使用一可調(diào)諧飛秒振蕩器的可調(diào)節(jié)中紅外超連續(xù)譜發(fā)生器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種超連續(xù)譜系統(tǒng)，包括：一光纖激光器(110)，其配置為輸出具有中心波長(zhǎng)的脈沖；一第一非線(xiàn)性波導(dǎo)(120)，其配置為偏移來(lái)自所述光纖激光器的脈沖的波長(zhǎng)；一至少一級(jí)的第一光纖放大器(130)，其配置為放大來(lái)自所述第一非線(xiàn)性波導(dǎo)的輸出；和一第二非線(xiàn)性波導(dǎo)(140)，其配置為光譜展寬來(lái)自所述第一光纖放大器的輸出。
【專(zhuān)利說(shuō)明】使用一可調(diào)諧飛秒振蕩器的可調(diào)節(jié)中紅外超連續(xù)譜發(fā)生器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2014年I月7號(hào)提交的申請(qǐng)?zhí)枮?1/924,629的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的權(quán)益，其內(nèi)容通過(guò)引用合并至本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及超連續(xù)譜系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及使用一可調(diào)諧飛秒振蕩器的中紅外超連續(xù)譜發(fā)生器和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]中紅外(MIR)范圍內(nèi)(2um到1um)的寬頻光源被應(yīng)用于例如遙感、紅外計(jì)數(shù)器計(jì)量、醫(yī)療診斷和光譜學(xué)應(yīng)用。雖然非相干寬頻MIR源已經(jīng)可被應(yīng)用多年并且被應(yīng)用于光譜學(xué)，但這些源具有受限的功率譜密度和差的光束質(zhì)量。相干寬頻光源基于非線(xiàn)性光譜展寬，廣為人知的比如超連續(xù)譜源，在光譜的可視以及近紅外(NIR)范圍內(nèi)被研究。近來(lái)，發(fā)展MIR范圍內(nèi)的此超連續(xù)譜源引起了大家的興趣。這種超連續(xù)譜源應(yīng)該具有高功率密度，高光束質(zhì)量和低噪聲(高相干性)以便于提供超過(guò)現(xiàn)有非相干MIR源的顯著優(yōu)勢(shì)。
[0005]MIR范圍內(nèi)的超連續(xù)譜源已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)并且在現(xiàn)有的出版物中被報(bào)道。這種系統(tǒng)主要能被放置在兩種常規(guī)類(lèi)別中，與某類(lèi)栗浦源有關(guān)系，該類(lèi)栗浦源使用了:(a)使用納秒或皮秒脈沖激光器作為栗浦源的系統(tǒng)，和(b)使用飛秒脈沖激光器作為栗浦源的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)被普遍理解為歸屬于如下類(lèi)別(a)受低的連射(shot-to-shot)相干性影響。這樣的相干性的缺乏在所產(chǎn)生的光譜的噪聲特性中尤為明顯，從而導(dǎo)致了連射中的光譜的和時(shí)間的波動(dòng)。雖然這些低相干性的系統(tǒng)作為強(qiáng)力的具有高光束質(zhì)量的寬譜光源時(shí)是有利的，但由于相干性問(wèn)題，這些系統(tǒng)在光譜學(xué)的應(yīng)用被很大地限制了。這些系統(tǒng)歸屬于如下類(lèi)別(b)通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)飛秒栗浦脈沖的性能同時(shí)使用非線(xiàn)性介質(zhì)以展寬所述光譜，系統(tǒng)能被設(shè)計(jì)為具有高相干性。有關(guān)該類(lèi)別的栗浦源，在先前的技術(shù)中有若干激光系統(tǒng)已使用。具有極為接近超連續(xù)譜產(chǎn)生的波長(zhǎng)范圍或在超連續(xù)譜產(chǎn)生的波長(zhǎng)范圍之內(nèi)的栗浦波長(zhǎng)是滿(mǎn)足需要的。兩種類(lèi)型的飛秒源已經(jīng)被使用作為MIR超連續(xù)譜的產(chǎn)生方法，其包括基于銩或鈥摻雜光纖的鎖模光纖激光器，和光參量振蕩器。所述光纖激光器在中心波長(zhǎng)接近2000nm和可能超出3500nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供高能量的飛秒脈沖。所述光纖激光器在先前的技術(shù)中用于這種應(yīng)用時(shí)具有固定的波長(zhǎng)。此外，用于這些光纖激光器的鎖模機(jī)構(gòu)仍然在研究和發(fā)展中，且商業(yè)上可用設(shè)備的數(shù)量是有限的。所述光參量振蕩器(OPO)提供具有可調(diào)諧中心波長(zhǎng)的飛秒脈沖。然而，這些OPO是占據(jù)著很大空間的昂貴系統(tǒng)。此外，當(dāng)與光纖基源比較時(shí)，從OPO獲得的可用平均功率是有限的。
[0006]因此，用以產(chǎn)生飛秒脈沖的低成本和小巧的系統(tǒng)是一種需求，所述飛秒脈沖用于中紅外超連續(xù)譜的產(chǎn)生。此外，用于調(diào)節(jié)比如波長(zhǎng)、峰值功率、能量和偏振的脈沖參數(shù)的方法是必需的，以?xún)?yōu)化所述超連續(xù)譜的光譜亮度、頻寬、光譜平坦度、和相干性。
