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全光纤设计将超连续光源扩展到中红外波段

2013-06-10 00:08
夜隼008
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  ——SC激光器既具有灯光的宽谱线带宽又具有激光的高亮度、高空间相关性,被称为“终极白光”。但SC激光通常采用锁模激光器作为非线性介质的泵浦光源,体积庞大,限制了其应用范围。

  利用光纤的物理机制,本文在SC激光上获得了三个主要突破:将波长范围拓展到中红外波段;利用电信原件代替锁模激光器,减小了体积;仅仅提高重复率和使用高功率光纤放大器就可将输出功率提高至10W甚至更高,操作方便。

  本文介绍了两版超连续(Supercontinuum,SC)激光器,第一版基于掺铒/镱功率放大器,波长范围为0.8~4.2,第二版基于掺铥功率放大器,波长范围为1.9~4.5μm。

  1. SC激光产生原理

  图19所示为利用调制不稳定性产生的SC现象的中红外超连续激光器(mid-infrared SC laser,MISCL)的结构简图。分布反馈式(DFB)激光二极管产生波长为1550nm、脉宽为0.5~2.0ns的激光经过前置放大器放大并优化噪声性能后,进入带通滤波器和隔离器,再经过包层泵浦光纤放大器中放大并最小化非线性失真。其中的泵浦激光器结构是一种常用的典型电信设计。

  泵浦激光器之后为1~2m的单模光纤(SMF)和数米的SC产生光纤。在SMF中,在反常群速色散的影响下,高达数瓦的纳米脉冲是不稳定的。由于在准连续波背景下,调制不稳定会构造孤子脉冲,纳米脉冲分裂会为0.5ps到数皮秒的脉冲。纳秒脉冲在SMF的作用下产生类似于锁模激光器的输出,只是更为简单有效。

  皮秒脉冲耦合到非线性光纤中后,在四波混频、自相位调制和拉曼效应的影响下,产生宽光谱带宽的SC激光。拉曼效应将激光向长波方向拓展,而四波混频将激光向短波方向拓展,并受到不断增加的群速色散的限制。

  选择合适的光纤放大器和非线性光纤,可获得可见波段、近红外波段和中红外波段的SC激光。

  2. MISCL性能

  图20所示为第一版MISCL,采用的是掺铒/镱功率放大器和ZBLAN氟化物光纤。平均功率为3.9W,波长范围为0.8~4.2μm,其调制占空比为50%。由于SMF输出的激光光谱带宽很宽,整个光谱范围都表现出了空间相干性,光束可以保持形状长距传播。例如,波长为2.5~3.5μm 的光束形状相对于高斯光束改变了不到20% (M2<1.2)。

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