可调谐中红外光纤混合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，具体涉及一种可调谐中红外光纤混合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。

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。

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，提供一种紧凑、窄线宽、可调谐、低泵浦阈值功率、高转化效率的可调谐中红外光纤混合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：

一种可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器，包括近红外可调谐激光泵浦源空芯光纤、输入气体腔、输出气体腔和耦合输出镜，所述空芯光纤的两端分别密封于输入气体腔和输出气体腔中；

所述输入气体腔设有输入窗口，所述近红外可调谐激光泵浦源与输入窗口之间设有将泵浦光耦合至空芯光纤的输入耦合组件；

所述空芯光纤、输入气体腔和输出气体腔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；

所述输出气体腔设有输出窗口，所述输出窗口和耦合输出镜之间设有用于将从输出窗口射出的光引导至耦合输出镜的输出引导组件；

所述耦合输出镜对第一级拉曼激光的透过率大于90％，对中红外波段的第二级拉曼激光的反射率为10％～90％，透过率为90％～10％；

还包括用于将耦合输出镜透射出的第一级拉曼激光以及中红外波段的第二级拉曼激光引导进入输入窗口的反馈系统。

上述的可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器，优选的，所述输入耦合组件包括第一聚焦耦合透镜和双色镜，所述第一聚焦耦合透镜和双色镜沿泵浦光射出方向依次布置；所述输出引导组件包括沿输出窗口出光的方向依次布置的准直透镜和用于将光反射至耦合输出镜的第一反射镜。

上述的可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器，优选的，所述反馈系统包括反射镜组、回转反射镜、第二聚焦耦合透镜和所述的双色镜，所述回转反射镜可沿光路方向高精度平移以改变反馈光路长度；所述第一级拉曼激光以及中红外波段的第二级拉曼激光经反射镜组和回转反射镜准直后再经第二聚焦耦合透镜聚焦至双色镜。

上述的可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器，优选的，所述反射镜组包括第二反射镜和第三反射镜，所述第二反射镜、第三反射镜以及回转反射镜对第一级拉曼激光和中红外波段的第二级拉曼激光的反射率大于98％。

上述的可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器，优选的，所述双色镜对泵浦光的透射率大于95％，所述双色镜对第一级拉曼激光和中红外波段的第二级拉曼激光的反射率均大于90％。

上述的可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器，优选的，所述近红外可调谐激光泵浦源产生的泵浦光为脉冲或连续近红外激光，且从双色镜起依次经输入窗口、输入气体腔、空芯光纤、输出气体腔、输出窗口、准直透镜、第一反射镜、耦合输出镜、反射镜组、回转反射镜、第二聚焦耦合透镜再回到双色镜的环路的光学长度为L，L的长度可通过回转反射镜沿光路方向高精度平移进行调节，当近红外可调谐激光泵浦源产生的泵浦光脉冲近红外激光时，其重复频率M与环路光学长度L满足如下关系：

nL＝c/M

式中，n为正整数，c为光在真空中传播速度，L的单位为m，M的单位为Hz。

上述的可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器，优选的，所述输入窗口和所述输出窗口对泵浦光、第一级拉曼激光和中红外波段的第二级拉曼激光透过率均大于90％。

上述的可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器，优选的，所述空芯光纤、输入气体腔和输出气体腔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。

上述的可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器，优选的，还包括用于对输入气体腔或输出气体腔进行抽真空和充入两种拉曼增益气体的抽真空及充气装置。

本发明的原理是：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，设计空芯光子晶体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、本发明可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器同时利用了两种或更多种气体的级联受激拉曼散射，是一种由近红外泵浦激光产生中红外激光的新装置。

2、本发明利用了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；同时利用反共振空心光纤传输带设计方便的特性，可以特殊设计光纤的输出损耗带，使得泵浦波长和两级拉曼激光波长传输损耗较低，对其它波段传输损耗较高，这样可以有效抑制竞争拉曼激光的产生，提高了转换效率。

