CN111864520A - 新型钠导星激光产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型钠导星激光产生装置，包括泵浦源、输入端光栅、空芯光纤、输出端光栅和倍频系统，泵浦源用于产生1μm波段的泵浦激光，泵浦源输出的泵浦激光的传输光路上依次设置有输入端光栅、空芯光纤、输出端光栅和倍频系统，其中输入端光栅和输出端光栅构成谐振腔结构，泵浦激光耦合到空芯光纤中，空芯光纤的纤芯中填充有能够将泵浦激光频移至1178nm的工作气体，倍频系统将1178nm激光倍频，得到与钠原子吸收谱线共振的589nm钠导星激光。本发明通过搭建光纤气体激光器，利用空芯光纤内气体受激拉曼散射，激光器运转可以不受激布里渊散射的限制，输出功率获得更高的提升。

Description

新型钠导星激光产生装置
技术领域
本发明属于激光器技术领域，涉及一种新的钠导星激光产生装置。
背景技术
对于地基天文望远镜系统，地球大气对来自遥远星体的光波产生的波前畸变是影响望远镜系统成像分辨率和探测灵敏度的关键问题，由于大气中间层中的钠原子层会与589nm激光(钠原子的D2线)共振并后向散射荧光，使用589nm钠导星激光作为信标激光控制变形镜以补偿大气波前畸变的自适应光学是解决此问题的关键技术。
目前用于产生钠导星的激光器主要有染料激光器、全固态激光器以及光纤激光器三种方式。染料激光器可以直接辐射589nm激光，但存在体积巨大、不易集成的缺点，以及安全性差、长期工作不稳定的缺陷。全固态激光器的方式是利用两个分别工作于1064nm和1319nm的掺钕离子激光器进行合频转换，获得589nm激光，是目前获得钠导星激光输出的主要方式之一。光纤激光器的方式是构建工作于1178nm的光纤拉曼激光器，然后通过倍频转化的方式获得589nm激光，具有光束质量高、易维护、安全性高的优点，是近年来获得关注的一项技术。然而对于光纤拉曼激光器而言，受激布里渊散射是影响其输出性能提高的最大问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：克服现有产生钠导星的光纤拉曼激光器的输出功率因受激布里渊散射的限制。针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种新型钠导星激光产生装置。
本发明将光纤气体拉曼激光器作为光纤拉曼激光器的替代方式，实现1178nm激光输出，为获得589nm钠导星激光提供了一种新型手段。光纤气体拉曼激光器是将拉曼增益气体填充于空芯光纤，利用光泵浦的方式，在空芯光纤内获得气体拉曼激光输出。相比于硅玻璃的受激散射，气体受激拉曼散射具有增益系数高、可选择介质种类多、窄线宽的优势，能够在大波段范围内实现目标波长的窄线宽激光输出。空芯光纤纤芯可充入气体介质，约束激光传输，因此为气体的受激拉曼散射提供了近乎理想的环境，能够极大增加气体与激光的相互作用距离和相互作用强度。同时空芯光纤的传输谱带可以合理设计，可以有效控制各拉曼信号的损耗，抑制不必要拉曼谱线的产生，提高目标波长拉曼激光的转化效率。另外，光纤气体拉曼激光器的输出不会受到受激布里渊散射的制约，同时具备一般光纤激光器高光束质量、易维护的优点。
自由空间中气体的受激拉曼散射一般会产生多条拉曼谱线，主要分为振动拉曼谱线和转动拉曼谱线，对应于气体分子振动能级和转动能级的变化，各谱线的数量和强度由分子本身的特性决定。丙烷(C3H8)分子的存在频移系数为870cm-1的振动拉曼谱线，正丁烷(C4H10)存在频移系数为807cm-1的振动拉曼谱线，异丁烷(C4H10)的拉曼频移系数为794cm-1的振动拉曼谱线。使用1μm波段合适波长的光纤激光作为泵浦，利用上述烷烃气体的振动受激拉曼散射可以实现1178nm拉曼激光输出。
具体地，本发明采用的技术方案为：
新型钠导星激光产生装置，包括泵浦源、输入端光栅、空芯光纤、输出端光栅和倍频系统，泵浦源用于产生1μm波段的泵浦激光，泵浦源输出的泵浦激光的传输光路上依次设置有输入端光栅、空芯光纤、输出端光栅和倍频系统，其中输入端光栅和输出端光栅构成谐振腔结构，泵浦激光耦合到空芯光纤中，空芯光纤的纤芯中填充有能够将泵浦激光频移至1178nm的工作气体，倍频系统将1178nm激光倍频，得到与钠原子吸收谱线共振的589nm钠导星激光。
