【技术实现步骤摘要】
本专利技术主要涉及到光纤气体激光器，尤其是一种基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器。
技术介绍
1、3 μm波段中红外激光在生物医疗、环境监测、材料加工等领域有着重要应用价值，实现手段主要包括气体激光器、固体激光器、光纤激光器、量子级联激光器等。其中，光纤激光具有结构紧凑、热管理方便、转换效率高、光束质量好等特点，是实现高效紧凑高功率中红外激光输出的重要方式。但是，传统中红外光纤激光使用的软玻璃光纤存在化学稳定性差、损伤阈值低等问题，制约了激光功率的提升。空芯光纤的出现为实现中红外激光提供了一条新的途径，将气体充入空芯光纤中，利用光与气体的相互作用，实现激光输出，发展成为了一类新型激光器——光纤气体激光器。
2、目前，产生该波段的光纤气体激光器主要有以下几种：单程结构光纤气体激光器、谐振腔结构光纤气体激光器和放大器结构光纤气体激光器。单程结构的光纤气体激光器通常难以实现高功率输出，因为激光在光纤中只通过一次，没有多次往返放大的机会，并且高功率泵浦下空芯光纤耦合端面易损伤。谐振腔结构光纤气体激光器虽然可以保证激光在腔内多次往返并有效放大，然而谐振腔结构需要精确设计，对齐精度要求高，需要额外的腔镜和支撑结构等，增加了设计的复杂性，同时谐振腔结构需要更频繁的维护和调整，增加了成本。同样受限于高功率泵浦下空芯光纤耦合端面易损伤的限制，谐振腔结构光纤气体激光器在3 μm波段的输出功率也十分有限。放大器结构光纤气体激光器通常需要高功率的泵浦光源来实现有效的光放大，而研制高功率、窄线宽、高光束质量的泵浦源本身就具有难度，另外放
技术实现思路
1、针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提出一种基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一方面，本专利技术提供一种基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，包括乙炔光纤气体激光器、双色镜、反射镜组和衍射光栅；
4、乙炔光纤气体激光器共有五路，作为光栅合束用的激光光源，各路乙炔光纤气体激光器输出的激光光谱中都含有两种不同波长；
5、在各路乙炔光纤气体激光器的输出光路上分别设置有一个双色镜，双色镜用来分离对应乙炔光纤气体激光器输出激光中的两种波长成分的激光；
6、五路乙炔光纤气体激光器分别经对应的双色镜后，得到十路具有不同波长的激光；
7、十路具有不同波长的激光分别经对应的反射镜组调整光路，使十路具有不同波长的激光以不同的角度入射至衍射光栅；
8、十路不同入射角、不同波长的入射激光在衍射光栅沿着同一方向发生衍射，具有相同的衍射角，完成光谱合束。
9、进一步地，本专利技术所述衍射光栅为反射型衍射光栅。
10、进一步地，本专利技术所述乙炔光纤气体激光器包括光纤激光器、聚焦透镜、气体腔组、空芯光纤和密封于气体腔中的乙炔气体，所述气体腔组包括两个气体腔，分别为输入端气体腔和输出端气体腔，所述空芯光纤的两端分别放置于输入端气体腔和输出端气体腔，乙炔气体通过气体腔组进入空芯光纤中；所述光纤激光器用于输出1.5 μm波段的泵浦光，1.5 μm波段的泵浦光经聚焦透镜进入空芯光纤后，乙炔气体吸收泵浦光能量发生粒子数反转，进而通过能级跃迁产生3.1 μm波段的激光输出，并且输出激光的激光光谱中包含两种波长成分。
11、进一步地，本专利技术中的五路乙炔光纤气体激光器，分别为第一路乙炔光纤气体激光器、第二路乙炔光纤气体激光器、第三路乙炔光纤气体激光器、第四路乙炔光纤气体激光器、第五路乙炔光纤气体激光器，五路乙炔光纤气体激光器的泵浦源为输出波长互不相同的光纤激光器，五路乙炔光纤气体激光器的五个泵浦源波长分别对应乙炔气体的五条吸收线。
12、进一步地，本专利技术中所述第一路乙炔光纤气体激光器输出的激光光谱中含有3177.488 nm和3110.420 nm两个波长，第二路乙炔光纤气体激光器输出的激光光谱中含有3172.444 nm和3114.640 nm两个波长，第三路乙炔光纤气体激光器输出的激光光谱中含有3167.464 nm和3118.918nm两个波长，第四路乙炔光纤气体激光器输出的激光光谱中含有3162.547 nm和3123.255 nm两个波长，第五路乙炔光纤气体激光器输出的激光光谱中含有3157.694 nm和3127.651 nm两个波长。
13、进一步地，本专利技术中所述第一路乙炔光纤气体激光器、第二路乙炔光纤气体激光器、第三路乙炔光纤气体激光器、第四路乙炔光纤气体激光器、第五路乙炔光纤气体激光器的泵浦源波长分别为1534.099nm、1532.830 nm、1531.588 nm、1530.371 nm和1529.180nm，分别对应乙炔气体的五个吸收线p(15)、p(13)、p(11)、p(9)和p(7)。
14、进一步地，本专利技术中，十路不同入射角、不同波长的入射激光在衍射光栅沿着同一方向发生衍射，十路入射激光具有相同的衍射角，且各路不同波长的入射激光的入射角需满足光栅方程：
15、；
16、其中 m是衍射级次， d是光栅常数，是第 n路入射激光的入射角，是衍射角，表示第 n路入射激光的波长， n=1,2,3,......,10；
