皮秒脉冲泵浦产生中红外超连续谱

大功率中红外超连续谱光源具有光谱范围宽、相干性好等特点，在基础科学、工业、通信、医学和军事等领域都有着重要的应用。如红外光谱学、傅立叶变换红外光谱仪、光学测量、分子光谱学、共聚焦显微镜、光学相干层析、燃烧监测、光谱指纹图谱、自由空间光通信、生物医学成像、生物和化学传感、光学生物组织蚀除、红外对抗、机载激光雷达等。.本项目将研究皮秒脉冲泵浦ZBLAN光纤产生大功率中红外超连续谱（SC）输出的物理机制，得到不同脉冲参数和光纤参数对输出中红外SC功率和光谱宽度的影响。将制作1.55 μm皮秒脉冲MOPA结构光纤激光器，搭建全光纤瓦级中红外SC光源系统,输出光谱1-4μm。

中红外超连续谱能同时具有中红外激光器的高相干性和热辐射源的宽光谱特性，在红外物理、生物医学成像、光学生物组织蚀除、环境监测以及红外对抗等众多领域有着重要的应用。本项目以高功率中红外超连续谱产生作为研究目标，建立了ZBLAN(组分为ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)光纤中产生高功率中红外超连续谱的数值模型，编写的仿真程序比商用软件的功能更多、涉及的问题更全面、适用性更强，可为超连续谱光源的设计、分析和研究提供全面指导。通过数值模拟研究了不同波长、脉冲宽度和峰值功率激光泵浦不同非线性系数、色散分布的ZBLAN光纤产生中红外超连续谱，并理论分析了各个参数对光谱展宽的影响以及实现高平均功率的可行性。通过技术攻关解决了ZBLAN光纤端面处理的难题，而低损耗机械连接技术则为全光纤、高功率中红外超连续谱研究工作的开展奠定了坚实的基础。采用1.55μm脉冲激光产生近红外超连续谱，以此为泵浦源实现了2μm增益开关锁模光纤激光输出。该方案的泵浦光谱中既有激光器的泵浦光，又有种子光，为实现增益开关锁模提供了一种新方法，所产生的锁模脉冲源于超连续谱中脉冲分裂成的超短脉冲，具有极高的峰值功率，为后续非线性光谱展宽到中红外波段提供了重要的种子源。在上述研究基础上，提出了从光纤放大器到中红外光纤的级联光谱展宽方案，为实现全光纤宽带中红外超连续谱提供了新的方案。2011年，项目组在双包层掺镱光纤放大器中成功实现了高功率超连续谱输出，光谱范围为1.0-2.0μm，平均功率为177.6 W。将1.55μm种子光相继通过铒/镱共掺光纤放大器和铥/钬共掺光纤放大器后，光谱展宽到2.6μm，最后通过ZBLAN光纤，在国内首次获得全光纤光谱范围为1.9-4.3μm的中红外超连续谱光源，光谱中不含残留泵浦光，平均功率为185mW。通过进一步优化，以基于超连续谱泵浦的2.0μm增益开关锁模光纤激光器作为种子源，采用级联光谱展宽方案，结合ZBLAN光纤端面处理和低损耗对接技术，在国内率先将中红外超连续谱的输出功率提升到瓦级以上水平，研究成果跻身于世界先进水平行列。在此基础上，项目组成功完成研究目标，研制出瓦级以上全光纤超连续谱光源，光谱范围为1-4.3µm，整个系统为全光纤结构，具有结构紧凑、性能稳定、无需主动冷却的优点，便于使用和维护。