CN111864522A - 4μm波段激光产生方法以及光纤气体激光发生装置 - Google Patents

Abstract

4μm波段激光产生方法以及光纤气体激光发生装置，通过2μm波段泵浦激光与填充于反共振空芯光纤中的工作气体发生本征吸收跃迁，从而实现4μm波段激光输出。其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO₂的混合气体。反共振空芯光纤能够为气体与泵浦光作用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。本发明提高了HBr分子的利用率，结合了气体激光器输出功率高、损伤阈值高、竞争性非线性效应阈值高和光纤激光器结构紧凑、性能稳定、光束质量好、转换效率高等优点。

Description

4μm波段激光产生方法以及光纤气体激光发生装置

技术领域

本发明涉及激光发生设备技术领域，具体涉及一种4μm波段激光产生方法以及光纤气体激光发生装置。

背景技术

中红外激光波长涵盖了大多数分子振动吸收峰，在军事、生物医疗及大气通信等领域显示出巨大的应用前景，是国际研究的热点。

中红外激光有多种产生方式，总体上可以分为两种：一是利用激光器振荡放大直接产生(线性方法)；二是利用非线性频率变换。前者包括了固体激光器、半导体量子级联激光器、自由电子激光器、化学和气体激光器、泛频CO激光器和光纤激光器等，后者主要包括光学参量振荡器(OPO)和光学倍频激光器(CO2激光器倍频)。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。

其中，光纤激光器由于作用距离长，光束质量好、稳定性高、转换效率高、散热效果好等优点最有希望实现便携、稳定、高效的中红外激光输出，引起了广泛关注。但是光纤激光器的输出功率受限于受激拉曼散射、受激布里渊散射、热透镜效应，光纤中常见的材料硅酸盐玻璃由于声子能量高达1100cm^-1，对于波长大于2.2μm的波段有很强的吸收，导致其损耗变得很大。氟化物玻璃和硫系玻璃具有更宽的传输带，比硅酸盐玻璃在长波段更有优势，但由于拉制工艺不成熟，材料昂贵，强度不好，应用没有硅酸盐玻璃光纤广泛，光纤激光器输出的功率随着发射波长的增加呈指数下降的趋势。

与固体激光器以及掺杂实心光纤激光器相比，气体激光器的竞争性非线性效应阈值高，光学损伤阈值高，在光束质量和功率水平上有着潜在优势。

空芯光纤的出现为解决传统的光纤激光器里存在的问题提出的一种新的方案，相较于传统气体激光器的气体腔，空芯光纤的纤芯的区域很小，在微米量级，作用距离更长，可以有几十米，作用效果更加充分，结构更加紧凑牢固，更加便于与其他装置连接。基于空芯光纤的气体激光器结合了光纤激光器和气体激光器各自的优势，相对实芯掺杂光纤在激光输出功率、线宽、波长选择等方面都具有潜优势，是非常有希望实现大功率可调谐中红外激光输出的一种有效手段。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种4μm波段激光产生方法以及光纤气体激光发生装置。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

本发明提供的技术方案一：一种4μm波段激光产生方法，通过2μm波段泵浦激光与填充于反共振空芯光纤中的工作气体发生本征吸收跃迁，从而实现 4μm波段激光输出。其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO₂的混合气体。如果工作气体为HBr气体，HBr气体通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm波段激光。如果工作气体是HBr和CO₂的混合气体，所述 HBr和CO₂气体在2μm波段有重合的吸收带。通过调谐泵浦源中心波长对准 HBr和CO₂的不同吸收线，从而实现4μm波段激光输出。

本发明提供的技术方案二：一种4μm波段激光光纤气体激光发生装置，包括2μm波段半导体激光泵浦源系统、输入实芯光纤、反共振空芯光纤和输出装置，2μm波段半导体激光泵浦源系统输出的2μm波段泵浦光的传输路径上依次连接输入实芯光纤、反共振空芯光纤和输出装置，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的工作气体，所述输出装置输出中红外波段4μm激光。其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO₂的混合气体。具体地，所述输出装置为输出实芯光纤，所述输入实芯光纤的两端分别与2μm波段半导体激光泵浦源系统的输出尾纤和反共振空芯光纤的输入端熔接，所述反共振空芯光纤的另一端与输出实芯光纤的输入端熔接。该方案解决了空间结构光纤气体激光器泵浦耦合效率低，系统不稳定的技术问题，其是一种结构紧凑、性能稳定、窄线宽、低泵浦阈值、高转化效率、光束质量好的全光纤结构气体激光发生装置。

优选地，本发明技术方案二中所述反共振空芯光纤在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段均具有较低传输损耗，具体地反共振空芯光纤在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段的传输损耗均小于0.15dB/m。

优选地，本发明技术方案二中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中还包括用于防止反向传输的泵浦光返回2μm波段半导体激光泵浦源系统的隔离器，所述隔离器熔接在输入实芯光纤上。

优选地，本发明技术方案二中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中的所述输入实芯光纤上刻写有对中红外波段4μm激光形成高反射的输入布拉格光栅，所述输入布拉格光栅设置在隔离器之后的输入实芯光纤上，所述输入布拉格光栅峰值反射率均大于95％。所述输出装置为输出实芯光纤，所述输出实芯光纤上依次刻写有对2μm波段泵浦光形成高反射的反馈光栅和对中红外波段4 μm激光部分反射的输出布拉格光栅，所述反馈光栅对2μm波段泵浦光的反射率大于95％，所述输出布拉格光栅对中红外波段4μm激光的透射率为10％～90％。

优选地，本发明技术方案二中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中的所述2μm波段半导体激光泵浦源系统包括第一泵浦源、第二泵浦源和将2个泵浦源出射的泵浦激光耦合在一起的2×1泵浦合束器，所述第一泵浦源的中心波长为1971.67nm，对应HBr分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，能把HBr分子v₀振动态上J＝2转动态泵浦到v₂振动态上J＝3转动态，所述第二泵浦源的中心波长为2018.14nm，对应HBr分子v₀→v₂跃迁P(4)吸收线，能把HBr分子v₀振动态上J＝4转动态泵浦到v₂振动态上J＝3转动态，所述第一泵浦源和第二泵浦源能把不同下能级的HBr分子泵浦到同一上能级，利用更多的HBr分子数。

