一种可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器制造技术

一种可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器，该激光器包括1μm波段可调谐泵浦源、第一级气体拉曼激光产生装置和第二级气体拉曼激光产生装置，所述第一级气体拉曼激光产生装置将1μm波段可调谐泵浦源产生的1μm的泵浦激光转化成第一级拉曼散射激光，所述第一级拉曼散射激光为1.5μm波段或者2μm波段的激光；所述第二级气体拉曼激光产生装置将第一级拉曼散射激光转化成第二级拉曼散射激光，第二级拉曼散射激光为3～5μm波段可调谐的中红外激光。本发明专利技术首次采用气体拉曼级联的方式在反共振负曲率空芯光纤中实现了3～5μm波段可调谐中红外激光输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光器
，涉及一种基于空芯光纤中气体级联受激拉曼散射效应、可产生3～5μm波段调谐中红外激光输出的新型激光器。
技术介绍
3～5μm波段中红外激光器由于其波长处于大气传输窗口，适合在大气中远距离传输，因此在红外对抗、激光雷达等军事领域以及激光光谱实验、大气环境监测等民用
都有重要的应用价值，一直以来都是国际研究的热点。目前获得中红外激光的传统技术手段主要包括气体分子吸收跃迁以及非线性变频技术。化学激光器就是利用HF、DF分子的泛频吸收和基频跃迁产生2.7μm以及3.8μm的中红外激光输出，可以达到兆瓦功率水平，而且具有很好的光束质量。但是，化学激光器需要复杂而庞大的真空尾气处理系统，体积巨大，机动性差，限制了化学激光器的应用。光参量振荡是目前获得中红外输出的一种重要非线性变频技术手段，通过目前高度商业化的1064nm激光泵浦非线性晶体，可以获得整个中红外波段的宽调谐输出，但受限于固体非线性晶体的损伤阈值较低，中红外光参量振荡激光器功率水平一直没有得到大的提升。拉曼散射是另一种重要的获取中红外激光的非线性变频手段，而且转换效率非常高，固体拉曼激光器量子转换效率甚至可以达到接近100％。但是，固体拉曼介质的拉曼频移系数比较小，基本只有几百个波数的拉曼频移，所以需要通过多级级联拉曼才能实现中红外输出，拉曼转换效率随着拉曼级数的增加而降低，因此中红外级联拉曼固体激光器的转换效率一般都很低。相比于固体拉曼介质，气体拉曼介质具有更大的拉曼频移系数，比如氢气的振动拉曼频移系数为4155cm-1，通过二阶甚至只要一阶拉曼就可以实现近红外到中红外的频率变换。传统的气体拉曼激光器一般采用气体腔，气体腔中泵浦激光与拉曼介质的相互距离很短，导致阈值泵浦功率非常高，甚至需要兆瓦的功率水平才能达到泵浦阈值。此外，由于不可避免地产生多级拉曼信号，使得到特定波长的拉曼转换效率非常低。
技术实现思路
现有技术中采用固体拉曼介质实现中红外输出需要许多级拉曼变频从而导致拉曼转换效率很低的缺点。而传统气体腔结构中，由于泵浦激光与拉曼气体作用距离很短导致泵浦阈值很高，实现气体拉曼中红外激光输出需要非常高的泵浦功率。为了克服现有技术中的以上缺陷，本专利技术结合了气体拉曼频移系数大，实现中红外输出只需要一到二阶拉曼散射的优点，以及空芯光纤中泵浦激光与拉曼介质有效作用距离长、拉曼阈值低、拉曼转换效率高的优点。在此基础上，本专利技术提出了一种可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器。本专利技术采用的技术方案是：一种可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器，其是以1μm波段可调谐激光产生装置为泵浦源，通过同种气体或两种不同气体的级联受激拉曼散射产生3～5μm波段可调谐的中红外激光输出。该激光器包括1μm波段可调谐泵浦源、第一级气体拉曼激光产生装置和第二级气体拉曼激光产生装置，所述第一级气体拉曼激光产生装置将1μm波段可调谐泵浦源产生的1μm的泵浦激光转化成第一级拉曼散射激光，所述第一级拉曼散射激光为1.5μm波段或者2μm波段的激光；所述第二级气体拉曼激光产生装置将第一级拉曼散射激光转化成第二级拉曼散射激光，第二级拉曼散射激光为3～5μm波段可调谐的中红外激光。