全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器的制作方法

本发明涉及激光发生设备技术领域，具体涉及一种全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器。

背景技术：

中红外波段位于大气窗口，在遥感探测、激光雷达、通信以及军事等领域应用广泛。目前实现中红外波段输出的激光器主要有量子级联激光器、电子振动固体激光器、光参量振荡器以及光纤激光器等。其中，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。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。气体受激拉曼散射增益系数高、频移范围大、介质选择灵活，自1963年被首次报道以来受到了广泛的关注，是进行激光波长拓展的有效手段。然而在自由空间中实现气体受激拉曼散射时有效作用距离受限于瑞利长度，其泵浦阈值较高，而且会产生很多竞争拉曼谱线。但是在空芯光纤中实现气体的受激拉曼散射产生中红外激光则可以克服上述不足。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种结构紧凑、性能稳定、窄线宽、可调谐、可降低泵浦阈值功率，高转化效率、光束质量好的全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器，包括近红外可调谐光纤激光泵浦源、反共振空芯光纤、输入实芯光纤和输出实芯光纤，所述输入实芯光纤的两端分别与近红外可调谐光纤激光泵浦源的输出尾纤和反共振空芯光纤的一端熔接，所述反共振空芯光纤的另一端与输出实芯光纤熔接；

所述反共振空芯光纤内混合充有两种以上拉曼增益气体，其中至少一种拉曼增益气体使泵浦光发生受激拉曼散射产生第一级拉曼激光，其余拉曼增益气体使第一级拉曼激光发生受激拉曼散射产生中红外波段的第二级拉曼激光；

所述反共振空芯光纤在泵浦激光波段、第一级拉曼激光波段、第二级拉曼激光波段的传输损耗<0.5dB/m，而在其它波段的传输损耗>5dB/m；

所述输入实芯光纤刻写有对中红外波段的第二级拉曼激光形成高反射的第一输入布拉格光栅和对第一级拉曼激光形成高反射的第二输入布拉格光栅，所述第一输入布拉格光栅和第二输入布拉格光栅的峰值反射率均大于95％；所述输出实芯光纤刻写有对第一级拉曼激光形成高反射的第一输出布拉格光栅和对中红外波段的第二级拉曼激光部分反射的第二输出布拉格光栅，所述第一输出布拉格光栅对第一级拉曼激光的反射率大于95％，所述第二输出布拉格光栅对中红外波段的第二级拉曼激光的透射率为10％～90％。

上述的全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器，优选的，所述第二输入布拉格光栅位于第一输入布拉格光栅和反共振空芯光纤之间，所述第一输出布拉格光栅位于第二输出布拉格光栅和反共振空芯光纤之间。

上述的全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器，优选的，所述输入实芯光纤和输出实芯光纤对所述泵浦光、第一级拉曼激光以及中红外波段的第二级拉曼激光的传输损耗<0.5dB/m。

上述的全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器，优选的，所述反共振空芯光纤内的两种以上拉曼增益气体包括氢气和一种以上烷烃类气体，所述烷烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和乙烯。

本发明的原理是：反共振空芯光纤能够为气体受激拉曼散射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，而且可以通过合理选择泵浦波长和拉曼增益气体，设计反共振空芯光纤的传输损耗谱来控制各拉曼信号的有效增益，将二者结合组成光纤气体激光器实现中红外激光输出。由于单种气体的拉曼频移范围有限，不足以将常见的1微米波段近红外泵浦光频移至中红外波段，因此可以在一段空芯光纤中同时充有两种或多种气体，泵浦光作用于其中一种气体并发生受激拉曼散射进行一次波长上移，产生第一级拉曼激光，第一级拉曼激光与另外一种气体相互作用发生受激拉曼散再进行一次波长上移，产生中红外波段的第二级拉曼激光。或者通过更多次的受激拉曼散射实现波长上移，产生中红外激光。通过合理设计空芯光纤的传输带，可以有效抑制该过程中竞争拉曼激光的产生，使得中红外激光的产生达到较高的转化效率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器首次实现全光纤结构的可调谐中红外激光器，使得研制结构紧凑稳定的可调谐大功率中红外光源成为可能；

2、本发明全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器同时利用了两种气体的级联受激拉曼散射，是一种由常见近红外泵浦激光产生中红外激光的新装置，由于采用了全光纤结构，具有光纤激光器结构紧凑、性能稳定等优点；

3、本发明利用了反共振空芯光纤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，增强了泵浦光与拉曼增益气体的作用强度；同时利用传输损耗谱特殊设计的反共振空芯光纤对泵浦波长和两级级拉曼激光波长传输损耗低、对其它波段传输损耗高的特点，有效抑制了竞争拉曼激光的，提高了转换效率；

4、本发明通过设计光纤光栅形成第一级拉曼激光的谐振腔，第一级拉曼激光在光栅的多次反射作用下形成谐振并充分与第二种拉曼增益气体作用产生中红外波段的第二级拉曼激光，提高转化效率；同时设计光纤光栅形成中红外波段的第二级拉曼激光的谐振腔，可以将一部分第二级拉曼激光耦合输出，另外一部分在光栅的多次反射作用下形成谐振，以降低泵浦阈值；

