[发明专利]基于悬浮芯光纤的可见光增强超连续谱光源

说明书

本发明公开了一种基于悬浮芯光纤的可见光增强超连续谱光源，其包括：依次光学耦合的超短脉冲激光泵浦源、输入耦合光学器件、悬浮芯光纤及输出耦合光学器件，其中超短脉冲激光泵浦源输出线偏振光，输入耦合光学器件将线偏振光耦合至悬浮芯光纤，悬浮芯光纤包括纤芯、包层和由包层围绕的空气间隙，纤芯由与包层内壁相连的纤芯支撑薄片支撑而悬浮在空气间隙中，输出耦合光学器件将从悬浮芯光纤出射的光准直并输出。本发明具有高相干性、高转换效率，相位相干度大于0.7，具有高输出光束质量、结构紧凑、简单的优点。

技术领域

本发明涉及超连续谱光源领域，具体而言涉及一种基于悬浮芯光纤的可见光增强超连续谱光源。

背景技术

超连续谱产生技术最早由Alfano于1970年实现并报道[R.R.Alfano,andS.L.Shapiro,Phys.Rev.Lett.24,592(1970)]，但直到2000年，商用超快脉冲激光器的出现和色散调节高非线性光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)技术的成熟，该技术才得以实用化。光纤超连续谱光源具有系统结构紧凑、输出光束质量高、光谱带宽宽等优点，是光纤性能测试、光纤传感、OCT(optical coherence tomography)等领域的理想光源，并在很多应用领域可以替代已有的放大自发发射ASE(amplified spontaneous emission)光源、超发光二极管SLD(superluminescent diode)光源和卤素灯光源。

光纤超连续谱光源的产生机理是：高能量的超短激光脉冲在高非线性光纤(通常为色散调节的光子晶体光纤PCF[T.A.Birks,J.C.Knight,P.S.Russell,Opt.Lett.(1997)22,961-963.])中传输时，由于高脉冲峰值功率、光纤高非线性系数、及光纤色散等参数的共同影响，发生包括自相位调制SPM、拉曼散射、四波混频等多种非线性效应，从而导致输出的脉冲发生大幅度的光谱展宽[Supercontinuum Generation in Photonics CrystalFibers,V2.0,July 2009]。通过优化组合泵浦光源参数(泵浦波长、脉冲宽度、峰值功率、重复频率等)和非线性光子晶体光纤的参数(光纤基质材料折射率n、非线性科尔系数n₂、光纤基质材料色散特性、光纤的光子晶体微结构、光纤色散特性等)，可以优化光纤超连续谱光源的输出带宽、输出总功率、光谱功率密度或特定波段的光谱功率密度、和相位相干性等性能指标。其中，具有高相位相干性的可见光超连续谱光源是生物学、化学和医学领域许多应用的理想光源，比如OCT、非线性光谱学、荧光寿命成像显微镜(FLIM)和激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)等，具有较大的应用前景，是当前研究的热点。

可见光增强的光纤超连续谱光源通常采用超短脉冲(10-1000飞秒)激光为泵浦源，色散调节的PCF光纤为传输介质，在长波孤子波和短波色散波等非线性作用相互影响下，输出波长扩展到紫外和中红外波段。在频谱展宽的过程中，当自相位调制占主导地位时，可以保持光谱的高相位相干性(即低的时域噪声)，而当调制不稳定性(modulationinstability，MI)起主导作用时，相位相干性会明显降低，在时域上表现为极高的噪声。当泵浦脉冲宽度越短，比如小于50fs，产生超连续谱的相位相干性越高。因此，采用超短脉冲激光泵浦源，有利于提高超连续谱光源的相干性。

在相位相干度之外，超连续谱光源的可见光波段能量占比，以及泵浦激光功率到可见光波段功率的转换效率，也是实用的超连续谱光源非常重要的两个技术指标。在过去近二十年的相关研究成果中，发明人对该两项指标进行了总结(见图1a和图1b)。如图1a所示,已报道的光纤超连续谱光源的输出功率的范围从毫瓦到百瓦量级，其中可见光波段(400-700纳米)功率占总光谱功率比超过60％的，只有用532nm倍频光纤激光器作为泵浦源的一个例子，在其它工作中，该指标都在50％以下。在所有这些报道中，泵浦激光功率到可见光(400-700纳米)波段功率的转换效率最大只有25％，如图1b所示。