第一级气体拉曼激光产生装置将1μm波段可调谐泵浦源产生的1μm的泵浦激光耦合进第一级拉曼激光产生装置中一段充有第一级拉曼气体的空芯光纤中，通过第一级拉曼气体分子的受激拉曼散射将1μm波段的激光转换到1.5μm波段或2μm波段的第一级拉曼散射激光；再将产生的第一级拉曼激光耦合到第二级拉曼激光产生装置中一段充有第二级拉曼气体的空芯光纤中，利用第二级拉曼气体分子的受激拉曼散射产生第二级3～5μm波段可调谐的中红外激光。本专利技术的其第一级拉曼激光产生装置采用的空芯光纤的传输谱满足：泵浦波长λ0为1μm、拉曼激光波长λ1为1.5μm或者2μm，泵浦波长和拉曼激光波长位于空芯光纤传输谱中。第二级拉曼激光产生装置采用的空芯光纤的传输谱满足：泵浦波长λ0为1.5μm或者2μm、拉曼激光波长λ1为3～5μm，泵浦波长和拉曼激光波长同样位于空芯光纤传输谱中。第一级拉曼气体为一种烷烃类气体或氢气。所述烷烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯等。第二级拉曼气体为氢气或一种烷烃类气体。烷烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯等。所述1μm波段可调谐激光产生装置可以是激光振荡器，也可以是激光放大器；可以是光纤激光产生装置，也可以是固体激光产生装置；可以是脉冲激光产生装置，也可以是连续激光产生装置。所述第一级拉曼激光产生装置和第二级拉曼激光产生装置都可以是单程结构激光产生装置或环形腔反馈结构激光产生装置。进一步地，所述单程结构激光产生装置沿着光路传输方向依次包括1#高反镜、2#高反镜、1#半波片、偏振分光棱镜、2#半波片、耦合透镜、输入端气室、空芯光纤、输出端气室、输出透镜以及滤波片。泵浦激光经过1#高反镜以及2#高反镜实现对泵浦激光的准直，1#半波片和偏振分光棱镜对准直之后的泵浦激光的功率进行控制，2#半波片调节泵浦激光偏振方向，耦合透镜将泵浦激光经输入端气室的输入窗口耦合到空芯光纤的纤芯中，泵浦激光在空芯纤芯中与纤芯中填充的的拉曼气体发生受激拉曼散射作用产生单程放大的拉曼激光，然后通过输出透镜准直后再通过滤波片滤除残余泵浦激光后直接输出拉曼激光。单程结构激光产生装置中泵浦激光与拉曼气体只在单程中发生受激拉曼散射，实质上是拉曼激光放大器结构。单程结构激光产生装置中，输入端气室设有让光束通过的同时起密封作用的输入窗口。空芯光纤连接在输入端气室和输出端气室之间，输入端气室设有让光束通过的同时起密封作用的输入窗口，输出端气室设置有同样让光束通过的同时起密封作用的输出窗口。输入端气室和输出端气室均能实现给空芯光纤补充拉曼气体。空芯光纤将泵浦激光和拉曼气体约束在μm量级的纤芯中。进一步地，所述环形腔反馈结构激光产生装置沿着光路传输方向依次包括3#高反镜、4#高反镜、3#半波片、偏振分光棱镜、4#半波片、耦合透镜、泵浦激光高透双色镜、输入端气室、空芯光纤、输出端气室、输出透镜、滤波片、5#高反镜、耦合输出镜以及反馈耦合透镜。泵浦激光经3#高反镜以及4#高反镜实现对泵浦激光的准直，3#半波片和偏振分光棱镜对准直之后的泵浦激光的功率进行控制，4#半波片调节泵浦激光偏振方向。经4#半波片输出的泵浦激光通过耦合透镜实现泵浦激光与空芯光纤纤芯的模式匹配，然后泵浦激光经过泵浦激光高透双色镜以及输入端气室的输入窗口耦合到空芯光纤的纤芯中，泵浦激光在空芯光纤的纤芯中与填充于纤芯中的拉曼气体发生受激拉曼散射作用产生单程放大的拉曼激光，拉曼激光依次经过输出端气室的输出窗口、输出准直透镜准直、滤波片滤波、高反镜反射后到达耦合输出镜，一部分拉曼激光透过耦合输出镜再经过反馈耦合透镜和泵浦激光高透双色镜后重新注入到空芯光纤中，形成环形腔反馈回路，耦合输出镜将另一部分拉曼激光直接输出。环形腔反馈结构激光产生装置中，其输入端气室设有让光束通过的同时起密封作用的输入窗口。空芯光纤连接在输入端气室和输出端气室之间，输入端气室设有让光束通过的同时起密封作用的输入窗口，输出端气室设置有同样让光束通过的同时起密封作用的输出窗口。