5、本发明结合了气体激光器输出功率高、损伤阈值高、竞争性非线性效应阈值高和光纤激光器结构紧凑、性能稳定、光束质量好、转换效率高等优点，与现有的中红外激光技术手段相比，具有更大的潜在优势。

附图说明

图1为全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器的结构示意图。

图2为冰淇淋型反共振空芯光纤横截面扫描电子显微图。

图3为自由边界型反共振空芯光纤横截面扫描电子显微图。

图4为泵浦光经两种气体拉曼频移后的波长及其在反共振空芯光纤传输带中的相对位置示意图。

图例说明：

1、近红外可调谐光纤激光泵浦源；2、反共振空芯光纤；3、输入实芯光纤；4、输出实芯光纤；5、第一输入布拉格光栅；6、第二输入布拉格光栅；7、第一输出布拉格光栅；8、第二输出布拉格光栅；9、第一熔接点；10、第二熔接点；11、第三熔接点。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本实施例的全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器，包括近红外可调谐光纤激光泵浦源1、反共振空芯光纤2、输入实芯光纤3和输出实芯光纤4，输入实芯光纤3的两端分别与近红外可调谐光纤激光泵浦源1的输出尾纤和反共振空芯光纤2的一端熔接，其中近红外可调谐光纤激光泵浦源1的输出尾纤通过第一熔接点9与输入实芯光纤3低损耗熔接，反共振空芯光纤2的一端通过第二熔接点10与输入实芯光纤3低损耗熔接，反共振空芯光纤2的另一端通过第三熔接点11与输出实芯光纤4低损耗熔接；

反共振空芯光纤2内充有由两种拉曼增益气体混合的混合气体，其中一种拉曼增益气体使泵浦光发生受激拉曼散射产生第一级拉曼激光，另一种拉曼增益气体使第一级拉曼激光发生受激拉曼散射产生中红外波段的第二级拉曼激光；

反共振空芯光纤2为传输损耗谱特殊设计的反共振空芯光纤，在泵浦激光波段、第一级拉曼激光波段、第二级拉曼激光波段均具有较低传输损耗(<0.5dB/m)，而在其它波段具有较高传输损耗(>5dB/m)；

输入实芯光纤3刻写有对中红外波段的第二级拉曼激光形成高反射的第一输入布拉格光栅5和对第一级拉曼激光形成高反射的第二输入布拉格光栅6，第一输入布拉格光栅5和第二输入布拉格光栅6的峰值反射率均大于95％；输出实芯光纤4刻写有对第一级拉曼激光形成高反射的第一输出布拉格光栅7和对中红外波段的第二级拉曼激光部分反射的第二输出布拉格光栅8，第一输出布拉格光栅7对第一级拉曼激光的反射率大于95％，第二输出布拉格光栅8对中红外波段的第二级拉曼激光的透射率为10％-90％；

该全光纤结构中红外气体级联拉曼激光器是一种紧凑、窄线宽、可调谐的光纤气体拉曼激光器，其同时利用两种气体的拉曼频移，将泵浦光输出的近红外激光波长进一步向中红外方向拓展。在工作时，由近红外可调谐光纤激光泵浦源1出射的近红外泵浦激光经输出尾纤和第一熔接点9进入输入实芯光纤3，再经过第一输入布拉格光栅5、第二输入布拉格光栅6、输入实芯光纤3与反共振空芯光纤2的第二熔接点10进入充有两种拉曼增益混合气体的反共振空芯光纤2中，泵浦光在纤芯中与其中的一种拉曼增益气体相互作用发生受激拉曼散射并产生第一级拉曼激光，第一级拉曼激光与第二种拉曼增益气体相互作用发生受激拉曼散射产生中红外波段的第二级拉曼激光。经反共振空芯光纤2与输出实芯光纤4的第三熔接点11进入输出实芯光纤4，由于第二输入布拉格光栅6和第一输出布拉格光栅7对第一级拉曼激光的反射作用，两者结合形成了第一级拉曼激光的谐振腔，第一级拉曼激光在第二输入布拉格光栅6和第一输出布拉格光栅7的多次反射作用下形成谐振并充分与第二种拉曼增益气体作用产生中红外波段的第二级拉曼激光。第一输入布拉格光栅5和第二输出布拉格光栅8形成了中红外波段的第二级拉曼激光的谐振腔，可以将一部分中红外波段的第二级拉曼激光耦合输出，另外一部分在第一输入布拉格光栅5和第二输出布拉格光栅8的多次反射作用下形成谐振，以降低泵浦阈值。

