一种空芯光子晶体光纤与密封腔组合式1.9μm波长转换器的制作方法与工艺

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种空芯光子晶体光纤与密封腔组合式1.9μm波长转换器。

背景技术：
波长为1.9μm的脉冲激光光源在激光医疗、激光测距、光电对抗、红外雷达、红外遥感以及红外传感等领域有广泛的应用。在医疗上，激光碎石利用细胞中的水分对1.9μm激光的强烈吸收使得水分汽化，将能量传递至结石，进而将结石粉碎成粉末。1.9μm的激光对人体组织的穿透深度很浅，碎石过程对周围组织损伤很小，可以达到无创或微创效果。相比其他的碎石方法，激光碎石的安全性极高。高功率的1.9μm激光以其汽化切割速度快、止血效果好、穿透性小的特点，对治疗前列腺增生等疾病有着独特的优势。在军事上，1.9μm的激光对空气和烟雾有很强的穿透力，可用于激光雷达和激光测距等领域。目前，获得1.9μm的脉冲激光光源有许多途径，如钬、铒激光器、临界相位匹配的KTP光参量振荡器、半导体抽运的掺铒光纤激光器、LiNbO3晶体差频以及高压氢气对1064nm波长进行拉曼频移等。而实现1.9μm激光输出最简单最实用的方法是采用受激拉曼散射(SRS)实现拉曼频移。SRS是一种典型的非线性光学效应。对于气体介质，SRS阈值功率一般在mW量级以上，利用传统方法实现气体的SRS十分困难。基于SRS效应的波长转换器，传统的方法是使用高压气体拉曼池(ramancell)进行，系统体积比较大，所需的泵浦能量较高，光波与气体的作用距离短，能量转换效率不高，一般只有20％-30％。空芯光子晶体光纤(HC-PCF)的发明，使光与低密度气体介质的非线性效应的实现和利用变得简单和高效。HC-PCF具有独特的中空结构，纤芯大孔内可以填充气体介质。光波被限制在该大孔纤芯中，以基模低损耗传输，其优良的基模特性使得光与填充介质的作用面积非常小。而且HC-PCF低损耗传输特性保证了较长的有效相互作用距离，从而进一步增强非线性效应，能够将光与气体介质的相互作用强度增强几个数量级。中国发明专利申请“基于空芯光子晶体光纤的光纤型可调谐气体拉曼激光光源(申请号：200910144236.1；公开号：CN101764350A)”提供了一种可调谐的气体拉曼激光光源，内充高压氢气的空芯光子晶体的两端均连接单模光纤。由于其光纤两端熔接后，HC-PCF内部压强不可改变，转换效率受到限制。此发明对光纤熔接技术要求较高，故其制作成本也较高。《Relationofpump-beamqualityandconversionefficiencyintheRamandownwardconversion》中报导了拉曼池内压强的变化对拉曼能量转换效率的影响。随着腔内压强增加，一阶斯托克斯光的能量转换效率明显升高。本发明采用空芯光子晶体光纤与压强可调的密封腔组合的方案，利用HC-PCF优良的非线性效应和模式传输特性，通过带减压阀的氢气钢瓶调节密封腔内部压强，气体循环泵及时带走拉曼频移过程的热量，大大降低了泵浦阈值功率，提高了能量转换效率，1064nm的脉冲激光到1.9μm的的脉冲激光的转换效率可达35％-45％。

