[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

摘要

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，目的是解决在软玻璃光纤放大器中产生中红外超连续谱的斜率效率低、功率低的问题。本发明通过设计基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源，分别选取两个信号源的工作波长与所掺杂的稀土离子的两个级联的辐射跃迁波长相同，分别对两个波长的信号光进行功率放大并产生中红外超连续谱。本发明通过构建基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源，在该中红外超连续谱光源中同时放大两个波长的信号光并产生超连续谱输出，将三个能级对应的两个相邻能级之间的能量都通过辐射跃迁的形式释放，可以可以减少产热，提高中红外超连续谱光源的斜率效率和输出功率。

主权项

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，其特征在于包括以下步骤：第一步，构建基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源：所述光源由掺杂光纤(1)、第一信号源(2)、第二信号源(3)、抽运源(4)、光耦合组件(5)、包层模式滤除器(6)构成，包层模式滤除器(6)位于掺杂光纤(1)中；第一信号源(2)、第二信号源(3)和抽运源(4)分别发射第一信号光、第二信号光、抽运光，第一信号光、第二信号光、抽运光经光耦合组件(5)耦合进入掺杂光纤(1)中，经包层模式滤除器(6)输出超连续谱；掺杂光纤(1)为掺杂有稀土离子的双包层软玻璃光纤；掺杂光纤(1)掺杂的稀土离子要求在抽运波长下有三个可参与辐射跃迁的能级，能级由低到高分别为第一能级、第二能级、第三能级，并且第三能级与第二能级之间、第二能级与第一能级之间的跃迁均能够以辐射跃迁的形式实现；第三能级与第二能级之间的辐射跃迁对应的波长为第一波长λ₁，第二能级与第一能级之间的辐射跃迁对应的波长为第二波长λ₂，第一能级到第三能级的吸收跃迁波长为第三波长λ₃，并满足1/λ₁≥1/λ₂+1/λ₃；掺杂光纤(1)靠近抽运源(4)的一端为第一端，另一端为第二端；第一信号源(2)为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，工作波长即第一信号光与λ₁相同，第一信号源(2)位于掺杂光纤(1)的一端，第一信号源(2)发射第一信号光，经光耦合组件(5)准直、聚焦，在掺杂光纤(1)中的纤芯中以全反射的形式传输并放大；第二信号源(3)为单模脉冲光纤激光器或带尾纤的电调制单模脉冲激光二极管，工作波长即第二信号光与λ₂相同，第二信号源(3)与第一信号源(2)位于掺杂光纤(1)的同一端，第二信号源(3)发射第二信号光，经光耦合组件(5)准直、聚焦，在掺杂光纤(1)中的纤芯中以全反射的形式传输并放大；抽运源(4)为连续波多模激光器或带尾纤的连续波多模激光二极管，工作波长即抽运光与λ₃相同；抽运源(4)位于掺杂光纤(1)靠近第一信号源(2)与第二信号源(3)所在的那一端或位于掺杂光纤(1)的另一端，抽运源(4)发射的抽运光，经光耦合组件(5)准直、聚焦，在掺杂光纤(1)中的内包层中以全反射的形式传输，并在经过掺杂光纤(1)纤芯时被吸收；光耦合组件(5)由第一准直透镜(51)、第二准直透镜(52)、第三准直透镜(53)、第一二色镜(54)、第二二色镜(55)、第一耦合透镜(56)、第二耦合透镜(57)组成；光耦合组件(5)接收第一信号光、第二信号光、抽运光的一端为输入端，出射第一信号光、第二信号光、抽运光的一端为输出端；第一信号源(2)、第二信号源(3)以及抽运源(4)均位于光耦合组件(5)的输入端，光耦合组件(5)的输出端与掺杂光纤(1)正对；第一准直透镜(51)正对第一信号源(2)的输出尾纤放置，并使第一信号源(2)的输出尾纤端面位于第一准直透镜(51)的焦点处；第二准直透镜(52)正对第二信号源(3)的输出尾纤放置，并使第二信号源(3)的输出尾纤端面位于第二准直透镜(52)的焦点处；第三准直透镜(53)正对抽运源(4)的输出尾纤放置，并使抽运源(4)的输出尾纤端面位于第三准直透镜(53)的焦点处；第一准直透镜(51)将第一信号源(2)输出的第一信号光准直；第二准直透镜(52)将第二信号源(3)输出的第二信号光准直；第三准直透镜(53)将抽运源(4)输出