2.33μm激光光源以及全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器制造技术

本发明专利技术提出了2.33μm激光光源以及全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器，包括泵浦源、输入实芯光纤、第一级反共振空芯光纤、第二级反共振空芯光纤以及输出单元，1.5μm波段泵浦激光在第一级反共振空芯光纤的纤芯中与纤芯中充入的一氧化碳气体相互作用，受激辐射跃迁生成的2.33μm激光，2.33μm激光在第二级反共振空芯光纤的纤芯中与纤芯中充入的一氧化碳气体相互作用，受激辐射跃迁生成的4.66μm；第二级反共振空芯光纤的输出端通过输出单元，实现4.66μm激光的输出。本发明专利技术利用CO气体的吸收辐射跃迁的特点，实现4.66μm激光输出。本发明专利技术克服了目前基于空芯光纤的光纤气体激光器未全光纤化的问题，同时克服了产生4.66μm激光的2.33μm光纤结构激光光源缺乏的问题。

【技术实现步骤摘要】
2.33μm激光光源以及全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器
本专利技术属于光纤激光
，具体地涉及一种中红外窄线宽的光纤气体激光光源。
技术介绍
3-5μm波段的中红外波段激光位于大气的传输窗口，在民用领域可用于通讯、生物医疗、环境监测，在军事方面可用于光电对抗。导弹尾焰探测等，受到了科学家们的广泛关注。光纤激光器作为输出便携、稳定、高效中红外激光的重要手段，其光束质量好，结构紧凑，在中红外激光器领域具有巨大的发展前景。目前产生中红外的掺杂离子主要为Er3+、Ho3+和Dy3+等，但是由于掺杂离子的自终止效应，及其增益带的限制输出波长难以超过4μm。目前常用的中红外软玻璃光纤为ZBLAN光纤，其传输带的长波端大约为4.5μm，不能满足波长进一步向长波中红外区域的拓展，而硫属化物玻璃虽然传输窗口边缘可达9μm，但是稀土离子在该种材料中的溶解度较低。同时受限于软玻璃光纤损伤阈值较低和工作温度要求苛刻等问题，中红外光纤激光器的发展遇到瓶颈。气体激光器具有损伤阈值高、散热好等特点，且其增益气体可选择种类众多(如CO2、CO、HF等)输出波长范围广泛，是输出中红外激光的重要手段。但是，传统气体激光器的体积庞大不便于携带，不利于实际应用。空芯光纤的出现使得我们可以在空芯光纤中填充气体，形成光纤气体激光器。而基于空芯光纤的光纤气体激光器结合了光纤激光器与气体激光器的优点，既具有较高的损伤阈值，又简化了结构，便于制成产品携带，同时可选择的增益气体广泛，使得其可以突破掺杂稀土离子光纤激光器输出波长限制。由于空芯光纤纤芯周围具有特殊的周期性结构，在全光纤化的过程中，如何实现实芯光纤与空芯光纤的全光纤耦合成为一大难题。传统实芯光纤间熔接的方法会破坏空芯光纤的周期性结构，使得熔接损耗大大增加，在实芯光纤与空芯光纤之间并不适用。因此，已有的基于空芯光纤的光纤气体激光器均为空间结构，而未进行全光纤化。另外传统的光抽运一氧化碳激光器产生4.66μm激光的泵浦源在2.33μm波段，但由于常用的增益掺杂离子Er3+、Tm3+、Ho3+等的增益带均不包含2.33μm波段，光纤结构的2.33μm激光光源较为缺乏。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术提出了2.33μm激光光源以及全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器。本专利技术结合光纤气体激光器损伤阈值高、结构简单紧凑、作用距离长和一氧化碳气体分子的吸收辐射跃迁的特点，克服了目前基于空芯光纤的光纤气体激光器未全光纤化的问题，同时克服了产生4.66μm激光的2.33μm光纤结构激光光源缺乏的问题。为实现上述技术目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器，包括泵浦源、输入实芯光纤、第一级反共振空芯光纤、第二级反共振空芯光纤以及输出单元；所述泵浦源为1.5μm波段可调谐窄线宽激光光源，用于产生泵浦激光；所述泵浦源的输出端连接输入实芯光纤，第一级反共振空芯光纤的两端分别真空密封于第一气体腔和第二气体腔中，第二级反共振空芯光纤的两端分别真空密封于第二气体腔和第三气体腔中，输入实芯光纤的末端伸入第一气体腔与第一级反共振空芯光纤的输入端耦合连接，第一级反共振空芯光纤的输出端与第二级反共振空芯光纤的输入端同时熔入位于第二气体腔中的一段小玻璃棒内实现对接；第一级反共振空芯光纤、第二级反共振空芯光纤内填充的工作气体(即增益介质)为一氧化碳；1.5μm波段泵浦激光在第一级反共振空芯光纤的纤芯中与纤芯中充入的一氧化碳气体相互作用，受激辐射跃迁生成的2.33μm激光，2.33μm激光在第二级反共振空芯光纤的纤芯中与纤芯中充入的一氧化碳气体相互作用，受激辐射跃迁生成4.66μm激光；第三气体腔中的第二级反共振空芯光纤的输出端通过输出单元，实现4.66μm激光的输出。