級聯(lián)光子晶體光纖激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖激光器，特別是一種級聯(lián)光子晶體光纖激光器。
【背景技術(shù)】
[0002] 超連續(xù)譜激光器是利用光纖中的非線性現(xiàn)象制造而成的寬帶激光光源。超連續(xù)譜 的產(chǎn)生是當高功率超快激光通過一段非線性介質(zhì)（通常是光纖）時，光譜由窄帶激光轉(zhuǎn)換 為寬帶光源的現(xiàn)象。在此寬帶光源中，光譜的展寬和新頻率成分的產(chǎn)生主要基于光纖的色 散和諸如自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻、受激拉曼散射等非線性效應(yīng)的共同作用。 因為產(chǎn)生新光譜成分所需要的條件不容易滿足，通過常見的1060nm附近的泵浦光獲得可 見光波段，尤其是短波藍紫光范圍的超連續(xù)譜依然需要特殊設(shè)計的光纖和專門的技術(shù)。
[0003]在HH.Chen等人（參見Laser Phys. Lett.10(2013)085401)報道的實驗中，通過 對一段現(xiàn)有光子晶體光纖（以下簡稱為PCF)二次拉伸的方式，獲得了具有多個錐形部分的 級聯(lián)光纖，并從中獲得包含了藍紫光的超連續(xù)譜。其展寬過程包括三個部分，首先是在一個 零色散波長（ZDW)小于1064nm的PCF1中獲得窄帶超連續(xù)譜。第二步注入這個窄帶超連續(xù) 譜到一個具有更短ZDW的經(jīng)過拉錐的PCF1中獲得光譜的進一步展寬。第三步把第二步獲 得的光注入一個具有不同空氣填充率的拉錐的PCF2中，獲得短波光譜成分。這種特殊的錐 形光纖的制備是在光纖拉制完成之后進行的。通過對PCF的一部分加壓、加熱和拉伸實現(xiàn) 錐部的制作。產(chǎn)生的超連續(xù)譜介于352nm到1750nm，但是lOOOnm以后的光譜包括了比較高 的能量，普遍較之可見光范圍的光要高出5至10dB。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在解決可見光范圍超連續(xù)譜不容易獲得，能量利用效率不高的問題，提 供一種級聯(lián)光子晶體光纖激光器，實現(xiàn)光譜范圍400nm-800nm的平均功率達到瓦級的超連 續(xù)譜激光輸出。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0006] -種級聯(lián)光子晶體光纖激光器，其特點在于由泵浦源和無焊點級聯(lián)石英光子晶體 光纖串聯(lián)構(gòu)成，所述的泵浦源為l〇64nm的摻鐿皮秒光纖激光器，所述的無焊點級聯(lián)石英光 子晶體光纖是一種基于石英材料且含有空氣孔的微結(jié)構(gòu)光纖，該光纖在光的傳播方向上具 有三段式結(jié)構(gòu)：前級光纖、中間過度光纖和后級光纖，所述的前級光纖具有2?4微米的纖 芯尺寸，空氣孔的徑-間距比為0. 3?0. 5,所述的后級光纖具有0. 85到1微米的亞微米級 的纖芯直徑，空氣孔的徑-間距比為0. 9?0. 95,中間過度光纖成錐形。
[0007] 所述的無焊點級聯(lián)石英光子晶體光纖的主體是正三角形排列的空氣孔，背景材料 是純石英玻璃，以其中任何一個空氣孔為中心，其緊鄰的六個空氣孔成正六邊形排列，所述 的空氣孔共有九層。
[0008] 所述的摻鐿皮秒光纖激光器和級聯(lián)石英光子晶體光纖通過商用熔接機，將摻鐿皮 秒光纖激光器的輸出尾纖和級聯(lián)石英光子晶體光纖直接熔接而成。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)效果
[0010] 本發(fā)明可以實現(xiàn)光譜范圍400nm-800nm的級聯(lián)光子晶體光纖激光器。這種級聯(lián)的 石英光子晶體光纖沒有焊點。產(chǎn)生的可見光波段光譜可以集中>50%的耦合進入光纖泵浦 光功率，是一種高效的波長轉(zhuǎn)換方案。作為泵浦源的l〇64nm激光器發(fā)展成熟，可以在光纖 中容易地獲得2W以上的耦合功率，故本方案可在可見光范圍實現(xiàn)大于1W的功率。
[0011] 本發(fā)明中的兩級光譜展寬所利用的機理是：前級光纖利用孤子捕獲效應(yīng)將泵浦光 能量移動到短波方向。發(fā)生在光纖反常色散區(qū)的基于受激拉曼效應(yīng)的孤子自頻移，減緩了 孤子的群速度，使得孤子能夠和短波長方向的色散波在時域重疊，通過交叉相位調(diào)制和四 波混頻等非線性作用機制，將大部分的泵浦光能量傳遞給500-700nm之間的色散波，在和 孤子自頻移的極限范圍相匹配的短波長位置形成穩(wěn)定的脈沖峰。后級光纖利用前級光纖的 輸入，繼續(xù)在可見光范圍展寬光譜。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明激光器示意圖
[0013] 圖2是本發(fā)明光纖結(jié)構(gòu)圖
[0014] 圖3是本發(fā)明光纖截面圖
[0015] 圖4是光纖色散圖
[0016] 圖5是前級光纖傳輸0. 5m之后光譜圖
[0017] 圖6是后級光纖傳輸4mm之后光譜圖
【具體實施方式】