本发明技术方案二的原理是：反共振空芯光纤能够为气体与泵浦光作用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，而且结合了气体激光器和光纤激光器各自的优势，设计反共振空芯光纤的传输损耗谱使得泵浦波段和产生的激光波段有较低的传输损耗，实现有效的中红外激光输出。HBr为双原子分子，仅有一种振动态，HBr分子在每个振动态上由于转动而引起了一系列转动态，不同波长的泵浦源可以把不同下能级转动态的HBr分子利用起来，泵浦到同一上能级转动态，然后跃迁产生对应的4μm波段激光，提高转换效率。

本发明提供的技术方案三：4μm波段激光光纤气体激光发生装置，包括2μm 波段半导体激光泵浦源系统、用于将泵浦激光耦合至所述反共振空芯光纤的泵浦耦合装置、反共振空芯光纤和输出装置；2μm波段半导体激光泵浦源系统输出的2μm波段泵浦光的传输路径上依次连接有泵浦耦合装置、反共振空芯光纤和输出装置，所述泵浦耦合装置将2μm波段泵浦光耦合至所述反共振空芯光纤中，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的工作气体，所述输出装置输出中红外波段4μm激光。其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO₂的混合气体。

优选地，本发明技术方案三中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中所述反共振空芯光纤在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段均具有较低传输损耗。具体地，反共振空芯光纤在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段的传输损耗均小于0.15dB/m。

优选地，本发明技术方案三中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中所述反共振空芯光纤的输入端和输出端分别密封在输入端密封气体腔和输出端密封气体腔中，所述泵浦耦合装置将2μm波段泵浦光通过输入端密封气体腔耦合至所述反共振空芯光纤中，所述反共振空芯光纤中产生的中红外波段4μm激光通过输出端密封气体腔传输到输出装置。

优选地，本发明技术方案三中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中所述输入端密封气体腔和输出端密封气体腔上分别设置有可以通光的输入窗口和输出窗口(如蓝宝石窗口可以通光)，所述泵浦耦合装置将2μm波段泵浦光通过输入端密封气体腔上的输入窗口耦合至输入端密封气体腔内的反共振空芯光纤的输入端中，所述反共振空芯光纤中产生的中红外波段4μm激光通过输出端密封气体腔上的输出窗口出射到输出装置；所述输入端密封气体腔或/和输出端密封气体腔设有进气接口，通过进气接口连接密封管道，所述密封管道上设有阀门，密封管道连接有抽气装置和充气装置，便于进行抽气/充气操作。

优选地，本发明技术方案三中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中所述2μm波段半导体激光泵浦源系统包括第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源、第四泵浦源和将4个泵浦源输出的泵浦激光耦合在一起的4×1泵浦合束器。所述第一泵浦源的中心波长为1971.67nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，能把H⁷⁹Br分子v₀振动态上J＝2转动态泵浦到v₂振动态上J＝3转动态，所述第二泵浦源的中心波长为2018.14nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁P(4) 吸收线，能把H⁷⁹Br分子v₀振动态上J＝4转动态泵浦到v₂振动态上J＝3转动态，所述第一泵浦源和第二泵浦源能把不同下能级的H⁷⁹Br分子泵浦到同一上能级，利用更多的H⁷⁹Br分子数，所述第三泵浦源的中心波长为1971.96nm，对应H⁸¹Br 分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，能把H⁸¹Br分子v₀振动态上J＝2转动态泵浦到 v₂振动态上J＝3转动态，所述第四泵浦源的中心波长为2018.43nm，对应H⁷⁹Br 分子v₀→v₂跃迁P(4)吸收线，能把H⁸¹Br分子v₀振动态上J＝4转动态泵浦到 v₂振动态上J＝3转动态，所述第三泵浦源和第四泵浦源能把不同下能级的H⁸¹Br 分子泵浦到同一上能级，利用更多的H⁸¹Br分子数，采用四个泵浦源同时泵浦能够有效利用HBr分子同位素和不同能级的分子数，有效提高转化效率。该方案是一种结构紧凑、性能稳定、窄线宽、高转化效率、光束质量好的多波长泵浦产生4μm波段激光的光纤气体激光发生装置。

优选地，本发明技术方案三中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中所述泵浦耦合装置包括依次设置的第一平凸透镜、第一高反镜、第二高反镜和第二平凸透镜，所述第二平凸透镜与所述反共振空芯光纤的输入端光连接。所述2μm波段半导体激光泵浦源系统依序与所述第一平凸透镜、第一高反镜、第二高反镜、第二平凸透镜光连接，所述第二平凸透镜与所述反共振空芯光纤输入端光连接，所述2μm波段半导体激光泵浦源系统4×1泵浦合束器尾纤输出激光经过所述第一平凸透镜进行扩束，然后通过所述第一高反镜和第二高反镜进行调节光路进行准直，最后通过第二平凸透镜聚焦耦合进反共振空芯光纤输入端。

优选地，本发明技术方案三中的4μm波段激光光纤气体激光发生装置中所述输出装置是一种滤波准直装置，输出装置包括依次设置的4μm波段带通滤波片和第三平凸透镜。所述反共振空芯光纤输出端依序与4μm波段带通滤波片和第三平凸透镜光连接，所述4μm波段带通滤波片能够滤除输出的残余泵浦光，使得通过4μm波段带通滤波片后仅剩产生的4μm波段激光，然后通过第三平凸透镜输出。

