CN105552699B - 一种远红外超连续谱的产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种远红外超连续谱的产生方法，利用脉冲式CO2气体激光器发出的波长10.6 um的激光作为激励源，经过耦合器输入位于冷却装置内的碲基硫系玻璃光子晶体光纤，产生波长8~14 um的远红外超连续谱；碲基硫系玻璃光子晶体光纤为碲基硫系玻璃悬吊芯光纤，碲基硫系玻璃悬吊芯光纤包括悬吊芯和套设在悬吊芯上的套管，套管由硒基硫系玻璃制成，悬吊芯由碲基硫系玻璃制成，悬吊芯包括一体设置的外管和多片隔离层，多片隔离层位于外管的内部并沿外管的长度方向设置，多片隔离层交汇于外管的中心；本发明方法利用具有超高非线性参数的低损耗碲基硫系玻璃光子晶体光纤作为纤芯材料，用脉冲式CO2气体激光器作为泵浦光，实现8~14 um远红外超连续谱的输出。

Description

一种远红外超连续谱的产生方法
技术领域
本发明涉及激光光电子技术领域，具体是一种远红外超连续谱的产生方法。
背景技术
通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有：近紫外、可见光和近红外波段（0.3~1.3 um，1.5~1.8 um），中红外波段（3.5~5.5um），远红外波段（8~14 um），微波波段（0.8~2.5 cm）。
目前利用固体激光器、半导体激光器、气体激光器等类型的激光器能够很容易地实现可见光和近红外波段的激光输出，可以应用于国防、工业、医疗等众多领域。位于大气窗口波长3.5~5.5 um的中红外波段和8~14 um的远红外波段的激光可用于红外追踪、干扰、搜索靶标导航以及光学遥感探测，对国家安全具有至关重要的意义。由于窄带半导体材料的匮乏等原因，目前在中远红外波长的高效率发射光源和激光器严重短缺。目前利用光学参量振荡法、差频振荡、量子级联激光器以及气体激光器能够实现小功率的3~5 um激光输出，而实现远红外波段（8~14 um）大气窗口激光的方法鲜有报道，较成熟且能广泛应用的只有单一波长（10.6 um）的CO2气体激光器，无法覆盖整个远红外大气窗口。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种远红外超连续谱的产生方法，利用具有超高非线性参数的低损耗碲基硫系玻璃光子晶体光纤作为纤芯材料，用脉冲式CO2气体激光器作为泵浦光，实现8~14 um远红外超连续谱的输出。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种远红外超连续谱的产生方法，利用脉冲式CO2气体激光器发出的波长10.6 um的激光作为激励源，经过耦合器输入位于冷却装置内的碲基硫系玻璃光子晶体光纤，产生波长8~14 um的远红外超连续谱；所述的碲基硫系玻璃光子晶体光纤为碲基硫系玻璃悬吊芯光纤，所述的碲基硫系玻璃悬吊芯光纤包括悬吊芯和套设在所述的悬吊芯上的套管，所述的套管由硒基硫系玻璃制成，所述的悬吊芯由碲基硫系玻璃制成，所述的悬吊芯包括一体设置的外管和多片隔离层，所述的多片隔离层位于所述的外管的内部并沿所述的外管的长度方向设置，所述的多片隔离层交汇于所述的外管的中心。
所述的脉冲式CO2气体激光器为风冷式小功率脉冲式CO2气体激光器，其脉冲宽度小于150 ns，重复频率为20 Hz，单脉冲能量为60 mJ以上；所述的碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的长度为20~50 cm，所述的碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的直径为500~600 um，所述的悬吊芯的直径为8~10 um。
进一步地，所述的碲基硫系玻璃为Ge-As-Se-Te系硫系玻璃。Ge-As-Se-Te系硫系玻璃组分成玻范围较大，玻璃的转变温度较高（200℃以上），热稳定性好，抗析晶能力强，是制备悬吊芯的首选组分。以As2S3悬吊芯光纤为例，虽然As2S3悬吊芯光纤的非线性系数高达46000W-1KM-1，但由于碲、硒和硫的原子质量满足关系式：碲>硒>硫，因此硒基硫系玻璃或碲基硫系玻璃的非线性系数远高于硫基硫系玻璃，尤其是碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的非线性系数可达As2S3悬吊芯光纤的十倍以上。
