本發(fā)明屬于光纖激光，特別涉及一種高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源。

背景技術(shù)：

1、超連續(xù)譜激光是一種具有極寬光譜的光源，其光譜可以覆蓋可見光至近紅外甚至中紅外波段。目前產(chǎn)生超連續(xù)譜的方案主要采用具有高峰值功率的基模脈沖激光泵浦光子晶體光纖或被動(dòng)傳能光纖，在色散和非線性效應(yīng)的作用下產(chǎn)生光譜展寬。相比于被動(dòng)傳能光纖，光子晶體光纖具有更高的非線性系數(shù)以及靈活可調(diào)的色散曲線，因此更有利于產(chǎn)生光譜范圍寬、光譜平坦度好的超連續(xù)譜，是獲得超連續(xù)譜的理想介質(zhì)。然而，光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的過程中存在輸出功率較低的問題。

2、在光子晶體光纖的設(shè)計(jì)過程中，減小纖芯直徑可以降低零色散波長(zhǎng)。為了能夠有效展寬光譜，光子晶體的零色散波長(zhǎng)需要與泵浦激光波長(zhǎng)匹配。接近1?μm的零色散波長(zhǎng)決定了光子晶體光纖要具有較小的纖芯直徑。同時(shí)為了提高泵浦激光的峰值功率，需要采用大纖芯直徑增益光纖進(jìn)行功率放大，以獲得高峰值功率脈沖激光泵浦源。通常泵浦激光的輸出光纖與光子晶體光纖之間存在較大的模場(chǎng)失配，因此很難承受較高的功率，限制了功率提升。盡管提出了多芯光子晶體光纖、級(jí)聯(lián)光子晶體光纖和長(zhǎng)拉錐光子晶體光纖等方案來提高超連續(xù)譜輸出功率，但是光子晶體光纖的處理工藝十分復(fù)雜，不利于推廣。另一種提高超連續(xù)譜功率的方法是采用多路非相干合成，但是光束質(zhì)量相較于合束前會(huì)出現(xiàn)大幅度下降，不利于超連續(xù)譜的遠(yuǎn)距離傳輸。對(duì)于具有相同零色散波長(zhǎng)的基模光子晶體光纖與高階模式光子晶體光纖，后者可以具有更大的纖芯直徑，因此更有利于提高輸出功率。

3、另外在提高短波光譜占比方面，石英光纖對(duì)2.4?μm以上的激光具有較大的損耗，根據(jù)色散波的長(zhǎng)波與短波相位匹配關(guān)系，2.4?μm以上光譜成分的產(chǎn)生對(duì)短波擴(kuò)展是不利的，不利于提高短波光譜占比。對(duì)于基模，光子晶體光纖中2.4?μm的短波相位匹配波長(zhǎng)難以匹配到0.4?μm以下，基模超連續(xù)譜在增強(qiáng)短波光譜成分方面存在限制；而對(duì)于高階模式，光子晶體光纖在2.4?μm處的色散匹配波長(zhǎng)可以達(dá)到0.4?μm以下，因此更有利于增強(qiáng)超連續(xù)譜短波光譜成分。

4、綜上所述，在現(xiàn)有的基于光子晶體光纖產(chǎn)生基模超連續(xù)譜方案中，存在著輸出功率和可見光占比受限的問題，限制了超連續(xù)譜的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，為了解決光子晶體光纖產(chǎn)生基模超連續(xù)譜時(shí)輸出功率和可見光占比受限的問題，本發(fā)明公開一種高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率、高可見光占比、高模式純凈度輸出。

2、為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，包括：

4、高階橫模脈沖光纖激光器，用于產(chǎn)生時(shí)域穩(wěn)定、模式純凈度高的目標(biāo)階次高階橫模種子脈沖激光，作為脈沖激光種子源；

5、光纖激光放大器，用于放大目標(biāo)階次高階橫模種子脈沖激光的平均功率和峰值功率，輸出高功率目標(biāo)階次高階橫模泵浦激光，作為激光泵浦源；

6、少模光子晶體光纖，作為激光非線性傳輸介質(zhì)，用于將高功率目標(biāo)階次高階橫模泵浦激光通過非線性效應(yīng)和色散效應(yīng)轉(zhuǎn)化為超連續(xù)譜，同時(shí)保持輸出激光的模式特性，輸出高功率目標(biāo)階次高階橫模超連續(xù)譜激光。

