CN105356209A - 用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，通过泵浦激光与填充于空心光子晶体光纤中的工作气体发生受激拉曼散射相互作用，从而实现1.5μm波段激光的输出。

Description

用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体的涉及一种用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置。
背景技术
1.5μm波段的激光在光纤通讯、生物医疗、环境监测以及工业加工领域都有重要的应用价值，一直以来都是国际研究的热点。可调谐的、窄线宽、高峰值功率的1.5μm波段激光更能作为超连续谱激光、红外气体激光器或光参量振荡的理想光源。目前1.5μm光源主要通过稀土离子掺杂的实心玻璃光纤激光器获得，但是由于实心掺杂光纤损伤阈值低、非线性效应强，出射激光的功率难以进一步提升。虽然通过锁模、调Q等方法可以使其输出高峰值功率的1.5μm波段激光，但是高峰值功率激光在实心光纤中传输引起的非线性效应，常会导致激光的光谱发生展宽，进而难以实现窄线宽激光的输出。
气体作为激光工作介质，具有流动性强，散热快，损伤阈值高等优点。气体分子对激光的受激拉曼散射效应可以产生激光辐射频移。受激拉曼散射是一种非弹性碰撞，对泵浦源的波长没有特别要求，激光产生的辐射频移取决于分子的能级结构。而且产生的受激拉曼散射光的线宽只取决于泵浦激光的线宽。由于气体受激拉曼散射具有增益系数高、频移大、介质选择灵活等特点，自1963年被首次报道以来受到了广泛的关注，已经被证明是一种产生可调谐、窄线宽、新波长激光器的有效手段。但气体受激拉曼散射存在以下问题：a、气体受激产生激光的有效作用距离短；b、在自由空间实现气体受激拉曼散射所需泵浦阈值高；c、会产生高阶拉曼散射以及反Stokes拉曼散射等额外的谱线，降低特定谱线增益，从而使得特定波长的激光的转换效率低。
为了增强光与气体的相互作用，曾采用空心毛细玻璃管和高精度的法布里-珀罗腔，但是有效作用距离还是非常有限，转换效率仍然很低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，该发明解决了现有技术中采用自由空间气体受激拉曼散射获得1.5μm波段激光有效作用距离长、泵浦阈值高、转换效率低的技术问题。
本发明提供一种用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，包括：泵浦源、用于将泵浦激光耦合至空心光子晶体光纤的泵浦耦合装置、空心光子晶体光纤和准直滤波装置；空心光子晶体光纤中填充工作气体，工作气体为CH4、C2H6、C3H8、C4H10或C2H4中的一种或多种；泵浦源输出端与泵浦耦合装置的输入端光连接，泵浦耦合装置的输出端与空心光子晶体光纤的一端光连接；空心光子晶体光纤的另一端与准直滤波装置光连接，经过准直滤波的1.5μm波段激光从准直滤波装置的出射端出射。
进一步地，工作气体为C2H6。
进一步地，还包括多个密封窗口和用于对空心光子晶体光纤抽真空并充入工作气体的抽/充气装置，泵浦耦合装置通过密封窗口与空心光子晶体光纤的一端光连接；空心光子晶体光纤的另一端通过密封窗口与准直滤波装置光连接；抽/充气装置与各密封窗口气路连接。
进一步地，泵浦源输出为中心波长1064nm的激光。
进一步地，空心光子晶体光纤为负曲率空心光子晶体光纤。
进一步地，泵浦耦合装置包括依序光连接的准直光学部、功率调节部、偏振调整部和激光模式匹配部，准直光学部的输入端与泵浦源光连接；激光模式匹配部的输出端与空心光子晶体光纤输入端光连接。
进一步地，准直光学部包括依序光连接的第一高反镜和第二高反镜，泵浦源的出射端与第一高反镜光连接，第一高反镜与第二高反镜光连接。
进一步地，功率调节部包括依序光连接的第一半波片和偏振分光棱镜，第一半波片与第二高反镜光连接。
进一步地，偏振调整部包括第二半波片，第二半波片与偏振分光棱镜光连接；激光模式匹配部包括泵浦耦合透镜，泵浦耦合透镜的输入端与第二半波片光连接。
进一步地，准直滤波装置包括依序光连接的准直透镜和滤光片。
本发明的技术效果：
1、本发明提供用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，通过泵浦激光与填充于空心光子晶体光纤中的工作气体发生受激拉曼散射相互作用，从而实现泵浦激光拉曼移频至1.5μm波段，实现可调谐、窄线宽、高峰值功率的1.5μm波段激光的输出。
2、本发明采用C2H6气体作为增益介质，损伤阈值高，气体流动性好，散热快；
3、本发明采用空心光子晶体光纤作为激光与工作气体相互作用的场所，结构紧凑、便于携带；