[0007]—個(gè)具體的光譜應(yīng)用會(huì)使用所述寬頻源，所述寬頻源結(jié)合著傅里葉變換光譜儀和樣本處理單元。在MIR范圍內(nèi)的傅里葉變換光譜儀已經(jīng)在近期得到發(fā)展和商業(yè)化。通過(guò)發(fā)展低噪聲MIR寬頻源，能夠提供用于MIR的完整光譜系統(tǒng)，所述光譜系統(tǒng)相比于已存在光譜系統(tǒng)將提供明顯優(yōu)越性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的實(shí)施例提供一種飛秒光纖激光器以及可調(diào)諧波長(zhǎng)偏移方法，所述飛秒光纖激光器處于1550nm附近的電信頻帶處，所述可調(diào)諧波長(zhǎng)偏移方法將脈沖波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換至銩或鈥摻雜光纖的放大頻帶(大約2000nm)。該方法提供了兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):(a)近年來(lái)，1550nm處的飛秒激光器已經(jīng)發(fā)展成為可靠且穩(wěn)定的系統(tǒng)，并且商業(yè)上可從幾家公司購(gòu)得，以及(b)所述系統(tǒng)中波長(zhǎng)偏移量是可調(diào)諧的，以提供調(diào)節(jié)和優(yōu)化輸出超連續(xù)譜的能力。通過(guò)使用ISOOnm至2100nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光纖放大器，能夠按比例放大輸出平均功率。
[0009]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一超連續(xù)譜系統(tǒng)，包括:一光纖激光器，其配置為輸出具有中心波長(zhǎng)的脈沖;第一非線(xiàn)性波導(dǎo)，其配置為偏移來(lái)自光纖激光器的脈沖波長(zhǎng);至少一級(jí)的第一光纖放大器，其配置為放大所述第一非線(xiàn)性波導(dǎo)的輸出；和第二非線(xiàn)性波導(dǎo)，其配置為光譜展寬第一光纖放大器的輸出。
[0010]本發(fā)明的另一實(shí)施例提供了用于操作超連續(xù)譜系統(tǒng)的方法，所述超連續(xù)譜系統(tǒng)包括:一光纖激光器，其配置為輸出有中心波長(zhǎng)的脈沖;一第一非線(xiàn)性波導(dǎo)，其配置為偏移所述光纖激光器發(fā)出脈沖的波長(zhǎng);具有至少一級(jí)的一光纖放大器，其配置為放大第一非線(xiàn)性波導(dǎo)的輸出；和一第二非線(xiàn)性波導(dǎo)，其配置為光譜展寬來(lái)自第一光纖放大器的輸出，所述方法包括:從第一光纖放大器的輸出或者第二非線(xiàn)性波導(dǎo)的輸出接受反饋;和調(diào)節(jié)進(jìn)入第二非線(xiàn)性波導(dǎo)的脈沖的峰值功率、能量、波長(zhǎng)或偏振。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的超連續(xù)譜系統(tǒng)的框圖；
[0012]圖2為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的超連續(xù)譜系統(tǒng)的框圖；
[0013]圖3為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的超連續(xù)譜系統(tǒng)的框圖；
[0014]圖4為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的超連續(xù)譜系統(tǒng)的框圖；
[0015]圖5為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的超連續(xù)譜系統(tǒng)的框圖；
[0016]圖6為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的超連續(xù)譜系統(tǒng)的框圖；
[0017]圖7為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的超連續(xù)譜系統(tǒng)的框圖；
[0018]圖8為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的超連續(xù)譜系統(tǒng)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]結(jié)合附圖了解根據(jù)本發(fā)明原理的示例性實(shí)施例說(shuō)明，所述說(shuō)明將看作整個(gè)書(shū)面說(shuō)明的一部分。這里所公開(kāi)的發(fā)明實(shí)施例的說(shuō)明中，對(duì)方向或取向的任何指定僅為了說(shuō)明的方便，不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。相關(guān)詞語(yǔ)，例如“下部“，“上部”，“水平的”，“垂直的，，，“上方”，“下方”，“向上”，“向下”，“頂部”和“底部”以及它們的派生詞，(例如，“水平地”，“向下地”，“向上地”，等等)，這些詞語(yǔ)應(yīng)被解釋對(duì)取向的指定，所述取向如討論中的附圖所接著說(shuō)明或所示。除非有明確的指明，否則這些相關(guān)詞語(yǔ)只是為了描述的方便，不需要設(shè)備在特定的取向下構(gòu)建或操作。除非另有明確的描述，否則像“附加的”，“粘著的”，“連接的”，“耦合的”，“互聯(lián)的”以及類(lèi)似的詞語(yǔ)，指的是一種關(guān)系，其中，一些結(jié)構(gòu)直接地或間接通過(guò)中間結(jié)構(gòu)以及可動(dòng)的或者固定的附件或者關(guān)系固定或附加到另外的結(jié)構(gòu)上。另外，通過(guò)引用具體實(shí)施例描述本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果。因此，應(yīng)清楚地認(rèn)為，本發(fā)明不限制于所述具體實(shí)施例，所述具體實(shí)施例描述了一些可能的非限制的特征組合，所述特征組合可能單獨(dú)或者在其他特征組合中存在;本發(fā)明的范圍由附加的權(quán)利要求限定。