本发明技术方案三的原理是：反共振空芯光纤能够为气体与泵浦光作用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，而且结合了气体激光器和光纤激光器各自的优势，设计反共振空芯光纤的传输损耗谱使得泵浦波段和产生的激光波段有较低的传输损耗，实现有效的中红外激光输出。HBr分子在自然界中存在H⁷⁹Br 和H⁸¹Br两种同位素，其比例大致相当，分别为50.5％和49.5％，同位素相同能级之间失配约为50GHz。HBr为双原子分子，仅有一种振动态，HBr分子在每个振动态上由于转动而引起了一系列转动态，不同波长的泵浦源可以把两种HBr 分子同位素和不同下能级转动态的HBr分子利用起来，泵浦到同一上能级转动态，然后跃迁产生对应的4μm波段激光，提高转换效率。具体来说，当HBr分子被R(i)吸收线泵浦，其从v₀振动基态上J＝i的转动态跃迁到上能级v₂振动态上J＝i+1的转动态，当HBr分子被P(i+2)吸收线泵浦，其从v₀振动基态上J＝i+2的转动态同样跃迁到上能级v₂振动态上J＝i+1的转动态。然后根据跃迁选择定律ΔJ＝±1(ΔJ＝+1对应R支，ΔJ＝-1对应P支)，激发的上能级v₂振动态粒子跃迁到v₁振动态上J＝i和J＝i+2的转动态，分别发射出R(i)和P (i+2)两条激光跃迁线。然后v₁振动态上粒子通过碰撞引起的振动驰豫(非辐射跃迁)跃迁回振动基态。

本发明提供的技术方案四：，4μm波段激光光纤气体激光发生装置，具体地，其是一种全光纤结构4μm波段光纤气体激光发生装置，包括2μm波段半导体激光泵浦源系统、输入实芯光纤、反共振空芯光纤以及输出装置，2μm波段半导体激光泵浦源系统的输出端连接输入实芯光纤的输入端，输入实芯光纤的输出端拉锥耦合进反共振空芯光纤的输入端，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的工作气体，所述反共振空芯光纤的输出端连接输出装置，输出装置输出中红外波段4μm激光。，其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO₂的混合气体。

优选地，本发明技术方案四中的2μm波段半导体激光泵浦源系统包括第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源、第四泵浦源和将4个泵浦源输出的泵浦激光耦合在一起的4×1泵浦合束器。所述第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源和第四泵浦源的中心波长选择原则是使得HBr分子不同同位素H⁷⁹Br和H⁸¹Br 下能级通过P支和R支跃迁到同一上能级，选择对应的是H⁷⁹Br和H⁸¹Br同位素分子分别的P(i)吸收线和R(i-2)吸收线，P(i)吸收线泵浦可以使v₀振动基态上J＝i的转动态跃迁到上能级v₂振动态上J＝i-1的转动态，R(i-2)吸收线泵浦可以使v₀振动基态上J＝i-2的转动态跃迁到上能级v₂振动态上J＝i-1 的转动态。所述第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源和第四泵浦源能把不同同位素的下能级HBr分子泵浦到同一上能级，利用更多的HBr分子数。

优选地，本发明技术方案四中的反共振空芯光纤的输入端密封在密封气体腔中，输入实芯光纤的输出端拉锥后在密封气体腔中与反共振空芯光纤的输入端耦合连接。所述的输入实芯光纤的输出端受热拉锥，促使输出端的纤芯和包层等比例减小，最后得到锥形形变的拉锥端头，将拉锥端头直接耦合进所述反共振空芯光纤的输入端的纤芯区域，实现与反共振空芯光纤输入端的耦合连接。

优选地，本发明技术方案四中的密封气体腔设有进气接口，通过进气接口连接密封管道，所述密封管道上设有阀门，密封管道连接有抽气装置和充气装置。通过抽气装置和充气装置以及对应的阀门，可以对密封气体腔进行抽气/充气的操作。进一步地，所述密封气体腔还可以通过密封管道以及密封管道上的阀门连接有气压监测的监测组件，实现对密封气体腔以及反共振空芯光纤内气压的实时监测。

优选地，本发明技术方案四中的输入实芯光纤上熔接有防止泵浦光返回所述泵浦源的隔离器，隔离器的能够有效防止泵浦光反向传输，保护泵浦源。

优选地，本发明技术方案四中的输出装置为输出光纤端帽，反共振空芯光纤与输出光纤端帽熔接，所述输出光纤端帽是由能透过中红外波段光的晶体制成。或者，本发明技术方案二中的输出装置也可以为输出实芯光纤，所述反共振空芯光纤的输入端和输出端分别密封在输入端密封气体腔和输出端密封气体腔中，输出实芯光纤的输入端拉锥后在输出端密封气体腔中与反共振空芯光纤的输出端耦合连接。

优选地，本发明技术方案四中的反共振空芯光纤在1.5μm泵浦波段和产生的3μm激光波段均具有较低传输损耗，具体地传输损耗均小于0.15dB/m。

本发明技术方案四的原理是：反共振空芯光纤能够为气体与泵浦光作用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，而且结合了气体激光器和光纤激光器各自的优势，设计反共振空芯光纤的传输损耗谱使得泵浦波段和产生的激光波段有较低的传输损耗，实现有效的中红外激光输出。当HBr气体吸收了1.5μm波段泵浦光，基态的HBr分子会跃迁到激光上能级，形成粒子数反转，根据选择定则跃迁到下能级，同时对应产生两条4μm波段的谱线。不同波长的泵浦源可以把不同下能级转动态的HBr分子利用起来，泵浦到同一上能级转动态，然后跃迁产生对应的4μm波段激光，提高转换效率。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提高了HBr分子的利用率；

(2)本发明利用了反共振空芯光纤有效地将泵浦光约束在微米量级的纤芯中，相较于传统的气体腔，大大提高了泵浦强度和有效作用距离，增强了泵浦光与增益气体的作用强度，同时利用传输损耗谱特殊设计的反共振空芯光纤对泵浦波长和产生激光波长传输损耗低；

(3)本发明结合了气体激光器输出功率高、损伤阈值高、竞争性非线性效应阈值高和光纤激光器结构紧凑、性能稳定、光束质量好、转换效率高等优点，与现有的中红外激光技术手段相比，具有更大的潜在优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例2的结构示意图；