输入端气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器，其特征在于，包括1μm波段可调谐泵浦源、第一级气体拉曼激光产生装置和第二级气体拉曼激光产生装置，所述第一级气体拉曼激光产生装置将1μm波段可调谐泵浦源产生的1μm的泵浦激光耦合进第一级拉曼激光产生装置中一段充有第一级拉曼气体的空芯光纤中，通过第一级拉曼气体分子的受激拉曼散射将1μm波段的激光转换到1.5μm波段或2μm波段的第一级拉曼散射激光；所述第二级气体拉曼激光产生装置将所述第一级拉曼激光产生装置产生的第一级拉曼激光耦合到一段充有第二级拉曼气体的空芯光纤中，利用第二级拉曼气体分子的受激拉曼散射产生3～5μm波段可调谐的中红外激光。

【技术特征摘要】
1.一种可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器，其特征在于，包括1μm波段可调谐泵浦源、第一级气体拉曼激光产生装置和第二级气体拉曼激光产生装置，所述第一级气体拉曼激光产生装置将1μm波段可调谐泵浦源产生的1μm的泵浦激光耦合进第一级拉曼激光产生装置中一段充有第一级拉曼气体的空芯光纤中，通过第一级拉曼气体分子的受激拉曼散射将1μm波段的激光转换到1.5μm波段或2μm波段的第一级拉曼散射激光；所述第二级气体拉曼激光产生装置将所述第一级拉曼激光产生装置产生的第一级拉曼激光耦合到一段充有第二级拉曼气体的空芯光纤中，利用第二级拉曼气体分子的受激拉曼散射产生3～5μm波段可调谐的中红外激光。2.根据权利要求1所述的可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器，其特征在于，第一级气体拉曼激光产生装置以及第二级拉曼激光产生装置采用的空芯光纤是在中红外波段具有较低传输损耗的自由边界型或冰淇淋型反共振负曲率空芯光纤，该空心光纤由包层毛细管、纤芯和纤芯内的多根毛细管组成，所有毛细管均为玻璃材质。3.根据权利要求2所述的可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器，其特征在于，反共振负曲率空芯光纤的高损耗区域波长位置可由下式给出：λm=2dmn22-n12]]>式中，λm为共振波长，单位为nm，也即高损耗区域波长；d为包层毛细管壁厚度，单位为nm；m为正整数，代表不同的共振区域；n2和n1分别为包层石英和纤芯区域的折射率。通过控制包层毛细管壁的厚度进而可以设计反共振负曲率空芯光纤的传输带，使得泵浦波长λ0和拉曼激光波长λ1分别位于反共振负曲率空芯光纤的两个传输带中，根据实际需要，可改变包层毛细管的大小以及纤芯内毛细管的大小和数量。4.根据权利要求2所述的可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器，其特征在于，第一级气体拉曼激光产生装置中采用的空芯光纤的传输谱满足：泵浦波长λ0为1μm、拉曼激光波长λ1为1.5μm或者2μm，泵浦波长和拉曼激光波长位于空芯光纤传输谱中；第二级气体拉曼激光产生装置中采用的空芯光纤的传输谱满足：泵浦波长λ0为1.5μm或者2μm、拉曼激光波长λ1为3～5μm，泵浦波长和拉曼激光波长位于空芯光纤传输谱中。5.根据权利要求1所述的可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器，其特征在于，第一级拉曼气体为一种烷烃类气体或氢气，第二级拉曼气体为氢气或一种烷烃类气体，所述烷烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯等。6.根据权利要求1所述的可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器，其特征在于，1μm波段可调谐激光产生装置是激光振荡器、激光放大器、光纤激光产生装置、固体激光产生装置、脉冲激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泽锋，陈育斌，顾博，陈子伦，曹涧秋，奚小明，许晓军，司磊，陈金宝，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43