一种基于大模场反谐振空芯光子晶体光纤的光谱展宽装置的利记博彩app

本发明涉及一种光谱展宽装置，尤其涉及一种基于大模场反谐振空芯光子晶体光纤的光谱展宽装置，以及所述光谱展宽装置的使用方法。

背景技术：

近年来随着强场物理以及阿秒产生的发展需要，脉冲的展宽和压缩成为脉冲整形的一种关键性的技术方式，目的是获得超短超强的激光脉冲用于轰击气体靶子产生高次谐波，进而产生阿秒脉冲。毛细石英管被选择作为一种实验光波导，在脉冲的展宽过程中得到了广发应用。通过对毛细石英管进行密封和充高非线性惰性气体(He，Ne，Ar，Kr，Xe)，实现了有效的光谱展宽。自相位调制在光谱整个展宽过程中起主要的作用。毛细石英管因为其结构简单、制作工艺成熟、可操作性强被广泛的应用在强场系统中，但是其缺点也是非常明显的，如损耗大、易产生高阶模场、色散难控制等，这也在一定程度上限制了实验的高效率能量输。

大模场反谐振空芯光子晶体光纤的出现，为解决上述的问题提出了一种新的可能。这种光纤有包层结构和纤芯两部分组成，包层结构对此种光纤的光学特性具有决定性的作用。光纤包层是一些正六角排列的不同规则形状的空气管组成。与毛细石英管相比，这种光纤有宽带低损耗、可控制色散、大模场面积、损伤阈值高等优点。问世以来在光纤的展宽和压缩的强场系统中展现出了强大的优势，并且已经在实验上获得了成功。但如何将高非线性气体充入光纤成为了一个的技术难点。

技术实现要素：

因此，基于现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于大模场反谐振空芯光子晶体光纤的光谱展宽装置，以及所述光谱展宽装置的使用方法。

为了实现上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于大模场反谐振空芯光子晶体光纤的光谱展宽装置，其中，所述光谱展宽装置包括：光纤啁啾Yb放大器(FCPA)、望远镜、平凸透镜、第一真空腔窗片、第一真空腔、反谐振空芯光子晶体光纤(HC-PCF)、第二真空腔、第二真空腔窗片、第一真空气压表、第二真空气压表、第一气路阀门、真空泵、第二气路阀门、第三气路阀门、第四气路阀门、真空气管、检压阀门、高压气瓶、惰性气体和光谱仪；

所述光纤啁啾Yb放大器，输出波长在1030nm附近的飞秒锁模激光脉冲，用于泵浦充有所述惰性气体的反谐振空芯光子晶体光纤，

所述望远镜，是用于扩大所述光纤啁啾Yb放大器的光斑的直径，为了使光斑能够被聚焦到小于光纤纤芯的直径进而获得高的光耦合效率，

所述平凸透镜，将扩束后的所述光斑聚焦到光纤纤芯大小数量级，使得光能量最大化地从空间进入到所述光纤，

反谐振空芯光子晶体光纤，连接所述第一真空腔和所述第二真空腔，所述光纤的入口和出口分别密封到所述第一真空腔和所述第二真空腔中，作为高效率透射能量的一种波导，为所述惰性气体和所述激光脉冲提供相互作用通道，所述激光脉冲与所述惰性气体相互作用在所述光纤中不断的积累。

所述第一真空腔，用于密封所述光纤的入口，使得其腔体内的所述惰性气体被压入到光纤中，所述光纤水平固定在所述第一真空腔的腔体内水平中心轴线，所述光纤的入口端面正对所述第一真空腔上面的布儒斯特窗口，

所述第一真空腔窗片，被密封到所述第一真空腔的布儒斯特窗口上，将扩束聚焦后的光透过布儒斯特角放置的玻璃窗口进入充有所述惰性气体的所述第一真空腔中，使得聚焦后的所述光斑和所述光纤的纤芯位置相重合，