优选地，第一气体腔和第三气体腔连接有抽真空以及充气系统。抽真空以及充气系统用于向对应的气体腔进行抽真空以及向对应的气体腔充入具有一定气压的一氧化碳气体以及缓冲气体。所述缓冲气体用于增大系统内气压，同时增大CO气体分子的吸收线宽。所述缓冲气体为氦气、氩气或者甲烷等。通过与第一气体腔连接的抽真空以及充气系统，在第一级反共振空芯光纤中充入一定气压的一氧化碳气体和缓冲气体，通过气体分子之间的碰撞展宽增加吸收线宽，使其覆盖泵浦激光的波长。泵浦激光在第一级反共振空芯光纤的纤芯中与纤芯中充入的一氧化碳气体分子进行充分的相互作用，受激辐射跃迁生成2.33μm激光。同样的，通过与第三气体腔连接的抽真空以及充气系统，在第二级反共振空芯光纤中充入一定气压的一氧化碳气体和缓冲气体，通过气体分子之间的碰撞展宽增加吸收线宽，使其覆盖2.33μm激光的波长。2.33μm激光在第二级反共振空芯光纤的纤芯中与纤芯中充入的一氧化碳气体分子进行充分的相互作用，受激辐射跃迁生成的4.66μm激光。抽真空以及充气系统包括真空泵、CO气瓶、缓冲气体气瓶、气压调节阀以及气压计等，通过真空泵对对应气体腔抽真空。通过CO气瓶以及CO气路上的气压调节阀以及气压计，缓冲气体气瓶以及缓冲气体气路上的气压调节阀以及气压计可以实现对反共振空芯光纤中CO气体和缓冲气体的气压调节以及监测。本专利技术中，所述一氧化碳气体纯度为99.99％以上。本专利技术中所述泵浦源为1.5μm波段(即中心波长在1500nm至1600nm(不含1600nm)之间)可调谐、窄线宽、高功率连续或者脉冲激光器。优选地，所述泵浦源为中心波长1566nm、1568nm、1583nm或者1588nm的可调谐、窄线宽、高功率脉冲或者连续激光光源，这四种波长是一级出光后和二级吸收波长最接近的四个波长，最容易实现，目前在2μm波段通过填充缓冲气体增加吸收线宽最大在0.2nm附近，因此吸收波长只差小于0.2nm较为合适，1.5μm波段的其它波长泵浦后与第二级泵浦波长的波长差通常大于此数值，1.5μm波段的其它波长实现起来会比这四种波长困难很多。进一步地，本专利技术所述输入实芯光纤为商用单模光纤，其在1.57μm波段具有较低的传输损耗。输入实芯光纤的末端采用拉锥耦合的方式与第一级反共振空芯光纤的输入端连接，以增大其模场直径，便于与反共振空芯光纤的模场直径相匹配。进一步地，本专利技术所述第一级反共振空芯光纤对1.5μm波段的泵浦激光的传输损耗小于0.05dB/m以及2.33μm的激光传输损耗小于0.1dB/m。所述第二级反共振空芯光纤对2.33μm的传输损耗小于0.1dB/m和4.66μm的激光传输损耗小于0.15dB/m。进一步地，各气体腔具有较小的体积。其中第一气体腔和第三气体腔可以实现对实芯光纤与反共振空芯光纤耦合部分的固定，其侧面留有一气孔用于与抽真空以及充气系统连接，便于将气体腔抽成真空，并充入一氧化碳气体和缓冲气体。进一步地，所述输出单元的实现方式有多种，本专利技术提供以下几种方式：(1)输出单元为一根实芯光纤，实芯光纤的输入端伸入第三气体腔内，对实芯光纤的输入端进行拉锥后与第二反共振空芯光纤的输出端耦合连接，在实芯光纤上刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器，其特征在于：包括泵浦源、输入实芯光纤、第一级反共振空芯光纤、第二级反共振空芯光纤以及输出单元；所述泵浦源为1.5μm波段可调谐窄线宽激光光源，用于产生泵浦激光；所述泵浦源的输出端连接输入实芯光纤，第一级反共振空芯光纤的两端分别真空密封于第一气体腔和第二气体腔中，第二级反共振空芯光纤的两端分别真空密封于第二气体腔和第三气体腔中，输入实芯光纤的末端伸入第一气体腔与第一级反共振空芯光纤的输入端耦合连接，第一级反共振空芯光纤的输出端与第二级反共振空芯光纤的输入端同时熔入位于第二气体腔中的一段小玻璃棒内实现对接；第一级反共振空芯光纤、第二级反共振空芯光纤内填充的即增益介质为一氧化碳；1.5μm波段泵浦激光在第一级反共振空芯光纤的纤芯中与纤芯中充入的一氧化碳气体相互作用，受激辐射跃迁生成的2.33μm激光，2.33μm激光在第二级反共振空芯光纤的纤芯中与纤芯中充入的一氧化碳气体相互作用，受激辐射跃迁生成的4.66μm；第三气体腔中的第二级反共振空芯光纤的输出端通过输出单元，实现4.66μm激光的输出。/n