图3为实施例3的结构示意图；

图中标号说明：

1、第一泵浦源；2、第二泵浦源；3、2×1泵浦合束器；4、第一隔离器；5、第一输入实芯光纤；6、输入布拉格光栅；7、第一熔接点；8、反共振空芯光纤； 9、第二熔接点；10、输出实芯光纤；11、反馈光栅；12、输出布拉格光栅；13、第三泵浦源；14、第四泵浦源；15、第五泵浦源；16、第六泵浦源；17、第一4 ×1泵浦合束器；18、第一平凸透镜；19、第一高反镜；20、第二高反镜；21、第二平凸透镜；22、输入窗口；23、输入端密封气体腔；24、第一密封管道； 25、第一抽气装置；26、第一充气装置；27、输出端密封气体腔；28、输出窗口；29、4μm波段带通滤波片；30、第三平凸透镜；31、第七泵浦源；32、第八泵浦源；33、第九泵浦源；34、第十泵浦源；35、第二4×1泵浦合束器；36、第二隔离器；37、第二输入实芯光纤；38、密封气体腔；39、输入拉锥端头； 40、第二密封管道；41、第二抽气装置；42、第二充气装置；43、输出光纤端帽。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1:

如图1所示，本实施例的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，包括第一泵浦源1、第二泵浦源2、2×1泵浦合束器3、第一隔离器4、第一输入实芯光纤 5、输入布拉格光栅6、第一熔接点7、反共振空芯光纤8、第二熔接点9、输出实芯光纤10、反馈光栅11和输出布拉格光栅12。

第一泵浦源1、第二泵浦源2和2×1泵浦合束器3构成了2μm波段半导体激光泵浦源系统。第一泵浦源1、第二泵浦源2分别连接2×1泵浦合束器3的两个输入端，2×1泵浦合束器3将两个泵浦源出射的泵浦激光耦合在一起后输出。所述第一泵浦源的中心波长为1971.67nm，对应HBr分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，所述第二泵浦源的中心波长为2018.14nm，对应HBr分子v₀→v₂跃迁P (4)吸收线。

所述2μm波段半导体激光泵浦源系统的输出泵浦光的传输路径上依次设有用于防止反向传输的泵浦光返回所述泵浦源的第一隔离器4、第一输入实芯光纤 5、输入布拉格光栅6、第一熔接点7、反共振空芯光纤8、第二熔接点9、输出实芯光纤10、反馈光栅11和输出布拉格光栅12。所述第一输入实芯光纤5的输入端与2×1泵浦合束器3的输出尾纤熔接。所述隔离器4熔接在第一输入实芯光纤5上。输入布拉格光栅6刻写在用于防止反向传输的泵浦光返回2μm波段半导体激光泵浦源系统的第一隔离器4和反共振空芯光纤8之间的第一输入实芯光纤5上，所述输入布拉格光栅峰值反射率均大于95％。第一输入实芯光纤5的输出端通过第一熔接点7与反共振空芯光纤8的输入端低损耗熔接，所述反共振空芯光纤8的输出端通过第二熔接点9与输出实芯光纤10熔接。所述输出实芯光纤10上依次刻写有对2μm波段泵浦光形成高反射的反馈光栅11和对中红外波段4μm激光部分反射的输出布拉格光栅12，所述反馈光栅11对2μm 波段泵浦光的反射率大于95％，所述输出布拉格光栅12对4μm中红外波段的透射率为10％～90％。

所述反共振空芯光纤8内填充用于通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的HBr气体。反共振空芯光纤8为传输损耗谱特殊设计的反共振空芯光纤，在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段均具有较低传输损耗(<0.15 dB/m)；

本实施例是一种紧凑、窄线宽、光束质量好的光纤气体激光器，其利用HBr 工作气体的本征吸收跃迁，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2μm波段的第一泵浦源1和第二泵浦源2输出的泵浦激光通过2×1泵浦合束器进入第一输入实芯光纤5，再经过输入布拉格光栅 6，第一输入实芯光纤5与反共振空芯光纤8低损耗熔接的第一熔接点7，进入充有HBr工作气体的反共振空芯光纤8中，泵浦光在纤芯中与HBr气体相互作用发生本征吸收跃迁产生4μm中红外波段激光。经反共振空芯光纤8与输出实芯光纤10低损耗熔接的第二熔接点9进入输出实芯光纤10，在输出实芯光纤 10上刻写的反馈光栅11会反射回残余的泵浦光进反共振空芯光纤8进一步利用，以降低泵浦阈值，产生的4μm中红外波段激光在输出实芯光纤10上刻写的输出布拉格光栅12和输入布拉格光栅6的多次反射作用下形成谐振，并将一部分产生的4μm中红外波段激光耦合输出。

本实施例中，反共振空芯光纤8采用传输损耗谱特殊设计的负曲率反共振空芯光纤8，其为微米量级的空芯结构，相较于传统的气体腔，反共振空芯光纤 8将泵浦光约束在纤芯几十微米的区域内，泵浦强度提高了3～5个数量级，有效作用距离可增加1～2个数量级，和掺稀土离子光纤激光器相比，基于空芯光纤的气体激光器增益介质选择灵活得多，不仅种类更丰富，而且便于更换，可以根据需要实现更多的激光波长，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，也即传输带的位置及损耗可以通过光纤包层毛细管壁的厚度和纤芯大小等参数控制，使泵浦波段以及产生激光波段处具有较低传输损耗。

