波長間距可調(diào)的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，提供了一種基于預(yù)啁啾以及孤子自頻移(SSFS)的波長間距可調(diào)的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)，在沿光路方向上包括飛秒激光器、預(yù)啁啾光學(xué)器件、透鏡、反常色散光纖；飛秒激光器用于產(chǎn)生第一孤子和第二孤子；飛秒激光器的輸入脈沖的能量可調(diào)，且孤子階數(shù)N隨著輸入脈沖能量的增加而增加；預(yù)啁啾光學(xué)器件用于通過對輸入脈沖寬度的調(diào)整確保第一孤子波長在孤子階數(shù)提高的條件下維持不變，且其對輸入脈沖寬度的調(diào)整方向與飛秒激光器的輸入脈沖能量的調(diào)整方向一致。本發(fā)明中，兩個孤子間波長間距調(diào)諧基于高階孤子中孤子分量的基本屬性：孤子的階數(shù)N越高，兩個孤子的峰值功率和脈沖寬度就越接近。因此，經(jīng)過SSFS后的兩個孤子的波長間距就越小。
【專利說明】波長間距可調(diào)的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于預(yù)啁啾以及孤子自頻移的波長間距可調(diào)的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]自從1986年第一次被發(fā)現(xiàn)以來，光纖中的孤子自頻移現(xiàn)象(SSFS)已經(jīng)被廣泛的開發(fā)，用于制造通過光纖傳輸?shù)牟ㄩL可調(diào)的飛秒脈沖光源。SSFS源自脈沖內(nèi)受激拉曼散射，該散射連續(xù)不斷的將能量從高頻區(qū)轉(zhuǎn)移到低頻區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致了孤子波長的紅移。孤子的產(chǎn)生和維持需要反常色散，即負(fù)群速度色散(GVD，β2<0)。多種反常色散光纖，包括標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMFs)、折射率引導(dǎo)光子晶體光纖(PCFs)、空心光子帶隙光纖(PBGFs)和大模場(LMA)光纖等都已經(jīng)被用來獲得SSFS。相應(yīng)的孤子能量范圍從折射率波導(dǎo)PCFs中的皮焦耳(P J = I(T12J)到空心PBGFs中的微焦耳(μ J= I(T6J)，而孤子脈沖寬度通常在?100 fs的量級。
[0003]數(shù)學(xué)上，基態(tài)孤子的光強(qiáng)分布由sech2函數(shù)描述，這意味著脈沖質(zhì)量極好，沒有旁瓣和基座(pedestals)。極好的脈沖質(zhì)量、寬的波長可調(diào)諧范圍和飛秒脈沖寬度使得光孤子成為多光子顯微成像(MPM)應(yīng)用的理想選擇。具體來說，沒有旁瓣和基座避免了樣品上的額外功率沉積，降低了光損傷的風(fēng)險。寬的調(diào)諧范圍可用于對多種熒光團(tuán)成像。此外，多光子顯微成像(MPM)信號強(qiáng)度與脈寬的整數(shù)次冪成反比，所以與更寬的脈沖相比，飛秒寬度的脈沖可以增強(qiáng)MPM信號。實驗上，通過SSFS產(chǎn)生的光孤子已經(jīng)在多種模態(tài)的MPM中得到應(yīng)用，例如熒光成像、諧波產(chǎn)生成像、相干拉曼散射(CRS)成像等。采用深層生物組織最優(yōu)成像波長窗口定制產(chǎn)生的高能孤子進(jìn)行MPM，甚至可以突破白質(zhì)壁壘，在活體成年小鼠中首次實現(xiàn)對海馬體的成像。
[0004]在MPM中，比如雙光子熒光成像，同時對多種熒光團(tuán)成像的需求正在增長。多色成像可用于描繪神經(jīng)回路、跟蹤多種免疫細(xì)胞等。因此需要能輸出多色脈沖的飛秒光源，每種顏色與不同熒光團(tuán)的吸收峰相匹配以實現(xiàn)有效激發(fā)。以往，只有一個孤子用于成像，其余的頻譜被濾掉。波長調(diào)諧可以很容易地通過能量調(diào)諧實現(xiàn):輸入的能量越高，孤子頻移的波長越大。在最近的一次演示實驗中，一個基于LMA光纖中SSFS的雙色孤子源已經(jīng)被證明可以同時激發(fā)兩種熒光蛋白。該方案基于以下原理:當(dāng)一個高階孤子入射到反常色散光纖，脈沖將會分解為孤子分量。傳播后，每個孤子經(jīng)歷了 SSFS，最終的孤子波長取決于每個孤子的峰值功率和脈沖寬度。因此，可以制得雙色孤子源。
[0005]在最初的演示中，兩孤子間波長間距調(diào)諧是通過光纖長度調(diào)諧實現(xiàn)的。數(shù)值模擬表明，光纖的長度越長，兩孤子間的波長間距就越大。因此，對于每一對用于成像的熒光團(tuán)，光纖的長度事先設(shè)計好，并且固定不變，該方法的問題在于:如果一個熒光團(tuán)被另外一個具有不同雙光子吸收峰的熒光團(tuán)替代，由于無法實現(xiàn)波長間距調(diào)諧，因此無法實現(xiàn)同時有效激發(fā)成像。另外，通過偏振復(fù)用也可以產(chǎn)生兩個間距可調(diào)的孤子，其問題在于沿著一個偏振軸可能有兩個孤子產(chǎn)生，波長較短的一個會與所需的沿垂直軸偏振的孤子波長接近，從而對最終熒光信號產(chǎn)生干擾，使得對最終圖像的定量分析變得不可能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種波長間距可調(diào)的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)，旨在光纖長度固定的條件下實現(xiàn)對孤子間距進(jìn)行連續(xù)調(diào)諧，同時針對每一個波長的孤子不存在其他波長相近的孤子形成干擾。