进一步地，所述的碲基硫系玻璃为Ge20As20Se15Te45硫系玻璃。Ge20As20Se15Te45硫系玻璃热稳定性好，不会析晶，玻璃的转变温度为203℃，碲含量接近50%，能实现远红外波长的高透过率，满足CO2激光（10.6um）的低传输损耗。Ge20As20Se15Te45硫系玻璃的零色散波长为10.45 um，由Ge20As20Se15Te45硫系玻璃制成的悬吊芯对于波长10.6 um的激光的传输损耗为1.5~2 dB/m。
进一步地，所述的耦合器为红外物镜，所述的冷却装置为水冷冷却装置或液氮冷却装置。
上述远红外超连续谱的产生方法中，所述的碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的制备过程包括以下步骤：
（1）准备直径20~22 mm的套管和挤压法制成的悬吊芯预制棒；
（2）将悬吊芯预制棒在拉丝机上拉制成外径3 mm的悬吊芯细管；
（3）将悬吊芯细管插入预先钻好孔的套管内，形成碲基硫系玻璃悬吊芯光纤预制棒；
（4）将碲基硫系玻璃悬吊芯光纤预制棒在拉丝机上拉制成碲基硫系玻璃悬吊芯光纤，并用光纤切割刀切割成所需长度，即得到碲基硫系玻璃悬吊芯光纤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的远红外超连续谱的产生方法，以脉冲式CO2气体激光器作为泵浦光，以非线性系数最高的碲基硫系玻璃光子晶体光纤作为纤芯材料，保证了光纤在10.6 um处的低损耗和低色散；采用的碲基硫系玻璃悬吊芯光纤包括悬吊芯和套设在悬吊芯上的套管，该套管由硒基硫系玻璃制成，悬吊芯由碲基硫系玻璃制成，保证了碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的最高非线性系数，最终实现了8~14 um远红外波段的超连续谱的光谱输出。
附图说明
图1为本发明方法产生远红外超连续谱的过程示意图；
图2为实施例中所用Ge20As20Se15Te45碲基硫系玻璃材料的色散图；
图3为实施例中所用悬吊芯的截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1的远红外超连续谱的产生方法，利用风冷式小功率脉冲式CO2气体激光器发出的波长10.6 um的激光作为激励源，经过耦合器输入位于冷却装置内的碲基硫系玻璃光子晶体光纤，产生波长8~14 um的远红外超连续谱；碲基硫系玻璃光子晶体光纤为碲基硫系玻璃悬吊芯光纤，碲基硫系玻璃悬吊芯光纤包括悬吊芯和套设在悬吊芯上的套管，套管由Ge-Sb-Se硒基硫系玻璃制成，悬吊芯由Ge20As20Se15Te45硫系玻璃制成，如图3所示，悬吊芯包括一体设置的外管1和多片隔离层2，多片隔离层2位于外管1的内部并沿外管1的长度方向设置，多片隔离层2交汇于外管1的中心。
实施例1中所用风冷式小功率脉冲式CO2气体激光器的输出参数如下：波长10.6um，脉冲宽度小于150 ns，重复频率20 Hz，单脉冲能量150 mJ；所用碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的结构参数为：光纤直径600 um，光纤长度L=50 cm，悬吊芯直径10um，悬吊芯对于波长10.6 um的激光的传输损耗α为1.5~2 dB/m，非线性系数γ可达460000W-1KW-1以上；耦合器可以采用红外物镜，冷却装置可以采用水冷冷却装置或液氮冷却装置。
实施例1中所用碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的制备过程包括以下步骤：
（1）准备直径20 mm的套管和挤压法制成的外径18 mm的悬吊芯预制棒；
（2）将悬吊芯预制棒在拉丝机上拉制成外径3 mm的悬吊芯细管；
（3）将悬吊芯细管插入预先钻好孔的套管内，形成碲基硫系玻璃悬吊芯光纤预制棒；
（4）将碲基硫系玻璃悬吊芯光纤预制棒在拉丝机上拉制成直径600 um的碲基硫系玻璃悬吊芯光纤，并用光纤切割刀切割成所需长度L=50 cm，即得到碲基硫系玻璃悬吊芯光纤。
