专利名称：紧凑型THz光纤激光器及其抽气充气装置的制作方法
技术领域：
本实用新型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：
—般来说，THz波的波长在O. 03mm 1mm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118iim)，光-光转换效率高达0. 727% (M.S.Tobin，A review of opticallyp咖ped 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-光转换效率小于O. 1%，因此光泵 THz激光器在实现高功率太赫兹辐射方面具有很大的潜力。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。
实用新型内容本实用新型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紧凑型THz光纤激光器。 为达到上述目的，本实用新型的THz光纤激光器由泵浦源、光纤、输入镜和输出镜 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 ii m附近激光(比如C02或N20激光器)产生
3THz波段辐射的气体，如，氨气NH3，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。 所述的泵浦源为连续运转或射频运转的C02或^0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； 所述的输入镜为电感性金属网栅，要求对泵浦信号有50%以上的的透过率而对 THz信号有85X以上的反射率； 所述的输出镜为电感性金属网栅，要求对泵浦信号有30%以上的反射率而对THz 信号有20 30%左右的透过率。 本实用新型的工作原理是光纤和两端的输入镜、输出镜构成一个光纤激光谐振 腔，当泵浦的红外激光照射时，腔内活性气体发生粒子数反转，向下跃迁时，发射THz激光， 激光在两腔镜之间振荡，从输出镜输出。 本实用新型的紧凑THz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(robust的音义)、 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。本实用新型金属镀层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是本实用新型的整体结构示意图； 图2是本实用新型金属镀层气芯光纤的截面图； 图3是本实用新型金属镀层气芯光纤前封帽实施例结构图； 图4是本实用新型金属镀层气芯光纤抽气充气装置结构图。 图5是本实用新型金属镀层气芯光纤抽气充气时的组装示意图。 图中l-泵浦源，2-THz光纤，3-输入镜，4-输出镜，5-THz波，6-外波导层，7-金
属镀层，8-气芯，9-气体容器，10-气体容器塑料封口 ， 11-窗口 ， 12-封口胶，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，20-塑料接口 。
具体实施方式图1是本实用新型THz光纤激光器结构示意图，从图中可以看出，它包括泵浦源1 、 THz光纤2、输入镜3和输出镜4， THz光纤2和两端的输入镜3、输出镜4构成一个光纤激 光谐振腔，当泵浦的C02或N20激光照射时，腔内活性气体发生粒子数反转，向下跃迁时，发 射THz激光，激光在两腔镜之间振荡，从输出镜输出THz波5。[0020] 实施例中，采用内径2mm的金属镀层光纤，在纤芯内充入甲基氟CH3F气体，充入气 体后两端密封。采用连续C02激光器泵浦源1，泵浦光经C02激光透镜组耦合系统，进入光 纤2，激光在输入输出镜之间形成THz激光振荡。在光纤输出端可测得THz波，改变泵浦光 的波长，得到可调谐的THz输出波。 所述的金属镀层气芯光纤的截面图如图2所示，外层为外波导层6，在外波导层6 内镀有Au或Ag或Cu等金属镀层7，光纤中部为充有CH3F气体的气芯8。 所述的金属镀层气芯光纤的前封帽结构如图3所示，它是在一个气体容器9的一 侧设有插入光纤2的端口，气体容器9选用对对泵浦激光吸收少的ZnSe材料；端口上设有 窗口 ll，窗口 11选用对C02激光高透过的ZnSe材料；气体容器9的另一侧设有插入光纤的 插口，插入光纤后用封口胶12密封；气体容器9的底面连接有塑料口 IO，塑料口 IO与气体 容器9密封连接；封口胶12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 0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 20，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，由光纤连通。通过控制气室的气 压控制光纤内气压，通过气室实现抽气和充气，通过气室上的塑料接口 20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2上； 第二步将光纤2端头装上前封帽；用封口胶12将光纤和前封帽密封连接； 第三步将装有前封帽的光纤2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 20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5 70mtorr(lTorr " 133. 322Pa); 第七步透过抽空、充气装置罩塑料接口 20，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。
权利要求一种紧凑型THz光纤激光器，其特征在于，它是由泵浦源、光纤、输入镜和输出镜组成，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，在金属镀层气芯光纤前端加装ZnSe或BaF2或NaCl晶片封帽，后端加装聚四氟乙烯或聚乙烯封帽；所述的泵浦源为连续运转或射频运转的CO2或N2O激光器；所述的输入镜为电感性金属网栅，要求对泵浦信号有50％以上的的透过率而对THz信号有85％以上的反射率；所述的输出镜为电感性金属网栅，要求对泵浦信号有30％以上的反射率而对THz信号有20～30％左右的透过率。
2. 如权利要求1所述的紧凑型THz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. —种用于权利要求1或2所述的紧凑型THz光纤激光器的抽气充气装置，其特征在 于，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)，在装置罩(13) 上设有塑料接口 (20)，装置罩(13)形成气室。
专利摘要本实用新型公开了一种紧凑型THz光纤激光器及其抽气充气装置，它是由泵浦源、耦合系统、输入镜、输出镜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；所述的泵浦源为连续运转或射频运转的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；输入镜输出镜均为电感性金属网栅。本实用新型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，整套仪器更紧凑、灵活。
文档编号H01S3/223GK201444531SQ20092002266
公开日2010年4月28日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者周强, 张会云, 张玉萍, 李德华, 王守海 申请人:山东科技大