3、本发明通过设计反馈系统，使得第一级拉曼激光继续与第二种拉曼增益气体相互作用，进一步提高中红外波段的第二级拉曼激光的转化效率，并使中红外波段的第二级拉曼激光在空间结构的环路中多次传播形成谐振，可以降低泵浦阈值功率，提高转化效率。

4、本发明结合了气体激光器输出功率高、损伤阈值高和光纤激光器光束质量好等优点，在实际应用中具有极大的潜在优势。

附图说明

图1为可调谐中红外光纤混合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、近红外可调谐激光泵浦源；2、空芯光纤；3、第一聚焦耦合透镜；4、双色镜；5、输入窗口；6、输入气体腔；7、输出气体腔；8、输出窗口；9、准直透镜；10、第一反射镜；11、耦合输出镜；12、第二反射镜；13、第三反射镜；14、回转反射镜；15、第二聚焦耦合透镜；16、抽真空及充气装置。

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，本实施例的可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器，包括近红外可调谐激光泵浦源1、空芯光纤2、输入气体腔6、输出气体腔7和耦合输出镜11，空芯光纤2的两端分别密封于输入气体腔6和输出气体腔7中；

输入气体腔6设有输入窗口5，近红外可调谐激光泵浦源1与输入窗口5之间设有将泵浦光耦合至空芯光纤2的输入耦合组件，该输入耦合组件包括第一聚焦耦合透镜3和双色镜4，第一聚焦耦合透镜3和双色镜4沿泵浦光射出方向依次布置；

空芯光纤2、输入气体腔6和输出气体腔7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；通过两种拉曼增益气体的级联受激拉曼散射将近红外泵浦激光波长转换至中红外波段；

输出气体腔7设有输出窗口8，输出窗口8和耦合输出镜11之间设有用于将从输出窗口8射出的光引导至耦合输出镜11的输出引导组件，该输出引导组件具体采用沿输出窗口8射出光的方向依次布置的准直透镜9和用于将光反射至耦合输出镜11的第一反射镜10；

耦合输出镜11对第一级拉曼激光的透过率大于95％，对中红外波段的第二级拉曼激光的反射率为10％～90％，透过率为90％～10％；

还包括用于将耦合输出镜11透射的第一级拉曼激光以及中红外波段的第二级拉曼激光反射并聚焦至双色镜4、并由双色镜4反射进入输入窗口5的反馈系统。

本实施例的反馈系统包括反射镜组、回转反射镜14和第二聚焦耦合透镜15，第一级拉曼激光以及中红外波段的第二级拉曼激光经反射镜组、回转反射镜14准直后再经第二聚焦耦合透镜15聚焦至双色镜4。反射镜组包括第二反射镜12和第三反射镜13，其中，第二反射镜12、第三反射镜13以及回转反射镜14对第一级拉曼激光和中红外波段的第二级拉曼激光的反射率大于98％。双色镜4对泵浦光的透射率大于95％，双色镜4对第一级拉曼激光和中红外波段的第二级拉曼激光的反射率大于90％。回转反射镜14安装在平移装置上并可沿光路方向高精度平移以改变反馈光路长度，满足脉冲工作条件下的脉冲重叠条件，平移装置可以采用现有的高精度平移平台。

该可调谐中红外光纤混合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，由近红外可调谐激光泵浦源1产生的近红外激光经第一聚焦耦合透镜3、双色镜4、输入窗口5耦合至充有两种拉曼增益混合气体的空芯光纤2的纤芯中，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，第一级拉曼激光与第二级拉曼激光通过输出窗口8、准直透镜9以及第一反射镜10入射至耦合输出镜11，耦合输出镜11对第一级拉曼激光的透过率大于98％，对中红外波段的第二级拉曼激光的反射率约为10％-90％，透过率约为90％-10％，从耦合输出镜11透射的第一级拉曼激光与中红外波段第二级拉曼激光依次经过第二反射镜12、第三反射镜13、回转反射镜14准直后再经第二聚焦耦合透镜15聚焦至双色镜4，再由双色镜4反射并经过输入窗口5透射耦合至空芯光纤2的纤芯中，使得第一级拉曼激光继续与第二种拉曼增益气体相互作用，可进一步提高中红外波段的第二级拉曼激光的转化效率，中红外波段的第二级拉曼激光在这个空间结构的环路中多次传播形成谐振，可以降低泵浦阈值功率，提高转化效率。