本实施例中，2μm波段半导体激光泵浦源系统包括第一泵浦源、第二泵浦源和将2个泵浦激光耦合在一起的2×1泵浦合束器，HBr为双原子分子，仅有一种振动态，HBr分子在每个振动态上由于转动而引起了一系列转动态，不同波长的泵浦源可以把不同下能级转动态的HBr分子利用起来，泵浦到同一上能级转动态，然后跃迁产生对应的4μm波段激光，提高转换效率。具体来说，当 HBr分子被R(i)吸收线泵浦，其从v₀振动基态上J＝i的转动态跃迁到上能级 v₂振动态上J＝i+1的转动态，当HBr分子被P(i+2)吸收线泵浦，其从v₀振动基态上J＝i+2的转动态同样跃迁到上能级v₂振动态上J＝i+1的转动态。然后根据跃迁选择定律ΔJ＝±1(ΔJ＝+1对应R支，ΔJ＝-1对应P支)，激发的上能级v₂振动态粒子跃迁到v₁振动态上J＝i和J＝i+2的转动态，分别发射出R(i) 和P(i+2)两条激光跃迁线。然后v₁振动态上粒子通过碰撞引起的振动驰豫(非辐射跃迁)跃迁回振动基态。第一泵浦源的中心波长为1971.67nm，对应HBr 分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，能把HBr分子v₀振动态上J＝2转动态泵浦到 v₂振动态上J＝3转动态，第二泵浦源的中心波长为2018.14nm，对应HBr分子 v₀→v₂跃迁P(4)吸收线，能把HBr分子v₀振动态上J＝4转动态泵浦到v₂振动态上J＝3转动态，第一泵浦源和第二泵浦源能把不同下能级的HBr分子泵浦到同一上能级，利用更多的HBr分子数。

本实施例通过实芯光纤与反共振空芯光纤熔接的方式实现了全光纤的紧凑结构，在反共振空芯光纤两端加布拉格光栅形成谐振腔，解决了单程结构产生连续激光输出的高泵浦阈值问题，可以实现较低泵浦功率水平下4μm波段连续激光输出，此外，相较于空间耦合结构的空芯光纤气体激光器系统更加稳定便携，用途更加广泛。本实施例通过2μm波段泵浦激光与填充于反共振空芯光纤中的HBr气体发生本征吸收跃迁，从而实现4μm波段激光输出，通过两个不同波长的泵浦源把不同下能级转动态的HBr分子数利用起来，提高了HBr分子的利用率。

实施例2：

如图2所示，本实施例的多波长泵浦产生4μm波段激光的光纤气体激光发生装置，包括第三泵浦源13、第四泵浦源14、第五泵浦源15、第六泵浦源16、 4×1泵浦合束器17、第一平凸透镜18、第一高反镜19、第二高反镜20、第二平凸透镜21、输入窗口22、输入端密封气体腔23、第一密封管道24、第一抽气装置25、第一充气装置26、反共振空芯光纤8、输出端密封气体腔27、输出窗口28、4μm波段带通滤波片29、第三平凸透镜30。

第三泵浦源13、第四泵浦源14、第五泵浦源15、第六泵浦源16和第一4×1 泵浦合束器17构成2μm波段半导体激光泵浦源系统。第三泵浦源13、第四泵浦源14、第五泵浦源15、第六泵浦源16分别连接第一4×1泵浦合束器17的四个输入端，第一4×1泵浦合束器17将四个泵浦源出射的泵浦激光耦合在一起后输出。所述第一泵浦源的中心波长为1971.67nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁R (2)吸收线，所述第二泵浦源的中心波长为2018.14nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁P(4)吸收线，所述第三泵浦源的中心波长为1971.96nm，对应H⁸¹Br分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，所述第四泵浦源的中心波长为2018.43nm，对应 H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁P(4)吸收线。

第一平凸透镜18、第一高反镜19、第二高反镜20和第二平凸透镜21构成用于将泵浦激光耦合至所述反共振空芯光纤的泵浦耦合装置。2μm波段半导体激光泵浦源系统中的第一4×1泵浦合束器17输出的泵浦激光依序经过第一平凸透镜18、第一高反镜19、第二高反镜20和第二平凸透镜21，通过先粗调再细调的方式调节泵浦耦合装置，使得经过第二平凸透镜21的泵浦激光以较高耦合效率耦合进反共振空芯光纤8的输入端。

所述反共振空芯光纤8的输入端和输出端分别密封在输入端密封气体腔23 和输出端密封气体腔27中。输入端密封气体腔23和输出端密封气体腔27上分别装有可以通光的输入窗口22和输出窗口28，输入端密封气体腔23和输出端密封气体腔27如采用可以通光的蓝宝石窗口。输入端密封气体腔23和输出端密封气体腔27均开设有进气接口，通过进气接口连接第一密封管道24，所述第一密封管道24上设有阀门，第一密封管道24连接有第一抽气装置25和第一充气装置26。输入端密封气体腔23和输出端密封气体腔27通过所述密封管道及阀门与所述第一抽气装置25和第一充气装置26连接，可以进行抽气/充气操作。进一步地，输入端密封气体腔23和输出端密封气体腔27通过所述密封管道及阀门还可以配置进行气压监测的监测组件。采用该方式连接填充工作气体的反共振空芯光纤8能在不拆除各部件连接的同时实现对工作气体的更换，同时实现对反共振空芯光纤8中气体的排空，提高工作效率，泵浦耦合装置通过输入端密封气体腔23上的输入窗口22与反共振空芯光纤8的输入端光连接，反共振空芯光纤8的输出端通过输出端密封气体腔27上的输出窗口与滤波准直装置光连接，4μm波段激光从所述准直滤波装置的出射端出射。

本实施例在反共振空芯光纤8填充用于通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的HBr气体，同时反共振空芯光纤8将2μm波段泵浦光约束其纤芯中，使得2μm波段泵浦光与HBr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，此外，采用HBr工作气体后，由于原子分子气体跃迁本身的特性，产生的激光线宽很窄，不需要额外降低线宽的技术，使得所得输出激光的线宽较窄，HBr 工作气体的损伤阈值相对于实芯玻璃光纤要高很多，损伤阈值高意味着可以承受更高的功率，实现高功率输出。

反共振空芯光纤8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和纤芯直径等参数控制，在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段均具有较低传输损耗(<0.15dB/m)。

