连续光泵浦纵向异构型碲酸盐玻璃非线性光纤产生大功率中红外超连续谱

Mid-infrared supercontinuum fiber source has important potential applications in medical surgery, infrared electronic warfare, and sensing technology. But its practical apllications are quite limited due to the low average power. 1.95μm CW fiber laser can have a high average power and is mature in technology. It is very suitable to be the pump source of high power mid-IR supercontinuum generation. However, in this regime the requirements for fiber disperison, nonlinearity, loss, and damage threshold are very stringent. We propose a nonlinear fiber with longitudinally heterogeneous microstructure to meet the above requirements. The fiber has three sections along the fiber length, which are all-solid composite microstructure with decreasing fiber diameter, composite microstructure with argon holes, and step-index microstructure, respectively. The fiber will be made of tellurite glass. Compared with fluoride glass, it has a nonlinearity higher about ten times, and can withstand much higher temperature. The chemical stability is preferable, and the dispersion matches better with the pumping scheme. We intend to address the basic theories and key technologies which are relationship to this project in the field of the tellurite galss materials, the mid-IR microstructured fiber design and fabrication, and the mid-IR SC broadening mechanisms in the CW regime. Mid-IR supercontinuum laser with the power of several tens of watt will be realized.

中红外超连续谱光纤光源在医学手术、红外电子对抗、传感等领域有潜在重要应用价值，然而平均功率不足使其实际应用受到很大限制。1.95微米连续铥光纤激光器平均功率高、技术成熟，很适合作为泵浦源泵浦非线性光纤产生大功率中红外超连续谱。但是，在此超连续谱产生机制下，对非线性光纤的色散、非线性、损耗、端面损伤阈值等有很严苛的要求。 我们提出一种纵向异构的非线性光纤方案以满足上述要求。光纤沿长度方向根据结构的不同分为三段，分别为芯径渐减的全固态复合微结构、氩气孔复合微结构和阶跃型微结构。拟采用碲酸盐玻璃做为光纤材料。与氟化物玻璃相比，该玻璃非线性高10倍左右，更耐高温，化学稳定性更好，色散条件与采用的泵浦机制更匹配。 我们拟解决这一方案涉及的碲酸盐玻璃材料、中红外微结构光纤的设计与制作、连续光泵浦超连续谱向中红外的拓展机理等方面的基础理论问题与关键技术，实现数十瓦量级的大功率中红外超连续谱。

超连续谱光源是具有数百至数千纳米光谱宽度的超宽带高亮度激光光源。中红外光纤超连续谱在国防、生物医学和先端科学研究等领域都有重要应用。比如：覆盖1.5-5.0 μm的光源是理想的光电对抗光源。2.7-3.0 μm波段可用于激光医学手术，是最佳的激光手术刀波段。2.5-7.5 μm为分子的官能团区，可用于痕量危险气体检测、疾病无痛疹断等。本项目探索了高非线性特种光纤的研制技术及其中红外超连续谱的产生机制。我们从光纤原材料配方开始，一直到光纤的拉制和超连续谱的产生，进行了系统研究。.研究获得了低含水量、热稳定性好的氟碲酸盐玻璃配方（69TeO2–15ZnO–5PbF2–5ZnF2–6Nb2O5），羟基吸收系数为0.004 cm-1，(Tx–Tg)为163 ℃；利用设计的硫系-氟化物全固态复合光纤在峰值功率175 W的飞秒脉冲泵浦下，在数毫米内即可展宽至超过一个倍频程的光谱宽度，提高功率超连续谱能够延展到5 μm；选择PbF2晶体拉丝产生中红外超连续谱得到了覆盖350―9000 nm波长范围的超宽带超连续光谱；研制出可在中红外波段单模传输的氟化物玻璃光纤；研制了W型和悬芯氟碲酸盐光纤，模拟了在1960 nm的激光器泵浦下，产生到4 μm的超连续谱。采用石英光纤产生了平均功率数十瓦的从近红外一直到3.5 μm左右的超连续谱；研究了采用800 nm和1950 nm双波长泵浦设计石英的光纤产生约400 nm至中红外3μm波段的超宽超连续谱；研究了1064 nm波长飞秒脉冲泵浦下，非线性石英光子晶体光纤在1.3 μm波段的色散波效应，最大可将76.6%的能量转换到1.24至1.4 μm的波长范围；此外，还采用堆拉法制备了1 mol% Tm2O3掺杂锗碲酸盐玻璃双包层光纤，实现了2μm波段的激光输出。.在项目的支持下，一共发表学术期刊论文18篇，申请发明专利5项，论文和专利的数量超过预期。我们已经成功研制了超连续谱样机一台，样机为全光纤结构，单横模输出，最大输出功率17 W，20dB光谱宽达1800 nm，脉宽为20 ps，重频为30.4 MHz。在本项目获得支持之后，课题组得到了良好的成长和发展，课题负责人陆续又承担了其它多项科研项目，总经费近两千万元。