[0018]在實施例中，光纖激光器米用MenloSystems公司OrangeFemtosecondYtterbium Laser激光系統(tǒng)。本發(fā)明級聯(lián)光子晶體光纖激光器，包括位于1064nm附近的摻鐿光纖皮秒 激光器作為泵浦源，及與摻鐿光纖皮秒激光器的尾纖直接熔接的級聯(lián)光子晶體光纖兩個部 分（參見圖1)。特點在于是利用無焊點的級聯(lián)的非線性石英光子晶體光纖作為非線性介 質(zhì)，把大于50%的泵浦光能量在400-800nm范圍內(nèi)展寬的級聯(lián)光子晶體光纖激光器。
[0019] 由泵浦源和無焊點級聯(lián)石英光子晶體光纖串聯(lián)構(gòu)成，所述的泵浦源為l〇64nm的 摻鐿皮秒光纖激光器，所述的無焊點級聯(lián)石英光子晶體光纖是一種基于石英材料且含有空 氣孔的微結(jié)構(gòu)光纖。利用泵浦源在微結(jié)構(gòu)光纖中的非線性效應(yīng)，將l〇64nm的泵浦光能量轉(zhuǎn) 換到400到800nm的可見光范圍，可見光譜范圍內(nèi)功率可以達到1W級別。
[0020] 所述級聯(lián)光子晶體光纖的主體為正三角形排列的空氣孔，背景材料是純石英玻 璃。由具有不同空氣填充率的前級光纖、后級光纖和中間的錐型過渡部分構(gòu)成。請參閱圖 2。前級光纖和后級光纖的剖面圖請參閱圖3。在此結(jié)構(gòu)中，相鄰空氣孔的孔間距為A，圓 形空氣孔的直徑為d。前級光纖具有2-4微米的纖芯尺寸，較小的介于0. 3到0. 5之間的空 氣孔徑-間距比（d/A)，以將光纖第二零色散波長向長波方向移動，使得孤子自頻移不因 為進入正常色散區(qū)而過早終止，以實現(xiàn)和更短波方向的色散波群速度匹配，將能量向盡量 短的波長移動。這一級光纖需要40-70厘米的長度以實現(xiàn)光譜展寬。后級光纖具有0. 85到 1微米的亞微米級的纖芯直徑，較大的介于0. 9到0. 95之間的空氣孔徑-間距比（d/A)， 以通過強烈的波導色散平衡材料色散，使光纖的第一零色散波長在500-700nm之間，它將 利用第一級光纖輸出的超連續(xù)譜脈沖作泵浦源，這種近零色散波長的泵浦可以獲得寬且平 坦的超連續(xù)譜型，實現(xiàn)在400-800nm范圍內(nèi)的超連續(xù)譜的展寬。比較小的纖芯尺寸使得此 段光纖具有較大非線性系數(shù)，需要數(shù)厘米實現(xiàn)光譜的展寬。
[0021] 本發(fā)明所述的無焊點級聯(lián)石英光子晶體光纖是采用堆疊法制備光纖預制棒，并將 兩級光纖和中間的錐部在光纖拉絲塔上一次拉制成型的。即拉出的光纖前一段為前級光 纖，后一段為后級光纖，兩級光纖之間以錐形光纖過度，不存在焊點。
[0022] 本發(fā)明所述光纖預制棒的制備方法為：將實心的石英棒和空心的石英管拉制成外 徑1_的毛細棒和毛細管，將這些管棒在模具中按照光纖的微觀結(jié)構(gòu)進行宏觀排列并進行 預燒結(jié)使它們穩(wěn)固地結(jié)合在一起，成為光纖預制棒。
[0023]本發(fā)明所述的一次拉制成型的過程，需要在光纖拉制過程中，利用氣泵對預制棒 中空氣孔的氣體壓強進行控制，并對光纖上所承受的張力進行監(jiān)測。利用光纖上張力測量 裝置實時監(jiān)控，根據(jù)光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，對拉絲溫度，拉絲速度和氣壓進行調(diào)整。光纖的 拉制過程滿足這樣的方程：
【主權(quán)項】
1. 一種級聯(lián)光子晶體光纖激光器，其特征在于由累浦源和無焊點級聯(lián)石英光子晶體光 纖串聯(lián)構(gòu)成，所述的累浦源為l〇64nm的滲鏡皮秒光纖激光器，所述的無焊點級聯(lián)石英光子 晶體光纖是一種基于石英材料且含有空氣孔的微結(jié)構(gòu)光纖，該光纖在光的傳播方向上具有 =段式結(jié)構(gòu)：前級光纖、中間過度光纖和后級光纖，所述的前級光纖具有2?4微米的纖巧 尺寸，空氣孔的徑-間距比為0. 3?0. 5,所述的后級光纖具有0. 85到1微米的亞微米級的 纖巧直徑，空氣孔的徑-間距比為0. 9?0. 95,中間過度光纖成錐形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級聯(lián)石英光子晶體光纖，其特征在于；所述的無焊點級聯(lián)石 英光子晶體光纖的主體是正=角形排列的空氣孔，背景材料是純石英玻璃，W其中任何一 個空氣孔為中屯、，其緊鄰的六個空氣孔成正六邊形排列，所述的空氣孔共有九層。
【專利摘要】一種級聯(lián)光子晶體光纖激光器由泵浦源和無焊點級聯(lián)石英光子晶體光纖串聯(lián)構(gòu)成。本發(fā)明可對中心波長位于1050nm附近的超快光纖激光器的主要能量進行波長轉(zhuǎn)換，獲得在400-800nm可見光范圍內(nèi)寬帶發(fā)光的級聯(lián)光子晶體光纖激光。
【IPC分類】H01S3-094, H01S3-067
【公開號】CN104577677
【申請?zhí)枴緾N201510031349
【發(fā)明人】李夏, 廖梅松, 陳偉, 畢婉君, 邢朝君, 胡麗麗
【申請人】中國科學院上海光學精密機械研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月22日