SC激光器既具有燈光的寬譜線帶寬又具有激光的高亮度、高空間相關(guān)性,被稱為“終極白光”。但SC激光通常采用鎖模激光器作為非線性介質(zhì)的泵浦光源,體積龐大,限制了其應(yīng)用范圍。
利用光纖的物理機(jī)制,本文在SC激光上獲得了三個(gè)主要突破:將波長范圍拓展到中紅外波段;利用電信原件代替鎖模激光器,減小了體積;僅僅提高重復(fù)率和使用高功率光纖放大器就可將輸出功率提高至10W甚至更高,操作方便。
本文介紹了兩版超連續(xù)(Supercontinuum,SC)激光器,第一版基于摻鉺/鐿功率放大器,波長范圍為0.8~4.2,第二版基于摻銩功率放大器,波長范圍為1.9~4.5μm。
1. SC激光產(chǎn)生原理
分布反饋式(DFB)激光二極管產(chǎn)生波長為1550nm、脈寬為0.5~2.0ns的激光經(jīng)過前置放大器放大并優(yōu)化噪聲性能后,進(jìn)入帶通濾波器和隔離器,再經(jīng)過包層泵浦光纖放大器中放大并最小化非線性失真。其中的泵浦激光器結(jié)構(gòu)是一種常用的典型電信設(shè)計(jì)。
泵浦激光器之后為1~2m的單模光纖(SMF)和數(shù)米的SC產(chǎn)生光纖。在SMF中,在反常群速色散的影響下,高達(dá)數(shù)瓦的納米脈沖是不穩(wěn)定的。由于在準(zhǔn)連續(xù)波背景下,調(diào)制不穩(wěn)定會(huì)構(gòu)造孤子脈沖,納米脈沖分裂會(huì)為0.5ps到數(shù)皮秒的脈沖。納秒脈沖在SMF的作用下產(chǎn)生類似于鎖模激光器的輸出,只是更為簡單有效。
皮秒脈沖耦合到非線性光纖中后,在四波混頻、自相位調(diào)制和拉曼效應(yīng)的影響下,產(chǎn)生寬光譜帶寬的SC激光。拉曼效應(yīng)將激光向長波方向拓展,而四波混頻將激光向短波方向拓展,并受到不斷增加的群速色散的限制。
選擇合適的光纖放大器和非線性光纖,可獲得可見波段、近紅外波段和中紅外波段的SC激光。
2. MISCL性能
平均功率為3.9W,波長范圍為0.8~4.2μm,其調(diào)制占空比為50%。由于SMF輸出的激光光譜帶寬很寬,整個(gè)光譜范圍都表現(xiàn)出了空間相干性,光束可以保持形狀長距傳播。例如,波長為2.5~3.5μm 的光束形狀相對于高斯光束改變了不到20% (M2<1.2)。
平均功率為2.6W,波長范圍為1.9~4.5μm,波長大于3.8μm的范圍的平均功率約為0.7W,其調(diào)制占空比也為50%。相對于第一版,雖然短波極限約為1.9μm,但是長波限拓展了約270nm。
3. MISCL應(yīng)用
在國防和國土安全領(lǐng)域,MISCL光譜可以模擬熱黑體的輻射并與多種固體震動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)諧振態(tài)的交疊。例如,大多數(shù)的帶有熱跟蹤裝置的導(dǎo)彈是通過發(fā)動(dòng)機(jī)熱源定位,熱源輻射波長范圍是1.5~5μm。MISCL可以應(yīng)用于反紅外定向系統(tǒng)中,而不會(huì)因?yàn)闉V波而失效。另外對于許多固體,包括炸藥和火器,在近紅外和中紅外都有明確的光譜。MISCL可以用來測量器光譜線型,而不像光譜儀僅僅測量一兩個(gè)分立譜線。
在測量領(lǐng)域,寬光譜意味著短脈沖,MISCL能夠獲得更加精確的空間分辨率。我們已經(jīng)利用可見光SC激光器獲得了半導(dǎo)體管芯上焊球的3D圖像,其軸向分辨率為125nm,橫向分辨率為15μm。另外,MISCL可以為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的平面和弧形加工部分的粗糙度提供高精度、非接觸的測量。
在醫(yī)療領(lǐng)域,由于碳水化合物是脂類(油脂、固醇、油酸)的組要成分,其震動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)譜帶為3.3~3.6μm,處于MISCL光譜范圍內(nèi),MISCL也用作吸收光譜儀的光源。由于日益嚴(yán)重的肥胖和心血管病等健康問題,MISCL將得到進(jìn)一步的應(yīng)用。
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