[0007]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種波長間距可調(diào)的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)，在沿光路方向上包括飛秒激光器、預(yù)啁啾光學(xué)器件、透鏡、反常色散光纖；
[0008]所述飛秒激光器用于產(chǎn)生激光脈沖，其產(chǎn)生的激光脈沖的能量可調(diào)；
[0009]所述預(yù)啁啾光學(xué)器件用于對所述激光脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)整，且其對激光脈沖寬度的調(diào)整方向與所述飛秒激光器的輸入脈沖能量的調(diào)整方向一致；
[0010]所述透鏡用于將經(jīng)所述預(yù)啁啾光學(xué)器件調(diào)整過的激光脈沖耦合進(jìn)入所述反常色散光纖;
[0011]所述反常色散光纖用于對在其內(nèi)部傳輸?shù)募す饷}沖通過SSFS的方式從中獲得兩個最高能的第一孤子和第二孤子；
[0012]所述第一孤子和第二孤子的峰值功率比和脈沖寬度比均為孤子階數(shù)N的函數(shù)；當(dāng)所述激光脈沖的能量被調(diào)高時，孤子階數(shù)N隨之增大而第一孤子與第二孤子的間距減小，且所述激光脈沖的寬度被同步調(diào)高，激光脈沖寬度的調(diào)高幅度使得第一孤子的波長保持不變。
[0013]進(jìn)一步地，所述預(yù)啁啾光學(xué)器件為光柵對或棱鏡對。
[0014]進(jìn)一步地，所述飛秒激光器為固體飛秒激光器、光纖飛秒激光器、液體飛秒激光器或半導(dǎo)體體飛秒激光器。
[0015]進(jìn)一步地，所述反常色散光纖為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖、折射率引導(dǎo)光子晶體光纖、空芯光纖、光子晶體棒狀光纖或大模場光纖。
[0016]進(jìn)一步地，所述飛秒激光器輸出的脈沖為滿足鐘形的任意波形。
[0017]本發(fā)明中，兩個孤子間波長間距調(diào)諧基于高階孤子中孤子分量的基本屬性:孤子的階數(shù)N越高，兩個孤子分量的峰值功率和脈沖寬度就越接近。因此，經(jīng)過SSFS后的兩個孤子的波長間距就越小。增加孤子能量是一個提高孤子階數(shù)的有效方法，同時適當(dāng)展寬脈沖寬度能夠維持第一孤子的波長。我們開展數(shù)值模擬研究各種入射條件(如預(yù)啁啾，脈沖寬度和脈沖形狀)下的孤子波長間距調(diào)諧。模擬結(jié)果表明波長間距調(diào)諧范圍可達(dá)幾百納米，便于多色孤子的在MPM中的進(jìn)一步應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1:本發(fā)明提供的第一孤子與第二孤子峰值功率比和脈沖寬度比與孤子階數(shù)N的函數(shù)關(guān)系不意圖；
[0019]圖2:本發(fā)明提供的波長間距可調(diào)的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖3A:本發(fā)明提供的9mLMA35光纖中360_fs高斯脈沖入射經(jīng)過SSFS后的輸出光譜圖；
[0021]圖3B、3C、3D:分別為對應(yīng)圖3A中的360-fs (b)輸入，1138_fs(c)輸入和5406-fs(d)輸入的光譜隨傳播距離z的演化示意圖；
[0022]圖4A:本發(fā)明提供的9mLMA35光纖中經(jīng)過SSFS后的輸出光譜圖；
[0023]圖4B:對應(yīng)圖4A中的360_fs高斯脈沖和sech2脈沖入射第二孤子波長調(diào)諧范圍隨輸入脈沖能量的函數(shù)關(guān)系示意圖；
[0024]圖5A:本發(fā)明提供的360-fs、300-fs和240_fs TL高斯脈沖經(jīng)過在9mLMA35光纖中的轉(zhuǎn)播后的輸出光譜圖；
[0025]圖5B:對應(yīng)圖5A中的360-fs、300_fs和240_fs脈沖入射條件下，第二孤子波長調(diào)諧范圍隨輸入脈沖能量的函數(shù)關(guān)系示意圖；
[0026]圖6A:本發(fā)明提供的正、負(fù)預(yù)啁啾脈沖對應(yīng)的第二孤子的波長調(diào)節(jié)范圍隨輸入脈沖能量的函數(shù)關(guān)系示意圖；
[0027]圖6B:本發(fā)明提供的正、負(fù)預(yù)啁啾的55.8nJ高斯脈沖經(jīng)過在LMA35光纖中的9m的傳播后的輸出光譜圖；