17、根据上述光栅方程，调整十路入射激光的入射角，使十路不同波长的入射激光在衍射光栅沿着同一方向发生衍射。
18、十路入射激光中，波长越长，对应的入射角越大。
19、光谱合束是实现高功率输出的重要途径。本专利技术利用光栅器件，将多路性能稳定的中红外光纤气体激光进行合束，最终获得高功率激光输出，同时保证了性能的稳定性。相比现有技术，本专利技术的技术效果：
20、1. 本专利技术采用乙炔气体作为增益介质，利用空芯光纤作为光与物质相互作用的场所，通过乙炔气体粒子数反转实现3 μm波段的激光输出。
21、2. 本专利技术采用反射型衍射光栅作为合束器件，对3 μm波段乙炔光纤气体激光器进行光谱合束获得高功率3 μm波段激光输出。
22、3. 本专利技术对五路乙炔光纤气体激光器进行合束，每路激光器系统均工作在稳定状态，在获得高功率的3 μm波段输出的同时避免了空芯光纤损伤的风险。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，其特征在于，包括乙炔光纤气体激光器、双色镜、反射镜组和衍射光栅；
2.根据权利要求1所述的基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，其特征在于，所述衍射光栅为反射型衍射光栅。
3.根据权利要求2所述的基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，其特征在于，乙炔光纤气体激光器包括光纤激光器、聚焦透镜、气体腔组、空芯光纤和密封于气体腔中的乙炔气体，所述气体腔组包括两个气体腔，分别为输入端气体腔和输出端气体腔，所述空芯光纤的两端分别放置于输入端气体腔和输出端气体腔内，乙炔气体通过气体腔组进入空芯光纤中；所述光纤激光器用于输出1.5 μm波段的泵浦光，1.5 μm波段的泵浦光经聚焦透镜进入空芯光纤后，乙炔气体吸收泵浦光能量发生粒子数反转，进而通过能级跃迁产生3.1 μm波段的激光输出，并且输出激光的激光光谱中包含两种波长成分。
4.根据权利要求3所述的基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，其特征在于，所述第一路乙炔光纤气体激光器输出的激光光谱中含有3177.488 nm和3110.420 nm两个波长，第
5.根据权利要求3所述的基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，其特征在于，第一路乙炔光纤气体激光器、第二路乙炔光纤气体激光器、第三路乙炔光纤气体激光器、第四路乙炔光纤气体激光器、第五路乙炔光纤气体激光器的泵浦源波长分别为1534.099 nm、1532.830 nm、1531.588 nm、1530.371 nm和1529.180 nm，分别对应乙炔气体的五个吸收线P(15)、P(13)、P(11)、P(9)和P(7)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，其特征在于，十路不同入射角、不同波长的入射激光在衍射光栅沿着同一方向发生衍射，十路入射激光具有相同的衍射角，且各路不同波长的入射激光的入射角需满足光栅方程：
7.根据权利要求6所述的基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，其特征在于，十路入射激光中，波长越长，对应的入射角越大。
...【技术特征摘要】
1.基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，其特征在于，包括乙炔光纤气体激光器、双色镜、反射镜组和衍射光栅；
2.根据权利要求1所述的基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，其特征在于，所述衍射光栅为反射型衍射光栅。
3.根据权利要求2所述的基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，其特征在于，乙炔光纤气体激光器包括光纤激光器、聚焦透镜、气体腔组、空芯光纤和密封于气体腔中的乙炔气体，所述气体腔组包括两个气体腔，分别为输入端气体腔和输出端气体腔，所述空芯光纤的两端分别放置于输入端气体腔和输出端气体腔内，乙炔气体通过气体腔组进入空芯光纤中；所述光纤激光器用于输出1.5 μm波段的泵浦光，1.5 μm波段的泵浦光经聚焦透镜进入空芯光纤后，乙炔气体吸收泵浦光能量发生粒子数反转，进而通过能级跃迁产生3.1 μm波段的激光输出，并且输出激光的激光光谱中包含两种波长成分。
4.根据权利要求3所述的基于光谱合束的高功率中红外光纤气体激光器，其特征在于，所述第一路乙炔光纤气体激光器输出的激光光谱中含有3177.488 nm和3110.420 nm两个波长，第二路乙炔光纤气体激光器输出的激光光谱中含有3172.444 nm和3114.640 nm两个波长，第三路乙炔光纤气...
【专利技术属性】
技术研发人员：王泽锋，吕国瑞，周智越，李天宇，李炫熹，陈子伦，马鹏飞，李智贤，裴闻喜，雷罗昊，石婧，陈琪，
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：
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