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巴斯大学新型无蓝光缺陷白光超连续光源

2009-06-05 12:00
水墨黯月
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        作者:John Clowes,Jonathan Knight

        改变白光超连续光源中使用的光子晶体光纤中的空气填充率,可以消除此类光源中传统的“蓝光缺陷”,从而产生真正的白光超连续光。

        在过去十年间,高非线性光子晶体光纤(PCF)以及紧凑、高功率超快光纤激光器的出现,使白光激光光源的输出功率达到10W,光谱功率密度达到10mW/nm。

        尽管这些商用光纤超连续光源在工业和生物医学方面表现出了一定的应用潜能,但它们在光谱的蓝光区域都有共同的缺陷。指标最高的系统,其光谱已经包含到450nm,但是如果用光纤超连续激光器替代照明光源,仍然存在着一定的限制。 

        然而,最近由巴斯大学(University of Bath)的研究人员开发的非线性PCF可以弥补超连续光纤激光器中的蓝光缺陷,增强了蓝光波段的输出(见图1)。目前,该技术由Fianium公司在进行商业推广。 


图1. 通过一个棱镜色散,新型(上面的光谱)和传统(下面的光谱)超连续光源在可见光谱区的比较结果显示,使用最新光子晶体光纤获得了在蓝光和紫外光谱的扩展。


        白光激光器

        激光的时间相干性对应于其有限的光谱宽度,这在根本上是由于所有材料的有限增益带宽引起的。即使是最宽的增益曲线宽度,也只有其中心频率的10%~20%。

        然而,许多应用要求更宽的光谱宽度,并且没有亮度或功率损耗。产生这种超宽光谱的一种方法就是利用在高光功率下材料的非线性响应。基于这种技术的白光激光光源几乎在激光发明的时候就出现了。[1]大多数早期的结构都需要大型、笨重的泵浦激光系统;许多实验采用块状材料作为非线性介质。但是产生宽带光的非线性过程,同时也会因为光学细丝和击穿使输出光束质量下降。

        光子晶体和微结构光纤的快速发展为业界带来了突破,其中光是在由微小空气孔包围的石英纤芯中传导的。使用掺钛蓝宝石激光作为泵浦源,在这些光纤中产生了可见光波段的高光束质量的宽带超连续光。[2]这使该技术进入了一个快速发展期,研究人员一边试图理解这些过程的本质特性,一边优化系统(泵浦激光与非线性光纤的耦合),以产生宽带、平坦、低噪声的光谱,并使用廉价的泵浦元件。一些潜在的应用引起了研究人员的兴趣,这可能得益于在多个方面与先前有本质区别的新型光源。

        光纤超连续光谱现象

        如何让一个窄带的激光束在简单地通过一段由石英制作的光纤之后,变换成覆盖从可见光到近红外光的像彩虹一样多彩绚烂的色彩?

        这种过程的细节很复杂,而且随着波长、脉冲宽度和所用光纤的变化而变化。然而,所有这些通常都源于克尔和拉曼非线性效应,以及群速度色散(GVD)。如果GVD是正常色散,那么克尔和色散项同时使脉冲发生色散,因此在经过很短的一段光纤后,脉冲峰值功率就会下降,光纤的非线性响应就会显著降低,因此,在这种情况将消弱光谱展宽。

        然而,如果群速度色散是反常色散(也就是群折射率随着波长的增加而增加),那么GVD效应和克尔非线性效应就会相互抵消,脉冲就会以光孤子的形式在光纤中传输很长距离,而且不会发生色散。以高峰值功率传输很长一段距离,就引发一系列光学效应,这将导致光谱进一步展宽,并最终产生有效的超连续谱。这在一定程度上得益于光子晶体光纤的高效性:通过控制可以在很宽的波长范围内达到零GVD,在常用的泵浦激光波长实现反常色散(如1064nm和800nm),而这在传统光纤技术中是很难实现的。

        群折射率匹配:克服蓝光缺陷

        我们现在知道超连续谱的蓝光边缘可以通过一个相对简单的条件设置(见图2)。[3]光纤的泵浦光接近零色散波长,但是在反常色散一侧。泵浦脉冲产生孤子,在它们传输的过程中经历了拉曼自频移,并因此向长波方向移动。泵浦脉冲同时在正常色散区产生短波辐射。由于群折射率曲线,以及泵浦光接近曲线的最低值,在泵浦波长两侧的长波和短波具有相同的群速度。结果在传输过程中,它们通过四波混频相互发生作用。这个相互作用结合红外孤子的拉曼自频移,引发了了向蓝光偏移的连续短波辐射(见图3)。