[0028]圖6C:預(yù)啁啾之后相應(yīng)的輸入脈沖寬度隨輸入脈沖能量的函數(shù)關(guān)系示意圖。

【具體實施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0030]本發(fā)明基于高階孤子的構(gòu)成，提出了一種新的技術(shù)方案來產(chǎn)生波長間距可調(diào)諧的雙色孤子。最高能孤子的波長調(diào)諧可以通過能量調(diào)諧的方式實現(xiàn)。此外，定性分析表明展寬輸入脈沖寬度會提高孤子的階數(shù)，從而減小兩個孤子之間的波長間距。經(jīng)數(shù)值模擬顯示，在實際實驗條件下，可以通過對輸入脈沖進(jìn)行預(yù)啁啾來獲得幾百納米的波長調(diào)諧范圍。這種波長間距可調(diào)諧的雙色光源可以在多種模態(tài)的MPM中找到應(yīng)用。
[0031]首先，從研究波長間距調(diào)諧的物理機(jī)制來對波長間距調(diào)諧進(jìn)行定性分析。
[0032]Kodama和Hasegawa已經(jīng)推導(dǎo)出N階孤子入射條件下,各個孤子分量的峰值功率和脈寬的表達(dá)式:
? , n P0{2N-2j + \f
[圓]~ψ--⑴


τ()
[0034]T' = 2N」2j + \(2)
[0035]其中和L分別是第j個孤子分量的峰值功率和脈沖寬度，Ρ0、Τ0分別表示入射高階孤子峰值功率及脈寬，N是孤子階數(shù)。在傳播過程中，高階孤子會拋出一個個的孤子分量。這些孤子分量對應(yīng)于不同的峰值功率。經(jīng)過SSFS，最大峰值功率和最短脈寬的孤子顯示出最大的波長紅移。
[0036]這里我們考慮雙色飛秒光源，即高階孤子拋出的兩個最高能(經(jīng)過SSFS之后紅移量最大)的孤子，它們具有著最高的峰值功率和最短的脈沖寬度。經(jīng)過計算，這兩個孤子的峰值功率比P1A32= (2Ν+1)2/(2Ν-3)2和脈沖寬度比I/T2 = (2Ν-3)/(2Ν+1)是孤子階數(shù)N的函數(shù)，如圖1所示?？梢钥吹?，隨著孤子階數(shù)的增大，前兩個孤子之間的峰值功率比P1A32和脈沖寬度比IVt2趨于I。在極限情況下，很容易證明化

【權(quán)利要求】
1.一種波長間距可調(diào)的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)，其特征在于，所述雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)在沿光路方向上包括飛秒激光器、預(yù)啁啾光學(xué)器件、透鏡、反常色散光纖； 所述飛秒激光器用于產(chǎn)生激光脈沖，其產(chǎn)生的激光脈沖的能量可調(diào)； 所述預(yù)啁啾光學(xué)器件用于對所述激光脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)整，且其對激光脈沖寬度的調(diào)整方向與所述飛秒激光器的輸入脈沖能量的調(diào)整方向一致； 所述透鏡用于將經(jīng)所述預(yù)啁啾光學(xué)器件調(diào)整過的激光脈沖耦合進(jìn)入所述反常色散光纖; 所述反常色散光纖用于對在其內(nèi)部傳輸?shù)募す饷}沖通過SSFS的方式從中獲得兩個最高能的第一孤子和第二孤子； 所述第一孤子和第二孤子的峰值功率比和脈沖寬度比均為孤子階數(shù)N的函數(shù)；當(dāng)所述激光脈沖的能量被調(diào)高時，孤子階數(shù)N隨之增大而第一孤子與第二孤子的間距減小，且所述激光脈沖的寬度被同步調(diào)高，激光脈沖寬度的調(diào)高幅度使得第一孤子的波長保持不變。
2.如權(quán)利要求1所述的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)啁啾光學(xué)器件為光柵對。
3.如權(quán)利要求1所述的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)啁啾光學(xué)器件為棱鏡對。
4.如權(quán)利要求1所述的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)，其特征在于，所述飛秒激光器為固體飛秒激光器、光纖飛秒激光器、液體飛秒激光器或半導(dǎo)體體飛秒激光器。
5.如權(quán)利要求1所述的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)，其特征在于，所述反常色散光纖為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖、折射率引導(dǎo)光子晶體光纖、空芯光纖、光子晶體棒狀光纖或大模場光纖。
6.如權(quán)利要求1所述的雙色孤子脈沖光源系統(tǒng)，其特征在于，所述飛秒激光器輸出的脈沖為滿足鐘形的任意波形。
【文檔編號】H01S3/098GK104201549SQ201410356997
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】王科, 邱娉, 王昱鑫 申請人:深圳大學(xué)