超宽带全光纤中红外超连续谱光源的制作方法

本发明属于超连续谱激光技术领域，具体涉及一种超宽带全光纤中红外超连续谱光源。

背景技术：

波长在3～20μm的中红外波段因其不仅涵盖了3～5μm和8～12μm这两个大气窗口，同时也覆盖了绝大多数重要分子的特征谱线(分子指纹谱)，故而此波段在国防、军事等领域具有广泛而特殊的应用，比如激光定向干扰/摧毁、激光雷达、红外成像、红外测距、有毒气体检测及分子痕迹探测、光电对抗化学/物理学研究等。目前，实现中红外光谱输出的主要技术路线包括：量子级联激光器，固体激光器，自由电子激光器，化学激光器，气体激光器，基于非线性作用的光学倍频激光器，差频激光器，光参量振荡opo等。然而，上述实现中红外光谱输出的方法各有优劣，比如：量子级联激光器体积小，但是结构复杂、光束质量差、输出功率小；自由电子激光器虽然覆盖波长范围很宽，但价格昂贵、体积庞大；气体激光器和化学激光器消耗昂贵的气体，虽然产生激光能量高，但是也会产生有毒化学副产品；固体激光器和光参量振荡技术产生激光能量高，并且可全固化，但是需要价格昂贵的晶体。而上述不足使得它们难以实现优异的综合性能。

普通激光在非线性介质中经历一系列非线性效应(如自相位调制、交叉相位调制、四波混频、调制不稳定性、受激喇曼散射、弧子分裂等)，使输出光谱中产生了许多新的频率成分，光谱范围得到极大展宽，这种能够输出光谱被大范围连续展宽的光源就称为超连续谱光源。基于非线性光纤的中红外超连续谱光源因其具有高空间相干性、宽光谱范围、高集成度、高亮度等优势，特别适合于车载、舰载、空载的军用对抗武器、探测分析仪及大气通信设备等领域，近年来受到了广大科研工作者的关注。而传统石英光纤的透明波段仅限于可见至近红外波段(～2μm)，严重限制了超连续谱向中红外波段的展宽。氟化物软玻璃光纤具有低本征损耗以及长达5μm的宽透过窗口，且其～1.6μm的零色散波长较接近目前已较成熟的1.55μm波段脉冲激光源，被用来产生从可见到红外波段的超连续谱。目前采用氟化物光纤已实现0.35～6.28μm波段的超连续谱，但是激光器的输出功率只在mw量级而且波长>3μm光谱的总功率更是不足5mw。基于硫化物玻璃的光纤具有比石英和氟化物玻璃高两个数量级的非线性系数，且在中红外波段的透光范围可长达20μm，被认为是最有希望得到覆盖两个大气窗口及大部分分子指纹区的中红外波段超连续光谱的非线性介质。但是硫化物玻璃具有较长的零色散波长(～5μm)，要有效产生宽带超连续谱，需要波长在5μm附近的窄脉冲作为泵浦源。

现有技术采用硫化物微结构光纤或者悬吊芯结构光纤作为非线性增益介质，通过改变光纤的空气孔占空比来控制其色散特性，设计合适的纤芯直径将光纤的零色散点剪裁至5μm及以下，以合适的激光器作为有效泵源得到超连续谱光源。然而这一方案采用微结构或者悬吊芯结构，一方面导致光纤的有效模场面积大大减小，从而增加了光束耦合难度，并且限制了超连续谱亮度的提升，比如中国宁波大学在2017年发表的文章《mid-infraredsupercontinuumgenerationinathree-holege20sb15se65chalcogenidesuspended-corefiber》(《通过三孔悬吊芯光纤产生中红外超连续谱》)中采用三孔悬吊芯光纤芯径为6μm，依次得到的耦合效率仅有5％。另一方面，目前采用这种方案所获得的超连续谱的长波边缘均小于10μm，此外，微结构或悬吊芯结构光纤的制备过程对制备工艺要求较高，其回火速率、气压、注入气体流速等因素难以精确控制，制备过程杂质的引入易增加光纤损耗，进而使得超连续谱透射率较低、谱宽范围窄。