[0020]所述公開(kāi)內(nèi)容描述了目前所預(yù)期的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式或方式。所述描述并非為了限制，而是提供本發(fā)明的一個(gè)例子，提出所述例子僅僅為了參照附圖實(shí)現(xiàn)說(shuō)明的目的，從而告知本領(lǐng)域普通技術(shù)人員本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)。在附圖的不同視圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部分。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明的一實(shí)施例為包括四個(gè)關(guān)鍵組件的系統(tǒng)。第一個(gè)組件為鎖模光纖激光器(MLFL) (110)，其支持短于Ips的變換極限脈沖寬度以及1500nm和1650nm之間的中心波長(zhǎng)。所述MLFL(IlO)是基于摻雜光纖構(gòu)造為增益介質(zhì)和鎖模機(jī)構(gòu)。來(lái)自所述光纖激光器的輸出耦合進(jìn)非線(xiàn)性波導(dǎo)1(120)，該非線(xiàn)性波導(dǎo)通過(guò)已知的拉曼孤子自頻移的過(guò)程將它的波長(zhǎng)移位到長(zhǎng)于1700nm短于2800nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，非線(xiàn)性波導(dǎo)1(120)在輸入脈沖波長(zhǎng)有一反常色散和大于1W—1Iaif1的一非線(xiàn)性系數(shù)。第三級(jí)，光纖放大器1(130)，其為工作在1700nm和2800nm波長(zhǎng)范圍之間的光纖放大器，例如，基于銩和/或鈥摻雜光纖的一放大器系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，光纖放大器1(130)是雙級(jí)或多級(jí)放大器。在一些實(shí)施例中，除了放大它們的能量外，光纖放大器1(130)增加額外的光譜帶寬和/或壓縮脈沖，其通過(guò)比如自相位調(diào)制的非線(xiàn)性過(guò)程增加額外的光譜帶寬。所述放大器輸出耦合到非線(xiàn)性波導(dǎo)2(140)，該非線(xiàn)性波導(dǎo)是從一在中紅外范圍內(nèi)透明的材料制成的。所述波導(dǎo)被設(shè)計(jì)為通過(guò)非線(xiàn)性過(guò)程光譜展寬輸入脈沖，該非線(xiàn)性過(guò)程例如但不限制于自相位調(diào)制、調(diào)制不穩(wěn)定性和拉曼散射。有利的是，如果所述非線(xiàn)性波導(dǎo)2(140)有一近零色散點(diǎn)，其接近于離開(kāi)光纖放大器1(130)的脈沖的中心波長(zhǎng)，且然后微調(diào)所述源至色散波長(zhǎng)。如果所述非線(xiàn)性波導(dǎo)2在光纖放大器1(130)發(fā)出的脈沖的中心波長(zhǎng)處有反常色散，則是更有利的。
[0022]在本發(fā)明的另一些實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)以下部件能被加到所述系統(tǒng)以提高其性能，如圖2所示。
[0023]光纖放大器2(260): —光纖放大器能被包括于所述MLFL(210)和非線(xiàn)性波導(dǎo)I(220)之間，所述放大器在1500m到1650nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)有一增益，例如，一鉺摻雜光纖放大器。所述光纖放大器有三個(gè)功能。第一，它將一低功率MLFL的功率提升到拉曼自頻移過(guò)程的所需水平。第二，它光譜展寬且壓縮來(lái)自所述鎖模振蕩器的脈沖，其提高了所述頻移過(guò)程的效率，使得所述頻移脈沖的脈沖能量提高或者脈沖寬度減小。第三，通過(guò)調(diào)節(jié)放大增益，它提供了用于調(diào)節(jié)波長(zhǎng)偏移量的機(jī)構(gòu)。所述波長(zhǎng)調(diào)節(jié)用于所述輸出的超連譜續(xù)參數(shù)的優(yōu)化，包括它的光譜亮度、帶寬、光譜平坦度、和相干性。
[0024]偏振控制器I(250):這個(gè)裝置是一手動(dòng)或自動(dòng)的偏振控制器，其插入在所述MLFL(210)和非線(xiàn)性波導(dǎo)1(220)之間。所述偏振控制器被用作為通過(guò)自頻移過(guò)程控制波長(zhǎng)偏移量的第二調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。為了額外的穩(wěn)定性，一自動(dòng)化控制器可用于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)到光譜中的所需點(diǎn)。
[0025]值得注意的是，在一個(gè)實(shí)施例中，偏振控制器1(250)能直接置于鎖模光纖激光器(210)后或者在光纖放大器2(260)和非線(xiàn)性波導(dǎo)1(220)之間。
[0026]在一些實(shí)施例中，使用偏振保持光纖(polarizat1n maintaining fiber)來(lái)構(gòu)造MLFL(210)以及光纖放大器2(260)。在這些情形中，僅通過(guò)使用光纖放大器2(260)的增益來(lái)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)偏移。
[0027]色散元件1(270):為了在進(jìn)入光纖放大器1(230)的脈沖上產(chǎn)生所需量的啁啾，該組件包括在非線(xiàn)性波導(dǎo)1(220)之后。所述組件包括一色散裝置，包括但不限制于光波導(dǎo)、啁啾布拉格光柵、棱鏡對(duì)、以及衍射光柵對(duì)。在一些實(shí)施例中，所述色散值被設(shè)計(jì)為，通過(guò)該色散和放大器的非線(xiàn)性之間的相互作用，將光纖放大器1(230)的輸出脈沖壓縮至最短持續(xù)時(shí)間。在其他實(shí)施例中，色散元件I被設(shè)計(jì)為增加所述脈沖持續(xù)時(shí)間以減少所述放大器中的非線(xiàn)性效應(yīng)。在這些情形中，使用所述色散元件2(見(jiàn)下文)壓縮所述脈沖。所述色散值是通過(guò)監(jiān)聽(tīng)輸出超連續(xù)譜帶寬、光譜平坦度、和相干性來(lái)選定的，目的是優(yōu)化參數(shù)。
[0028]在一些實(shí)施例中，在非線(xiàn)性波導(dǎo)I后或者在光纖放大器I的多級(jí)內(nèi)增加一波長(zhǎng)選擇元件，對(duì)于為光纖放大器調(diào)節(jié)所述輸出光譜是有利的。
[0029]偏振控制器2(290):該組件調(diào)節(jié)脈沖在進(jìn)入光纖放大器I之前的偏振態(tài)。通過(guò)控制這個(gè)偏振態(tài)，能調(diào)節(jié)光纖放大器中的有效非線(xiàn)性，其用于優(yōu)化光纖放大器I中的非線(xiàn)性脈沖壓縮.