本实施例中，空芯光纤2采用传输带特殊设计的反共振空芯光纤，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(<0.5dB/m)，而在其它需要抑制的拉曼信号波长处有较高的传输损耗(>5dB/m)。

本实施例中，输入窗口5和输出窗口8均为镀膜窗口，输入窗口5和输出窗口8对泵浦光、第一级拉曼激光和中红外波段的第二级拉曼激光透过率均大于90％。

本实施例中，可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器还包括用于对输入气体腔6或输出气体腔7进行抽真空和充入两种拉曼增益气体的抽真空及充气装置16，该抽真空及充气装置16可以采用现有技术，其还可以配置进行气压监测的监测组件。

本实施例的，近红外可调谐激光泵浦源1产生的泵浦光可为连续近红外激光，也可为脉冲近红外激光。当近红外可调谐激光泵浦源1产生的泵浦光为脉冲近红外激光时，可调谐中红外光纤混合气体级联拉曼激光器工作在同步泵浦的脉冲状态，在该状态下，从双色镜4起依次经输入窗口5、输入气体腔6、空芯光纤2、输出气体腔7、输出窗口8、准直透镜9、第一反射镜10、耦合输出镜11、反射镜组、回转反射镜14、第二聚焦耦合透镜15再回到双色镜4的环路的光学长度为L，该光学长度L可以由回转反射镜14在光路方向上的高精度平移进行调节，近红外可调谐激光泵浦源1的重复频率为M，L和M的对应关系满足式(1)：

nL＝c/M (1)

式中，n为正整数，c为光在真空中传播速度，L的单位为m，M的单位为Hz。

在该对应关系下，在反共振空芯光纤2中产生的第一级拉曼激光以及中红外波段的第二级拉曼激光的任意一个脉冲在环路中传播一个或多个周期后在双色镜4处与下一个泵浦激光脉冲重叠，可以降低两级拉曼激光泵浦阈值，并提高转化效率。

本实施例中，空芯光纤2、输入气体腔6和输出气体腔7内的两种以上拉曼增益气体为常见拉曼气体的组合，例如可以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，当种类多于2种时，发生的受激拉曼散射级数也相应多于2级，直至产生中红外波段拉曼激光。下面以氢气与乙烷组合为例，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(2)得到

${\mathrm{\&lambda;}}_{out}=\frac{1}{1/{\mathrm{\&lambda;}}_{pump}\&times;{10}^9-\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}\&times;100}\&times;{10}^9---\left(2\right)$

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乙烷时，泵浦光在空芯光纤2中先与氢气相互作用发生受激拉曼散射产生第一级拉曼激光。氢气的拉曼频移为4155cm^-1，将泵浦波长与氢气拉曼频移代入式(2)可得第一级拉曼激光波长为1907nm。第一级拉曼激光1907nm做为第二次受激拉曼散射泵浦源与乙烷相互作用产生第二级拉曼激光，将1907nm和乙烷的拉曼频移2954cm^-1代入式(2)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4367nm。当近红外可调谐激光泵浦源1的中心波长调谐时，由式(2)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，而且近红外可调谐激光泵浦源1的泵浦光有可能先与乙烷相互作用发生受激拉曼散射产生1553nm的第一级拉曼激光。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2，图3为自由边界型反共振空芯光纤2，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(3)式得到。

${\mathrm{\&lambda;}}_m=\frac{2d}{m}\sqrt{n_2^2-n_1^2}---\left(3\right)$

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(1907nm)以及本发明提出的激光器的最终输出中心波长λ₂(4367nm)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乙烷作用发生受激拉曼散射产生1553nm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1553nm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(2)计算得到两级拉曼激光波长并合理调整空芯光纤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。