现有技术纤芯及包层采用不同硫化物制备数值孔径较大的硫化物阶跃光纤，比如as2se3-as2s3硫化物光纤、as2se3-asse2硫化物光纤及ge-sb-se硫化物光纤，并采用大型波长可调光前置放大器(opticalpreamplifieramplifier,opa)或者光学差频产生器(differencefrequencygeneratior,dfg)等设备进行泵浦，通常是以中心波长在其零色散波长附近的脉冲光泵入硫化物阶跃光纤，进而得到不同范围的超连续谱光源。如采用150fs中心波长为4.8μm，泵浦20cmas2se3-as2s3硫化物光纤(零色散波长为4.5μm)，可获得1.4～8.8μm超连续谱光源。采用方案的中红外超连续谱光源的发射光谱长波边缘已拓展至大于15μm。然而，这一方案采用波长可调的opa、dfg等大型设备作为泵源，使得光源系统极其复杂笨重且造价昂贵；同时由于其采用自由空间耦合系统，泵浦激光经过透镜准直聚焦后耦合至光纤中，激光器的输出尾纤、透镜以及光纤需要固定后进行精确调节，限制了光源灵活性的同时也会引入额外的机械误差，导致泵浦激光与光纤之间的耦合效率下降；另外，整个系统由于不是全光纤结构，容易受到外界环境干扰和影响，降低了系统的稳定性和可靠性。

现有技术以氟化物光纤作为非线性介质，采用级联方式对泵浦激光进行多级放大，以多种光纤作为非线性介质并通过拉曼自频移效应进行多级谱展宽，然后在以此光源注入zblan光纤中得到超连续谱光源。这一方法多采用全光纤结构，提高了系统的稳定性和可靠性，然而受限于氟化物光纤的非线性特点，因此得到的超连续谱范围较窄。目前，采用氟化物光纤已实现0.35～6.28μm波段的超连续谱，但是激光器的输出功率只在mw量级，并且波长大于3μm光谱的总功率更是不足5mw。国防科技大学侯静研究小组在文章《15.2wspectrallyflatall-fibersupercontinuumlasersourcewith>1wpowerbeyond3.8μm》)(《全光纤超连续谱激光源》)采用zblan氟化物光纤作为非线性介质，通过全光纤结构实现了1.9～4.2μm超连续谱光源，如图1所示，实验中采用重频为6mhz、脉宽为1ns、中心波长为1550nm的脉冲激光器作为种子源，通过一个掺铒光纤放大器(edfa)及两个铒-镱共掺光纤放大器(eydfas)将脉冲进行放大，放大后的脉冲峰值功率达到2kw，再将其注入单模光纤(smf)通过拉曼孤子自频移产生1.5～2.3μm的超连续激光，再将其注入掺铥光纤放大器(tdfa)将1.5～1.9μm的光吸收掉，同时将1.9～2.2μm的光放大，放大后的光通过光纤模式场适配器(mfa)进一步频移产生1.9～2.8μm超连续谱，并注入12m长的zblan氟化物光纤，实现1.9～4.2μm全光纤超连续谱光源。然后这一方案采用zblan氟化物光纤作为非线性介质，其非线性系数较小，透光范围在0.2～4.5μm，使得其展宽谱的谱宽受到限制。

技术实现要素：

本发明提供了一种超宽带全光纤中红外超连续谱光源，本发明有效泵源部分采用分别基于氟化物光纤和硫化物光纤的两级一阶拉曼腔实现了对3.5μm波段氟化物光纤脉冲激光的发射光谱长波边缘拓展。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超宽带全光纤中红外超连续谱光源，其特征在于，在光路方向上依次包括：有效泵源设备和与之相连的主展宽设备，其中，有效泵浦源设备通过顺次连接的全光纤种子源激光器、全光纤主振荡功率放大系统、氟化物光纤一阶线性拉曼腔以及硫化物光纤一阶线性拉曼腔提供泵浦能量，主展宽设备包括产生超连续谱的硫化物阶跃光纤。