的抽运光准直；第一准直透镜(51)与第二准直透镜(52)相互垂直放置，经第一准直透镜(51)准直的第一信号光光束与经第二准直透镜(52)准直的第二信号光光束垂直；第一二色镜(54)在光路中与准直后的第一信号光光束和第二信号光光束光路均成45°角放置，第一二色镜(54)将准直后的第一信号光和第二信号光合并成一束光；第三准直透镜(53)与第二准直透镜(52)垂直放置，经第三准直透镜(53)准直的抽运光光束与经第一二色镜(54)合束的第一信号光和第二信号光光束垂直；第二二色镜(55)在光路中与准直后的抽运光光束和经第一二色镜(54)合束的第一信号光和第二信号光光束均成45°角放置，第二二色镜(55)将准直后的抽运光与经第一二色镜(54)合束之后的第一信号光和第二信号光合并成一束光；第一耦合透镜(56)正对第二准直透镜(52)，并与第二准直透镜(52)平行放置，并使掺杂光纤(1)靠近第一信号源(2)和第二信号源(3)一端的光纤端面位于第一耦合透镜(56)的焦点处；第一耦合透镜(56)将合束后的上述三个波长的光耦合进掺杂光纤(1)中；第二耦合透镜(57)正对掺杂光纤(1)远离第一信号源(2)和第二信号源(3)的一端，并使掺杂光纤(1)远离第一信号源(2)和第二信号源(3)一端的光纤端面位于第二耦合透镜(57)的焦点处；第二耦合透镜(57)将产生的超连续谱准直输出；包层模式滤除器(6)是在掺杂光纤(1)的第二端，将一段掺杂光纤(1)剥除涂覆层和外包层，并涂以折射率匹配膏制成，折射率匹配膏对抽运光的折射率低于掺杂光纤(1)的内包层对抽运光的折射率；包层模式滤除器(6)使掺杂光纤(1)第二端未吸收完全的抽运光泄漏出掺杂光纤(1)，保证输出的超连续谱中不含抽运光成分；这样的光源为前向抽运方案的基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源；第二步，基于软玻璃光纤放大器的中红外超连续谱光源产生超连续谱：2.1产生第一信号光、第二信号光与抽运光：第一信号源(2)和第二信号源(3)分别输出第一信号光和第二信号光；抽运源(4)输出抽运光，第三准直透镜(53)对抽运光进行准直；2.2将第一信号光、第二信号光与抽运光耦合进掺杂光纤(1)，方法是：第一准直透镜(51)对第一信号光准直，第二准直透镜(52)对第二信号光准直，第一二色镜(54)对准直后的第一信号光和第二信号光合束；第二二色镜(55)将准直后的抽运光与经第一二色镜(54)合束之后的第一信号光和第二信号光合束；第一耦合透镜(56)将合束后的第一信号光、第二信号光、抽运光聚焦并耦合进掺杂光纤(1)；2.3功率放大，产生和输出超连续谱：2.3.1功率放大：掺杂光纤(1)的内包层以全反射的形式传输抽运光；掺杂光纤(1)的纤芯吸收穿过纤芯的抽运光，并以全反射的形式传输和放大第一信号光和第二信号光；掺杂光纤(1)将第一信号光和第二信号光的功率不断放大；具体过程为：抽运源(4)产生的抽运光通过受激吸收将处于第一能级的稀土离子抽运至第三能级，并在第三能级与第二能级之间形成粒子数反转；第一信号光在掺杂光纤(1)中传输时，发生受激辐射，即一个处于第三能级的稀土离子在一个第一信号光光子的诱导下向第二能级跃迁，同时辐射出一个与该光子完全相同的光子，第一信号光在掺杂光纤(1)中传输时，功率将不断得到放大，峰值功率不断提升，同时第三能级的稀土离子不断通过受激辐射过程跃迁到第二能级，并在第二能级与第一能级之间形成粒子数反转；同样，第二信号光在掺杂光纤(1)中传输时，发生受激辐射，即一个处于第二能级的稀土离子在一个第二信号光光子的诱导下向第一能级跃迁，同时辐射出一个与该光子完全相同的光子；第二信号光在掺杂光纤(1)中传输时，功率将不断得到放大，峰值功率不断提升，同时第二能级的稀土离子不断通过受激辐射过程跃迁到第一能级；而第一能级的稀土离子又不断被抽运光抽运至第三能级，第三能级的增益粒子数不断得到补充，功率放大的过程得以持续；2.3.2产生和输出超连续谱：当掺杂光纤(1)将第一信号光和第二信号光的峰值功率放大到非线性效应的阈值功率以上时，第一信号光和第二信号光的脉冲在掺杂光纤(1)中由于非线性效应的强烈作用，光谱分别得到展宽；由于掺杂光纤(1)中功率放大和非线性效应的交替作用，掺杂光纤(1)中产生并传输的光的功率不断提高，光谱不断展宽，最终形成高功率的中红外超连续谱；包层模式滤除器(6)将内包层中未吸收完全的抽运光滤除后，掺杂光纤(1)的切斜角的一端将中红外超连续谱输出；2.4准直中红外超连续谱：第二耦合透镜(57)将掺杂光纤(1)的切斜角的一端输出的中红外超连续谱准直。