超連續(xù)譜，并注入12m長的zblan氟化物光纖，實現(xiàn)1.9～4.2μm全光纖超連續(xù)譜光源。然后這一方案采用zblan氟化物光纖作為非線性介質(zhì)，其非線性系數(shù)較小，透光范圍在0.2～4.5μm，使得其展寬譜的譜寬受到限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種超寬帶全光纖中紅外超連續(xù)譜光源，本發(fā)明有效泵源部分采用分別基于氟化物光纖和硫化物光纖的兩級一階拉曼腔實現(xiàn)了對3.5μm波段氟化物光纖脈沖激光的發(fā)射光譜長波邊緣拓展。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種超寬帶全光纖中紅外超連續(xù)譜光源，其特征在于，在光路方向上依次包括：有效泵源設(shè)備和與之相連的主展寬設(shè)備，其中，有效泵浦源設(shè)備通過順次連接的全光纖種子源激光器、全光纖主振蕩功率放大系統(tǒng)、氟化物光纖一階線性拉曼腔以及硫化物光纖一階線性拉曼腔提供泵浦能量，主展寬設(shè)備包括產(chǎn)生超連續(xù)譜的硫化物階躍光纖。

進一步的是，各器件之間的連接方式為熔融連接。

進一步的是，所述有效泵源設(shè)備的波長位于所述硫化物階躍光纖的反常色散區(qū)域且靠近所述硫化物階躍光纖零色散點位置。

進一步的是，所述全光纖種子源激光器為全光纖3.5μm波段脈沖激光器。

具體地，所述全光纖3.5μm波段脈沖激光器包括：第一976nm波段泵浦源，第一2.0μm波段泵浦源，第一波分復(fù)用器，摻鉺氟化物拉錐光纖，第一布拉格光柵和第二布拉格光柵；第一976nm波段泵浦源，第一2.0μm波段泵浦源分別與第一波分復(fù)用器的輸入端連接，第一波分復(fù)用器的輸出端與在光路前后設(shè)置有第一布拉格光柵和第二布拉格光柵的摻鉺氟化物拉錐光纖連接。

具體地，所述摻鉺氟化物拉錐光纖表面沉積有作為可飽和吸收體的二維材料。

具體地，所述作為可飽和吸收體的二維材料為石墨烯、拓?fù)浣^緣體、黑磷和過渡金屬硫化物中任一種。

所述全光纖主振蕩功率放大系統(tǒng)(mopa)包括：第二976nm波段泵浦源，第二2.0μm波段泵浦源，第二波分復(fù)用器，雙包層摻鉺氟化物光纖；第二976nm波段泵浦源，第二2.0μm波段泵浦源分別與第二波分復(fù)用器的輸入端連接，第二波分復(fù)用器的輸出端與雙包層摻鉺氟化物光纖連接。

所述氟化物光纖一階線性拉曼腔在光路方向依次包括：第三布拉格光柵、氟化物光纖和第四布拉格光柵。

所述硫化物光纖一階線性拉曼腔在光路方向依次包括：第五布拉格光柵、硫化物光纖和第六布拉格光柵。

所述第一布拉格光柵在其波長處的反射率不小于95％

所述第三布拉格光柵、第五布拉格光柵在相應(yīng)波長處的反射率不小于99％。

所述第二布拉格光柵、第四布拉格光柵及第六布拉格光柵在相應(yīng)波長處的反射率不小于60％。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是：

1、本系統(tǒng)包括種子源激光器和mopa形成的子系統(tǒng)一，氟化物光纖一階線性拉曼腔形成的子系統(tǒng)二、硫化物光纖一階線性拉曼腔形成的子系統(tǒng)三和硫化物階躍光纖形成的子系統(tǒng)四，子系統(tǒng)一、子系統(tǒng)二和子系統(tǒng)三形成的有效泵源設(shè)備實現(xiàn)了對3.5μm波段脈沖種子激光的長波長拉曼頻移和功率放大，通過這一技術(shù)手段其波長拓展至接近硫化物階躍光纖的零色散波長值(～5.2μm)，避免對硫化物零色散波長進行剪裁，有效提高了光纖有效模場面積，進而有效提高系統(tǒng)的耦合效率和超連續(xù)譜的亮度；本發(fā)明通過有效泵源設(shè)備輸出的高功率拉曼脈沖注入硫化物階躍光纖，實現(xiàn)3～20μm超寬帶中紅外超連續(xù)譜，將長波長邊緣延展至20μm；同時也避免了大型opa、dfg等泵源的使用，降低成本。

2、本系統(tǒng)將整個系統(tǒng)都整合成一個密閉的光纖環(huán)境，激光脈沖在系統(tǒng)中都是經(jīng)過光纖傳輸?shù)模梢酝耆皇芡饨缬绊?，進而增加了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持久性；本發(fā)明采用緊湊的全光纖結(jié)構(gòu)，避免了現(xiàn)有使用空間自由準(zhǔn)直耦合器件所存在的缺陷，運用本系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)損耗，提高耦合效率、光源集成度、靈活性。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中全光纖超連續(xù)譜光源的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明提供的3～20μm超寬帶全光纖中紅外超連續(xù)譜光源的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細(xì)說明：