[0030]值得注意的是，在一個(gè)實(shí)施例中，偏振控制器2(290)能直接置于非線(xiàn)性波導(dǎo)I(220)之后或者在色散元件I (270)和光纖放大器I (230)之間。
[0031 ] 在一些實(shí)施例中，使用偏振保持光纖(polarizat1n maintaining fibers)構(gòu)造光纖放大器1(230)。在這些情形中，使用光纖放大器1(230)的增益來(lái)調(diào)節(jié)光纖放大器I中的非線(xiàn)性。
[0032]色散元件2(280):這個(gè)組件包括在非線(xiàn)性波導(dǎo)2(240)之前，作為用于對(duì)在進(jìn)入所述非線(xiàn)性波導(dǎo)的脈沖上的啁啾量進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。所述組件包括一色散元件，包括但不限于光波導(dǎo)、啁啾布拉格光柵、棱鏡對(duì)、以及衍射光柵對(duì)。所述色散值是通過(guò)監(jiān)聽(tīng)下列參數(shù)中的一個(gè)或者多個(gè)來(lái)選定的:輸出超連續(xù)光譜亮度、帶寬、光譜平坦度，和相干性，目的是優(yōu)化所述參數(shù)。
[0033]在另一實(shí)施例，另一偏振控制器能在光纖放大器I和非線(xiàn)性波導(dǎo)2之間使用。進(jìn)入非線(xiàn)性波導(dǎo)2中的光的偏振將被調(diào)節(jié)以?xún)?yōu)化如下參數(shù)的一個(gè)或者多個(gè):輸出超連續(xù)譜光譜亮度、帶寬、光譜平坦度，和相干性。
[0034]本發(fā)明的一實(shí)施例提供了一系統(tǒng)和一方法用于穩(wěn)定和調(diào)諧栗浦波長(zhǎng)和脈沖波形，且因此通過(guò)調(diào)節(jié)光纖放大器I或2(330或360)的增益或偏振控制器I或2(350或390)，來(lái)優(yōu)化所述超連續(xù)譜的參數(shù)，如圖3所示。如上所述，除了所述MLFL(310)、非線(xiàn)性波導(dǎo)1(320)、光纖放大器1(330)和非線(xiàn)性波導(dǎo)2(340)，所述組件的一個(gè)或多個(gè):偏振控制器1(350)、光纖放大器2 (360)、色散元件I (370)、偏振控制器2(390)和色散元件2 (380)是可選擇包括在內(nèi)的。通過(guò)從所述輸出超連續(xù)譜光譜、從非線(xiàn)性波導(dǎo)1(320)的輸出、或者從光纖放大器1(320)的輸出，借助反饋回路濾波器(395)接收反饋，所述變量(增益或偏振)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以穩(wěn)定系統(tǒng)到期望的狀態(tài)。調(diào)節(jié)參數(shù)以?xún)?yōu)化輸出光譜平坦度、帶寬和相干性。
[0035]第二拉曼自頻移
[0036]在一個(gè)實(shí)施例中，一第二拉曼自頻移過(guò)程被添加到包含一MLFL(410)、一非線(xiàn)性波導(dǎo)I(420)、一光纖放大器I(430)和一非線(xiàn)性波導(dǎo)2(440)的系統(tǒng)中，以進(jìn)一步推進(jìn)栗浦脈沖波長(zhǎng)使其更靠近MIR范圍，如圖4所示。這個(gè)拉曼自頻移過(guò)程在光纖放大器I (430)內(nèi)發(fā)生或在一中間部分如非線(xiàn)性波導(dǎo)3(450)內(nèi)發(fā)生，所述非線(xiàn)性波導(dǎo)3(450)置于光纖放大器1(430)和非線(xiàn)性波導(dǎo)2(440)之間。在這個(gè)配置中，所述脈沖在進(jìn)入非線(xiàn)性波導(dǎo)2(440)之前其波長(zhǎng)被偏移到長(zhǎng)于2100nm但短于3000nm。所述系統(tǒng)的這個(gè)改變提供了兩個(gè)優(yōu)勢(shì):
[0037](a)所述輸出光譜能被擴(kuò)展到更遠(yuǎn)至進(jìn)入MIR范圍。很好理解的是，通過(guò)偏移所述栗浦脈沖波長(zhǎng)到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)能把所述產(chǎn)生的超連續(xù)譜偏移到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。
[0038](b) —些用于MIR應(yīng)用的非線(xiàn)性材料，具有長(zhǎng)于2100nm的零色散波長(zhǎng)。在波長(zhǎng)長(zhǎng)于2100nm范圍抽運(yùn)超連續(xù)譜源的能力，允許使用了這些非線(xiàn)性波導(dǎo)的連續(xù)體的有效產(chǎn)生。
[0039]非線(xiàn)性波導(dǎo)3(450)有反常色散且是使用在波長(zhǎng)范圍從2100nm到3000nm傳輸光的一材料制成的。
[0040]值得注意的是，在一些實(shí)施例中，光纖放大器1(430)還起非線(xiàn)性波導(dǎo)的作用，其產(chǎn)生拉曼偏移光，在這些情形中，非線(xiàn)性波導(dǎo)3(450)能從系統(tǒng)去除。