进一步的是，各器件之间的连接方式为熔融连接。

进一步的是，所述有效泵源设备的波长位于所述硫化物阶跃光纤的反常色散区域且靠近所述硫化物阶跃光纤零色散点位置。

进一步的是，所述全光纤种子源激光器为全光纤3.5μm波段脉冲激光器。

具体地，所述全光纤3.5μm波段脉冲激光器包括：第一976nm波段泵浦源，第一2.0μm波段泵浦源，第一波分复用器，掺铒氟化物拉锥光纤，第一布拉格光栅和第二布拉格光栅；第一976nm波段泵浦源，第一2.0μm波段泵浦源分别与第一波分复用器的输入端连接，第一波分复用器的输出端与在光路前后设置有第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的掺铒氟化物拉锥光纤连接。

具体地，所述掺铒氟化物拉锥光纤表面沉积有作为可饱和吸收体的二维材料。

具体地，所述作为可饱和吸收体的二维材料为石墨烯、拓扑绝缘体、黑磷和过渡金属硫化物中任一种。

所述全光纤主振荡功率放大系统(mopa)包括：第二976nm波段泵浦源，第二2.0μm波段泵浦源，第二波分复用器，双包层掺铒氟化物光纤；第二976nm波段泵浦源，第二2.0μm波段泵浦源分别与第二波分复用器的输入端连接，第二波分复用器的输出端与双包层掺铒氟化物光纤连接。

所述氟化物光纤一阶线性拉曼腔在光路方向依次包括：第三布拉格光栅、氟化物光纤和第四布拉格光栅。

所述硫化物光纤一阶线性拉曼腔在光路方向依次包括：第五布拉格光栅、硫化物光纤和第六布拉格光栅。

所述第一布拉格光栅在其波长处的反射率不小于95％

所述第三布拉格光栅、第五布拉格光栅在相应波长处的反射率不小于99％。

所述第二布拉格光栅、第四布拉格光栅及第六布拉格光栅在相应波长处的反射率不小于60％。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

1、本系统包括种子源激光器和mopa形成的子系统一，氟化物光纤一阶线性拉曼腔形成的子系统二、硫化物光纤一阶线性拉曼腔形成的子系统三和硫化物阶跃光纤形成的子系统四，子系统一、子系统二和子系统三形成的有效泵源设备实现了对3.5μm波段脉冲种子激光的长波长拉曼频移和功率放大，通过这一技术手段其波长拓展至接近硫化物阶跃光纤的零色散波长值(～5.2μm)，避免对硫化物零色散波长进行剪裁，有效提高了光纤有效模场面积，进而有效提高系统的耦合效率和超连续谱的亮度；本发明通过有效泵源设备输出的高功率拉曼脉冲注入硫化物阶跃光纤，实现3～20μm超宽带中红外超连续谱，将长波长边缘延展至20μm；同时也避免了大型opa、dfg等泵源的使用，降低成本。

2、本系统将整个系统都整合成一个密闭的光纤环境，激光脉冲在系统中都是经过光纤传输的，可以完全不受外界影响，进而增加了整个系统的稳定性和持久性；本发明采用紧凑的全光纤结构，避免了现有使用空间自由准直耦合器件所存在的缺陷，运用本系统能够降低系统损耗，提高耦合效率、光源集成度、灵活性。

附图说明

图1为现有技术中全光纤超连续谱光源的结构示意图。

图2为本发明提供的3～20μm超宽带全光纤中红外超连续谱光源的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

实施例：

如图2所示，本系统包括顺次相连的子系统一、子系统二、子系统三、子系统四，其中，种子源激光器和mopa形成子系统一，氟化物光纤一阶线性拉曼腔形成子系统二，硫化物光纤一阶线性拉曼腔形成子系统三，硫化物阶跃光纤形成子系统四；子系统一、子系统二和子系统三构成了本系统的有效泵源设备，子系统四构成了本系统的主展宽设备。下面依次介绍各个系统的组成及作用：