實施例：

如圖2所示，本系統(tǒng)包括順次相連的子系統(tǒng)一、子系統(tǒng)二、子系統(tǒng)三、子系統(tǒng)四，其中，種子源激光器和mopa形成子系統(tǒng)一，氟化物光纖一階線性拉曼腔形成子系統(tǒng)二，硫化物光纖一階線性拉曼腔形成子系統(tǒng)三，硫化物階躍光纖形成子系統(tǒng)四；子系統(tǒng)一、子系統(tǒng)二和子系統(tǒng)三構(gòu)成了本系統(tǒng)的有效泵源設(shè)備，子系統(tǒng)四構(gòu)成了本系統(tǒng)的主展寬設(shè)備。下面依次介紹各個系統(tǒng)的組成及作用：

子系統(tǒng)一按照光路方向首先是種子源激光器，所述種子源激光器包括：第一976nm波段泵浦源1、第一2.0μm波段泵浦源2，第一波分復(fù)用器3，第一布拉格光柵5，摻鉺氟化物拉錐光纖6和第二布拉格光柵7；摻鉺氟化物拉錐光纖6表面沉積有作為可飽和吸收體的二維材料，所述二維材料包括但不限于：石墨烯、拓?fù)浣^緣體、黑磷和過渡金屬硫化物中任一種；第一976nm波段泵浦源1、第一2.0μm波段泵浦源2分別與第一波分復(fù)用器3的輸入端相連，摻鉺氟化物拉錐光纖6按照光路方向前后分別設(shè)置了形成諧振腔的第一布拉格光柵5和第二布拉格光柵7，摻餌氟化物拉錐光纖6及其前后的布拉格光柵5、7與第一波分復(fù)用器3的輸出端通過熔接點4連接在一起，通過第一976nm波段泵浦源1和第二2.0μm波段泵浦源2對摻鉺氟化物拉錐光纖6進行抽運，得到3.5μm脈沖激光作為種子光。其中：第一布拉格光柵5對于3.5μm波段激光的反射率為95％，第二布拉格光柵7作為3.5μm波段激光輸出耦合器對于該波段激光的反射率為60％。

然后沿光路方向順次是通過熔接點二8與種子源激光器相連的主振蕩功率放大系統(tǒng)(mopa)，所述mopa是將具有高光束質(zhì)量的種子光和泵浦光耦合進入雙包層光纖進行放大，從而實現(xiàn)對種子光源的高功率放大；本實施中采用第二976nm波段泵浦源9、第二2.0μm波段泵浦源10，第二波分復(fù)用器11和雙包層摻餌氟化物光纖13；第二976nm波段泵浦源9、第二2.0μm波段泵浦源10、摻鉺氟化物拉錐光纖6分別與第二波分復(fù)用器11的輸入端相連，作為增益介質(zhì)的雙包層摻餌氟化物光纖13與第二波分復(fù)用器11的輸出端通過熔接點三12連接在一起將3.5μm脈沖種子光和泵浦光耦合進雙包層摻鉺氟化物光纖13形成高功率光纖放大器，得以將3.5μm波段脈沖種子光進行放大得到高功率脈沖激光。

然后是與子系統(tǒng)一通過熔接點四14相連的子系統(tǒng)二，子系統(tǒng)二包括氟化物光纖16及按照光路方向分別設(shè)置于其前和其后且與其形成一階線性拉曼腔的第三布拉格光柵15和第四布拉格光柵17，基于受激拉曼散射效應(yīng)將3.5μm波段高功率脈沖激光的波長頻移至4.4μm(一階斯托克斯光)，其中，第三布拉格光柵15對于4.4μm波段激光的反射率為99％，第四布拉格光柵17作為一階斯托克斯光輸出耦合器對于該波段激光的反射率為60％。

再繼續(xù)沿光路順次是與子系統(tǒng)二通過熔接點五18相連的子系統(tǒng)三，子系統(tǒng)三包括硫化物光纖20及按照光路方向分別設(shè)置于其前和其后且與其形成一階線性拉曼腔的第五布拉格光柵19和第六布拉格光柵21，基于受激拉曼散射效應(yīng)將4.4μm波段高功率脈沖激光的波長頻移至5.2μm(一階斯托克斯光)，其中，第五布拉格光柵19對于5.2μm波段波段激光的反射率為99％，第六布拉格光柵21作為一階斯托克斯光輸出耦合器對于該波段激光的反射率為60％。

再繼續(xù)沿光路順次是與子系統(tǒng)三通過熔接點六22相連的子系統(tǒng)四(也就是主展寬設(shè)備)，子系統(tǒng)四包括作為非線性介質(zhì)的硫化物階躍光纖23，將經(jīng)子系統(tǒng)一、子系統(tǒng)二和子系統(tǒng)三形成有效泵源設(shè)備輸出的5.2μm波段高功率拉曼脈沖注入硫化物階躍光纖，由于上述輸出拉曼脈沖的波段接近硫化物階躍光纖的零色散波長，將上述硫化物光纖20與基于亞碲酸鹽的硫化物階躍光纖23相熔接，摻雜亞碲酸鹽的硫化物階躍光纖具有更高的非線性系數(shù)，其中紅外透過波長可達(dá)20μm，以其零色散附近波長(～5.2μm)高功率窄脈沖激光作為有效泵源，在自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻、受激拉曼散射等非線性過程及群速度色散的共同作用下其光譜得到展寬，實現(xiàn)3～20μm超寬帶中紅外超連續(xù)譜，將長波長邊緣延展至20μm。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以再不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。