[0041]本發(fā)明的另一實(shí)施例是包含4個(gè)關(guān)鍵組件的系統(tǒng)，如圖1所示。第一個(gè)組件是一鎖模光纖激光器(11^0(110)，其支持短于1?8的有限變換脈沖寬度以及190011111和210011111之間的中心波長(zhǎng)。將MLFL(IlO)基于摻雜的光纖構(gòu)造為增益介質(zhì)以及鎖模機(jī)構(gòu)。來(lái)自光纖激光器的輸出被耦合到非線(xiàn)性波導(dǎo)1(120)中，所述非線(xiàn)波導(dǎo)1(120)通過(guò)稱(chēng)為拉曼孤子自頻移的過(guò)程偏移其波長(zhǎng)到長(zhǎng)于2100nm且短于3500nm的波長(zhǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中，非線(xiàn)性波導(dǎo)1(120)在所述輸入脈沖波長(zhǎng)處有一反常色散和大于1W—11if1的非線(xiàn)性系數(shù)。第三級(jí)，光纖放大器I(130)，是運(yùn)作在波長(zhǎng)范圍2100nm和3500nm之間的一放大器，例如，基于銩(Thulium)和/或鈥(Holmium)摻雜光纖的放大器系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，光纖放大器1(130)是一雙級(jí)或多級(jí)放大器。在一些實(shí)施例中，除了放大它們的能量外，光纖放大器1(130)增加額外的光譜帶寬和/或壓縮脈沖，其是通過(guò)比如自相位調(diào)制的非線(xiàn)性過(guò)程增加額外的光譜帶寬。所述放大器輸出耦合進(jìn)非線(xiàn)性波導(dǎo)2(140)內(nèi)，該非線(xiàn)性波導(dǎo)是由一在中紅外范圍內(nèi)透明的材料制成的。所述波導(dǎo)設(shè)計(jì)為，通過(guò)比如但不限制于自相位調(diào)制、調(diào)制不穩(wěn)定性和拉曼散射的非線(xiàn)性過(guò)程光譜展寬所述輸入脈沖。如果所述非線(xiàn)性波導(dǎo)2(140)有一近零色散點(diǎn)，其接近光纖放大器1(130)發(fā)出的脈沖的中心波長(zhǎng)，且然后微調(diào)所述源至零色散波長(zhǎng)，則是有利的，。如果所述非線(xiàn)性波導(dǎo)2在光纖放大器1(130)發(fā)出的脈沖的中心波長(zhǎng)有反常色散，則是進(jìn)一步有利的。
[0042]在本發(fā)明的另一實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)以下部件能被加到所述系統(tǒng)以提高其性能，如圖2所示。
[0043]光纖放大器2(260):—光纖放大器能包括于所述MLFL(210)和非線(xiàn)性波導(dǎo)I (220)之間，所述放大器在波長(zhǎng)范圍從1900m到2100nm內(nèi)有一增益，例如，一TM或ΤΜ/Η0摻雜光纖放大器。所述放大器有三個(gè)功能，第一，它將低功率MLFL的功率提升到用于拉曼自頻移過(guò)程所需的功率水平，第二，它壓縮來(lái)自所述鎖模振蕩器的脈沖，其提高了頻移過(guò)程的效率，導(dǎo)致用于頻移的脈沖的脈沖能量增大或脈沖寬度減小。第三，通過(guò)調(diào)節(jié)放大器增益，提供了用于調(diào)節(jié)波長(zhǎng)偏移量的機(jī)構(gòu)。所述波長(zhǎng)調(diào)節(jié)用于輸出的超連續(xù)譜參數(shù)的優(yōu)化，包括該連續(xù)譜的光譜亮度、帶寬、光譜平坦度、和相干性。
[0044]偏振控制器I(250):這個(gè)裝置是一手動(dòng)或自動(dòng)的偏振控制器，其插入在所述MLFL(210)和非線(xiàn)性波導(dǎo)1(220)之間。通過(guò)自頻移過(guò)程，所述偏振控制器被用作為控制波長(zhǎng)漂移量的第二調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。為了額外的穩(wěn)定性，一自動(dòng)化控制器可被用于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)至光譜中的期望點(diǎn)。
[0045]值得注意的，是一個(gè)實(shí)施例中，偏振控制器1(250)能直接置于鎖模光纖激光器(210)后或者在光纖放大器2(260)和非線(xiàn)性波導(dǎo)1(220)之間。
[0046]在一些實(shí)施例中，使用偏振保持光纖(polarizat1n maintaining fiber)構(gòu)造所述MLFL(210)和光纖放大器2(260)。在這些情形中，僅使用光纖放大器2(260)的增益來(lái)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)偏移。
[0047]色散元件1(270):這個(gè)元件被包含于非線(xiàn)性波導(dǎo)1(220)之后，以在進(jìn)入光纖放大器2(260)的脈沖上產(chǎn)生期望的啁啾量。所述組件包括一色散裝置，包括但不限于光波導(dǎo)、啁啾布拉格光柵、棱鏡對(duì)、衍射光柵對(duì)。在一些實(shí)施例中，所述色散值被設(shè)計(jì)為，通過(guò)該色散和放大器的非線(xiàn)性之間的相互作用，將光纖放大器1(230)的輸出脈沖壓縮至最短持續(xù)時(shí)間。在另一些實(shí)施例中，色散元件I被設(shè)計(jì)為增加脈沖持續(xù)時(shí)間以降低所述放大器中的非線(xiàn)性效應(yīng)，在這些情形中，使用色散元件2(見(jiàn)下文)將所述脈沖重新壓縮。所述色散值是通過(guò)監(jiān)聽(tīng)輸出超連續(xù)譜帶寬、光譜平坦度、和相干性來(lái)選定的，目的是優(yōu)化參數(shù)。
[0048]偏振控制器2(290):這個(gè)組件調(diào)節(jié)在進(jìn)入光纖放大器I前的脈沖的偏振態(tài)。通過(guò)控制這個(gè)偏振態(tài)，能調(diào)節(jié)光纖放大器中的有效非線(xiàn)性，其用于優(yōu)化光纖放大器I中的非線(xiàn)性脈沖壓縮.