所述第二真空腔，用于密封所述光纤的出口，所述光纤在所述第二真空腔内保持与其水平轴线重合，所述光纤的出口端面正对所述第二真空腔上面的布儒斯特窗口，

所述第二真空腔窗片，被密封到所述第二真空腔的布儒斯特窗口上，所述光纤的出口的光经所述第二真空腔窗片透射到腔体外变成发散的空间光，

所述第一真空气压表和所述第二真空气压表分布在所述第一真空腔的充气口和所述第二真空腔的出气口，检测进入所述第一真空腔的压强和所述第二真空腔内的压强，

所述真空泵和所述真空腔的气口通过所述真空气管连接，所述第一气路阀门，位于所述真空泵和所述真空腔之间用于隔绝所述真空泵和所述真空腔，

所述第一真空腔的气口和所述第二真空腔的气口通过所述真空气管连接，所述第二气路阀门，位于两个所述真空腔之间的所述真空气管的中间位置，

所述高压气体瓶和所述真空腔的气口通过所述真空气管连接，所述第三气路阀门位于所述高压气瓶和所述真空腔之间，

所述第四气路阀门，位于所述高压气体瓶的出气口的所述检压阀门上，

所述高压气瓶，用于储存所述惰性气体，

所述光谱仪位于所述第二真空腔的出口处，用于检测所述第二真空腔出射光的光谱宽度。

其中，所述的第一真空腔和第二真空腔，可以是自主设计加工的主体为40mm*40mm*60mm的真空腔，所述真空腔的入口直径为布儒斯特角度切割，直径为20mm，目的是为了使得P偏振的激光全部透射到所述真空腔内。

所述的真空腔窗片，位于所述真空腔的布儒斯特角入口和出口位置，大小可以为25mm*35mm，其窗片可以为玻璃片，所述玻璃片边缘被真空胶密封。此窗片在所述真空腔上有两个作用分别为透光和密封。

所述真空气压表可以为真空数字气压表，位于所述第一真空腔和所述第二真空腔的充气口和出气口附近，量程为-0bar～6bar，方便于灵敏的检测腔内气压变化。所述第一真空腔和所述第二真空腔的气口可以分别是直径6mm的不锈钢管道，通过使用三通真空球阀将所述真空气压表连接到所述光谱展宽装置中。

所述的真空泵，负责清除所述光谱展宽装置内的空气，压力真空强度可以为10^-4bar，作用就是和气路阀门配合使用，保持充气前系统内的真空状态。

所述的真空气管，位于整个所述光谱展宽装置的器件之间，负责联通所有的器件组成一个密闭的系统，直径可以为6mm，材质可以是聚四氟乙烯。这种管道硬度适中可弯曲耐挤压，通过真空球阀和器件可以严密的连接在一起，保证了充气实验成功进行。

所述的高压气瓶的压强可以为150bar，内装的样品气体可以为氩气。目的是给整个系统提供高压气源，保证充气实验的顺利进行。选择单原子的氩气，是因为氩气比氦气和氖气有更多的电子层，更容易电离，而且有相对较高的非线性系数，而且价格比较便宜降低实验成本。

所述第四气路阀门可以调节输出到所述光谱展宽装置中的气压。所述第三气路阀门可以用于控制气流进入所述第一真空腔的速度，起到保护的作用。

优选地，根据前述的光谱展宽装置，其中，所述光纤啁啾Yb放大器的振荡器采用的非线性偏转锁模机制，激光输出平均功率大于10W，脉冲宽度小于800fs，重复频率约为1MHz。该非线性偏转锁模机制为所述放大器提供了比较稳定的种子源。中心波长在1030nm，根据掺杂的增益介质不同，中心波长可以移动。