【技术特征摘要】
1.全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器，其特征在于：包括泵浦源、输入实芯光纤、第一级反共振空芯光纤、第二级反共振空芯光纤以及输出单元；所述泵浦源为1.5μm波段可调谐窄线宽激光光源，用于产生泵浦激光；所述泵浦源的输出端连接输入实芯光纤，第一级反共振空芯光纤的两端分别真空密封于第一气体腔和第二气体腔中，第二级反共振空芯光纤的两端分别真空密封于第二气体腔和第三气体腔中，输入实芯光纤的末端伸入第一气体腔与第一级反共振空芯光纤的输入端耦合连接，第一级反共振空芯光纤的输出端与第二级反共振空芯光纤的输入端同时熔入位于第二气体腔中的一段小玻璃棒内实现对接；第一级反共振空芯光纤、第二级反共振空芯光纤内填充的即增益介质为一氧化碳；1.5μm波段泵浦激光在第一级反共振空芯光纤的纤芯中与纤芯中充入的一氧化碳气体相互作用，受激辐射跃迁生成的2.33μm激光，2.33μm激光在第二级反共振空芯光纤的纤芯中与纤芯中充入的一氧化碳气体相互作用，受激辐射跃迁生成的4.66μm；第三气体腔中的第二级反共振空芯光纤的输出端通过输出单元，实现4.66μm激光的输出。


2.根据权利要求1所述的全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器，其特征在于：第一气体腔和第三气体腔连接有抽真空以及充气系统。


3.根据权利要求2所述的全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器，其特征在于：抽真空以及充气系统用于向对应的气体腔进行抽真空以及向对应的气体腔充入具有一定气压的一氧化碳气体以及缓冲气体；所述缓冲气体为氦气、氩气或者甲烷。


4.根据权利要求1所述的全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器，其特征在于：所述一氧化碳气体纯度为99.99％以上。


5.根据权利要求1所述的全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器，其特征在于：泵浦源为1.5μm波段可调谐、窄线宽、高功率连续或者脉冲激光器。


6.根据权利要求6所述的全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器，其特征在于：泵浦源为中心波长1566nm、1568nm、1583nm或者1588nm的可调谐、窄线宽、高功率脉冲或者连续激光器。


7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的全光纤级联窄线宽4.66μm光纤气体激光器，其特征在于：所述输入实芯光纤的末端采用拉锥耦合的方式与第一级反共振空芯光纤的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泽锋，崔宇龙，周智越，黄威，李昊，李智贤，王蒙，陈子伦，李霄，陈金宝，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43