4、本发明采用的空心光子晶体光纤，为泵浦激光与工作气体的相互作用提供了非常长的有效作用距离，大大降低了泵浦阈值；通过合理设计光纤的传输损耗谱，可以抑制其他谱线，实现所需谱线的输出。
具体请参考根据本发明的用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。
附图说明
图1是本发明优选实施例用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置的结构示意图。
图例说明：
1、泵浦源；2、第一高反镜；3、第二高反镜；4、第一半波片；5、偏振分光棱镜；6、第二半波片；7、泵浦耦合透镜；8、入射窗口；9、空心光子晶体光纤；10、抽/充气装置；11、输出窗口；12、输出准直透镜；13、滤光片。
具体实施方式
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
参见图1，本发明提供的用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置包括：泵浦源1、用于将泵浦激光耦合至空心光子晶体光纤9的泵浦耦合装置、空心光子晶体光纤9和准直滤波装置；空心光子晶体光纤9中填充工作气体；泵浦源1的输出端与泵浦耦合装置的输入端光连接，泵浦耦合装置的输出端与空心光子晶体光纤9的一端光连接；空心光子晶体光纤9的另一端与准直滤波装置光连接；工作气体为CH4、C2H6、C3H8、C4H10或C2H4中的一种或多种。
本发明提供的激光发生装置通过在空心光子晶体光纤9中填充工作气体，同时空心光子晶体光纤9将泵浦激光约束其纤芯中，使得泵浦激光与工作气体在纤芯内相互作用，从而延长了泵浦激光与工作气体的有效相互作用距离，可以提高泵浦强度降低泵浦阈值。泵浦激光通过与气体发生受激拉曼散射相互作用产生1.5μm的受激拉曼散射辐射，之后经过准直滤波装置后，输出可调谐的、窄线宽、高峰值功率的1.5μm激光。
优选的，工作气体为C2H6。本发明采用该工作气体后，充分利用了C2H6气体的拉曼散射的线宽只决定于泵浦激光的线宽，使得所得激光的线宽较窄。工作气体的损伤阈值相对于实心玻璃光纤要高很多，损伤阈值高意味着可以承受更高的峰值功率，实现高功率输出。在实心玻璃光纤中高功率的激光容易引起非线性效应导致谱线展宽，而气体的非线性效应阈值很高，不容易引起非线性效应，不会引起谱线的展宽。
优选的，还包括多个密封窗口和用于将空心光子晶体光纤9抽真空并充入工作气体的抽/充气装置10，泵浦耦合装置通过密封窗口与空心光子晶体光纤9的一端光连接；空心光子晶体光纤9的另一端通过密封窗口与准直滤波装置光连接；抽/充气装置10与各密封窗口气路连接。采用该方式连接填充工作气体的空心光子晶体光纤9能在不拆除各部件连接的同时实现对不同工作气体的更换。同时实现对空心光子晶体光纤9中气体的排空，提高工作效率。具体的密封窗口包括分别设置于空心光子晶体光纤9两端的输出窗口11和输入窗口8。抽/充气装置10的输出端分别与二者相连接。
优选的，空心光子晶体光纤9为负曲率空心光子晶体光纤9。采用该类空心光子晶体光纤9，对1μm波段泵浦激光和2μm波段的信号激光传输损耗很低，而对其他谱线传输损耗较高，可以有效的抑制其他非线性谱线的产生。
优选的，泵浦耦合装置包括依序光连接的准直光学部、功率调节部、偏振调整部和激光模式匹配部，准直光学部的输入端与泵浦源1光连接；激光模式匹配部的输出端与空心光子晶体光纤9输入端光连接。
优选的，准直光学部包括依序光连接的第一高反镜2和第二高反镜3，泵浦源1的出射端与第一高反镜2光连接，第一高反镜2与第二高反镜3光连接。
优选的，功率调节部包括依序光连接的第一半波片4和偏振分光棱镜5，第一半波片4与第二高反镜3光连接。可实现对准直后的激光进行功率控制，使其处于所需功率水平。
优选的，偏振调整部包括第二半波片6，第二半波片6与偏振分光棱镜5光连接。因为泵浦激光到空心光子晶体光纤9的耦合效率和泵浦激光的偏振方向有关，采用该装置后即可使得激光的偏振方向可以根据需要进行调节。通过调节，以使泵浦激光的偏振方向达到能与空心光子晶体光纤9实现最高效耦合的角度即可。激光模式匹配部包括泵浦耦合透镜7，泵浦耦合透镜7的输入端与第二半波片6光连接。从而实现泵浦激光与空心光子晶体光纤9的模式匹配。
优选的，准直滤波装置包括依序光连接的准直透镜和滤光片13。由于从空心光子晶体光纤9中出射的激光中还包含一部分残余泵浦激光，在输出光准直后，经过滤波片将残余泵浦激光滤除后，就可以实现1.5μm的可调谐的、窄线宽、高峰值功率的激光输出。
具体的，参见图1，泵浦源1的输出端与第一高反镜2、第二高反镜3、第一半波片4、偏振分光棱镜5、第二半波片6和泵浦耦合透镜7依序光连接。泵浦耦合透镜7的出射端与入射窗口8光连接。空心光子晶体光纤9内填充工作气体(可以为CH4、C2H6、C3H8、C4H10或C2H4中的一种或多种)。空心光子晶体光纤9的两端分别连接入射窗口8和输出窗口11。入射窗口8和输出窗口11同时与抽/充气装置10气路连接。输出窗口11同时还与输出准直透镜12光连接。输出准直透镜12与滤光片13光连接。