本实施例中，HBr分子在自然界中存在H⁷⁹Br和H⁸¹Br两种同位素，其比例大致相当，分别为50.5％和49.5％，同位素相同能级之间失配约为50GHz。HBr 为双原子分子，仅有一种振动态，HBr分子在每个振动态上由于转动而引起了一系列转动态，不同波长的泵浦源可以把两种HBr分子同位素和不同下能级转动态的HBr分子利用起来，泵浦到同一上能级转动态，然后跃迁产生对应的4μm 波段激光，提高转换效率。具体来说，当HBr分子被R(i)吸收线泵浦，其从 v₀振动基态上J＝i的转动态跃迁到上能级v₂振动态上J＝i+1的转动态，当HBr分子被P(i+2)吸收线泵浦，其从v₀振动基态上J＝i+2的转动态同样跃迁到上能级v₂振动态上J＝i+1的转动态。然后根据跃迁选择定律ΔJ＝±1(ΔJ＝+1对应R支，ΔJ＝-1对应P支)，激发的上能级v₂振动态粒子跃迁到v₁振动态上J＝ i和J＝i+2的转动态，分别发射出R(i)和P(i+2)两条激光跃迁线。然后v₁振动态上粒子通过碰撞引起的振动驰豫(非辐射跃迁)跃迁回振动基态。本实施例中第三泵浦源13、第四泵浦源14、第五泵浦源15、第六泵浦源16和4×1 泵浦合束器17构成2μm波段半导体激光泵浦源系统。其中第三泵浦源13的中心波长为1971.67nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，能把H⁷⁹Br 分子v₀振动态上J＝2转动态泵浦到v₂振动态上J＝3转动态，第四泵浦源14的中心波长为2018.14nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁P(4)吸收线，能把H⁷⁹Br 分子v₀振动态上J＝4转动态泵浦到v₂振动态上J＝3转动态，第三泵浦源13和第四泵浦源14能把不同下能级的H⁷⁹Br分子泵浦到同一上能级，利用更多的H⁷⁹Br 分子数，第五泵浦源15的中心波长为1971.96nm，对应H⁸¹Br分子v₀→v₂跃迁 R(2)吸收线，能把H⁸¹Br分子v₀振动态上J＝2转动态泵浦到v₂振动态上J＝3 转动态，第六泵浦源16的中心波长为2018.43nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁 P(4)吸收线，能把H⁸¹Br分子v₀振动态上J＝4转动态泵浦到v₂振动态上J＝3 转动态，第五泵浦源15和第六泵浦源16能把不同下能级的H⁸¹Br分子泵浦到同一上能级，利用更多的H⁸¹Br分子数，采用四个泵浦源同时泵浦能够有效利用 HBr分子同位素和不同能级的分子数，有效提高转化效率。

本实施例中，滤波准直装置包括4μm波段带通滤波片29和第三平凸透镜30，反共振空芯光纤8的输出端依序与4μm波段带通滤波片29和第三平凸透镜30 光连接，2μm波段泵浦激光在反共振空芯光纤8的纤芯中与填充于其中的HBr 工作气体发生本征吸收跃迁作用，使得2μm波段泵浦激光的一部分转换为4μm 波段激光，一部分成为未参加转换的残余泵浦激光，二者一起通过4μm波段带通滤波片29将残余泵浦激光滤除，从4μm波段带通滤波片29出射的光即为4μm 波段激光，最后通过第三平凸透镜30输出。

本实施例通过2μm波段泵浦激光与填充于反共振空芯光纤中的HBr气体发生本征吸收跃迁，从而实现4μm波段激光输出，通过四个不同波长的泵浦源把 HBr分子两种同位素和不同下能级转动态的粒子数利用起来，提高了HBr分子的利用率。

实施例3：

如图3所示，本实施例的一种全光纤结构4μm波段光纤气体激光发生装置，包括第七泵浦源31、第八泵浦源32、第九泵浦源33、第十泵浦源34、第二4 ×1泵浦合束器35、用于防止反向传输的泵浦光返回所述泵浦源的第二隔离器 36、第二输入实芯光纤37、密封气体腔38、输入拉锥端头39、第二密封管道 40、第二抽气装置41、第二充气装置42以及输出光纤端帽43。

第七泵浦源31、第八泵浦源32、第九泵浦源33、第十泵浦源34和第二4×1 泵浦合束器35构成2μm波段半导体激光泵浦源系统。第七泵浦源31、第八泵浦源32、第九泵浦源33、第十泵浦源34分别连接第二4×1泵浦合束器35的四个输入端，4×1泵浦合束器17将四个泵浦源出射的泵浦激光耦合在一起后输出。所述第七泵浦源31、第八泵浦源32、第九泵浦源33、第十泵浦源34的中心波长选择原则是使得HBr分子不同同位素H⁷⁹Br和H⁸¹Br下能级通过P支和R支跃迁到同一上能级。比如，所述第第七泵浦源31的中心波长为1971.67nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，所述第八泵浦源32的中心波长为2018.14 nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁P(4)吸收线，所述第九泵浦源33的中心波长为1971.96nm，对应H⁸¹Br分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，所述第十泵浦源34 的中心波长为2018.43nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁P(4)吸收线。

所述2μm波段半导体激光泵浦源系统的输出端熔接第二输入实芯光纤37 的输入端，第二输入实芯光纤37上熔接有防止泵浦光返回所述泵浦源系统的第二隔离器36。所述第二输入实芯光纤37的输出端受热拉锥，促使输出端的纤芯和包层等比例减小，最后得到锥形形变的输入拉锥端头39。

所述反共振空芯光纤8的输入端密封在密封气体腔38中，第二输入实芯光纤37的输出端拉锥成输入拉锥端头39后密封伸入到密封气体腔38中，将输入拉锥端头39直接耦合进所述反共振空芯光纤8的输入端的纤芯区域，实现与反共振空芯光纤8其输入端的耦合连接。

