THz拉曼光纤激光器的制作方法

专利名称：THz拉曼光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于太赫兹辐射源技术领域，具体涉及一种光纤激光器。
背景技术：
一般来说，THz波的波长在0.03mm lmm之间，相应的频率范围为 0.3THz 10THz，是介于毫米波与红外光之间的电磁辐射，是电磁波谱中最后一 个需要全面研究的波段。由于物质在THz波段的发射、反射和透射光谱中包含了 丰富的物理和化学信息，因此THz波在物理、化学、天文、分子光谱、生命和医 药科学等基础研究领域，以及医学成像、环境监测、材料检测、食品检测、射电 天文、移动通讯、卫星通信和军用雷达等应用研究领域均有重大的科学研究价值 和广阔的应用前景。
目前，THz波研究领域中比较重要的基本问题包括THz波辐射源；THz波 探测技术；THz波本身特性以及THz波与物质相互作用。其中，对THz波辐射 源的研究是THz技术领域科技发展的核心研究内容。THz辐射源根据产生机理的 不同可分为两大类基于电子学的THz辐射源和基于光学的THz辐射源。基于 光学的THz辐射源主要包括利用超短激光脉冲产生THz辐射；利用非线性频 率变换产生THz波;基于光泵气体分子产生THz激光源(简称光泵THz激光器)。 与本申请最接近的技术是普通光泵THz激光器，它是采用红外激光泵浦发生器中 的气体分子产生受激辐射形成THz激光，最大平均输出功率已经达到800mW(波 长118pm)，光一光转换效率高达0.727% (M. S. Tobin, A review of optically pumped NMMW lasers, Proc. IEEE, 73(1): 61 - 85， 1985)，且光束质量较好，并能 够持续稳定输出，而其它的光学方法目前最大的平均输出功率仅为微瓦量级，光 一光转换效率小于0.1%，因此光泵THz激光器在实现高功率太赫兹辐射方面具
3有很大的潜力。例如，在南极建立的移动天文站和在卫星上搭载使用的都是这种
光泵THz激光器。这种激光器的基本基本组成部分是泵浦源和THz波激光发生 器，优点是，输出的光束质量较好，输出功率较高，并能够持续稳定输出，缺点 是由于THz波激光发生器采用较粗的石英管或大容器，仅THz波激光发生管的 长度一般在2米以上，直径在30mm 50mm左右，不能弯曲，不易移动，且其支 撑架也比较庞大笨重，使用十分不便，在一定程度上影响了光泵THz波激光器的 实际应用领域。
近年来，人们也进行了 THz波激光发生器小型化研究，主要是将THz波激 光器长度变短，但变短后THz信号相对较弱，达不到使用要求，难以在科技领域 广泛推广。

发明内容
本发明的目的是提供一种输出光束质量较好，输出功率较高，并能够持续稳 定输出的且体积小的THz拉曼光纤激光器。
为达到上述目的，本发明的THz拉曼光纤激光器由泵浦源、耦合系统和光纤 组成，其中
所述的光纤是金属镀层气芯光纤，它是在金属镀层空芯光纤纤芯充有一定气 压的THz活性气体，要求这些活性气体是吸收10(im附近激光(比如(302或N20 激光器)产生THz波段辐射的气体，如，氨气皿3,甲基氟CH3F等，在金属镀 层气芯光纤前后两端加装封帽，要求封帽端头与金属镀层空芯光纤的端头平行， 前封帽材料对红外激光有较高透过率，如ZnSe或BaF2或NaCl晶片，后封帽材 料能有效地滤除中红外信号，而对THz波有良好的透过性，如聚四氟乙烯(Teflon) 或聚乙烯，用于输出THz激光。
