[发明专利]一种提高中红外超连续谱光源斜率效率和输出功率的方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种提高中红外超连续谱光源斜率效率和输出功率的方法，属于激光技术 领域。

背景技术

在光纤放大器中直接产生超连续谱是实现高功率超连续谱光源的有效途径。虽然基于石 英基光纤放大器的可见光波段和近红外波段超连续谱光源技术已经较为成熟，但受限于石英 材料在2.4μm以上波段强烈的吸收损耗，现有的基于石英基光纤放大器的超连续谱光源输出 光谱的长波边难以超越2.6μm(参见W.Yang,B.Zhang,J.Hou,R.Xiao,Z.Jiang,Z.Liu.Mid-IR supercontinuumgenerationinTm/Hocodopedfiberamplifier[J].LaserPhysicsLetters,2013,10(5): 055107.(杨未强等，铥钬共掺光纤放大器中产生中红外超连续谱，激光物理快报，2013年， 第10期第5卷))，因此中红外波段超连续谱光源的实现有赖于采用声子能量较低、在中红外 波段吸收损耗较低的软玻璃光纤(如氟化物玻璃光纤、碲化物(包括亚碲酸盐)玻璃光纤、 硫化物玻璃光纤)。目前软玻璃光纤中发展最为成熟的是ZBLAN光纤(ZBLAN，即ZrF₄-BaF₂- LaF₃-AlF₃-NaF，氟化物光纤组分的一种)。另外，在实现基于软玻璃光纤放大器的中红外超 连续谱光源时，须采用在2-5μm波段存在辐射跃迁的稀土离子构成的掺杂光纤，如目前使用 最广泛的是掺杂铒离子(Er³⁺)或钬离子(Ho³⁺)等的ZBLAN光纤，即Er³⁺:ZBLAN光纤和 Ho³⁺:ZBLAN光纤。

由于软玻璃光纤材料技术的相对不成熟，以及软玻璃光纤的机械性能差、熔点低、处理 难度较大的缘故，目前仅有一篇基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源的公开报道， 即在976nm激光二极管泵浦的Er³⁺：ZBLAN光纤放大器中对重复频率为2kHz、波长2.75μm、 脉冲宽度400ps的信号光进行放大，产生2.6-4.1μm的中红外超连续谱(参见J.Gauthier,V. Fortin,S.Duval,etal.In-amplifiermid-infraredsupercontinuumgeneration[J].OpticsLetters,2015, 40(22):5247-5250.(J.Gauthier等，光纤放大器中红外超连续谱产生，光学快报，2015年， 第40期第22卷))。但其在输出的超连续谱的光谱最宽时的斜率效率仅为4.5％，虽然可以通 过牺牲光谱宽度进一步提升斜率效率，但斜率效率最高也仅为7.5％，且功率可扩展性较差。 在该报道中，较低的斜率效率，在限制超连续谱输出功率的提升的同时，给系统的热管理、 稳定性和可靠性带来严重的问题。因此提升放大器的斜率效率，对于提升输出的超连续谱的 功率、降低系统的热负载进而提升系统的稳定性和可靠性至关重要。

上述报道中的基于软玻璃光纤放大器的超连续谱光源的方法是，通过设计基于软玻璃光 纤放大器的超连续谱光源，在软玻璃光纤放大器中对单一波长的信号光进行功率放大并实现 光谱的非线性展宽，从而实现超连续谱输出。需要指出的是，对于目前常用的软玻璃掺杂光 纤，其掺杂的稀土离子中可参与辐射跃迁的能级一般有三个，且在三个能级之间存在两个级 联的辐射跃迁，因而，仅对单一波长的信号光进行放大并产生超连续谱，一是会造成抽运光 能量的浪费以及放大器输出的超连续谱斜率效率不高；二是浪费的能量绝大部分以多声子衰 减的形式耗散，产生大量的热，对系统的热管理和稳定性造成严重威胁。上述两方面限制了 目前基于软玻璃光纤放大器的超连续谱光源的输出功率的提升。