使用时，泵浦源1产生可调谐、窄线宽、高峰值功率的1064nm泵浦激光，通过第一高反镜2和第二高反镜3，实现了对泵浦激光的准直。之后泵浦激光经过第一半波片4和偏振分光棱镜5对其进行功率控制，之后泵浦激光继续入射第二半波片6，从而实现对泵浦激光的偏振方向调节，从其出射的泵浦激光的偏振方向为能与空心光子晶体光纤9达到最优耦合效果的偏振方向。之后泵浦激光通过泵浦耦合透镜7实现泵浦激光与空心光子晶体光纤9的模式匹配，经入射窗口8耦合到空心光子晶体的纤芯中，泵浦激光在空心光子晶体光纤9的纤芯中与填充于其中的工作气体发生受激拉曼散射相互作用，使得泵浦激光的一部分转换为1.5μm的可调谐的、窄线宽、高峰值功率的受激拉曼散射光，一部分成为未参加转换的残余泵浦激光，二者一起经输出准直透镜12准直后输出，最后通过滤波片将残余泵浦激光滤除，从滤波片出射的光即为1.5μm波段的可调谐的、窄线宽、高峰值功率的激光。
本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。
通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (10)

1.一种用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，其特征在于，包括：
泵浦源、用于将泵浦激光耦合至所述空心光子晶体光纤的泵浦耦合装置、空心光子晶体光纤和准直滤波装置；
所述空心光子晶体光纤中填充工作气体，所述工作气体为CH4、C2H6、C3H8、C4H10或C2H4中的一种或多种；
所述泵浦源输出端与所述泵浦耦合装置的输入端光连接，所述泵浦耦合装置的输出端与所述空心光子晶体光纤的一端光连接；
所述空心光子晶体光纤的另一端与所述准直滤波装置光连接，经过所述准直滤波的1.5μm波段激光从所述准直滤波装置的出射端出射。
2.根据权利要求1所述的用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述工作气体为C2H6。
3.根据权利要求1所述的用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，其特征在于，还包括多个密封窗口和用于对所述空心光子晶体光纤抽真空并充入所述工作气体的抽/充气装置，所述泵浦耦合装置通过所述密封窗口与所述空心光子晶体光纤的一端光连接；所述空心光子晶体光纤的另一端通过所述密封窗口与所述准直滤波装置光连接；所述抽/充气装置与各所述密封窗口气路连接。
4.根据权利要求1所述的用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述泵浦源输出为中心波长1064nm的激光。
5.根据权利要求1所述的用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述空心光子晶体光纤为负曲率空心光子晶体光纤。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述泵浦耦合装置包括依序光连接的准直光学部、功率调节部、偏振调整部和激光模式匹配部，所述准直光学部的输入端与所述泵浦源光连接；所述激光模式匹配部的输出端与所述空心光子晶体光纤输入端光连接。
7.根据权利要求6所述的用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述准直光学部包括依序光连接的第一高反镜和第二高反镜，所述泵浦源的出射端与所述第一高反镜光连接，所述第一高反镜与所述第二高反镜光连接。
8.根据权利要求7所述的用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述功率调节部包括依序光连接的第一半波片和偏振分光棱镜，所述第一半波片与所述第二高反镜光连接。
9.根据权利要求8所述的用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述偏振调整部包括第二半波片，所述第二半波片与所述偏振分光棱镜光连接；所述激光模式匹配部包括泵浦耦合透镜，所述泵浦耦合透镜的输入端与所述第二半波片光连接。
10.根据权利要求9所述的用于产生1.5μm激光的光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述准直滤波装置包括依序光连接的准直透镜和滤光片。
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