一种二氧化碳红外空芯光纤激光器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电子和器件领域，尤其涉及二氧化碳红外空芯光纤激光器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]长波红外电磁波，尤其是波长处于第二大气窗口(8_14μπι)的CO2激光在军事和民用中占有重要地位。CO2激光谱线丰富，在9.1-11.3微米范围内约有140条谱线，而且谱线线宽窄，再加之CO2激光器能量转换效率和输出功率较高，该激光可被应用于主动式红外激光探测、激光生命医疗、窄禁带半导体电子自旋调控、激光武器、激光点火、材料成型加工和长波红外信息传输等领域。
[0003]二氧化碳激光器是以CO2气体作为气体工作物质的气体激光器。传统箱式二氧化碳激光器一般采用厚度数毫米的硬质玻璃、陶瓷或金属材质做成长方形或圆形腔体结构，并在两端加上反射镜和半反射镜，充入CO2及其他辅助气体，通过高压直流、射频、微波等激励方式使气体放电实现粒子数反转输出激光。传统箱式二氧化碳激光器的体积约为几立方分米到数立方米，重量约为数十公斤到数千公斤。箱式二氧化碳激光器内部的谐振腔采用的是硬质的玻璃、陶瓷或金属腔体，二氧化碳激光的输出功率与其在谐振腔内受激励的长度成正比，因此为了获得高功率的二氧化碳激光必须选用更长的玻璃、陶瓷或金属腔体，这些腔体本身无法弯曲，因此进一步增加了箱式二氧化碳激光器的体积。采用多根玻璃、陶瓷或金属管并列虽然可以减小体积，但又需要在每根管的末端设置一系列反射镜改变光路，使结构复杂化。箱式二氧化碳激光器通过外接光纤实现激光输出与传导。由于二氧化碳激光是高能量激光，因此传导时要求箱式二氧化碳激光器与光纤精确耦合，否则会导致激光泄漏或光纤烧毁，降低使用系统的稳定性。并且，由于CO2激光处于9.1-11.3微米的长波范围，不能用常规的石英光纤来进行传输。导光臂是其主要的传输手段之一，但其灵活性受到较大的限制。
[0004]多年来，科学家们也一直针对CO2激光的传输问题开展了红外实芯光纤(硫化物、卤化物和氟化物光纤)、空芯光纤和光子晶体光纤的研究。其中空芯光纤以空气为传输介质，结构简单，无终端反射。空芯光纤有泄漏型和全反射型两种。泄漏型空芯光纤依靠金属对光的镜面反射实现CO2激光的传输。全反射型空芯光纤是根据光由空气射向折射率OO小于I的反射膜产生全反射的原理实现CO2激光的传输。目前开发的电介质/金属泄漏型空芯光纤和氧化铝、氧化锗等全反射空芯光纤也已经达到了实用化的程度。在实际使用中一般是把这些光纤作为外光路与传统的箱式CO2激光器对接，实现光束传输。由于外光路在使用过程中较容易受到外界振动和冲击的影响，每次设备开始或使用过程中都要进行光路调整，降低了设备工作的稳定性。
[0005]近年来，实芯光纤激光器的出现实现了激光器的小型化和集约化，几乎能够实现激光器的产生与传导的“无缝对接”，提高了设备工作的稳定性和精确度。但是目前开发的光纤激光器主要是基于掺稀土元素实芯玻璃光纤且波长处于近红外，比如S-波段(1460?1530nm)、C-波段(1530?1565nm)、L-波段(1565?1610nm)等，都是通过泵浦光作为激励而形成高功率的激光。目前还没有利用气体工作物质，以射频信号等非泵浦光源激励的方式实现输出9.1-11.3微米二氧化碳激光的光纤激光器。
【发明内容】
[0006]本发明提出了一种二氧化碳红外空芯光纤激光器，包括:空芯光纤，所述空芯光纤分为谐振腔，以及与所述谐振腔成一体设置的传导部；所述谐振腔成笔直、折叠或卷绕形状设置；安装在所述谐振腔的一端的全反射镜；安装在所述谐振腔另一端的半反射镜；填充在所述谐振腔内的气体工作物质；及设置在所述全反射镜和所述半反射镜之间的激励系统；所述激励系统为射频激励系统、闻压直流电激励系统或微波激励系统；所述激励系统以非泵浦光源激励的方式对所述气体工作物质产生激励，所述气体工作物质发生能级跃迁实现粒子数反转在所述谐振腔内产生激光，所述激光透过所述半反射镜入射到所述传导部内进行传导。
[0007]本发明所述的二氧化碳红外空芯光纤激光器中，所述空芯光纤为全反射空芯光纤，或者全反射空芯光纤与电解质/金属泄漏型空芯光纤的组合；所述全反射空芯光纤内的反射膜材料为在二氧化碳激光波长处折射率小于I的材料，包括氧化锗或氧化铝。
[0008]本发明所述的二氧化碳红外空芯光纤激光器中，所述射频激励系统设置在所述谐振腔的外部，所述高压直流电激励系统设置在所述谐振腔的内部和外部，所述微波激励系统设置在所述谐振腔的外部。
