4μm波段激光产生方法以及光纤气体激光发生装置制造方法及图纸

4μm波段激光产生方法以及光纤气体激光发生装置，通过2μm波段泵浦激光与填充于反共振空芯光纤中的工作气体发生本征吸收跃迁，从而实现4μm波段激光输出。其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO

【技术实现步骤摘要】
4μm波段激光产生方法以及光纤气体激光发生装置
本专利技术涉及激光发生设备
，具体涉及一种4μm波段激光产生方法以及光纤气体激光发生装置。
技术介绍
中红外激光波长涵盖了大多数分子振动吸收峰，在军事、生物医疗及大气通信等领域显示出巨大的应用前景，是国际研究的热点。中红外激光有多种产生方式，总体上可以分为两种：一是利用激光器振荡放大直接产生(线性方法)；二是利用非线性频率变换。前者包括了固体激光器、半导体量子级联激光器、自由电子激光器、化学和气体激光器、泛频CO激光器和光纤激光器等，后者主要包括光学参量振荡器(OPO)和光学倍频激光器(CO2激光器倍频)。量子级联激光器在连续工作时产热较多，而且其受激区域较大，难以实现高功率单模输出；电子振动固体激光器可以实现2-5μm高效输出，但是热透镜效应限制了其功率的提高；光参量振荡器可以实现数瓦功率水平的可调谐中红外输出，但是其对泵浦源线宽以及偏振态要求较高；目前掺钬的氟化物光纤激光器可以实现3-4μm激光输出，但是功率水平和斜效率均较低，此外波长向更长波方向拓展也存在较大困难。其中，光纤激光器由于作用距离长，光束质量好、稳定性高、转换效率高、散热效果好等优点最有希望实现便携、稳定、高效的中红外激光输出，引起了广泛关注。但是光纤激光器的输出功率受限于受激拉曼散射、受激布里渊散射、热透镜效应，光纤中常见的材料硅酸盐玻璃由于声子能量高达1100cm-1，对于波长大于2.2μm的波段有很强的吸收，导致其损耗变得很大。氟化物玻璃和硫系玻璃具有更宽的传输带，比硅酸盐玻璃在长波段更有优势，但由于拉制工艺不成熟，材料昂贵，强度不好，应用没有硅酸盐玻璃光纤广泛，光纤激光器输出的功率随着发射波长的增加呈指数下降的趋势。与固体激光器以及掺杂实心光纤激光器相比，气体激光器的竞争性非线性效应阈值高，光学损伤阈值高，在光束质量和功率水平上有着潜在优势。空芯光纤的出现为解决传统的光纤激光器里存在的问题提出的一种新的方案，相较于传统气体激光器的气体腔，空芯光纤的纤芯的区域很小，在微米量级，作用距离更长，可以有几十米，作用效果更加充分，结构更加紧凑牢固，更加便于与其他装置连接。基于空芯光纤的气体激光器结合了光纤激光器和气体激光器各自的优势，相对实芯掺杂光纤在激光输出功率、线宽、波长选择等方面都具有潜优势，是非常有希望实现大功率可调谐中红外激光输出的一种有效手段。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术提出了一种4μm波段激光产生方法以及光纤气体激光发生装置。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：本专利技术提供的技术方案一：一种4μm波段激光产生方法，通过2μm波段泵浦激光与填充于反共振空芯光纤中的工作气体发生本征吸收跃迁，从而实现4μm波段激光输出。其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO2的混合气体。如果工作气体为HBr气体，HBr气体通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm波段激光。如果工作气体是HBr和CO2的混合气体，所述HBr和CO2气体在2μm波段有重合的吸收带。通过调谐泵浦源中心波长对准HBr和CO2的不同吸收线，从而实现4μm波段激光输出。本专利技术提供的技术方案二：一种4μm波段激光光纤气体激光发生装置，包括2μm波段半导体激光泵浦源系统、输入实芯光纤、反共振空芯光纤和输出装置，2μm波段半导体激光泵浦源系统输出的2μm波段泵浦光的传输路径上依次连接输入实芯光纤、反共振空芯光纤和输出装置，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的工作气体，所述输出装置输出中红外波段4μm激光。