优选地，本发明中所述工作气体为丙烷(C3H8)，正丁烷(C4H10)或者异丁烷(C4H10)三种气体之中的一种。所述泵浦源为1μm波段的连续波光纤激光器或光纤放大器，泵浦波长由选用的工作气体决定。对于丙烷气体，泵浦波长为1068.5nm；对于正丁烷气体，泵浦波长为1073nm；对于异丁烷气体，泵浦波长为1077nm。泵浦线宽应当在MHz量级以下，同时泵浦源在泵浦波长附近可以小范围调谐。
优选地，本发明中输入端光栅、输出端光栅均为刻写在实芯光纤上的中心波长为拉曼波长的光纤布拉格光栅，刻写有输入端光栅的实芯光纤为输入实芯光纤，刻写有输出端光栅的实芯光纤为输出实芯光纤。输入光纤布拉格光栅为中心波长为拉曼激光波长的高反射率窄线宽光栅，输出光纤布拉格光栅为中心波长为拉曼激光波长的低反射率窄线宽光栅，两者均使用飞秒刻写的方式刻写在实芯单模光纤上。所述空芯光纤与刻有光纤布拉格光栅的输入、输出实芯光纤通过熔接的方式连接，以实现空芯光纤内部气体的密封。
优选地，本发明还包括用于窄线宽滤波的窄线宽控制装置，所述窄线宽控制装置设置在谐振腔内部。具体地，所述窄线宽控制装置为刻写在输入端光栅之后的π相移光纤光栅。π相移光纤光栅在拉曼激光起振的过程中对拉曼激光进行窄线宽滤波进而起到控制线宽的作用。
优选地，本发明还包括用于滤除残余泵浦光的滤波装置。所述滤波装置设置在输出端光栅与倍频系统之间。所述滤波装置由包层光滤除器和啁啾倾斜光纤光栅组成，输出端光栅输出的1178nm激光通过由包层光滤除器和啁啾倾斜光纤光栅组成的滤波装置滤除残余1μm波段激光，进入倍频系统进而获得589nm钠导星激光。啁啾倾斜光纤光栅将前向传输的残余泵浦激光耦合至包层后向传输，包层光滤除器用于滤除耦合至包层的残余泵浦激光。
优选地，所述空芯光纤对1μm波段的泵浦激光和1178nm拉曼激光具有很低的传输损耗，而对其他波段的激光具有较高的传输损耗。空芯光纤可使用空芯光子晶体光纤或者无节点反谐振空芯光纤。
优选地，所述倍频系统包括耦合透镜，环形腔，倍频晶体，腔长反馈控制系统，耦合透镜将1178nm激光耦合至环形腔内不断振荡，倍频晶体位于环形腔内将1178nm激光倍频至589nm钠导星激光，腔长反馈控制系统通过实时控制环形腔腔长实现精准的钠导星激光输出。
本发明的所述泵浦源用于产生泵浦激光；所述空芯光纤用于约束泵浦激光与填充工作气体，提供泵浦激光与工作气体的长程相互作用的环境；所述工作气体与泵浦激光发生受激拉曼散射作用，进而产生1178nm拉曼激光；所述谐振腔用于提供信号反馈，降低激光器出光阈值，同时抑制其他波长拉曼激光产生；所述窄线宽控制器件位于所述谐振腔内，用于获得窄线宽1178nm拉曼激光；所述滤波装置用于滤除残余泵浦光，输出1178nm拉曼激光；所述倍频系统将1178nm激光倍频，得到与钠原子吸收谱线共振的589nm激光。与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供一种新型钠导星激光产生装置，即通过搭建光纤气体激光器装置，获得高光束质量、高功率、窄线宽的1178nm激光输出，再通过常规的倍频系统获得589nm钠导星激光，在激光钠导星应用的自适应光学领域将发挥重要作用。
(2)本发明的基本原理是空芯光纤内气体受激拉曼散射，激光器运转可以不受激布里渊散射的限制，输出功率有望获得相比于光纤拉曼激光器更高的提升。
(3)利用啁啾倾斜光纤光栅结合包层光滤除器的方法实现对残余泵浦激光的滤除，具有结构简单、操作方便的优势。
(4)利用π相移光纤光栅实现1178nm波段激光的窄线宽输出。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2是一种倍频系统的结构示意图。
图3为空芯光子晶体光纤横截面电镜图。
图4为无节点型反谐振空芯光纤横截面电镜图。
图5为连体型反谐振空芯光纤横截面电镜图。。
图6为空芯光纤传输损耗示意图。
图例说明：