所述的的泵浦源为射频运转的CCb或N20激光器，在激光器后加频率选择 元件，如旋转金属光栅，可实现THz波的调谐输出；所述的耦合系统为红外激光(比如C02或N20激光)透镜组耦合系统，对 泵浦光有80%以上的透过率，该透镜组将C02或N20激光的光腰尺寸和发散角 调整为合适的参数，以提高泵浦效率。
本发明的工作原理是红外激光经耦合系统耦合进入THz光纤纤芯，使纤芯 激活气体发生粒子数反转，这个过程伴随较弱的自发辐射，当泵浦功率超过拉曼 激光器的阏值，纤芯激活气体中就会发生受激拉曼散射，THz波在光纤内加强后 经光纤输出端输出，并且还可以通过对泵浦光选线，改变泵浦光的波长，从而得 到可调谐的THz波输出。
本发明的THz拉曼光纤激光器，在低损耗的金属镀层气芯THz光纤中充入 低压THz活性气体，制成THz活性光纤，代替粗重的石英管或大容器，用红外 激光泵浦光纤产生THz波。由于光纤侧面的对泵浦光的反射作用，泵浦光在光纤 中的有效路径大大增加了，与石英管或大容器相比，相同长度的光纤效率更高， 而且由于光纤质量轻、体积小和可弯曲的特性，使整套仪器更紧凑、灵活。这种 THz光纤激光器能够室温运转、可调谐、光束质量好、转换效率高，可以通过光 纤输出使THz波直达目标位置，紧凑、灵活、鲁棒、便携，集成了光泵气体分子 激光器和全固态光纤激光器的优点，是其它的太赫兹辐射源不可比拟的。本发明 气芯光纤的长度可根据光纤的参数和活性气体的相关参数选取，在芯内气体量一 定的情况下，在一定范围内可通过温度控制光纤温度的方法控制芯内气体的压 强。


图1是本发明的整体结构示意图2是本发明金属镀层气芯光纤的截面图3是本发明金属镀层气芯光纤前封帽结构图4是本发明金属镀层气芯光纤抽气充气装置结构图。图5是本发明金属镀层气芯光纤抽气充气时的组装示意图。，
图中1-泵浦源，2-耦合系统，3-THz光纤，4-THz波，5_外波导层，6-
金属镀层，7-气芯，8-气体容器，9-气体容器塑料封口， 10-窗口， 11-封口胶，
12-塑料接口， 13-装置罩，14-装置座，15-0型密封垫，16-密封垫，17-法兰，
18-外螺纹，19-内螺纹。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括泵浦源i、耦合系统2和THz光纤3， THz光纤3 由金属镀层空芯在纤芯充有一定气压的THz活性气体组成。
实施例中，采用内径2mm的金属镀层光纤，常温下在纤芯充入甲基氟CH3F 气体，用下述方法将光纤密封。用小型射频C02激光器泵浦，泵浦光经C02激 光透镜组耦合系统2，进入光纤3，在纤芯激活气体中发生受激拉曼散射，在光 纤3输出端可测得THz波4，改变泵浦光的波长，得到可调谐的THz波4输出。
上述金属镀层气芯光纤截面图如图2所示，外层为外波导层5，在外波导层 5镀有Au或Ag或Cu等金属镀层6，光纤中心为气芯7。
所述的金属镀层气芯光纤的前封帽实施例的结构如图3所示，其结构是它 是在一个气体容器8的一侧设有插入光纤3的端口 ，气体容器8选用对对泵浦激 光吸收少的ZnSe材料；端口上设有窗口 10，窗口 10选用对CO2激光高透过的 ZnSe材料；气体容器8的另一侧设有插入光纤的插口，插入光纤后用封口胶11 密封；气体容器8的底面连接有塑料口9，塑料口9与气体容器9密封连接；封 口胶11将光纤和前封帽密封起来。
后封帽结构与前封帽结构相同，不同的是气体容器、塑料封口和窗口均选用 对THz波吸收少的聚四氟乙烯或聚乙烯材料。
为了实现金属镀层气芯光纤的抽空、充气和密封，专门设计了抽气充气装置， 该装置结构如图4所示。它由装置罩13、装置座14和法兰17所组成，装置罩13上设有内螺纹18，装置座14上设有与内螺纹18配合的外螺纹19，装置罩13 与装置座14螺纹连接时加有O型密封垫15，装置座14与法兰7连接时加有密 封垫16，另外，在装置罩13上设有塑料接口 12，装置罩13形成气室。