[0009]本发明所述的二氧化碳红外空芯光纤激光器中，所述空芯光纤进一步设置有第一卡套和/或第二卡套；所述第一卡套用于将所述全反射镜固定于所述谐振腔内，所述第二卡套用于将所述半反射镜固定于所述谐振腔内并同轴连接所述谐振腔和所述传导部。
[0010]本发明所述的二氧化碳红外空芯光纤激光器中，位于所述传导部用于输出激光的端口内进一步设置有聚焦透镜。
[0011]本发明所述的二氧化碳红外空芯光纤激光器中，所述谐振腔上进一步设置有小孔，所述小孔用于连接导气管向所述谐振腔内补充所述气体工作物质。
[0012]本发明还提出了一种二氧化碳红外空芯光纤激光器的制造方法，包括如下步骤:
[0013]步骤一:在空芯光纤的内部设置半反射镜，在所述空芯光纤的一个端口设置全反射镜，所述全反射镜和所述半反射镜在所述空芯光纤内形成谐振腔，与所述谐振腔成一体设置的剩余空芯光纤形成传导部；所述谐振腔成笔直、折叠或卷绕形状设置；
[0014]步骤二:向所述谐振腔内充入气体工作物质；
[0015]步骤三:在所述谐振腔的外部和/或内部设置激励系统，所述激励系统为射频激励系统、闻压直流电激励系统或微波激励系统。
[0016]本发明所述的二氧化碳红外空芯光纤激光器的制造方法中，所述谐振腔的壁上设置有小孔，用于连接导气管向所述谐振腔内补充所述气体工作物质。
[0017]本发明所述的二氧化碳红外空芯光纤激光器的制造方法中，所述空芯光纤上，位于所述全反射镜的外部设置有第一卡套，用于将所述全反射镜与与所述谐振腔的一端相连接；所述半反射镜的外部设置有第二卡套，将所述半反射镜固定于所述谐振腔内。
[0018]本发明所述的二氧化碳红外空芯光纤激光器的制造方法中，位于所述传导部的用于输出激光的端口内设置有聚焦透镜。
[0019]本发明的有益效果包括:本发明一种二氧化碳红外空芯光纤激光器直接采用空芯光纤作为主体结构，利用在结构内部实现光学谐振腔和激光束传导部分于一体，并且空芯光纤可弯曲，进一步简化了光纤激光器的结构，使其具有小型化的优点，同时避免了传统箱式二氧化碳激光器和外部光束传导系统相分离而带来的光学耦合不良和不稳定等问题，可以提高CO2激光实际应用中的传输精度和稳定性。
【附图说明】
[0020]图1为本发明中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0021]图2为实施例1中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0022]图3为实施例2中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0023]图4为实施例3中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0024]图5为实施例4中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0025]图6为实施例5中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0026]图7为实施例6中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0027]图8为实施例7中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0028]图9为实施例8中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0029]图10为实施例9中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0030]图11为实施例10中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0031]图12为实施例11中二氧化碳红外空芯光纤激光器的结构示意图。
[0032]图13为【具体实施方式】中气体工作物质填充装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
[0034]如图1所示，本发明一种二氧化碳红外空芯光纤激光器用于实现在空芯光纤内产生并传导输出CO2激光，本发明二氧化碳红外空芯光纤激光器包括空芯光纤1