CN111864521B - 全光纤结构钠导星激光产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全光纤结构钠导星激光产生装置，包括泵浦源、二级输入端光栅、一级输入端光栅、空芯光纤、一级输出端光栅和二级输出端光栅，泵浦源用于产生1154nm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二级输入端光栅、一级输入端光栅、空芯光纤、一级输出端光栅和二级输出端光栅，其中一级输入端光栅和一级输出端光栅构成一级谐振腔，二级输入端光栅和二级输出端光栅构成二级谐振腔；泵浦激光耦合到空芯光纤中，空芯光纤的纤芯中填充有工作气体，工作气体为氢气。本发明利用氢气的二级级联反斯托克斯受激拉曼散射，获得高光束质量、高功率、窄线宽的589nm激光输出，在激光钠导星应用的自适应光学领域将发挥重要作用。
Description
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而影响其输出性能无法进一步提高。针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种全光纤结构钠导星激光产生装置。
本发明利用光纤气体拉曼激光器直接输出589nm激光，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。氢气(H2)分子的存在频移系数为4155cm-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H2气体的两级级联振动受激拉曼散射的反斯托克斯过程可以实现589nm钠导星激光输出。
具体地，本发明采用的技术方案为：
全光纤结构钠导星激光产生装置，包括泵浦源、二级输入端光栅、一级输入端光栅、空芯光纤、一级输出端光栅和二级输出端光栅，泵浦源用于产生1154nm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二级输入端光栅、一级输入端光栅、空芯光纤、一级输出端光栅和二级输出端光栅，其中一级输入端光栅和一级输出端光栅构成一级谐振腔，二级输入端光栅和二级输出端光栅构成二级谐振腔；泵浦激光耦合到空芯光纤中，空芯光纤的纤芯中填充有工作气体，工作气体为氢气，能够将1154nm波段的泵浦激光通过两级级联受激拉曼散射效应频移到589nm。
本发明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。所述工作气体填充于空芯光纤中，与泵浦激光发生受激拉曼散射，产生拉曼激光。所述一级谐振腔和二级谐振腔用于提供信号反馈，降低激光器出光阈值；其中所述一级谐振腔用于780nm的一级反斯托克斯拉曼激光谐振，为级联受激拉曼散射提供泵浦激光。所述二级谐振腔在所述一级谐振腔产生的780nm激光的泵浦下，用于589nm的二级反斯托克斯拉曼激光谐振。
作为进一步的优选方案，本发明所述泵浦源为1154nm波段的连续光纤激光器或光纤放大器，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。
作为进一步的优选方案，本发明所述空芯光纤的两端分别密封在输入端小型气体腔和输出端小型气体腔中。刻写有一级输入端光栅的实芯单模光纤的输出端密封插入到输入端小型气体腔中，在输入端小型气体腔内部的实芯单模光纤与空芯光纤的输入端通过拉锥耦合的方式实现耦合连接。刻写有一级输出端光栅的实芯单模光纤的输入端密封插入到输出端小型气体腔中，在输出端小型气体腔内部的实芯单模光纤与空芯光纤的输出端通过拉锥耦合的方式实现耦合连接。具体地，拉锥耦合是指实芯单模光纤拉锥到尺寸小于空芯光纤的纤芯后插入到空芯光纤的纤芯内部。输入端小型气体腔或/和输出端小型气体腔连接有带流量调节阀门的导气管，导气管连接氢气气源，可以向对应的气体腔以及空芯光纤内充入氢气，同时能控制气体腔内气压，进而控制空芯光纤内气压大小。
作为进一步的优选方案，本发明所述空芯光纤对1154nm的泵浦激光和780nm的一级拉曼激光、589nm的二级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。所述空芯光纤可使用冰激凌型反谐振空芯光纤。
本发明中一级谐振腔置于二级谐振腔内部。作为进一步的优选方案，本发明二级输入端光栅、一级输入端光栅、一级输出端光栅和二级输出端光栅均为光纤布拉格光栅。其中一级输入端光栅、一级输出端光栅均为中心波长为780nm拉曼波长的高反射率窄线宽光纤布拉格光栅。二级输入端光栅为中心波长为589nm拉曼波长的高反射率窄线宽光纤布拉格光栅，二级输出端光栅为中心波长为589nm拉曼波长的低反射率窄线宽光纤布拉格光栅。二级输入端光栅、一级输入端光栅、一级输出端光栅和二级输出端光栅均分别使用飞秒刻写的方式刻写在实芯单模光纤上。
