[发明专利]一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源

说明书

本发明公开了一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，它由泵浦源、透镜组、变形镜、多模硫系玻璃光纤、分束镜、光谱仪、红外相机、计算机组成。本发明通过采用泵浦光源输出光束波前整形的方法，在硫系玻璃光纤中激发特定高阶模，通过高阶模非线性效应实现红外超连续谱激光输出，通过调节硫系玻璃光纤中激发的高阶模成分，可实现红外超连续谱的光谱调节，系统耦合效率高且具有很高的稳定性和可重复性。

技术领域

本发明涉及红外超连续谱激光系统，尤其是一种基于多模硫系玻璃光纤的红外超连续谱光源，该装置能够实现宽带红外超连续谱输出。

背景技术

超连续谱(Supercontinuum,SC)产生是指窄带激光经高非线性介质传输，由于多种非线性效应和色散的共同作用，光谱得到极大展宽。超连续谱激光光源具有宽光谱、高亮度和高相干性。目前可见光-近红外超连续谱光谱非常成熟并商用化，功率水平也得到极大提升。中红外超连续谱光源由于覆盖众多气体、固体分子的吸收谱线，在分子光谱学、燃烧监测、生物医学成像、生物和化学传感以及光学生物组织蚀除等领域有着重要的应用。以氟化物光纤和硫系玻璃光纤为代表的软玻璃光纤陆续应用于中红外超连续谱的产生。目前已经分别在ZBLAN光纤和InF₃光纤为代表的氟化物光纤中获得了长波拓展至4.2μm和4.7μm的中红外超连续谱，输出功率分别为15.2W(如国防科技大学2017年在Optics Letters杂志上42期上发表的题目为“15.2W mid-infrared supercontinuum generation in ZBLANfiber with spectrum of1.9-4.2μm”的文章)和11.3W(如国防科技大学2019年在OpticsLetters杂志上44期上发表的题目为“Ultra-efficient,10-watt-level mid-infraredsupercontinuum generation in fluoroindate fiber”的文章)。在超连续谱向更长波方向的拓展探索中，硫系玻璃光纤由于在中红外波段具有很高的透过率和极高的非线性折射率，是目前唯一可以产生覆盖10μm及以上波段超连续谱的非线性光纤。为充分激发光纤的非线性效应，获得激光光谱的极大展宽，通常选择在光纤反常色散区零色散波长附近泵浦。但是硫系玻璃光纤基模零色散波长较长，如典型的As₂Se₃玻璃材料零色散波长大于8μm。而目前可选择的泵浦激光器的输出波长主要位于1μm、1.55μm和2μm附近。采用常用的光纤激光器泵浦时，泵浦脉冲均位于硫系玻璃光纤的正常色散区，大部分非线性效应不容易被激发，光谱展宽受限。

目前，采用硫系玻璃光纤有效产生超连续谱的方案主要有以下两种：

方案一：采用长波固体激光器(如中红外差频激光器、中红外光参量振荡器或者放大器)直接泵浦硫系玻璃光纤，通常泵浦激光器的峰值功率在几十千瓦至兆瓦量级。

方案二：采用级联软玻璃光纤产生。在级联软玻璃光纤方案中，首先利用一段氟化物光纤获得长波展宽至4μm甚至5μm的中红外超连续谱激光输出，然后再将其耦合进入硫系玻璃光纤，进一步拓展超连续谱的光谱范围。由于硫系玻璃光纤具有更广的通光窗口和更高的非线性系数，因此氟化物光纤产生的超连续谱输出(实际包含大量高峰值功率的红外激光脉冲)可以在级联的硫系玻璃光纤中进一步发生非线性效应。

目前方案一和方案二均已实现长波拓展至10μm以上的中红外超连续谱输出，但是同时系统也存在一些问题。方案一泵浦源光光效率低，且体积庞大、光路复杂，稳定性不高。系统耦合过程中大量透镜系统的采用，也不利于整个系统的稳定。方案二中典型级联结构为：种子源-单模石英光纤-铒镱共掺放大器-掺铥光纤放大器-氟化物光纤-硫化物光纤-硒化物光纤，三级软玻璃光纤级联，系统复杂，且软玻璃光纤熔接困难，耦合损耗较大。