飞秒激光作用蓝宝石光纤产生超连续谱的研究
2022-02-05
来源:易榕旅网
第30卷第1期 2015年2月 光电技术应用 ELECTRO.OPTIC TECHNOLOGY APPLICAT10N Vol_30.No.1 February,2015 ・光电器件与材料・ 飞秒激光作用蓝宝石光纤产生超连续谱的研究 吕 良,谭勇 (长春理工大学理学院,长春130022) 摘要:对飞秒激光作用蓝宝石光纤产生超连续谱进行了实验研究。选用脉冲宽度为50 fs的飞秒激光器作为泵浦光,9 cm 蓝宝石光纤为非线性介质;当激光器中心波长分别为l 200 am、1 300 am、1 400 nm、1 500 nm时,在蓝宝石光纤输出端均可获得红 外和可见波段的超连续光源;为了寻求可见波段更好的超连续光源输出,在实验装置中加入半导体可饱和吸收体(SESAM),利用 光纤端面和SASEM构成谐振腔,通过SESAM的反馈实现多次作用光纤。结果表明,在可见波段内能够获得460~780 nm平坦稳 定的超连续光源输出。 关键词:蓝宝石光纤;超连续光源;SESAM 中图分类号:0433.5 文献标识码:A 文章编号:1673.1255(2015)一01—0022-04 Research on Super—continuous Spectrum in Sapphire Fiber Acted by Femto..second Laser LV Liang,TAN Yong rCollege ofScience,Changchun University ofScience and Technology,Changchun 130022,ChinaJ Abstract:Super.continuous spectrum in sapphire fiber acted by feinto.second lasers iS researched.A fem. to—second laser with 50 fs pulse width is chosen as a pumping light source and a 9 cm sapphire fiber as nonlinear medium.The super—continuous light sources in Infrared and visible band can be obtained at sapphire fiber output terminal when laser center wavelength is 1 200 nm,1 300 nm,1 400 nm and 1 500 nm respectively.Semiconductor saturable absorber mirror(SESAM)is added to experimental devices to get better super-continuous light source out— put in visible band.A resonator is made up of ifber terminal surface and SESAM.And multi—acted ifber is realized by SESAM feedback.The resuhs show that 460-780 nm flat and stable super-continuous light source output in visi- ble band iS obtained. Key words:sapphire ifber;super continuous light source;semiconductor saturable absorber mirror(SESAM) 飞秒激光作用非线性介质产生的超连续谱作为 2007年,Shizhou YIn等人 首先研究了使用单 晶体蓝宝石光纤产生超连续辐射的研究。首先,理 论分析了使用蓝宝石光纤的主要优点,然后通过实 光源基于它较宽的频谱范围,使它在光学相干摄影、 光度量等多种时间分辨光谱技术和探测技术中拥有 研、生活中,它改变了人们传统的认知,具有区别于 单一波长激光器特定优势,在复杂体系的探测、鉴别 等技术中扮演着十分重要的角色。同时在可见波段 极其重要的应用。它被作为新光源应用在日常科 验证实了使用蓝宝石光纤可以得到更好的超连续 谱。最后指出,使用蓝宝石光纤所得到更好的超连 续谱将会对超连续辐射的应用有重要作用。2010 年,w M Nakaema等人 I使用超短脉冲激光分别在 5 cm蓝宝石光纤和光子晶体光纤得到了超连续辐 范围内的超连续光源在新一代激光显示等领域具有 很好的发展前景。 收稿日期:2014—12—26 射。