更优选地，根据前述的光谱展宽装置，其中，所述望远镜由一个凹透镜和一个凸透镜组成。相同的透镜，光斑越大聚焦后的光斑越小，扩束是为了在聚焦中获得更小的光斑。

再优选地，根据前述的光谱展宽装置，其中，所述第一真空腔被放置在三维平移台上，通过调节所述三维平移台确保聚焦后的所述光斑和所述光纤的纤芯位置相重合。

还优选地，根据前述的光谱展宽装置，其中，所述平凸透镜放置在一维平移台上。

进一步优选地，根据前述的光谱展宽装置，其中，所述第一真空气压表和所述第二真空气压表为高灵敏电子真空气压表。

更进一步优选地，根据前述的光谱展宽装置，其中，所述检压有两个表头，一个所述表头用于检查所述高压气瓶内的压强，另一个所述表头用于控制输出气压的大小。

最优选地，根据前述的光谱展宽装置，其中，所述惰性气体为高非线性惰性气体。优选为He、Ne、Ar、Ke或Xe。

本发明还提供上述的光谱展宽装置的使用方法，其中，所述使用方法包括：

(1)打开第一气路阀门、第二气路阀门和第三气路阀门，关闭第四气路阀门，打开真空泵，待所述光谱展宽装置抽真空完毕，关闭所述第一气路阀门、所述第二气路阀门和所述真空泵，

(2)打开所述第四气路阀门，所述第一气路阀门和所述第二气路阀门，关闭所述第三气路阀门，通过检压阀门的表头控制输出压强并打开所述第三气路阀门，保证惰性气体慢慢流入所述真空腔，

(3)调节光纤啁啾Yb放大器的电流大小以控制所述放大器的输出能量，

(4)调节望远镜和平凸透镜以控制光斑，

(5)调节第一真空腔和平凸透镜以确定光纤端面的纤芯和光斑最匹配的位置。

优选地，根据前述的光谱展宽装置的使用方法，其中，所述使用方法中步骤(5)中通过调节三维平移台和/或一维平移台以调节所述空腔-1和所述平凸透镜。

具体地，本发明公开一种利用大模场反谐振空芯光子晶体光纤(HC-PCF)展宽光谱的实验装置和方法，自主设计了用于大模场反谐振空芯光子晶体光纤充气的真空腔体系统，并使用自主研发的光纤啁啾Yb放大器(FCPA)，中心波长1064nm，脉宽800fs，重复频率1MHz，平均功率10W，泵浦了充2bar氩气，长度为1mm的大模场反谐振Kagome空芯光子晶体光纤，得到了55％效率输出，获得光谱展宽为130nm。其基本的实验原理是通过给Kagome HC-PCF充入高非线性惰性气体，提供较强的非线性效应，光和气体相互作用在光纤中传输的过程中，自相位调制和群速度色散相比，自相位调制在光谱展宽的整个过程中起到了主要作用，进而实现相对平坦的光谱展宽。

本发明提供的基于大模场反谐振空芯光子晶体光纤展宽光谱的装置，具有结构简单、操作灵活和高效率透射等优点，在超连续光谱的产生、脉冲整形技术、阿秒脉冲的产生以及光纤通信领域有较为广泛的应用前景。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了本发明实施例提供的基于大模场反谐振空芯光子晶体光纤的光谱展宽装置的光路示意图，其中B为kagome空芯光子晶体光纤的二维端面图

图2示出了本发明实施例提供的基于大模场反谐振空芯光子晶体光纤的光谱展宽装置的机械设计原理图；

图3示出了本发明实施例提供的Kagome空芯光子晶体光纤光学特性的示意图；

图4示出了本发明实施例提供的功率计测得光纤透射功率的示意图；

图5示出了采用光谱仪测得的输出信号光谱宽度的示意图；

附图标记说明：

1、光纤啁啾Yb放大器；2、望远镜；3、平凸透镜；4、第一真空腔窗片；5、第一真空腔；6、反谐振HC-PCF；7、第二真空腔；8、第二真空腔窗片；9、真空气压表；10、第一气路阀门；11、真空泵；12、第二气路阀门；13、第三气路阀门；14、第四气路阀门；15、真空气管；16、检压阀门；17、高压气瓶；18、惰性气体；19、光谱仪；