图2. 群折射率的匹配对于增强蓝光波段非常重要。耦合到光纤中的泵浦脉冲波长处在反常色散区,但是接近零色散点。它产生孤子会自频移到长波段,同时也会产生短波辐射。由于长波和短波具有相同的群折射率,它们在光纤中同时传输,通过四波混频继续相互作用。这将使超连续谱向短波拓展直到孤子的结束,比如因为到了光纤的高耗损谱区。

        最终,红外孤子不再频移,可能是由于已经移到光纤的高损耗区。在多数PCF中,红外孤子频移止步于2.5μm波长处,主要是由于光纤纤芯中的OH(氢氧键)。当红外脉冲被吸收或散射时,就不存在驱动短波辐射向更短波长拓展的机制了。结果是,对于给定的光纤,存在由于这种机制产生的最短波长。这个最短的波长与被严重衰减的长波孤子具有相同的群折射率。

        大多数商用的高亮度超连续谱激光器依赖于工作在1064nm的超快光纤激光器来泵浦PCF。结果,在这些系统中使用的PCF都设计成在非常接近1064nm泵浦光波长处具有零GVD。这样的光纤已经成为人们使用1064nm泵浦产生超连续谱的首选(见图3,左侧小图)。人们经常提到的“无休止单模”(ESM)PCF可以在1030~1060nm范围内提供零GVD,同时也产生一种波导几何结构,在整个超连续光谱上传导基模。


图3. 块状石英、以前超连续光源中使用的无休止单模光纤(ESM)以及直径为5μm的空气孔环绕的石英光纤(大空气孔的近似PCF)的实际群折射率曲线比较。这三条曲线在长波处的不同特性产生不同的短波。一般来说,PCF中的最大的空气孔将产生更短的波长。对于其中两种情况,垂直的点线表明了长波吸收边沿(这里假设是2.5μm)和最短群折射率匹配波长的关系。

        基于我们对PCF中产生超连续谱的新认识,ESM光纤并不是最优化的设计,由于GVD曲线形状限制了超连续谱的短波边沿到达450~500nm波段。然而,通过改变所使用的光纤设计(见图3,右侧小图),可以产生具有更短波长的超连续谱。

        这种新的认识改变了PCF的设计目标,其不再是优化零GVD波长以及按照无休止单模光纤设计,新方法的目标是优化覆盖整个光谱从紫外到红外超过3μm的 GVD曲线。光纤纤芯要求在5μm附近,这是要求零GVD波长合理地接近泵浦波长1.06μm所决定的。然而空气填充率是一个自由参量,最高的空气填充率可以产生最短的波长,最接近暴露在空气中的薄石英片。

        设计结果令人振奋,与以前使用商用的ESM非线性光纤的结果相比,使用新型设计的光纤产生的超连续谱在蓝光和紫外光谱部分多出了50~100nm。

        交钥匙解决方案

        对于产生高效、稳定超连续光谱的泵浦激光源,人们自然会选择高功率超快光纤激光器,它能提供兆赫兹的脉冲重复率,并且输出功率可达数十瓦量级。全光纤的结构意味着可以通过光纤的熔接来连接泵浦光和PCF,使系统具有良好的稳定性。此外,开发高效掺镱光纤放大器使其适合于泵浦非线性PCF,这些光源的工作波段在1~1.1μm。

        高功率超快光纤激光器和非线性PCF的结合,使巴斯大学将技术转让给了Fianium公司。基于巴斯大学的技术设计的光子晶体光纤由第三方PCF制造商拉制,并被集成为交钥匙的商用超连续谱光纤激光源(见图4)。


图4. Fianium公司开发的SC400蓝光增强超连续谱产品,该产品的研究成果由巴斯大学提供。


        新的系统可以覆盖从低于400nm(有报道可以到380nm)到接近2400nm的广泛波段,其功率谱密度达到几毫瓦每纳米,并具有衍射极限输出。

        从450nm到紫外波段对于许多荧光成像应用非常重要,对于传统使用电弧灯照明光源的应用,交钥匙的蓝光增强超连续谱光源可以提供相当的光谱,但是亮度能增加几个数量级。

        紫外光的挑战

        提高超连续光谱光源的功率,以及把超连续谱扩展到300nm紫外波段,是巴斯大学和Fianium公司的下一个工程目标。把泵浦光有效地转换到紫外波段仍然是一个颇具挑战性的目标。存在紫外高能光子的PCF设计和材料研究,将是未来12个月超连续光谱光纤激光器发展的挑战。

参考文献:
1. R.R. Alfano et al., Phys. Rev. Lett. 24, 854, (1970).
2. J.K. Ranka et al., Optics Lett. 25(1) 25, (2000).
3. J.M. Stone et al., Optics Express 16(4) 2670, (2008).

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