实验结果表明,虽然光子晶体光纤得到了更宽 作者简介:吕良(1989.),男,在读硕士研究生,主要研究方向为非线性光学 第1期 吕良等:飞秒激光作用蓝宝石光纤产生超连续谱的研究 23 的光谱,但是在可见光和近红外部分,蓝宝石光纤得 到的超连续谱具有更大的强度,最后讨论了使用从 蓝宝石光纤得到的超连续谱在多波长光纤衰荡光谱 技术中的应用。 仪和红外光谱仪探测,研究有无SESAM对产生超连 续谱的影响。实验装置图如图1所示。飞秒激光器 输出波长选定分别为l 200 nlTl、1 300 nnl、1 400 nlTl、 1 500 rim。通过选用四种飞秒激光器中心波长进行 实验研究。飞秒激光作用蓝宝石光纤实物冈如图2。 望基于蓝宝石光纤能够产生较好的超连续谱,利 用飞秒激光作用蓝宝石光纤,在光纤输出端加入 SESAM,通过对比分析了有无SESAM对产生超连续 谱的影响。 百 ,,一纤一七一 光纤后嚣 1 实验装置 实验选用型号为Liber—HE的超短脉冲飞秒激光 器,其脉宽为50 fs,通过OPA系统实现波长的可调 谐。蓝宝石光纤是美国PHOTRAN公司所生产的单 图2飞秒激光脉冲作用蓝宝石光纤实物 晶体蓝宝石光纤,其直径为425 m。实验所用的蓝 宝石光纤均为人工端面抛光,进行端面抛光的打磨 工具也是从PHOTRAN所购。SESAM 是一种可饱 2实验结果与讨论 2.1 无SESAM时光纤后端可见光谱仪探测 在不加入SESAM时,在光纤后端直接探测,飞 秒激光器中心波长l 200~1 500 nm时可见光谱仪得 到光谱图如冈3a~图3d所示。 1.0 l匾和吸收体结合它自身的特性能够区别于普通反射镜 反射窄带波长的激光,SESAM能够反射较宽的频谱 范围内激光,同时它在腔内还能启动锁模,实现对脉 冲的压缩得到稳定的输m,这也为得到稳定超连续 光源输m提供了条件。针对实验的输出光谱范同, 光谱仪采用近红外光谱仪南海洋公司的NIR. Quest256—2.5,测量范围为900~2500 nm。还有同样 南海洋公司生产的可见光谱仪H—R4000,测量范围 200~ll00 nm。采集数据的软件是海洋公司的Spec— traSuite。 O.9 O盘 o.6 慧o.5 0.4 O_3 O-2 O.1 400 实验过程中,先不加入SESAM,利用飞秒激光 直接作用蓝宝石光纤,在光纤后段采用可见光谱仪 和红外光谱仪分别探测;然后在光纤后端加入SES— AM,在光纤前段加人格兰棱镜分光,通过利用光纤 500 600 7oo 8oo 900 1 ooo 1 1oo 波长/irm (a)无SESAM.光纤后端可见光谱仪 端面和SESAM构成谐振腔,在光纤前段用可见光谱 1 300 n【l1I ● 嚣 I II JI 1 ¨ _ J { I 嘿 见光谱仪 I -J I 几 _J lJ J ‘IlI ’II I 11{ ’I.0 ’ l lI 1JIlI. 芦 -’ ● 。吻 .波长/nm 、、/ (b)无SESAM,光纤后端可见光谱仪 图1实验装置图 24 光电技术应用 第30卷 一. 一\髓 ●O 0 O O O 0 O O O 波长,nm 波长/nm (t・)无SESAM,光纤后端可见光谱仪 (a)无SESAM,光纤后端红外光谱仪 J ● 1 300 nnl『 蠹 慧 I f’ ^ I A / ’、^, J ,、 广 0 O 0 0 0 0 O O 0 0 ●O O O O 0 O O O O O (d)无SESAM,光纤后端可见妃谱仪 JI h lJ ’ T ~ /\/、 一 \嘎 波长/『I『l1 一.g一\鳗 I 200 l 300 I 400 1 500 l 600 I 700 I 800 波长/nm (I,)无SESAM,光纤后端红外光谱仪 3 琶秒激光器中心波长为l 200—1 500 nnl时 光纤后端探测可见光谱仪得到光谱罔 从冈3a~图3d巾可以看出,脉冲激光在可见波长 范围内均得到了较宽的超连续光氆可见波段的超连 续谱形成是由于飞秒激光脉冲在作用蓝宝石光纤时, 产生了自相位调制等非线性现象所引起的 -。当超短 脉冲强光场作用光纤时,光纤的折射率会随着超短脉 冲的不断作用而引起变化,这也造成了脉冲自身的相 位产生变化;南于不同脉冲分量之间的群速度是不同 的光脉冲在传输过程中引起了不同的相移,这造成了 波长/nm - 磊 骥 (c)无SESAM。光纤后端红外光谱仪 光脉冲的频谱得到展宽。这种瞬时变化的非线性效 应不单与光强有关,还与时间有关。激光脉冲会随着 时间的不断变化,脉冲自身的前沿、后沿会出现瞬时 频移,是自相位调制引起的频率啁啾,频率啁啾也会 随着传输距离的变化产生相应的变化,证明了在这个 过程巾不断有新的频率分量产生,并使得输出的频谱 得到了展宽。 ._ ? l I 1 5o0 nm F- 、 】蠹 熹 I f f ^ ^且f . . ‘, , f y V .,、一 ~『v v、 2.2无SESAM时光纤后端红外光谱仪探测 波长/nm 在不加入SESAM时,在光纤后端直接探测,飞 秒激光器中心波长为l 200~1 500 nm时红外光谱仪 得到光谱图如图4a ̄图4d所示。 (d)无SESAM,光纤后端红外光谱仪 图4飞秒激光器中心波长为l 200~1 500 nm时 光纤后端探测红外光谱仪得到光谱罔 第l期 R良等:飞秒激光作用蓝宝石光纤产生超连续谱的研究 从图4a~图4d中可以看出,在红外波段,飞秒脉 ^ 冲激光对光纤的作用同样得到了频谱的展宽,在这 一f、 ●0 0 O 0 O O O 0 O 0 O 阶段飞秒脉冲作用光纤基于受激拉曼散射和受 磊 骥 ,1 f一1 500 nml , 1 激克尔效应等非线性作用,使得入射光子的频率发 生了变化,得到了新频率的光子,并且得到了在红 外阶段类拉曼光谱图。 J l l { , ..l 粤 1 、 ’’ 一 , 2.3有SESAM时,在光纤前端可见光谱仪探测 根据2.1节的实验结果,在可见波段获得了较宽 的超连续谱,为了寻求更好的超连续光源,在光纤后 端中加入SESAM,利用SESAM与光纤端面构成谐 振腔,在光纤前段探测,飞秒激光器中心波长为1 200~1 500 nm时得到的超连续谱如图5 图5d所示。 J I r . 00 400 500 600 700 800 900 1 000 波长/nm (d)有SESAM,光纤前端可见光谱仪 图5飞秒激光器中心波长为1 200~l 500 nm时, 在光纤前端探测得到超连续谱 实验通过在光纤后端加人半导体可饱和吸收 体(SESAM)反馈 】,入射的激光脉冲经过SESAM反 射完成激光振荡,通过多次作用,光纤得到的超连 l一 200 nmt- l 续谱更加稳定平滑,在可见部分得到了460~780 nm 的超连续谱。对比2.1节中飞秒激光直接作用蓝宝 I f ●O 3 f O 9 8 7 6 5 4 3 2l 石光纤实验得到的超连续谱输}H频谱范围更宽、更 稳定,主要原因是在超短激光脉冲经SESAM反射后 又一次作用在蓝宝石光纤上,在多次作用过程中不仅 有放大作用还使超短激光脉冲再次发生自相位调 制 等非线性现象,所以得到的频谱相比之前得到 的频谱展宽效果更好。在红外阶段没有探测到光 谱图,主要原因是由于SESAM对波长的反射具有选 I f | ’1L 窜 ’ \ 、^一I _、^ 波长/nm (a)有SESAM,光纤前端可见光谱仪 I ¨ l,ll ,r ¨ 一1 300 nml J’ ’- 择性,因此一部分红外波段频率的光子没有得到反 射;同时还有一部分红外波段频率的光子由于光纤 的多次作用,再一次产生的非线性现象演变为可见 波段的新频率光子,这也是频谱相比之前2.1节中 飞秒激光直接作用蓝宝石光纤实验的频谱更宽的 , l 、 IL r l ; l .、 一- ■~ . 原因之一。 300 400 500 600 700 800 900 l 000 ()b SESAM 有 , 光纤前端可见光谱仪 可见光谱仪 J |r l 3结 论 通过飞秒激光作用蓝宝石光纤,在光纤后端加 |, 1 I一 400 nmL一 _ |, 、 入半导体可饱和吸收体SESAM,利用光纤端面与 SESAM构成谐振腔,通过SESAM的反馈作用,实现 磊 l , 1 l 骥 , l ., f ~ 激光脉冲与光纤的多次作用,引起了自相位调制等 非线性效应,产生了新频率的光子,在改变飞秒激 ■ -一 / 波长/nm 光器中心波长1 200~1 500 nm时均得到了在可见波 段460~780 nm平坦稳定的超连续光源。相比较于 没有SESAM实验,在可见波段得到输出更加稳定、 (c)有SESAM,光纤前端可见光谱仪 (下转第31页) 第1期 王含妮等:芳纶纤维复合材料在脉冲激光作用下的热损伤研究 31 (上接第2l页) 现,用一级点时,调节频率过程中会有二倍、四倍、六 1970,QE一6(7):475—477. [5]Weksler M,Vager Z,Neumann G.Measurement of a very high displacement sensitivity of the beat frequency in an 倍谱的出现。在调节声波频率的过程中,可以看出, 频谱仪上对应的谱线频率有98.250 000 MHz、 196.500 000 MHz、98.298 156 MHz、197.266 666 MHz、 He-Ne laser[J].IEEE J.Quantum Electron.1980,QE-16 (7):785.790. [6]Jettappa,Richard Rodrigues,Sharma Seshadri.Frequency error estimation in nonlinear systems using beats[J].ASME Des Eng Div Publ DE.1991,37:91-96. 