本实施例中，第二输入布拉格光栅6位于第一输入布拉格光栅5和反共振空芯光纤2之间，第一输出布拉格光栅7位于第二输出布拉格光栅8和反共振空芯光纤2之间。

本实施例中，输入实芯光纤3和输出实芯光纤4对泵浦光、第一级拉曼激光以及中红外波段的第二级拉曼激光均具有较低传输损耗(<0.5dB/m)。

本实施例中，反共振空芯光纤2采用传输损耗谱特殊设计的负曲率反共振空芯光纤2，其为微米量级的空芯结构，将泵浦光约束在横截面为微米量级的空间中，可有效增强泵浦光与拉曼增益气体的相互作用，提高有效作用距离，并且被设计为在近红外和中红外具有多个传输带，其传输损耗谱基于反共振光学波导模型，也即传输带的位置可以通过光纤包层毛细管壁的厚度控制，在泵浦波段以及两级拉曼波长处具有较低传输损耗，而在其它需要抑制的拉曼信号波长处有较高的传输损耗。

本实施例中，反共振空芯光纤2内的两种以上拉曼增益气体为氢气与一种或者两种烷烃类气体，烷烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯等。或者其它合适的拉曼增益混合气体，气体的种类并不限于2种，可以是2种或者2种以上，当拉曼增益混合气体种类多于2种时，对应的受激拉曼散射级数也相应多于2种。

下面以氢气(H₂)与丙烷(C₃H₈)组合为例，说明第一级拉曼激光与中红外波段的第二级拉曼激光的产生过程以及在反共振空芯光纤2的传输带设计。

在受激拉曼散射过程中，一阶斯托克斯波长可以通过式(1)得到

${\mathrm{\&lambda;}}_{out}=\frac{1}{1/{\mathrm{\&lambda;}}_{pump}\&times;{10}^9-\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}\&times;100}\&times;{10}^9---\left(1\right)$

式中，λ_out为受激拉曼散射过程中一阶斯托克斯波长，单位为nm；λ_pump为泵浦波长，单位为nm；Δω为受激拉曼散射过程中对应气体分子的拉曼频移，单位为cm^-1。

当近红外可调谐光纤激光泵浦源1的中心波长为1064nm，反共振空芯光纤2中的两种拉曼混合气体为氢气和丙烷时，泵浦光在反共振空芯光纤2中先与丙烷相互作用发生受激拉曼散射产生第一级拉曼激光。丙烷的拉曼频移为2908cm^-1，将泵浦波长与丙烷拉曼频移代入式(1)可得第一级拉曼激光波长为1541nm。第一级拉曼激光1541nm做为第二次受激拉曼散射泵浦源与氢气相互作用产生第二级拉曼激光，将1541nm和氢气的拉曼频移4155cm^-1代入式(1)中，可得第二级拉曼激光波长，也即本发明提出的可调谐中红外光纤气体拉曼激光器输出激光的中心波长为4283nm。当近红外可调谐光纤激光泵浦源1的中心波长调谐时，由式(1)可以得到对应的第一级拉曼激光波长以及对应的本发明所提出的中红外激光最终输出激光的中心波长。

在两级受激拉曼散射过程中，有可能会产生例如转动拉曼、高阶拉曼等竞争拉曼谱线，而且近红外可调谐光纤激光泵浦源1的泵浦光有可能先与氢气相互作用发生受激拉曼散射产生1135nm的转动拉曼激光或1907nm的振动拉曼激光。为防止这些情况的出现可以通过合理设计反共振空芯光纤2的传输带，其横截面如图2和图3所示，其中图2为冰淇淋型反共振空芯光纤，图3为自由边界型反共振空芯光纤，图中光纤截面浅颜色区域为石英结构，深颜色区域为空气孔。反共振空芯光纤2的高损耗区域波长位置可以由式(2)得到。

${\mathrm{\&lambda;}}_m=\frac{2d}{m}\sqrt{n_2^2-n_1^2}---\left(2\right)$

式中，λ_m为共振波长，单位为nm，也即高传输损耗区域波长，d为包层毛细管壁厚度，单位为nm，m为正整数，n₂和n₁分别为包层石英和纤芯区域的折射率。通过控制包层毛细管壁的厚度进而可以设计反共振空芯光纤2的传输带，使得泵浦中心波长λ₀(1064nm)、第一级拉曼激光波长λ₁(1541nm)以及本发明提出的激光器的最终输出中心波长λ₂(4283nm)与光纤的传输谱的相对位置如图4所示。从图4可以看到，三种波长分别位于该光纤的三个传输带中，泵浦光λ₀经过两种气体的先后两次拉曼频移转移至中红外波段λ₂。通过这种设计可以抑制竞争拉曼线的产生，最大限度地提高中红外激光的转化效率。

上述中心波长为1064nm的泵浦光也可以先与氢气作用发生受激拉曼散射产生1907nm的第一级拉曼激光，此时只需要将图4中的λ₁处的传输带设计至1907nm即可。同理，当反共振空芯光纤2中的拉曼增益混合气体为其它气体时，通过式(1)计算得到两级拉曼激光波长并合理调整反共振空芯光纤2的传输带即可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。