子系统一按照光路方向首先是种子源激光器，所述种子源激光器包括：第一976nm波段泵浦源1、第一2.0μm波段泵浦源2，第一波分复用器3，第一布拉格光栅5，掺铒氟化物拉锥光纤6和第二布拉格光栅7；掺铒氟化物拉锥光纤6表面沉积有作为可饱和吸收体的二维材料，所述二维材料包括但不限于：石墨烯、拓扑绝缘体、黑磷和过渡金属硫化物中任一种；第一976nm波段泵浦源1、第一2.0μm波段泵浦源2分别与第一波分复用器3的输入端相连，掺铒氟化物拉锥光纤6按照光路方向前后分别设置了形成谐振腔的第一布拉格光栅5和第二布拉格光栅7，掺饵氟化物拉锥光纤6及其前后的布拉格光栅5、7与第一波分复用器3的输出端通过熔接点4连接在一起，通过第一976nm波段泵浦源1和第二2.0μm波段泵浦源2对掺铒氟化物拉锥光纤6进行抽运，得到3.5μm脉冲激光作为种子光。其中：第一布拉格光栅5对于3.5μm波段激光的反射率为95％，第二布拉格光栅7作为3.5μm波段激光输出耦合器对于该波段激光的反射率为60％。

然后沿光路方向顺次是通过熔接点二8与种子源激光器相连的主振荡功率放大系统(mopa)，所述mopa是将具有高光束质量的种子光和泵浦光耦合进入双包层光纤进行放大，从而实现对种子光源的高功率放大；本实施中采用第二976nm波段泵浦源9、第二2.0μm波段泵浦源10，第二波分复用器11和双包层掺饵氟化物光纤13；第二976nm波段泵浦源9、第二2.0μm波段泵浦源10、掺铒氟化物拉锥光纤6分别与第二波分复用器11的输入端相连，作为增益介质的双包层掺饵氟化物光纤13与第二波分复用器11的输出端通过熔接点三12连接在一起将3.5μm脉冲种子光和泵浦光耦合进双包层掺铒氟化物光纤13形成高功率光纤放大器，得以将3.5μm波段脉冲种子光进行放大得到高功率脉冲激光。

然后是与子系统一通过熔接点四14相连的子系统二，子系统二包括氟化物光纤16及按照光路方向分别设置于其前和其后且与其形成一阶线性拉曼腔的第三布拉格光栅15和第四布拉格光栅17，基于受激拉曼散射效应将3.5μm波段高功率脉冲激光的波长频移至4.4μm(一阶斯托克斯光)，其中，第三布拉格光栅15对于4.4μm波段激光的反射率为99％，第四布拉格光栅17作为一阶斯托克斯光输出耦合器对于该波段激光的反射率为60％。

再继续沿光路顺次是与子系统二通过熔接点五18相连的子系统三，子系统三包括硫化物光纤20及按照光路方向分别设置于其前和其后且与其形成一阶线性拉曼腔的第五布拉格光栅19和第六布拉格光栅21，基于受激拉曼散射效应将4.4μm波段高功率脉冲激光的波长频移至5.2μm(一阶斯托克斯光)，其中，第五布拉格光栅19对于5.2μm波段波段激光的反射率为99％，第六布拉格光栅21作为一阶斯托克斯光输出耦合器对于该波段激光的反射率为60％。

再继续沿光路顺次是与子系统三通过熔接点六22相连的子系统四(也就是主展宽设备)，子系统四包括作为非线性介质的硫化物阶跃光纤23，将经子系统一、子系统二和子系统三形成有效泵源设备输出的5.2μm波段高功率拉曼脉冲注入硫化物阶跃光纤，由于上述输出拉曼脉冲的波段接近硫化物阶跃光纤的零色散波长，将上述硫化物光纤20与基于亚碲酸盐的硫化物阶跃光纤23相熔接，掺杂亚碲酸盐的硫化物阶跃光纤具有更高的非线性系数，其中红外透过波长可达20μm，以其零色散附近波长(～5.2μm)高功率窄脉冲激光作为有效泵源，在自相位调制、交叉相位调制、四波混频、受激拉曼散射等非线性过程及群速度色散的共同作用下其光谱得到展宽，实现3～20μm超宽带中红外超连续谱，将长波长边缘延展至20μm。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。