296.200 000 MHz,基本符合二倍,四倍,六倍的规律, 与理论吻合。 参考文献 李明,李冠成.声光效应实验研究『J].应用光学,2005,26 (6):23—27. [2】 李武军,王晓颖.声光Naman.Nath衍射特性的研究[J].大 【7]Pelusi M D,Liu H F,Novak D.THz optical beat frequen— cy generation from a single mode locked semiconductor laser[J].App1.Phys.Lett,1997,71(4):449—451. [8]Strand O T,Berzins L V,Goosman D R,et a1.Veloeim— etry using heterodyne techniques[J].Proc.SPIE,2005, 5580:593.599. 学物理,2009,28(9):25.27. D].哈尔滨: 【3】 刘闯.声光脉冲延时自外差拍频实验研究【哈尔滨工业大学,2010. of low-absorp— 【4】 Kohanzadeh Y,Auston D H.Measurement[9]程乃平.声光信号处理及应用[M].北京:国防工业出版 社,2004:195. [10]李港.驻波型声光调制器的理论研究[J].北京:北京工业 大学学报,1998,24(1):49.54. tion coeficients usifng the beat frequency shitf between transverse modes of a laser[J].IEEE J.Quantum Electron, (上接第25页) 频谱覆盖范围更宽的超连续光源,这为白光激光的 (23):3616—3618. 研究提供了帮助,可见波段内的超连续光源将会在 激光显示等新一代显示技术中发挥巨大的作用,同 时对于可见波段内的多种复杂体系的探测分析也提 供了理论和实验的研究基础。 参考文献 J H,Zhan C,et a1.Supereontinuum genera— 【1】 Yin S S,Kim [4] Alexander Sell,Gfinther Krauss,Rfidiger Scheu,et a1. 8-fs pulses from a compact Er:fi ber system:quantitative modeling and experimental implementation]J].Optics Ex— press,17(2). [5】 阮双琛,闫培光,郭春雨.光子晶体光纤超连续谱光源 [J].深圳大学学报:理工版,2011,28(4):295.301. [6] 刘双龙,陈丹妮,刘伟.基于全正色散光子晶体光纤的超 连续谱光源『J1.物理学报,2013,62(18):184210.1.184210.7. tion in single crystal sapphire fibers[J].Optics Communica— [7] 冀翔,王小林,周朴.声光调Q纳秒脉冲全光纤超连续 谱光源[J].强激光与粒子束,2013,25(1):119—122. [8】 谭方舟,刘江,孙若愚.基于多模干涉效应的全正色散 tions,2008,281(5):1113—1117. 【2] Nakaema W M,Hao Z,Rohwetter P,et a1.Supercontinu— um generation in a sapphire fiber and comparison with a compact PCF based light source[C]//CLEO:Science and Innovations.Optical Society ofAmerica,2011:JThB97. 被动锁模掺镱光纤激光器叭中国激光,2013,40(4). [9] 沈君凤,罗风光.光子晶体光纤产生的超连续谱[J].光子 学报,2014,43(1):0106007.1.0106007.4 【3】 Wang Q,Geng J,Luoetal T.Mode—locked 2 Ixm laser with [10]李超,朱启华,赵磊.中红外超连续谱在氟化物光纤中的 产生[J]强激光与粒子束,2014,26(10):101005—1—101005—3. highly thulium-doped silicate diber[J].Opt.Lett.,2009,34