技术实现要素：
本发明针对现有的拉曼转换获得1.9μm激光光源的转换效率不高的缺点，提出了一种将空芯光子晶体光纤与压强可调的密封腔结合形成一种空芯光子晶体光纤与密封腔组合式1.9μm波长转换器。本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：一种空芯光子晶体光纤与密封腔组合式1.9μm波长转换器包括：激光器、偏振控制器、氢气钢瓶、密封腔、空芯光子晶体光纤、光纤准直器、透镜、排气口、进气口、气体循环泵、平面反射镜、光分束器。首先，氢气钢瓶向密封腔注入氢气并控制其内部压强，激光器发出的泵浦光经过偏振控制器调整其偏振态，然后通过光纤准直器进入HC-PCF内部，氢气在气体循环泵的作用下流动起来，并与入射光充分接触产生受激拉曼散射，产生的转换波长经过透镜聚焦准直输出，在平面反射镜的光路调节下，最后经过光分束器分光得到1.9μm激光。进一步的，所述的氢气钢瓶安装有减压阀，一方面，氢气钢瓶给密封腔内充入氢气，提供受激拉曼介质；另一方面，通过减压阀的控制，调整密封腔内氢气的压强。进一步的，所述激光器为1064nmNd:YAG纳秒脉冲激光器，且自带衰减器，可以快速改变入射光功率。进一步的，所述偏振控制器可以方便快捷的调整入射光的偏振态，用以获得更高的拉曼增益，同时也可以用来测量偏振态对波长转换效率的影响。进一步的，所述光纤准直器采用的是非球面光纤准直器，利用其良好的集光能力，可提高激光耦合进入HC-PCF的效率，光场在足够长的HC-PCF中以基模的导波模式传输，且基模传输损耗很低。进一步的，所述的HC-PCF固定在密封腔内部，其两端开口，方便氢气进入光子晶体光纤空芯部分。进一步的，所述的气体循环泵的排气口紧挨着光纤准直器，进气口与排气口处于对称位置，其作用是使HC-PCF内的氢气流动，这样及时的带走拉曼频移过程的产生的热量，从而提高拉曼转换效率。进一步的，所述的HC-PCF、光纤准直器、透镜位于一条直线上，且光纤准直器与HC-PCF中间隔有一小段距离，确保气体循环泵的排气口、进气口分别在光子晶体光纤的两端产生正、负压，这样利于氢气在空芯光子晶体光纤内部循环流动。进一步的，所述的透镜使用的是消色差显微物镜。进一步的，所述的充氢气的HC-PCF产生受激拉曼散射(SRS)，其散射光的频率公式为ωs＝ωL-ωq和ωas＝ωL+ωq(其中ωL为激光器的激发光频率，ωq为原子或分子振动或转动能级改变时所对应的光学声子频率，ωs和ωas分别为斯托克斯光和反斯托克斯光频率)。以氢气作为拉曼介质，由于HC-PCF其独特的滤波特性使得振动斯托克斯光和高阶的斯托克斯光位于低损耗窗口之外，最后出射的主要是由纯转动受激拉曼散射效应产生的一阶斯托克斯光。本发明所具有的优点为：通过偏振控制器调整入射光的偏振态，提高了波长转换效率；通过非球面准直器的集光能力可降低损耗提高耦合效率；通过气体循环泵及时带走拉曼频移过程的热量，提高了拉曼转换效率；带减压阀的氢气钢瓶改变密封腔内部压强，利用HC-PCF优良的非线性特性和模式传输特性降低了泵浦阈值功率，大大提升了能量转换效率。低阈值使该系统更易与不同功率的激光器匹配使用；高的能量转换效率在医疗上为高功率1.9μm激光手术提供了可能，同时1.9μm高能量激光也促进了激光雷达和激光测距等军事领域的发展。附图说明图1为本发明提供的一种空芯光子晶体光纤与密封腔组合式1.9μm波长转换器的整体结构示意图；图2为本发明密封腔的排气口和光纤准直器位置示意图；图3为本发明空芯光子晶体光纤和密封腔(sealedcavity)组合方案与常规拉曼池能量转换效率对比图；附图中，1.激光器，2.偏振控制器，3.氢气钢瓶，4.密封腔，5.空芯光子晶体光纤，6.光纤准直器，7.透镜，8.排气口，9.进气口，10.气体循环泵，11.平面反射镜，12.光分束器。具体实施方式下面结合附图，对本发明提供的具体实施方式作进一步详细说明。如图1所示的一种空芯光子晶体光纤与密封腔组合式1.9μm波长转换器，其包括激光器(1)采用1064nm脉宽为5ns能量低于330mJ的功率可调谐的Nd:YAG纳秒脉冲激光器；偏振控制器(2)使用可以任意调整偏振态的偏振器件；光纤准直器(6)采用焦距为18mm的非球面光纤准直器，其位置正对着空芯光子晶体光纤(5)；氢气钢瓶(3)带有减压阀，向密封腔(4)内充入一定压强的氢气；密封腔(4)由不锈钢制成，可以承受100atm；空芯光子晶体光纤(5)纤芯直径为10μm，长度为2m；透镜(7)采用20倍的消色差显微物镜。如图2所示，密封腔(4)入射窗口处，气体循环泵(10)的排气口(8)紧挨着光纤准直器(6)，同样进气口(9)处于出射端面与排气口(8)对称的位置，光纤准直器(6)正对着空芯光子晶体光纤(5)入射端面且相隔一小段距离，这样气体循环泵(10)在排气口(8)与进气口(9)产生的正、负压便能使空芯光子晶体光纤(5)内部产生氢气的流动。如图3所示，本发明将空芯光子晶体光纤和密封腔组合方案的能量转换效率与常规拉曼池进行了对比，常规拉曼池所需泵浦能量很高，将腔内压强调节到50atm，能量转换效率一般只有20％-30％。采用非线性效应和模式传输特性良好的HC-PCF与内部压强可调的密封腔组合的方案只需30atm便可将能量转换效率提升到35％-45％。下面通过对本实施例中的具体操作原理以及步骤作进一步详细说明以支持本发明提供的空芯光子晶体光纤与密封腔组合式1.9μm波长转换器能够解决的技术问题。第一步：将偏振控制器(2)、光纤准直器(6)、空芯光子晶体光纤(5)、透镜(7)的轴心调整在一条直线上，使激光能顺利的进入空芯光子晶体光纤(5)。第二步：先用真空泵抽干密封腔(4)内空气，再使用氢气钢瓶(3)向密封腔(4)内注入氢气，待密封腔(4)内的气压稳定在30atm时再进行下一步操作。第三步：1064nmNd:YAG激光器(1)预热后经过内置衰减器调整输出能量稳定的10mJ脉冲激光。第四步：提前将偏振控制器(2)调整到λ/4偏振处，经过激光器(1)衰减器调整后的激光经过偏振控制器(2)转变为圆偏振光。第五步：非球面光纤准直器(6)具有灵活的光场分布调整能力，激光经过非球面光纤准直器(6)后低损耗耦合进入空芯光子晶体光纤(5)内以基模的导波模式进行传输。第六步：在传输过程中，气体循环泵(10)使空芯光子晶体光纤(5)内部氢气循环流动，及时的带走了拉曼频移过程的热量，这样激光与空芯光子晶体光纤(5)内部氢气充分接触产生受激拉曼散射后，最终出射光包括一阶斯托克斯光、二阶斯托克斯光和泵浦光，其波长分别1907nm、9186nm、1064nm，其中受激拉曼散射波长以一阶斯托克斯光1907nm为主。第七步：出射光经过透镜(7)聚焦准直输出，最后经过光分束器(12)得到波长为1907nm的脉冲激光，输出能量约为4mJ，其能量转换效率可达40％。