所述密封气体腔38设有进气接口，通过进气接口连接第二密封管道40，所述第二密封管道40上设有阀门，密封气体腔38通过第二密封管道40以及第二密封管道40上的阀门连接有第二抽气装置41和第二充气装置42。通过第二抽气装置41和第二充气装置42以及对应的阀门，可以对密封气体腔38以及反共振空芯光纤8的空芯纤芯进行抽气/充气的操作。在具体应用中，本实施例中密封气体腔38通过第二密封管道40以及第二密封管道40上的阀门还可以配置进行气压监测的监测组件，采用该方式连接填充工作气体的反共振空芯光纤8能在不拆除各部件连接的同时实现对工作气体的更换，同时实现对反共振空芯光纤8中气体的排空，提高工作效率。

通过充气装置向所述反共振空芯光纤8内填充用于通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的HBr气体，所述反共振空芯光纤8的输出端熔接输出光纤端帽43，输出光纤端帽43输出4μm激光。其中所述输出光纤端帽43是由能透过中红外波段光的晶体制成，其能够透过产生的4μm波段激光，同时能够滤除残余的2μm波段泵浦光，使得最后输出的是4μm波段窄线宽的激光输出。进一步地，输出光纤端帽43也可以替换为输出实芯光纤，与第二输入实芯光纤37的输出端拉锥后在密封气体腔38中与反共振空芯光纤8的输入端耦合连接情况类似，所述反共振空芯光纤8的输出端密封在密封气体腔中，输出实芯光纤的输入端拉锥后在密封气体腔中与反共振空芯光纤8的输出端耦合连接。

实施例4

本实施例提供的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其结构与实施例1 的结构完全相同，如图1所示，包括第一泵浦源1、第二泵浦源2、2×1泵浦合束器3、第一隔离器4、第一输入实芯光纤5、输入布拉格光栅6、第一熔接点7、反共振空芯光纤8、第二熔接点9、输出实芯光纤10、反馈光栅11和输出布拉格光栅12。

与实施例1不同之处在于：其中各泵浦源采用2μm波段波长可调谐半导体激光泵浦源，为其波长可在1940nm到2100nm范围内小范围调谐。反共振空芯光纤8填充的工作气体由单一的HBr气体替换为同时含有HBr和CO₂的混合气体，所述HBr和CO₂气体在2μm波段有重合的吸收带。通过调谐泵浦源中心波长对准HBr和CO₂的不同吸收线，从而实现4μm波段激光输出。具体地，可以实现从3800nm到4450nm调谐范围实现达650nm大范围调谐中红外激光输出。

实施例5

本实施例提供的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其结构与实施例2 的结构完全相同，如图2所示，包括第三泵浦源13、第四泵浦源14、第五泵浦源15、第六泵浦源16、4×1泵浦合束器17、第一平凸透镜18、第一高反镜19、第二高反镜20、第二平凸透镜21、输入窗口22、输入端密封气体腔23、第一密封管道24、第一抽气装置25、第一充气装置26、反共振空芯光纤8、输出端密封气体腔27、输出窗口28、4μm波段带通滤波片29、第三平凸透镜30。

与实施例2不同之处在于：其中各泵浦源采用2μm波段波长可调谐半导体激光泵浦源，为其波长可在1940nm到2100nm范围内小范围调谐。反共振空芯光纤8填充的工作气体由单一的HBr气体替换为同时含有HBr和CO₂的混合气体，所述HBr和CO₂气体在2μm波段有重合的吸收带。通过调谐泵浦源中心波长对准HBr和CO₂的不同吸收线，从而实现4μm波段激光输出。具体地，可以实现从3800nm到4450nm调谐范围实现达650nm大范围调谐中红外激光输出。

实施例6

本实施例提供的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其结构与实施例2 的结构完全相同，如图3所示，包括第七泵浦源31、第八泵浦源32、第九泵浦源33、第十泵浦源34、第二4×1泵浦合束器35、用于防止反向传输的泵浦光返回所述泵浦源的第二隔离器36、第二输入实芯光纤37、密封气体腔38、输入拉锥端头39、第二密封管道40、第二抽气装置41、第二充气装置42以及输出光纤端帽43。

与实施例3不同之处在于：其中各泵浦源采用2μm波段波长可调谐半导体激光泵浦源，为其波长可在1940nm到2100nm范围内小范围调谐。反共振空芯光纤8填充的工作气体由单一的HBr气体替换为同时含有HBr和CO₂的混合气体，所述HBr和CO₂气体在2μm波段有重合的吸收带。通过调谐泵浦源中心波长对准HBr和CO₂的不同吸收线，从而实现4μm波段激光输出。具体地，可以实现从3800nm到4450nm调谐范围实现达650nm大范围调谐中红外激光输出。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (21)

1.4μm波段激光产生方法，其特征在于：通过2μm波段泵浦激光与填充于反共振空芯光纤中的工作气体发生本征吸收跃迁，从而实现4μm波段激光输出，其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO₂的混合气体。

2.4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，包括2μm波段半导体激光泵浦源系统、输入实芯光纤、反共振空芯光纤和输出装置，2μm波段半导体激光泵浦源系统输出的2μm波段泵浦光的传输路径上依次连接输入实芯光纤、反共振空芯光纤和输出装置，所述输出装置为输出实芯光纤，所述输入实芯光纤的两端分别与2μm波段半导体激光泵浦源系统的输出尾纤和反共振空芯光纤的输入端熔接，所述反共振空芯光纤的另一端与输出实芯光纤的输入端熔接，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的工作气体，所述输出装置输出中红外波段4μm激光，其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO₂的混合气体。

3.根据权利要求2所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述反共振空芯光纤在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段的传输损耗均小于0.15dB/m。

4.根据权利要求2所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，还包括用于防止反向传输的泵浦光返回2μm波段半导体激光泵浦源系统的隔离器，所述隔离器熔接在输入实芯光纤上。

5.根据权利要求4所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述输入实芯光纤上刻写有对中红外波段4μm激光形成高反射的输入布拉格光栅，所述输入布拉格光栅设置在隔离器之后的输入实芯光纤上，所述输入布拉格光栅峰值反射率均大于95％；

