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超连续光谱光源
超连续谱光源在众多科学领域具有广泛而重要的应用,近年来一直是国际研究热点。此调研回顾了利用连续光激光器和脉冲光激光器抽运光子晶体光纤产生超连续谱广元的形成机制以及近几年来两种机制下高功率超连续谱光源所取得的进展,分析了在提高超连续谱光源输出平均功率过程中所需要克服的难题。报道了国防科学技术大学通过优化超连续谱光源的整体结构,攻克了低损熔接、光纤端面抗损伤、热处理以及非线性效应的有效控制等关键技术,成功研制出一种全光纤结构、,光谱范围覆盖1064-2000nm,10db光谱带宽约740nm,光-光转换效率高达56%,功率水平为国际领先。背景
窄带入射脉冲在介质中由于极度的非线性光谱展宽效应而产生的宽带连续谱被称为超连续谱(super continuum),。超连续谱的产生由Alfano和shapiro[1,2]在块状玻璃中发现并首次报道,他们发现当波长为530nm、脉冲能量为5mJ的皮秒脉冲在块状BK7玻璃中传播后,可以获得波长从400到700nm的覆盖整个可见光范围的白光光谱。之后超连续谱被广泛地研究,包括固体、有机和无机液体、气体以及各种类波导中产生超连续谱。
超连续谱光源
90年代后期光子晶体光纤形式的新型光波导的产生吸引了科学界广泛的兴趣,引发了一场通过超连续谱的产生来获得超宽带高亮度光谱的革命
[3-5]。1992年彻Russell等人首次提出PCF(Photonic Crystal Fiber ,PCF)的概念,[6],之后对PCF的特性的研究迅速展开。,灰色区域是二氧化硅,白色区域是空气孔(air holes),黑色区域是聚合体涂覆层(polymer coating),d是空气孔的直径,Λ是空气孔的间距。由图可看出PCF的包层由周期性排列的微米量级空气孔所组成。PCF所具有的高非线性、无截止单模传输、色散灵活可控、高双折射等特性对于产生高质量的超连续谱非常有利。其中,高非线性效应可以获得极大的光谱展宽,无截止单模特性可以保证超连续谱的单模输出,色散设计的灵敏性使得超连续谱可控,高双折射特性可以产生偏振超连续谱。PCF中超连续谱的产生由Ranka等人于2000年首次进行了报道[3]。之后,很快成为了光子晶体光纤领域的研究热点。
PCF的横截面示意图
超连续谱产生在各种不同的领域如光谱学[7,8]、脉冲压缩和可调谐超快飞秒激光源的设计等有着广泛的应用。在电信领域,截取宽带超连续谱的一部分被认为是产生多波长光源的一种简单方法,这种光源用于密集波分复用技术[9-11]。特别是PCF中的超连续谱产生在交叉学科领域被广泛应用,如光学相干层析技术、光谱学以及光频计量学等。
超连续谱光源种类
超连续谱的产生是指窄带激光通过传输介质时,由于各种非线性效应的作用,输出光谱得到极大展宽的现象(光谱展宽可达数十至数千纳米)。光纤中的超连续谱产生是目前非线性光学领域的研究热点,而获得具有高平均输出功率和高光谱功率密度的超连续谱是其中一个重要的研究方向
[12,13]。根据产生超连续谱的光纤种类的不同,目前报道的超连续谱光源大致可以分为以下三类:
1)基于普通无源光纤的连续谱光源[14,15]。其中,无源光纤包括普通的折射率导引光纤和常规的高非线性光纤等非增益光纤。这类超连续谱光源由抽运激光器和无源光纤(非线性介质)两部分构成。抽运激光经过无源光纤的传输后,由于非线性效应导致光谱被展宽,从而产生了超连续谱。基于这种方式的超连续谱光源,由于器材都比较常规,所以构建容易,系统成本低。并且,普通光纤的熔接技术比较成熟,便于实现全光纤化的超连续谱光源。但是,由于普通无源光纤的非线性系数相对较低,产生超连续谱需要使用较长的光纤;另外,由于普通光纤的色散特性调节困难,不易产生比抽运波长短的宽带超连续谱。
2)基于掺稀土元素光纤的超连续谱光源[16-18]。这类超连续谱光源通常就是一个非线性的光纤激光放大器,通过综合利用增益光纤中的激光增益特性和非线性效应,在能量从抽运光向激光转移的同时,实现激光光谱的极大展宽。基于这种方式的超连续谱光源,不仅结构简单,而且易于实现高功率输出[19]。但是由于增益光纤的色散特性调节困难,激光发射过程属于频率下转换以及掺杂粒子对抽运波长附近的光谱成分具有再吸收等因素,导致这类超连续谱光源基本不能产生比抽运波长短的宽带超连续谱;另外,基于大模场面积光纤的高功率非线性光纤激光放大器通常不能现实基横模运行。
3)基于光子晶体光纤的超连续谱光源[20-22]。这类超连续谱光源由抽运激光器和光子晶体光纤两部分