2-1、第一平凸透镜；2-2、凹透镜；2-3、第二平凸透镜；2-4、第一面包板；2-5、精密三维机械平移台；2-6、第一真空腔；2-7、第二面包板；2-8、反谐振空芯光子晶体光纤；2-9、第二真空腔；2-10、一维机械精密平移台。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

下面，结合附图及具体实施例对本发明的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置及其测量方法作进一步描述。

如图1所示，本发明的基于大模场反谐振空芯光子晶体光纤的光谱展宽装置包括光纤啁啾Yb放大器(FCPA)1、望远镜2、平凸透镜3、第一真空腔窗片4、第一真空腔5、反谐振空芯光子晶体光纤(HC-PCF)6、第二真空腔7、第二真空腔窗片8、第一真空气压表9、第二真空气压表9、第一气路阀门10、真空泵11、第二气路阀门12、第三气路阀门13、第四气路阀门14、真空气管15、检压阀门16、高压气瓶17、惰性气体18和光谱仪19。

其中：

光纤啁啾Yb放大器1，是一台光纤Yb三级放大系统，放大器主要包括：宽带皮秒激光种子源、单模光纤展宽器、一级单模光纤放大器、声光调制器、两级能量放大器、高峰值功率增益光纤准直器和光栅对压缩器。宽带皮秒激光种子源是基于全正色散非线性偏转锁模机制，中心波长为1030nm，重复频率为32.7MHz，输出功率60mW的激光脉冲。放大过程中全部使用光纤的熔接技术，提高了整个系统的稳定性，最后通过声光调制器通过选单实现了放大器的重复频率1MHz,脉宽小于805fs，单脉冲能量10μJ的激光输出。

望远镜2，是使用的-100mm的凹透镜和300mm的凸透镜自主组合成的望远镜装置，透镜镀C膜，使激光器的光束被扩大三倍，为获得更高的耦合效率做准备。

平凸透镜3，是使用的焦距为250mm的长焦平凸透镜，镀C膜，9mm的扩束后的光斑被聚焦到40μm，这个光斑的大小恰好与光纤纤芯大小的1/e相近，但是要小于光纤纤芯的直径大小，确保本实验耦合效率。布儒斯特角度入射确保了P偏振光的全部透射，也提高了欧和效率。

第一真空腔窗片5和第二真空腔窗片8，位于第一真空腔4和第二真空腔7的布儒斯特角窗口上，大小25mm*35mm*0.5mm，通过真空胶粘合密封，能够既保证良好的透光性又保证了第一真空腔4和第二真空腔7的气密性。

Kagome光子晶体光纤5，是本实施例中选择的一种大模场反谐振空芯光子晶体光纤样品，型号：PMC-C-Yb-7C，对泵浦光有高透射，高损伤阈值特性，纤芯直径55μm，内径320μm，外径600μm，长度1m。

真空气压表9，位于真空腔的入口和出口位置，量程为-1bar～6bar，灵敏度为0.1mbar，是一款定制的高灵敏度真空电子气压表。在充气和抽气的时候能够敏感的检测到真空腔内气压的变化，尤其是在充气过程中光纤的内径仅有300μm，气体经过光纤的进入真空腔的流速很低，这也是本实施例选择此款真空气压表的原因。

第一气路阀,10，第二气路阀门12，和第三气路阀门13，分别位于整个气路的不同位置，全部为直通真空球阀，两端匹配直径6mm的真空气管。作用是相互配合控制实验的充气和抽气的过程。充气过程：第一气路阀门10和第二气路阀门12打开，第三气路阀门13关闭；抽气过程：第一气路阀门10和第二气路阀门12关闭，第三气路阀门13缓慢打开。

检压阀门16，位于高压气瓶17的出气口，检压阀门16上有两个表头，一个表检查气瓶内气体的压强，量程为：0bar～200bar，用于检查气瓶内的压强。另一个表是检查输出气体的压强，量程为：0bar～6bar，通过旋转检压阀门的开关，可以控制输出气体的压强。