对光纤抽气、充气并进行无接触焊接装置的操作是(见图5):在光纤3两端 安装图3所示封帽，然后在光纤的两端分别连接一个抽空充气装置，由光纤3连 通。通过控制气室的气压控制光纤3内气压，通过气室实现抽气和充气，通过气 室上的塑料接口 12进行激光无接触焊接。焊接后取下空充气装置，制成THz光 纤。其中抽气、充气及无接触焊接操作步骤是
第一步先将密封垫16和法兰17装到光纤3上；
第二步将光纤3端头装上前封帽；用封口胶ll将光纤和前封帽密封连接； 第三步将装有前封帽的光纤3通过法兰17和密封垫16固定到抽空、充气
装置座14，法兰17压住密封垫16，使抽空、充气装置座14密封；
第四步将抽空、充气装置罩13通过内螺纹19和外螺纹18与抽空、充气
装置座14连接，中间用0型密封垫15密封；
第五步光纤的另一端按照上述步骤连接另一个抽空、充气装置；
第六步两个抽空、充气装置的接口 12分别连接到抽气机和充气机，将空
气抽成气压较低时就充入甲基氟CH3F气体气体，再抽、再充，如此往复几次， 则光纤内可充满气体，并控制气体的压强达20 40mbar (lbar=105Pa);
第七步**透过抽空、充气装置罩塑料接口 12，用激光无接触焊接的方法，将 前后封帽气体容器塑料口焊接密封；
第八步卸掉抽气充气装置，得到充有所需活性气体的THz光纤。
权利要求
1、一种THz拉曼光纤激光器，其特征在于，它是由泵浦源、耦合系统和光纤组成，其中所述的光纤是金属镀层气芯光纤，它是在金属镀层空芯光纤纤芯充有THz活性气体，要求这些活性气体是吸收10μm附近激光产生THz波段辐射的气体，在金属镀层气芯光纤前后两端加装封帽，要求封帽端头与金属镀层空芯光纤的端头平行，前封帽材料选用为对红外激光有较高透过率的材料，后封帽材料选用能有效滤除中红外信号而对THz波有良好的透过性的材料；所述的的泵浦源为射频运转的CO2或N2O激光器；所述的耦合系统为红外激光透镜组耦合系统，对泵浦光有80％以上的透过率。
2、 如权利要求l所述的THz拉曼光纤激光器，其特征在于，在C02或N20 激光器后加有频率选择元件。
3、 如权利要求1或2所述的THz拉曼光纤激光器，其特征在于，所述的 THz活性气体为氨气NH3或甲基氟CH3F，等。
4、 如权利要求l或2所述的THz拉曼光纤激光器，其特征在于，前封帽材 料选用ZnSe、 BaF2或NaCl晶片，后封帽材料选用聚四氟乙烯。
全文摘要
本发明公开了一种THz拉曼光纤激光器，它是由泵浦源、耦合系统和金属镀层气芯光纤组成，其金属镀层光纤纤芯中充有THz活性气体，光纤前后两端加装封帽，封帽端头与金属镀层空芯光纤的端头平行；所述的泵浦源为射频运转的CO₂或N₂O激光器；所述的耦合系统为红外激光透镜组耦合系统。本发明拉曼光纤激光器在低损耗的金属镀层光纤纤芯中充入低压THz活性气体，制成THz活性光纤，代替粗重的石英管或大容器，用红外激光泵浦光纤产生THz波，泵浦光在光纤中的有效路径大大增加了，与石英管或大容器相比，相同长度的光纤效率更高，而且由于光纤质量轻、体积小和可弯曲的特性，使整套仪器更紧凑、灵活。
文档编号H01S3/067GK101494353SQ20091001450
公开日2009年7月29日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者张会云, 张玉萍, 徐世林, 杨积光, 申庆辉 申请人:山东科技大学