其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO2的混合气体。具体地，所述输出装置为输出实芯光纤，所述输入实芯光纤的两端分别与2μm波段半导体激光泵浦源系统的输出尾纤和反共振空芯光纤的输入端熔接，所述反共振空芯光纤的另一端与输出实芯光纤的输入端熔接。该方案解决了空间结构光纤气体激光器泵浦耦合效率低，系统不稳定的技术问题，其是一种结构紧凑、性能稳定、窄线宽、低泵浦阈值、高转化效率、光束质量好的全光纤结构气体激光发生装置。优选地，本专利技术技术方案二中所述反共振空芯光纤在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段均具有较低传输损耗，具体地反共振空芯光纤在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段的传输损耗均小于0.15dB/m。优选地，本专利技术技术方案二中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中还包括用于防止反向传输的泵浦光返回2μm波段半导体激光泵浦源系统的隔离器，所述隔离器熔接在输入实芯光纤上。优选地，本专利技术技术方案二中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中的所述输入实芯光纤上刻写有对中红外波段4μm激光形成高反射的输入布拉格光栅，所述输入布拉格光栅设置在隔离器之后的输入实芯光纤上，所述输入布拉格光栅峰值反射率均大于95％。所述输出装置为输出实芯光纤，所述输出实芯光纤上依次刻写有对2μm波段泵浦光形成高反射的反馈光栅和对中红外波段4μm激光部分反射的输出布拉格光栅，所述反馈光栅对2μm波段泵浦光的反射率大于95％，所述输出布拉格光栅对中红外波段4μm激光的透射率为10％～90％。优选地，本专利技术技术方案二中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中的所述2μm波段半导体激光泵浦源系统包括第一泵浦源、第二泵浦源和将2个泵浦源出射的泵浦激光耦合在一起的2×1泵浦合束器，所述第一泵浦源的中心波长为1971.67nm，对应HBr分子v0→v2跃迁R(2)吸收线，能把HBr分子v0振动态上J＝2转动态泵浦到v2振动态上J＝3转动态，所述第二泵浦源的中心波长为2018.14nm，对应HBr分子v0→v2跃迁P(4)吸收线，能把HBr分子v0振动态上J＝4转动态泵浦到v2振动态上J＝3转动态，所述第一泵浦源和第二泵浦源能把不同下能级的HBr分子泵浦到同一上能级，利用更多的HBr分子数。本专利技术技术方案二的原理是：反共振空芯光纤能够为气体与泵浦光作用提供了近乎理想的环境，它可以有效地将泵浦光约束在微米量级的纤芯中，大大提高了泵浦强度和有效作用距离，而且结合了气体激光器和光纤激光器各自的优势，设计反共振空芯光纤的传输损耗谱使得泵浦波段和产生的激光波段有较低的传输损耗，实现有效的中红外激光输出。HBr为双原子分子，仅有一种振动态，HBr分子在每个振动态上由于转动而引起了一系列转动态，不同波长的泵浦源可以把不同下能级转动态的HBr分子利用起来，泵浦到同一上能级转动态，然后跃迁产生对应的4μm波段激光，提高转换效率。本专利技术提供的技术方案三：4μm波段激光光纤气体激光发生装置，包括2μm波段半导体激光泵浦源系统、用于将泵浦激光耦合至所述反共振空芯光纤的泵浦耦合装置、反共振空芯光纤和输出装置；2μm波段半导体激光泵浦源系统输出的2μm波段泵浦光的传输路径上依次连接有泵浦耦合装置、反共振空芯光纤和输出装置，所述泵浦耦合装置将2μm波段泵浦光耦合至所述反共振空芯光纤中，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.4μm波段激光产生方法，其特征在于：通过2μm波段泵浦激光与填充于反共振空芯光纤中的工作气体发生本征吸收跃迁，从而实现4μm波段激光输出，其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO

【技术特征摘要】
1.4μm波段激光产生方法，其特征在于：通过2μm波段泵浦激光与填充于反共振空芯光纤中的工作气体发生本征吸收跃迁，从而实现4μm波段激光输出，其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO2的混合气体。


2.4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，包括2μm波段半导体激光泵浦源系统、输入实芯光纤、反共振空芯光纤和输出装置，2μm波段半导体激光泵浦源系统输出的2μm波段泵浦光的传输路径上依次连接输入实芯光纤、反共振空芯光纤和输出装置，所述输出装置为输出实芯光纤，所述输入实芯光纤的两端分别与2μm波段半导体激光泵浦源系统的输出尾纤和反共振空芯光纤的输入端熔接，所述反共振空芯光纤的另一端与输出实芯光纤的输入端熔接，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的工作气体，所述输出装置输出中红外波段4μm激光，其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO2的混合气体。


3.根据权利要求2所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述反共振空芯光纤在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段的传输损耗均小于0.15dB/m。


4.根据权利要求2所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，还包括用于防止反向传输的泵浦光返回2μm波段半导体激光泵浦源系统的隔离器，所述隔离器熔接在输入实芯光纤上。


5.根据权利要求4所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述输入实芯光纤上刻写有对中红外波段4μm激光形成高反射的输入布拉格光栅，所述输入布拉格光栅设置在隔离器之后的输入实芯光纤上，所述输入布拉格光栅峰值反射率均大于95％；
所述输出实芯光纤上依次刻写有对2μm波段泵浦光形成高反射的反馈光栅和对中红外波段4μm激光部分反射的输出布拉格光栅，所述反馈光栅对2μm波段泵浦光的反射率大于95％，所述输出布拉格光栅对中红外波段4μm激光的透射率为10％～90％。


6.根据权利要求2、3、4或5所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述2μm波段半导体激光泵浦源系统包括第一泵浦源、第二泵浦源和将2个泵浦源出射的泵浦激光耦合在一起的2×1泵浦合束器，所述第一泵浦源的中心波长为1971.67nm，对应HBr分子v0→v2跃迁R(2)吸收线，所述第二泵浦源的中心波长为2018.14nm，对应HBr分子v0→v2跃迁P(4)吸收线。


7.4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，包括2μm波段半导体激光泵浦源系统、用于将泵浦激光耦合至所述反共振空芯光纤的泵浦耦合装置、反共振空芯光纤和输出装置；2μm波段半导体激光泵浦源系统输出的2μm波段泵浦光的传输路径上依次连接有泵浦耦合装置、反共振空芯光纤和输出装置，所述泵浦耦合装置将2μm波段泵浦光耦合至所述反共振空芯光纤中，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的工作气体，所述输出装置输出中红外波段4μm激光，其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO2的混合气体。


8.根据权利要求7所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述反共振空芯光纤在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段的传输损耗均小于0.15dB/m。


9.根据权利要求7所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述反共振空芯光纤的输入端和输出端分别密封在输入端密封气体腔和输出端密封气体腔中，所述泵浦耦合装置将2μm波段泵浦光通过输入端密封气体腔耦合至所述反共振空芯光纤中，所述反共振空芯光纤中产生的中红外波段4μm激光通过输出端密封气体腔传输到输出装置。


10.根据权利要求9所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述输入端密封气体腔和输出端密封气体腔上分别设置有输入窗口和输出窗口，所述泵浦耦合装置将2μm波段泵浦光通过输入端密封气体腔上的输入窗口耦合至输入端密封气体腔内的反共振空芯光纤的输入端中，所述反共振空芯光纤中产生的中红外波段4μm激光通过输出端密封气体腔上的输出窗口出射到...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泽锋，周智越，崔宇龙，黄威，李昊，李智贤，裴闻喜，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