所述输出实芯光纤上依次刻写有对2μm波段泵浦光形成高反射的反馈光栅和对中红外波段4μm激光部分反射的输出布拉格光栅，所述反馈光栅对2μm波段泵浦光的反射率大于95％，所述输出布拉格光栅对中红外波段4μm激光的透射率为10％～90％。

6.根据权利要求2、3、4或5所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述2μm波段半导体激光泵浦源系统包括第一泵浦源、第二泵浦源和将2个泵浦源出射的泵浦激光耦合在一起的2×1泵浦合束器，所述第一泵浦源的中心波长为1971.67nm，对应HBr分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，所述第二泵浦源的中心波长为2018.14nm，对应HBr分子v₀→v₂跃迁P(4)吸收线。

7.4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，包括2μm波段半导体激光泵浦源系统、用于将泵浦激光耦合至所述反共振空芯光纤的泵浦耦合装置、反共振空芯光纤和输出装置；2μm波段半导体激光泵浦源系统输出的2μm波段泵浦光的传输路径上依次连接有泵浦耦合装置、反共振空芯光纤和输出装置，所述泵浦耦合装置将2μm波段泵浦光耦合至所述反共振空芯光纤中，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的工作气体，所述输出装置输出中红外波段4μm激光，其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO₂的混合气体。

8.根据权利要求7所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述反共振空芯光纤在2μm泵浦波段和产生的4μm激光波段的传输损耗均小于0.15dB/m。

9.根据权利要求7所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述反共振空芯光纤的输入端和输出端分别密封在输入端密封气体腔和输出端密封气体腔中，所述泵浦耦合装置将2μm波段泵浦光通过输入端密封气体腔耦合至所述反共振空芯光纤中，所述反共振空芯光纤中产生的中红外波段4μm激光通过输出端密封气体腔传输到输出装置。

10.根据权利要求9所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述输入端密封气体腔和输出端密封气体腔上分别设置有输入窗口和输出窗口，所述泵浦耦合装置将2μm波段泵浦光通过输入端密封气体腔上的输入窗口耦合至输入端密封气体腔内的反共振空芯光纤的输入端中，所述反共振空芯光纤中产生的中红外波段4μm激光通过输出端密封气体腔上的输出窗口出射到输出装置；所述输入端密封气体腔或/和输出端密封气体腔设有进气接口，通过进气接口连接密封管道，所述密封管道上设有阀门，密封管道连接有抽气装置和充气装置。

11.根据权利要求7、8、9或10所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述2μm波段半导体激光泵浦源系统包括第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源、第四泵浦源和将4个泵浦源输出的泵浦激光耦合在一起的4×1泵浦合束器，所述第一泵浦源的中心波长为1971.67nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，所述第二泵浦源的中心波长为2018.14nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁P(4)吸收线，所述第三泵浦源的中心波长为1971.96nm，对应H⁸¹Br分子v₀→v₂跃迁R(2)吸收线，所述第四泵浦源的中心波长为2018.43nm，对应H⁷⁹Br分子v₀→v₂跃迁P(4)吸收线。

12.根据权利要求11所述的4μm波段激光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次设置的第一平凸透镜、第一高反镜、第二高反镜和第二平凸透镜，所述第二平凸透镜与所述反共振空芯光纤的输入端光连接。

13.根据权利要求12所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，所述滤波准直装置包括依次设置的4μm波段带通滤波片和第三平凸透镜。

14.4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，包括2μm波段半导体激光泵浦源系统、输入实芯光纤、反共振空芯光纤以及输出装置，2μm波段半导体激光泵浦源系统的输出端连接输入实芯光纤的输入端，输入实芯光纤的输出端拉锥耦合进反共振空芯光纤的输入端，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过本征吸收2μm波段泵浦光然后跃迁产生4μm激光的工作气体，所述反共振空芯光纤的输出端连接输出装置，输出装置输出中红外波段4μm激光，其中所述工作气体为HBr，或者所述工作气体是HBr和CO₂的混合气体。

15.根据权利要求14所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于，2μm波段半导体激光泵浦源系统包括第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源、第四泵浦源和将4个泵浦源输出的泵浦激光耦合在一起的4×1泵浦合束器；所述第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源和第四泵浦源的中心波长选择原则是使得HBr分子不同同位素H⁷⁹Br和H⁸¹Br下能级通过P支和R支跃迁到同一上能级，选择对应的是H⁷⁹Br和H⁸¹Br同位素分子分别的P(i)吸收线和R(i-2)吸收线，P(i)吸收线泵浦使v₀振动基态上J＝i的转动态跃迁到上能级v₂振动态上J＝i-1的转动态，R(i-2)吸收线泵浦使v₀振动基态上J＝i-2的转动态跃迁到上能级v₂振动态上J＝i-1的转动态。

16.根据权利要求14所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于：所述反共振空芯光纤的输入端密封在密封气体腔中，输入实芯光纤的输出端拉锥后在密封气体腔中与反共振空芯光纤的输入端耦合连接。

17.根据权利要求16所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于：所述密封气体腔设有进气接口，通过进气接口连接密封管道，所述密封管道上设有阀门，密封管道连接有抽气装置和充气装置。

18.根据权利要求17所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于：所述密封气体腔通过密封管道以及密封管道上的阀门连接有气压监测的监测组件。

19.根据权利要求14至18中任一权利要求所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于：所述输入实芯光纤上熔接有防止泵浦光返回所述泵浦源的隔离器。

20.根据权利要求14所述的全光纤结构4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于：所述输出装置为输出光纤端帽，所述输出光纤端帽是由能透过中红外波段光的晶体制成，反共振空芯光纤与输出光纤端帽熔接。

21.根据权利要求14所述的4μm波段激光光纤气体激光发生装置，其特征在于：所述输出装置为输出实芯光纤，所述反共振空芯光纤的输出端密封在输出端密封气体腔中，输出实芯光纤的输入端拉锥后在输出端密封气体腔中与反共振空芯光纤的输出端耦合连接。

Images