1、泵浦源；2、输入光纤布拉格光栅；3、π相移光纤光栅；4、输入端熔接点；5、空芯光纤；6、输出端熔接点；7、输出光纤布拉格光栅；8、包层光滤除器；9、啁啾倾斜光纤光栅；10、倍频系统；11、耦合透镜；12、入射分束腔镜；13、倍频晶体；14、出射分束腔镜；15、反射腔镜；16、反射腔镜；17、压电陶瓷；18、反馈探测器；19、反馈控制系统。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：
图1是本发明实施1所提供的一种新型钠导星激光产生装置的结构示意图，包括泵浦源1、输入光纤布拉格光栅2、π相移光纤光栅3、输入端熔接点4、空芯光纤5、输出端熔接点6、输出光纤布拉格光栅7、包层光滤除器8、啁啾倾斜光纤光栅9、倍频系统10。以1μm波段连续光纤激光器或放大器作为泵浦源1，泵浦激光通过小型气体腔耦合进入空芯光纤5中，空芯光纤5的纤芯充入工作气体同时约束泵浦激光传输，为工作气体与泵浦激光的相互作用提供了理想的环境。所述空芯光纤5为空芯光子晶体光纤，充入空芯光子晶体光纤内部的工作气体为丙烷(C3H8)，正丁烷(C4H10)或者异丁烷(C4H10)三种气体之中的一种，可将泵浦激光频移至1178nm。空芯光纤5两端熔接的实芯光纤分别刻有中心波长为拉曼波长的输入光纤布拉格光栅2和输出光纤布拉格光栅7，构成谐振腔的结构，使1178nm拉曼激光形成谐振以降低产生拉曼激光的阈值。刻写在谐振腔内的输入光纤布拉格光栅2之后的π相移光纤光栅3起到窄线宽滤波的作用，从而获得1178nm的窄线宽激光。产生的1178nm激光通过由包层光滤除器8和啁啾倾斜光纤光栅9组成的滤波装置滤除残余1μm波段激光，进入倍频系统10进而获得589nm钠导星激光。
同时泵浦激光波长的选择应当与空芯光纤内部填充的气体种类有关，以获得1178nm波长的拉曼激光输出。泵浦源1的泵浦波长λP、拉曼波长λs以及气体分子的拉曼频移系数ΩR由下式决定：
Figure BDA0002612658440000061
式中λP为泵浦波长，λs为拉曼波长，ΩR为拉曼频移系数。由于丙烷(C3H8)分子的存在频移系数为870cm-1的振动拉曼谱线，正丁烷(C4H10)存在频移系数为807cm-1的振动拉曼谱线，异丁烷(C4H10)的拉曼频移系数为794cm-1的振动拉曼谱线，因此对于丙烷、正丁烷以及异丁烷气体，泵浦源的泵浦波长分别为1068.5nm、1073nm和1077nm。
图3、图4和图5展示了可使用的空芯光纤的结构类型，其中图3为空芯光子晶体光纤横截面电镜图。图4为无节点型反谐振空芯光纤横截面电镜图。图5为连体型反谐振空芯光纤横截面电镜图。
图6展示了空芯光纤的传输损耗谱示意图。使用的空芯光纤的传输带范围较窄，一般仅包含泵浦波长和一阶振动拉曼波长，而高阶振动拉曼激光尽量位于传输带外，具有十分高的传输损耗，因此使用空芯光纤可以有效抑制高阶转动拉曼激光和振动拉曼激光的产生。
如图1所示，泵浦源1产生的1μm波段连续泵浦激光经输入光纤布拉格光栅2、π相移光纤光栅3以及实芯光纤和空芯光纤的熔接点4后耦合至空芯光纤5的纤芯中。泵浦激光在空芯光纤5的纤芯中与其中填充的丙烷(C3H8)、正丁烷(C4H10)或者异丁烷(C4H10)气体发生受激拉曼散射作用，产生1178nm信号光。残余泵浦激光经过实芯光纤和空芯光纤的熔接点6、输出光纤布拉格光栅7、包层光滤除器8，由啁啾倾斜光纤光栅9耦合至包层后向传输，包层内后向传输的残余泵浦激光经由包层光滤除器8被滤除。空芯光纤5的纤芯内产生的1178nm信号光在由输入光纤布拉格光栅2和输出光纤布拉格光栅7形成的谐振腔中多次反射形成谐振，谐振过程中1178nm信号光不断经由π相移光纤光栅3滤波，因而始终保持窄线宽的特性。谐振腔内谐振的一部分1178nm信号光经由输出光纤布拉格光栅7透射，而后经过包层光滤除器8和啁啾倾斜光纤光栅9输出，最终经由倍频系统10倍频获得589nm钠导星激光。
图2展示了倍频系统内部的具体结构。倍频系统包括耦合透镜11、入射分束腔镜12、倍频晶体13、出射分束腔镜14、反射腔镜15、反射腔镜16、压电陶瓷17、反馈探测器18和反馈控制系统19，其中入射分束腔镜12、倍频晶体13、出射分束腔镜14、反射腔镜15和反射腔镜16构成环形腔。反射腔镜16固定连接在压电陶瓷17上，在压电陶瓷17的带动下同步运动。