7、少模光子晶體光纖其在可見光和近紅外波段僅支持基模和不高于目標(biāo)階次的橫模模式，在高功率目標(biāo)階次高階橫模泵浦激光耦合進(jìn)入少模光子晶體光纖過程中，通過高階模式激發(fā)的方式，使高階橫模泵浦激光轉(zhuǎn)化為少模光子晶體光纖中同階次的目標(biāo)階次高階橫模脈沖激光，并且目標(biāo)階次高階橫模脈沖激光在傳輸?shù)倪^程中在非線性效應(yīng)和色散作用下發(fā)生光譜展寬，進(jìn)而產(chǎn)生高功率目標(biāo)階次高階橫模超連續(xù)譜激光并輸出。

8、進(jìn)一步地，少模光子晶體光纖擁有較大纖芯直徑的同時(shí)使目標(biāo)模式零色散點(diǎn)接近高功率目標(biāo)階次高階橫模泵浦激光的中心波長(zhǎng)，其中少模光子晶體光纖的纖芯直徑大于6μm，從而提高目標(biāo)階次高階橫模超連續(xù)譜激光的輸出功率上限與可見光光譜占比。

9、進(jìn)一步地，目標(biāo)階次高階橫模指光纖中特定高階橫模模式，能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)為模式、模式或更高階模式。

10、進(jìn)一步地，高功率目標(biāo)階次高階橫模超連續(xù)譜激光的光譜范圍包括可見光、近紅外以及中紅外波段。

11、進(jìn)一步地，所述少模光子晶體光纖通過優(yōu)化其空氣孔大小與排列方式來優(yōu)化其非線性系數(shù)與色散參數(shù)。

12、優(yōu)選地，目標(biāo)階次高階橫模為能量分布呈甜甜圈形，偏振態(tài)呈中心對(duì)稱的柱矢量光束。

13、優(yōu)選地，所述少模光子晶體光纖在0.4?~?2.4?μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)支持基模和目標(biāo)高階橫模傳輸，其目標(biāo)高階橫模模式的零色散波長(zhǎng)范圍在1.04?μm~1.08?μm，同時(shí)2.4?μm波長(zhǎng)的色散匹配波長(zhǎng)小于0.4?μm，在高功率目標(biāo)階次高階橫模泵浦激光泵浦下可產(chǎn)生模式純凈度大于70%的高功率目標(biāo)階次高階橫模超連續(xù)譜激光。

14、優(yōu)選地，高階橫模脈沖光纖激光器的中心波長(zhǎng)為1.06?μm，模式純凈度大于90%，脈沖寬度為10?ps~1?ns，輸出平均功率為~10?mw，重復(fù)頻率為?1?mhz~30?mhz。優(yōu)選地，光纖激光放大器用于將1.06?μm目標(biāo)階次高階橫模種子脈沖激光的平均功率放大到100?w以上，峰值功率放大到5?kw以上。

15、優(yōu)選地，高階橫模脈沖光纖激光器的脈沖產(chǎn)生方式可以采用鎖模，鎖模方式可采用電光調(diào)制器、半導(dǎo)體可飽和吸收體、碳納米管、非線性偏振旋轉(zhuǎn)或非線性多模干涉等。

16、優(yōu)選地，高階橫模脈沖光纖激光器的高階模式選擇與激發(fā)方式可以采用少模布拉格光纖光柵、錯(cuò)位熔接、長(zhǎng)周期光纖光柵、模式選擇耦合器、s波片、光子燈籠等。

17、上述一種高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，本申請(qǐng)通過對(duì)相較于基模具有更大模場(chǎng)面積的高階橫模脈沖激光進(jìn)行功率放大，有利于提高輸出功率，同時(shí)通過設(shè)計(jì)能夠與高階橫模泵浦激光色散匹配的少模光子晶體光纖，有利于提高光子晶體光纖的纖芯直徑，降低熔接損耗，優(yōu)化色散曲線，解決了光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜過程中較小纖芯直徑對(duì)輸出功率的限制，使其在擁有較大纖芯直徑的同時(shí)能夠具有接近泵浦激光波長(zhǎng)的零色散點(diǎn)，從而提高超連續(xù)譜的輸出功率上限與可見光占比，解決了光子晶體光纖中產(chǎn)生基模超連續(xù)譜輸出功率較低和光譜可見光占比有限的問題。