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二级谐振腔内部、一级谐振腔外部。具体地，所述窄线宽控制装置为刻写在二级输入端光栅与一级输入端光栅之间的实芯单模光纤上的π相移光纤光栅。π相移光纤光栅在589nm激光起振的过程中对其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二级输出端光栅之后。所述滤波装置由包层光滤除器和啁啾倾斜光纤光栅组成，啁啾倾斜光纤光栅将前向传输的1154nm波段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。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供一种全光纤结构钠导星激光产生装置，即通过搭建光纤气体激光器装置，利用氢气(H2)的二级级联反斯托克斯受激拉曼散射，获得高光束质量、高功率、窄线宽的589nm激光输出，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方式更高的提升。
(3)本发明同时结合了光纤激光器的优势，实验系统上采用了全光纤结构，具有结构紧凑、便于携带、易于维护的优势。
(4)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。
(5)利用π相移光纤光栅实现589nm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为冰激凌型空芯光纤横截面电镜图。
图3空芯光纤传输损耗谱示意图。
图4为小型气体腔内部结构示意图。
图例说明：
1、泵浦源；2、二级输入布拉格光栅；3、π相移光纤光栅；4、一级输入布拉格光栅；5、输入端小型气体腔；6、空芯光纤；7、输出端小型气体腔；8、一级输出布拉格光栅；9、二级输出布拉格光栅；10、包层光滤除器；11、啁啾倾斜光纤光栅。
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所提供的一种全光纤结构钠导星激光产生装置的结构示意图，包括泵浦源1、二级输入布拉格光栅2、π相移光纤光栅3、一级输入布拉格光栅4、输入端小型气体腔5、空芯光纤6、输出端小型气体腔7、一级输出布拉格光栅8、二级输出布拉格光栅9、包层光滤除器10和啁啾倾斜光纤光栅11。
以1154nm连续波光纤激光器或放大器作为泵浦源1，泵浦源1输出的泵浦激光通过输入端小型气体腔5从实芯光纤耦合进入空芯光纤6中，输入端小型气体腔5同时可以实现空芯光纤内部工作气体的填充和气压的控制。空芯光纤6作用是约束泵浦激光传输与气体填充，为工作气体与泵浦激光的相互作用提供了理想的长程环境。充入空芯光纤6内部的工作气体为氢气(H2)气体，可以将1154nm泵浦激光通过两级级联受激拉曼散射效应频移到589nm。
一级输入布拉格光栅4和一级输出布拉格光栅8构成一级谐振腔；二级输入布拉格光栅2和二级输出布拉格光栅9构成二级谐振腔。两级级联谐振腔的结构，使780nm的一级振动反斯托克斯拉曼激光和589nm的二级振动反斯托克斯栏激光分别形成谐振，其中一级谐振腔位于二级谐振内部。刻写在二级谐振腔内一级谐振腔外的π相移光纤光栅3起到窄线宽滤波的作用，从而获得589nm的窄线宽激光。输出端实芯光纤上刻有啁啾倾斜光纤光栅11，结合包层光滤除器10可以滤除1154nm残余泵浦激光，实现589nm波段的钠导星激光输出。
图2展示了冰激凌型空芯光纤的横截面电镜图，图3展示了图2所示空芯光纤的传输损耗谱示意图。使用的冰激凌型空芯光纤传输损耗谱具有多个传输带的特性。选择1154nm泵浦波长、780nm一阶振动反斯托克斯拉曼波长和589nm二阶振动反斯托克斯拉曼波长分别落在三个传输带的冰激凌型空芯光纤，可以有效抑制竞争拉曼线的产生，最大限度地提高589nm激光的转化效率。
空芯光纤6的两端分别密封在输入端小型气体腔5和输出端小型气体腔7中。刻写有一级输入布拉格光栅4的实芯单模光纤的输出端密封插入到输入端小型气体腔5中，在输入端小型气体腔5内部的实芯单模光纤与空芯光纤的输入端通过拉锥耦合的方式实现耦合连接。刻写有一级输出布拉格光栅8的实芯单模光纤的输入端密封插入到输出端小型气体腔7中，在输出端小型气体腔7内部的实芯单模光纤与空芯光纤的输出端通过拉锥耦合的方式实现耦合连接。图4为小型气体腔内部结构式意图，小型气体腔的前后两面分别可插入实芯光纤和空芯光纤并确保密封，拉锥耦合是指实芯单模光纤拉锥到尺寸小于空芯光纤的纤芯后插入到空芯光纤的纤芯内部，以实现实芯光纤和空芯光纤之间光的耦合传输。输入端小型气体腔5和输出端小型气体腔7连接有带流量调节阀门的导气管，导气管连接氢气气源，可以向对应的气体腔以及空芯光纤内充入氢气，同时通过导气管上的流量调节阀能控制气体腔内气压，进而控制空芯光纤内气压大小。