实施例2的远红外超连续谱的产生方法，利用风冷式小功率脉冲式CO2气体激光器发出的波长10.6 um的激光作为激励源，经过耦合器输入位于冷却装置内的碲基硫系玻璃光子晶体光纤，产生波长8~14 um的远红外超连续谱；碲基硫系玻璃光子晶体光纤为碲基硫系玻璃悬吊芯光纤，碲基硫系玻璃悬吊芯光纤包括悬吊芯和套设在悬吊芯上的套管，套管由Ge-Sb-Se硒基硫系玻璃制成，悬吊芯由Ge20As20Se15Te45硫系玻璃制成，如图3所示，悬吊芯包括一体设置的外管1和多片隔离层2，多片隔离层2位于外管1的内部并沿外管1的长度方向设置，多片隔离层2交汇于外管1的中心。
实施例2中所用风冷式小功率脉冲式CO2气体激光器的输出参数如下：波长10.6um，脉冲宽度小于150 ns，重复频率20 Hz，单脉冲能量150 mJ；所用碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的结构参数为：光纤直径500 um，光纤长度L=20 cm，悬吊芯直径8um，悬吊芯对于波长10.6 um的激光的传输损耗α为1.5~2 dB/m，非线性系数γ可达460000W-1KW-1以上；耦合器可以采用红外物镜，冷却装置可以采用水冷冷却装置或液氮冷却装置。
实施例2中所用碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的制备过程包括以下步骤：
（1）准备直径21 mm的套管和挤压法制成的外径18 mm的悬吊芯预制棒；
（2）将悬吊芯预制棒在拉丝机上拉制成外径3 mm的悬吊芯细管；
（3）将悬吊芯细管插入预先钻好孔的套管内，形成碲基硫系玻璃悬吊芯光纤预制棒；
（4）将碲基硫系玻璃悬吊芯光纤预制棒在拉丝机上拉制成直径500 um的碲基硫系玻璃悬吊芯光纤，并用光纤切割刀切割成所需长度L=20 cm，即得到碲基硫系玻璃悬吊芯光纤。
在实际应用中，CO2气体激光器可根据需要进行选型，选择相应市售产品，只要其输出参数满足要求即可。
本发明方法产生远红外超连续谱的过程示意图见图1。
实施例1和实施例2中所用Ge20As20Se15Te45碲基硫系玻璃材料的色散图见图2，从图2可见，实施例1和实施例2中所用悬吊芯材料的零色散波长为10.45 um。

Claims (4)

1.一种远红外超连续谱的产生方法，其特征在于利用脉冲式CO2气体激光器发出的波长10.6um的激光作为激励源，经过耦合器输入位于冷却装置内的碲基硫系玻璃光子晶体光纤，产生波长8～14um的远红外超连续谱；所述的碲基硫系玻璃光子晶体光纤为碲基硫系玻璃悬吊芯光纤，所述的碲基硫系玻璃悬吊芯光纤包括悬吊芯和套设在所述的悬吊芯上的套管，所述的套管由硒基硫系玻璃制成，所述的悬吊芯由碲基硫系玻璃制成，所述的悬吊芯包括一体设置的外管和多片隔离层，所述的多片隔离层位于所述的外管的内部并沿所述的外管的长度方向设置，所述的多片隔离层交汇于所述的外管的中心；所述的脉冲式CO2气体激光器为风冷式小功率脉冲式CO2气体激光器，其脉冲宽度小于150ns，重复频率为20Hz，单脉冲能量为60mJ以上；所述的碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的长度为20～50cm，所述的碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的直径为500～600um，所述的悬吊芯的直径为8～10um；所述的碲基硫系玻璃为Ge-As-Se-Te系硫系玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种远红外超连续谱的产生方法，其特征在于所述的碲基硫系玻璃为Ge20As20Se15Te45硫系玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种远红外超连续谱的产生方法，其特征在于所述的耦合器为红外物镜，所述的冷却装置为水冷冷却装置或液氮冷却装置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种远红外超连续谱的产生方法，其特征在于所述的碲基硫系玻璃悬吊芯光纤的制备过程包括以下步骤：
(1)准备直径20～22mm的套管和挤压法制成的悬吊芯预制棒；
(2)将悬吊芯预制棒在拉丝机上拉制成外径3mm的悬吊芯细管；
(3)将悬吊芯细管插入预先钻好孔的套管内，形成碲基硫系玻璃悬吊芯光纤预制棒；
(4)将碲基硫系玻璃悬吊芯光纤预制棒在拉丝机上拉制成碲基硫系玻璃悬吊芯光纤，并用光纤切割刀切割成所需长度，即得到碲基硫系玻璃悬吊芯光纤。
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