[0049]在一些實(shí)施例中，使用偏振保持光纖(polarizat1n maintaining fiber)構(gòu)造光纖放大器1(230).在這些情形中，使用光纖放大器1(230)的增益來(lái)調(diào)節(jié)光纖放大器I中的非線(xiàn)性。
[0050]值得注意的是，在一個(gè)實(shí)施例中，偏振控制器2(290)能直接置于鎖模光纖激光器(220)后或者在色散元件1(270)和光纖放大器I (230)之間。
[0051]色散元件2(280):這個(gè)組件包括在非線(xiàn)性波導(dǎo)2(240)之前，作為用于對(duì)在進(jìn)入所述非線(xiàn)性波導(dǎo)的脈沖上的啁啾量進(jìn)行調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)。所述組件包括一色散裝置，包括但不限于光波導(dǎo)、啁啾布拉格光柵、棱鏡對(duì)、以及衍射光柵對(duì)。所述色散值是通過(guò)監(jiān)聽(tīng)如下參數(shù)的一個(gè)或多個(gè)來(lái)選定的:輸出超連續(xù)譜光譜亮度、帶寬、光譜平坦度，和相干性，目的是優(yōu)化參數(shù)。
[0052]本發(fā)明的一實(shí)施例提供了一系統(tǒng)和一方法，用于穩(wěn)定和調(diào)諧所述栗浦波長(zhǎng)和脈沖形狀，且因此通過(guò)調(diào)節(jié)光纖放大器I或2(330或360)的增益或所述偏振控制器I或2(350或390)，來(lái)優(yōu)化所述超連續(xù)譜的所述參數(shù)，如圖3所示。如上所述，除了所述MLFL(310)、非線(xiàn)性波導(dǎo)1(320)、光纖放大器1(330)和非線(xiàn)性波導(dǎo)2(340)，所述組件的一個(gè)或多個(gè):偏振控制器I (350)、光纖放大器2(360)、色散元件I (370)、偏振控制器2(390)和色散元件2(380)是可選擇包括在內(nèi)的。通過(guò)借助反饋回路濾波器(395)從輸出超連續(xù)譜光譜、從非線(xiàn)性波導(dǎo)1(320)的輸出、或者從光纖放大器1(330)的輸出接收反饋，所述變量(增益或偏振)是動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的，以穩(wěn)定系統(tǒng)使其達(dá)到期望狀態(tài)。調(diào)節(jié)參數(shù)以?xún)?yōu)化輸出光譜平坦度、帶寬和相干性。
[0053]具有兩個(gè)種子(seed)波長(zhǎng)的超連續(xù)譜(SC)生成技術(shù)
[0054]在一些情形中，有利的是，延伸或平滑所述超連續(xù)譜，來(lái)將通過(guò)一分束器(520)的兩種不同的波長(zhǎng)植入(seed)上文所述的非線(xiàn)性波導(dǎo)2(560)，如圖5所示。一個(gè)波長(zhǎng)能通過(guò)MLFL(510)直接產(chǎn)生，而所述第二種子波長(zhǎng)將通過(guò)非線(xiàn)性波導(dǎo)1(530)產(chǎn)生，并由光纖放大器1(540)放大。
[0055]在一些實(shí)施例中，光纖放大器3(580)用于提高從所述MLFL分離的功率。
[0056]在一些實(shí)施例中，一合波器(590)用于結(jié)合進(jìn)入非線(xiàn)性波導(dǎo)2前的所述兩路徑中的光。
[0057]在一些實(shí)施例中，變量延遲元件(550)調(diào)節(jié)所述第一路徑中的脈沖的延遲或者變量延遲元件(570)調(diào)節(jié)所述第二路徑中的脈沖的延遲。
[0058]值得注意的是，在一個(gè)實(shí)施例中，這個(gè)方法能與在第二拉曼自頻移部分的上述實(shí)施例結(jié)合。在這個(gè)情形中，通過(guò)所述MLFL產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)，而通過(guò)非線(xiàn)性波導(dǎo)3產(chǎn)生所述第二種子波長(zhǎng)。
[0059]利用波混頻的飛秒MIR脈沖生成技術(shù)
[0060]在一個(gè)實(shí)施例中，如圖6所示，來(lái)自所述MLFL(610)的光功率的一部分通過(guò)位于所述非線(xiàn)性波導(dǎo)1(630)之前的分束器(620)分離，并且該光功率的一部分在一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置(660)中與來(lái)自光纖放大器I (640)的輸出混合。一可調(diào)延遲線(xiàn)(650)置于與時(shí)域內(nèi)的脈沖對(duì)齊的光束路徑上。在一些實(shí)施例中，一光纖放大器3(680)用于提高從所述鎖模光纖激光器(610)輸出分離的功率。在這種情形中，一額外的可調(diào)延遲線(xiàn)(670)可能置于所述光纖放大器3(680)之前。一些實(shí)施例中，一合波器(690)用于結(jié)合進(jìn)入所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置前的來(lái)自所述兩路徑的光。
[0061]有兩個(gè)類(lèi)別的裝置用于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
[0062](a)差頻產(chǎn)生裝置
[0063]所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置是由一具有第二階光學(xué)非線(xiàn)性的材料制成的。在這個(gè)情形中，輸出脈沖有一中心頻率，這是來(lái)自所述MLFL和光纖放大器I的輸出的中心頻率之間的區(qū)別。所述生成脈沖有在3500nm和I 100nm之間的一中心頻率。
[0064](b)四波混頻裝置