如图1所示，泵浦源1产生的1154nm连续波泵浦激光经二级输入布拉格光栅2、π相移光纤光栅3、一级输入布拉格光栅4以及输入端小型气体腔5后耦合至空芯光纤6的纤芯中。泵浦激光在空芯光纤6的纤芯中与其中填充的H2气体发生受激拉曼散射作用，产生780nm一阶振动反斯托克斯信号光。1154nm残余泵浦激光经过小型气体腔7、一级输出布拉格光栅8、二级输出布拉格光栅9、包层光滤除器10，由啁啾倾斜光纤光栅11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10被滤除。空芯光纤6的纤芯内产生的780nm信号光在由一级输入布拉格光栅4和一级输出布拉格光栅8构成的谐振腔中多次反射形成谐振。谐振的780nm激光作为泵浦激光，与空芯光纤6中填充的H2气体再发生受激拉曼散射作用，产生589nm的一阶振动反斯托克斯信号光(该激光相对于1154nm激光为二阶振动反斯托克斯激光)。589nm信号光在由二级输入布拉格光栅2和二级输出布拉格光栅9构成的谐振腔中多次反射形成谐振，谐振过程中589nm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589nm信号光经由二级输出布拉格光栅9透射，而后经过包层光滤除器10和啁啾倾斜光纤光栅11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 (6)
1. 一种全光纤结构钠导星激光产生装置，其特征在于：包括泵浦源、二级输入端光栅、一级输入端光栅、空芯光纤、一级输出端光栅、二级输出端光栅以及用于窄线宽滤波的窄线宽控制装置，泵浦源用于产生1154 nm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二级输入端光栅、一级输入端光栅、空芯光纤、一级输出端光栅和二级输出端光栅，其中一级输入端光栅和一级输出端光栅构成一级谐振腔，二级输入端光栅和二级输出端光栅构成二级谐振腔；所述窄线宽控制装置设置在二级谐振腔内部、一级谐振腔外部，所述窄线宽控制装置为刻写在二级输入端光栅与一级输入端光栅之间的实芯单模光纤上的π相移光纤光栅；
泵浦激光耦合到空芯光纤中，空芯光纤的纤芯中填充有工作气体，工作气体为氢气，能够将1154 nm的泵浦激光通过两级级联受激拉曼散射效应频移到589 nm；
所述泵浦源为1154 nm波段的连续光纤激光器或光纤放大器，泵浦线宽在MHz量级以下且泵浦源在泵浦波长附近可调谐；所述空芯光纤的两端分别密封在输入端小型气体腔和输出端小型气体腔中；刻写有一级输入端光栅的实芯单模光纤的输出端密封插入到输入端小型气体腔中，在输入端小型气体腔内部的实芯单模光纤与空芯光纤的输入端通过拉锥耦合的方式实现耦合连接；刻写有一级输出端光栅的实芯单模光纤的输入端密封插入到输出端小型气体腔中，在输出端小型气体腔内部的实芯单模光纤与空芯光纤的输出端通过拉锥耦合的方式实现耦合连接。
2.根据权利要求1所述的全光纤结构钠导星激光产生装置，其特征在于：输入端小型气体腔或/和输出端小型气体腔连接有带流量调节阀门的导气管，导气管连接氢气气源。
3.根据权利要求1所述的全光纤结构钠导星激光产生装置，其特征在于：所述空芯光纤使用冰激凌型反谐振空芯光纤。
4.根据权利要求1所述的全光纤结构钠导星激光产生装置，其特征在于：二级输入端光栅、一级输入端光栅、一级输出端光栅和二级输出端光栅均为光纤布拉格光栅；其中一级输入端光栅、一级输出端光栅均为中心波长为780 nm拉曼波长的高反射率窄线宽光纤布拉格光栅；二级输入端光栅为中心波长为589 nm拉曼波长的高反射率窄线宽光纤布拉格光栅，二级输出端光栅为中心波长为589 nm拉曼波长的低反射率窄线宽光纤布拉格光栅。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的全光纤结构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二级输出端光栅之后。
6.根据权利要求5所述的全光纤结构钠导星激光产生装置，其特征在于：所述滤波装置由包层光滤除器和啁啾倾斜光纤光栅组成。
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