1178nm激光经过耦合透镜11聚焦后入射到分束腔镜12，经分束腔镜12进入环形腔内，之后通过倍频晶体13，经由出射分束腔镜14、反射腔镜15、反射腔镜16、入射分束腔镜12依次反射，不断地的在环形腔内振荡。振荡的小部分1178nm激光经过入射分束腔镜12透射输出到反馈探测器18，由反馈探测器18接收。反馈探测器18与反馈控制系统19连接，反馈探测器18将测量到的信息传输至反馈控制系统19。反馈控制系统19连接压电陶瓷17，反馈控制系统19通过控制压电陶瓷17实时控制环形腔腔长。环形腔内振荡的1178nm激光经由倍频晶体13倍频获得589nm钠导星激光，而后通过出射分束腔镜14透射输出。
以上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，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型钠导星激光产生装置，其特征在于：包括泵浦源、输入端光栅、空芯光纤、输出端光栅和倍频系统，泵浦源用于产生1μm波段的泵浦激光，泵浦源输出的泵浦激光的传输光路上依次设置有输入端光栅、空芯光纤、输出端光栅和倍频系统，其中输入端光栅和输出端光栅构成谐振腔结构，泵浦激光耦合到空芯光纤中，空芯光纤的纤芯中填充有能够将泵浦激光频移至1178nm的工作气体，倍频系统将1178nm激光倍频，得到与钠原子吸收谱线共振的589nm钠导星激光。
2.根据权利要求1所述的新型钠导星激光产生装置，其特征在于：所述工作气体为丙烷、正丁烷或者异丁烷。
3.根据权利要求2所述的新型钠导星激光产生装置，其特征在于：所述泵浦源为1μm波段的连续波光纤激光器或光纤放大器；泵浦源的泵浦波长由选用的工作气体决定；对于丙烷气体，泵浦波长为1068.5nm；对于正丁烷气体，泵浦波长为1073nm；对于异丁烷气体，泵浦波长为1077nm；泵浦源的泵浦线宽在MHz量级以下，同时泵浦源在泵浦波长附近可调谐。
4.根据权利要求2所述的新型钠导星激光产生装置，其特征在于：所述输入端光栅、输出端光栅均为刻写在实芯光纤上的中心波长为拉曼波长的光纤布拉格光栅，刻写有输入端光栅的实芯光纤为输入实芯光纤，刻写有输出端光栅的实芯光纤为输出实芯光纤；输入光纤布拉格光栅为中心波长为拉曼激光波长的高反射率窄线宽光栅，输出光纤布拉格光栅为中心波长为拉曼激光波长的低反射率窄线宽光栅。
5.根据权利要求4所述的新型钠导星激光产生装置，其特征在于：所述空芯光纤与刻有光纤布拉格光栅的输入、输出实芯光纤通过熔接的方式连接。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的新型钠导星激光产生装置，其特征在于：还包括用于窄线宽滤波的窄线宽控制装置，所述窄线宽控制装置设置在谐振腔内部。
7.根据权利要求6所述的新型钠导星激光产生装置，其特征在于：所述窄线宽控制装置为刻写在输入端光栅之后的π相移光纤光栅。
8.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的新型钠导星激光产生装置，其特征在于：还包括用于滤除残余泵浦光的滤波装置；所述滤波装置设置在输出端光栅与倍频系统之间；所述滤波装置由包层光滤除器和啁啾倾斜光纤光栅组成。
9.根据权利要求1所述的新型钠导星激光产生装置，其特征在于：所述空芯光纤为空芯光子晶体光纤或者无节点反谐振空芯光纤。
10.根据权利要求1所述的新型钠导星激光产生装置，其特征在于：所述倍频系统包括耦合透镜，环形腔，倍频晶体，腔长反馈控制系统，耦合透镜将1178nm激光耦合至环形腔内不断振荡，倍频晶体位于环形腔内将1178nm激光倍频至589nm钠导星激光，腔长反馈控制系统通过实时控制环形腔腔长实现精准的钠导星激光输出。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112612067A (zh) * 2020-12-17 2021-04-06 南京理工大学 一种可以产生零布里渊散射的超材料

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