[0065]所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置是基于非線(xiàn)性波導(dǎo)的，該非線(xiàn)性波導(dǎo)具有一零色散點(diǎn)，其接近于離開(kāi)光纖放大器的脈沖的波長(zhǎng)。在這種情形中，輸出脈沖有一中心頻率，其通過(guò)從光纖放大器I的輸出脈沖中心頻率的兩倍減去鎖模激光器輸出脈沖的中心頻率計(jì)算出。所述生成脈沖具有在230011111和1100011111之間的中心波長(zhǎng)。
[0066]值得注意的是，在此說(shuō)明的所述混頻概念能與在第二拉曼自頻移部分的上述實(shí)施例結(jié)合。所述混頻能發(fā)生在非線(xiàn)性波導(dǎo)3和光纖放大器I的輸出之間，或者發(fā)生在非線(xiàn)性波導(dǎo)3和光纖放大器3的輸出之間。
[0067]—實(shí)施例涉及到在第二拉曼自頻移部分中描述的配置，如圖7所示。如上文所述，來(lái)自MLFL (710)的輸出被耦合到非線(xiàn)性波導(dǎo)I (720),并且被光纖放大器I (730)放大。通過(guò)從非線(xiàn)性波導(dǎo)3(740)發(fā)送所述脈沖進(jìn)入一帶通濾波器(750)，僅選擇所述拉曼偏移組件，該組件在中心波長(zhǎng)長(zhǎng)于2100nm處包含一飛秒脈沖序列。所述系統(tǒng)產(chǎn)生2100nm和3000nm之間的脈沖。
[0068]值得注意的是，如在第二拉曼自頻移部分所描述的，在一些實(shí)施例中，光纖放大器I還起一非線(xiàn)性波導(dǎo)的作用，其產(chǎn)生拉曼偏移光。在這些情形中，非線(xiàn)性波導(dǎo)3能從系統(tǒng)去除。
[0069]Mid-1R光譜系統(tǒng)
[0070]在一個(gè)實(shí)施例中，一完整的光譜系統(tǒng)能用上文描述的超連續(xù)譜源制造，如圖8所示，所述系統(tǒng)包含三個(gè)主要的子系統(tǒng):所述超連續(xù)譜源(810)、一樣本處理單元(820)、和一光譜儀或干涉儀(830)，用于分析來(lái)自樣本的光的發(fā)送、反射或散射。在一些實(shí)施例中，所述光譜儀是一傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)。所述樣本處理單元(820)是任意安裝件或附件(mount or enclosure)，將允許來(lái)自超連續(xù)譜源(810)的光通過(guò)、反射或散射離開(kāi)樣品。所述樣品可以是液體、氣體或固體形式的任何材料。所述用于調(diào)諧超連續(xù)譜光譜性能的方法，通過(guò)在調(diào)諧超連續(xù)譜輸出光譜期間執(zhí)行多光譜掃描，能用于最大化所述系統(tǒng)的光譜范圍。
[0071]雖然本發(fā)明相當(dāng)詳細(xì)地?cái)⑹隽司哂心承┨厥庑缘膸讉€(gè)實(shí)施例，但不意味著本發(fā)明限定于任何此類(lèi)實(shí)施例或任何特定的實(shí)施例中，但本發(fā)明將根據(jù)附加的權(quán)利要求進(jìn)行解釋?zhuān)詮默F(xiàn)有技術(shù)的角度提供這類(lèi)權(quán)利要求的最廣泛的可能解釋?zhuān)蚨苡行У睾w本發(fā)明的預(yù)期范圍。進(jìn)一步地，以上描述了根據(jù)發(fā)明人所預(yù)知實(shí)施例的本發(fā)明，所述實(shí)施例中已有一個(gè)可用的使能描述，雖然本發(fā)明做了輕微的修改，并且目前不能預(yù)知，但是仍然可以代表其等同物。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超連續(xù)譜系統(tǒng)，包括: 一光纖激光器(110)，其配置為輸出具有中心波長(zhǎng)的脈沖； 一第一非線(xiàn)性波導(dǎo)(120 )，其配置為偏移來(lái)自所述光纖激光器的脈沖的波長(zhǎng)； 一至少一級(jí)的第一光纖放大器(130)，其配置為放大來(lái)自所述第一非線(xiàn)性波導(dǎo)的輸出；和 一第二非線(xiàn)性波導(dǎo)(140)，其配置為光譜展寬來(lái)自所述第一光纖放大器的輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光纖激光器(110)輸出一脈沖，其支持短于Ips的有限變換脈沖寬度以及具有1500nm和1650nm之間的中心波長(zhǎng)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述第一非線(xiàn)性波導(dǎo)(120)偏移來(lái)自所述光纖激光器(110)的輸出波長(zhǎng)，使其長(zhǎng)于1700nm并短于2800nmo4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述光纖放大器(130)在波長(zhǎng)范圍1700nm和1800nm之間運(yùn)行。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二非線(xiàn)性波導(dǎo)(140)是由在中紅外范圍有一些透明度的材料制成的。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二非線(xiàn)性波導(dǎo)(140)有一近零散射點(diǎn)，其接近于離開(kāi)所述光纖放大器的脈沖的中心波長(zhǎng)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二非線(xiàn)性波導(dǎo)(140)在離開(kāi)所述光纖放大器的脈沖的中心波長(zhǎng)處有反常散射。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一第二光纖放大器(260)，其配置為提升來(lái)自鎖模光纖激光器的功率和控制波長(zhǎng)偏移量。