真空泵11，位于整个系统的末端，能达到真空强度为10-4bar，在本实施例中，为整个系统提供一个初始真空状态。在实验开始，打开第一气路阀门10和第二气路阀门12，关闭第三气路阀门13，打开真空泵，对整个系统进行抽真空，在此过程中随时观察电子气压表的真空示数，抽气一分钟后，先关闭第一气路阀门10和第二气路阀门12，后关闭真空泵11。

高压气瓶17和惰性气体18，位于本发明实施例系统的前端位置，气瓶内的压强为150bar，充有的非线性惰性气体为氩气，相比较氦气和氖气，氩气有更多的电子数更容易电离，而且价钱相对比便宜。盛有氩气的高压气瓶为本实施例提供压力气源。

图1和图2分别展示本发明实施例的示意图和机械原理图，简单和直观的解释了本发明实施例的实验原理和实施方案。本发明实施例分为以下几个步骤来实现：

(一)光源：根据以上介绍，本发明实施例采用的是一款自主研发的光纤啁啾Yb放大器。激光输出功率可调谐范围是0～10W，脉宽随着功率是变化的，重复频率为1MHz。在本实施例可以调节放大器的电流大小，来控制放大器的输出能量。

(二)光斑控制系统，本发明实施例采用的是通过调节望远镜和平凸透镜来控制光斑。根据本实施例所述的Kagome空芯光纤的纤芯直径和数值孔径，光斑大小和纤芯直径的1/e相匹配的时候是能够获得足够大的耦合效率的两个重要的因素之一；另一个重要的因素是聚焦的角度和光纤的数值孔径的匹配。本发明实施例使用-100mm凹透镜2-2和300mm的凸透镜2-1组合成了望远镜，将光斑直径扩大到9mm，随后通过焦距为250mm的平凸透镜2-3，将光斑聚焦到40μm。聚焦后的光斑通过调节平凸透镜2-3下的一维平移台2-10和第一真空腔2-6上的三维平台2-5，来确定光纤端面的纤芯和聚焦光斑最匹配的位置。确定最好位置的方法是通过在第二真空腔2-9的出口位置用光功率计检测透光功率。如图4所示，在不同输入功率下对应的输出功率的曲线，随着输入功率的增加输出功率几乎线性增加，耦合效率高于55％。输入最大功率10W时输出了高于5.5W的功率。

(三)非线性作用系统：非线性作用系统由第一真空腔2-6和第二真空腔2-9、Kagome空芯光子晶体光纤2-8和氩气。首先需要对非线性系统进行抽真空处理，其次在非线性系统进行充气，通过高压气瓶上检压阀门控制进入非线性系统内的气压。在保证非线性系统器件安全的前提下，最终确定了2bar的充气压强，尤其是第一真空腔2-6和第二真空腔2-9处的布儒斯特角上的玻璃窗片，容易被大的压强压爆。本实施例采用的商用光纤PMC-C-Yb-7C,其光学特性如图3，此光纤的透光范围覆盖了800nm～1200nm，且有超平坦近零色散特性。这种光纤在光谱展宽过程中其主要作用的是非线性作用，光纤的色散对光谱的展宽作用不明显。

(四)测量系统：要获得自相位调制作用展宽的光谱，需要在精密的测量系统下进行调节，本实施例使用的是精密的商用近红外光谱仪，在微调节三维平移台2-5和一维平移台2-10过程获得最宽带宽最平坦的光谱输出。如图5所示，调节放大器的输出电流为2.0A，4.0A和6.0A，对应的功率为1567mW，5530mW，和10120mW时候，获得了75nm，100nm，和130nm的光谱宽度。在放大器输出功率为10120mW时，自相位调制在光谱展宽中的作用最明显。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的任何修改、等同替换和改进，例如，采用其他的光源、采用不同长度不同结构的空芯光纤、采用不同类型的真空腔、采用不同的非线性气体、采用输入不同的气压等，都没脱离本发明技术方案的思想和范围，其均应覆盖在本发明的权利要求范围当中。