技術(shù)特征：

1.高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，少模光子晶體光纖其在可見光和近紅外波段僅支持基模和不高于目標(biāo)階次的橫模模式，在高功率目標(biāo)階次高階橫模泵浦激光耦合進(jìn)入少模光子晶體光纖過程中，通過高階模式激發(fā)的方式，使高階橫模泵浦激光轉(zhuǎn)化為少模光子晶體光纖中同階次的目標(biāo)階次高階橫模脈沖激光，并且目標(biāo)階次高階橫模脈沖激光在傳輸?shù)倪^程中在非線性效應(yīng)和色散作用下發(fā)生光譜展寬，進(jìn)而產(chǎn)生高功率目標(biāo)階次高階橫模超連續(xù)譜激光并輸出。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，少模光子晶體光纖擁有較大纖芯直徑的同時(shí)使目標(biāo)模式零色散點(diǎn)接近高功率目標(biāo)階次高階橫模泵浦激光的中心波長(zhǎng)，其中少模光子晶體光纖的纖芯直徑大于6?μm，從而提高目標(biāo)階次高階橫模超連續(xù)譜激光的輸出功率上限與可見光光譜占比。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，目標(biāo)階次高階橫模根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)為模式、模式或更高階模式。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，高功率目標(biāo)階次高階橫模超連續(xù)譜激光的光譜范圍包括可見光、近紅外以及中紅外波段。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述少模光子晶體光纖通過優(yōu)化其空氣孔大小與排列方式來優(yōu)化其非線性系數(shù)與色散參數(shù)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述少模光子晶體光纖在0.4?~?2.4?μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)支持基模和目標(biāo)高階橫模傳輸，其目標(biāo)高階橫模模式的零色散波長(zhǎng)范圍在1.04?μm~1.08?μm，同時(shí)2.4?μm波長(zhǎng)的色散匹配波長(zhǎng)小于0.4?μm，在高功率目標(biāo)階次高階橫模泵浦激光泵浦下可產(chǎn)生模式純凈度大于70%的高功率目標(biāo)階次高階橫模超連續(xù)譜激光。

8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，高階橫模脈沖光纖激光器的中心波長(zhǎng)為1.06?μm，模式純凈度大于90%，脈沖寬度為10ps~1?ns，輸出平均功率為10?mw，重復(fù)頻率為?1?mhz~30?mhz。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，光纖激光放大器用于將1.06?μm目標(biāo)階次高階橫模種子脈沖激光的平均功率放大到100?w以上，峰值功率放大到5?kw以上。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，少模光子晶體光纖的纖芯位于中心，圍繞纖芯呈正六邊形陣列排布的空氣孔陣列，空氣孔陣列由內(nèi)至外包含多層正六邊形的空氣孔子陣列，其中纖芯直徑為8.8?μm，空氣孔直徑為4.2?μm、空氣孔陣列中的空氣孔周期為6.5?μm；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種高功率高階橫模超連續(xù)譜激光光源，包括高階橫模脈沖光纖激光器，用于產(chǎn)生時(shí)域穩(wěn)定、模式純凈度高的高階橫模種子脈沖激光，作為脈沖激光種子源；光纖激光放大器，用于放大目標(biāo)階次高階橫模種子脈沖激光的平均功率和峰值功率，輸出高功率目標(biāo)階次高階橫模泵浦激光，作為激光泵浦源；少模光子晶體光纖，作為激光非線性傳輸介質(zhì)，用于將高功率目標(biāo)階次高階橫模泵浦激光通過非線性效應(yīng)和色散效應(yīng)轉(zhuǎn)化為超連續(xù)譜，同時(shí)保持輸出激光的模式特性，輸出高功率目標(biāo)階次高階橫模超連續(xù)譜激光。本方法能夠提高光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的輸出功率上限，增加可見光光譜占比。

技術(shù)研發(fā)人員：陳勝平,李敬歲,韓凱,許曉軍,宋家鑫,李博,張超,康廣滄,汪子瑜
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19