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一第一偏振控制器(250)，其通過(guò)一拉曼孤子自頻移過(guò)程控制波長(zhǎng)偏移量。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一第一色散元件(270)，其配置為在進(jìn)入所述第二光纖放大器的脈沖上產(chǎn)生一期望值的啁啾量。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一第二偏振控制器(290)，其配置為調(diào)節(jié)進(jìn)入所述第一光纖放大器的脈沖的偏振態(tài)。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一第二色散元件(280)，其配置為調(diào)節(jié)進(jìn)入所述第二非線(xiàn)性波導(dǎo)的脈沖上的啁啾量。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一第三偏振控制器(290)，其配置為調(diào)節(jié)進(jìn)入所述第二非線(xiàn)性波導(dǎo)的脈沖的偏振態(tài)。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一第三非線(xiàn)性波導(dǎo)(450)，其置于所述第一光纖放大器和所述第二非線(xiàn)性波導(dǎo)之間，以偏移來(lái)自所述第一光纖放大器的輸出的波長(zhǎng)。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一分束器，其位于所述第二光纖放大器之后，用于將所述光纖激光器的輸出分為第一路徑和第二路徑，第一路徑上的輸出耦合到所述第一非線(xiàn)性波導(dǎo)，且來(lái)自所述第一光纖放大器的光與所述第二路徑的輸出結(jié)合，并耦合到所述第二非線(xiàn)性波導(dǎo)，目的是將兩種不同的波長(zhǎng)植入第二非線(xiàn)性波導(dǎo)。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一分束器(520)，其位于所述光纖激光器之后，用于將所述光纖激光器的輸出分為第一路徑和第二路徑，第一路徑上的輸出耦合到所述第一非線(xiàn)性波導(dǎo)，且來(lái)自所述第一光纖放大器的光與所述第二路徑的輸出結(jié)合，并耦合到所述第二非線(xiàn)性波導(dǎo)，目的是將兩種不同的波長(zhǎng)植入第二非線(xiàn)性波導(dǎo)。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一可變延遲線(xiàn)(550，570)，其位于第一路徑上或位于第二路徑上。18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一第三光纖放大器(580)，其位于第二路徑上。19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一帶通濾波器(750)，其配置為在輸出脈沖里選擇一光譜帶。20.用于操作超連續(xù)譜系統(tǒng)的一方法，該系統(tǒng)包括:一光纖激光器(110)，其配置為輸出具有一中心波長(zhǎng)的脈沖;一第一非線(xiàn)性波導(dǎo)(120)，其配置為偏移來(lái)自所述光纖激光器的脈沖的波長(zhǎng);一具有至少一級(jí)的光纖放大器(130)，其配置為放大來(lái)自所述第一非線(xiàn)性波導(dǎo)的輸出；和一第二非線(xiàn)性波導(dǎo)(140)，其配置為光譜展寬來(lái)自所述第一光纖放大器的輸出，所述方法包括: 從所述第一光纖放大器的輸出或者所述第二非線(xiàn)性波導(dǎo)的輸出接收反饋;和 調(diào)節(jié)進(jìn)入所述第二非線(xiàn)性波導(dǎo)的脈沖的峰值功率、能量、波長(zhǎng)或者偏振。21.—光譜系統(tǒng)，包括: 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超連續(xù)譜系統(tǒng)； 一樣本處理單元，其配置為引導(dǎo)來(lái)自超連續(xù)譜系統(tǒng)輸出的光穿過(guò)或反射離開(kāi)一樣本；和 一光譜儀或干涉儀，其配置為分析穿過(guò)樣本、反射離開(kāi)樣本或者被樣本散射的光。22.用于提高光譜系統(tǒng)的光譜范圍的一方法，該光譜系統(tǒng)包括:一光纖激光器，其配置為輸出具有一中心波長(zhǎng)的脈沖;一第一非線(xiàn)性波導(dǎo)，其配置為偏移來(lái)自所述光纖激光器的脈沖的波長(zhǎng);至少一級(jí)的一第一光纖性放大器，其配置為放大來(lái)自所述第一非線(xiàn)性波導(dǎo)的輸出；一第二非線(xiàn)性波導(dǎo)，其配置為光譜展寬來(lái)自所述第一光纖放大器的輸出；一樣本處理單元，其配置為引導(dǎo)來(lái)自所述超連續(xù)譜系統(tǒng)的光輸出，使其通過(guò)或者反射離開(kāi)一樣本;和一光譜儀或干涉儀，其配置為分析通過(guò)樣本、反射離開(kāi)樣本或被樣本散射的光，所述方法包括:當(dāng)調(diào)節(jié)所述超連續(xù)譜的一個(gè)或多個(gè)參量時(shí)執(zhí)行多光譜測(cè)量。
【文檔編號(hào)】H01S3/067GK106030934SQ201580009941
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年1月5日
【發(fā)明人】R·薩利姆, P·芬德?tīng)? A·凱布爾
【申請(qǐng)人】統(tǒng)雷有限公司