CN112186493A - 一种基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸气蓝光激光器 - Google Patents

一种基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸气蓝光激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸气蓝光激光器，包括铷蒸气池、平凸透镜、空芯光子晶体光纤以及用于将光纤固定在铷蒸气池中的聚四氟乙烯环；金属铷以固体形式置于所述铷蒸气池中，并对铷池做密封及抽真空处理后加热至60‑200℃，由泵浦源出射的泵浦光通过平凸透镜后被聚焦于空芯光子晶体光纤中并与光纤中的铷蒸气相互作用形成蓝光，经多次反射后形成较强的蓝光激光输出。与已有双光子泵浦碱金属蓝光“四波混频”激光器相比，本发明在铷池内部增加了起谐振腔作用的空芯光子晶体光纤、铷池中不需添加烷烃或惰性气体等缓冲气体，装置内部光路免调节，整体装置体积小、重量轻、紧凑性好，便于小型化及集成化应用。

Description

一种基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸气蓝光激 光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸气蓝光激光器。
技术背景
二极管泵浦碱金属蒸气激光器(Diode Pumped Alkali vapor of Laser，DPAL)综合了传统气体激光器介质流动散热和固体激光采用高功率的二极管激光器阵列作为泵浦源的优势，结构紧凑、量子效率高、介质可循环使用，这些优点使DPAL成为有潜力实现高功率输出的激光系统。而基于DPAL理论及实验发展起来的双光子泵浦碱金属蓝光蒸气激光器(Diode Pumped Alkali vapor ofBlue Laser，DPABL)在水下通信、海洋资源探测、高密度光存储、激光制冷、激光生物医学等方面同样有着广泛的应用。
传统的DPABL通常采用“四波混频(Four-wave mixing,FWM)”方式实现蓝光输出，具体的原理及实验装置图如图2所示。在石英或K9材料制作的Rb蒸气池中加入一定量的Rb原子后对蒸气池做密封及抽真空处理，后将铷池加热至60-200℃；波长为778nm的泵浦光垂直于端面入射到热Rb池中，在满足相位匹配的情况下根据“四波混频”原理发生参量上转换，形成420nm的蓝光四波混频光输出，蓝光转化率目前最高～5％。
发明内容
本发明提供了一种新型双光子泵浦碱金属蓝光激光器的设计思路，在铷蒸气池内部增加了起谐振腔作用的空芯光子晶体光纤，进一步提升420nm蓝光转化率。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸气蓝光激光器，沿着激光入射的方向，依次包括泵浦源、平凸透镜、铷蒸气池；所述平凸透镜固定于所述铷蒸气池一端并且凸面朝向泵浦源、所述铷蒸气池内部固定有空芯光子晶体光纤。
基于以上技术方案，优选的，所述空芯光子晶体光纤通过聚四氟乙烯环固定于所述铷蒸气池内部，不使用外部谐振腔镜，所述铷蒸气蓝光激光器中不需要添加烷烃或惰性气体等缓冲气体。基于以上技术方案，优选的，所述泵浦源的线宽小于0.3cm-1，优选为0.25cm-1。
基于以上技术方案，优选的，所述泵浦源为半导体激光器或染料激光器。
基于以上技术方案，优选的，所述空芯光子晶体光纤仅可以使778nm和420nm两种波长的光经多次反射后得到放大。
基于以上技术方案，优选的，所述空芯光子晶体光纤的零色散点位于420nm处。
基于以上技术方案，优选的，所述空芯光子晶体光纤的涂覆层材料可以采用耐热硅胶涂层或金属涂层等高温耐热、且不与铷蒸气发生反应的涂层材料。
基于以上技术方案，优选的，所述铷蒸气池采用石英或K9玻璃制作。
基于以上技术方案，优选的，所述泵浦源的激光输出波长为778nm。
基于以上技术方案，优选的，所述铷蒸气池为密闭结构，真空度为0.1-10Kpa，优选为6Kpa。
更进一步地，所述平凸透镜固定于所述铷蒸气池一端，用于将泵浦光在穿过所述平凸透镜后聚焦射入所述铷蒸气池内部的空芯光子晶体光纤中，所述铷蒸汽蓝光激光器中不使用外部腔镜、且不需要添加烷烃或惰性气体等缓冲气体。
金属铷以固体形式置于所述铷蒸气池中，并对所述铷蒸气池做密封及抽真空处理，后将所述铷蒸气池加热到60-200℃，由泵浦源出射的泵浦光通过平凸透镜后被聚焦于所述铷蒸气池内部的空芯光子晶体光纤中并与光纤中的铷蒸气相互作用，形成蓝光，经多次反射后形成较强的蓝光激光并与剩余泵浦光同时输出。如图1所示，处于基态n1的Rb原子通过吸收两个778nm的光子，到达了激发态n3，在n3上的粒子数积累达到一定程度后，形成n3→n4的5.23μmASE，并通过这一ASE过程将大量铷蒸气粒子从n3转移到n4能态，大量处于n4能态的铷蒸气粒子通过受激辐射产生n4→n1的420nm蓝光激光，经过在空心光子晶体光纤内多次反射并不断增益放大后形成较强的蓝光激光输出。
有益效果
(1)与已有双光子泵浦碱金属蓝光激光器相比，本发明所用原理不同，已有技术手段多采用“四波混频”原理实现蓝光输出，本发明采用在铷蒸气池中加入空芯光子晶体光纤的形式增加了增益介质的长度并形成了蓝光激光输出。
(2)与已有其他种类的同类型蓝光激光器相比，本发明不含外部谐振腔、铷蒸气池中不需要添加烷烃或惰性气体等缓冲气体，装置内部光路免调节，可用于某些极端及特殊环境中快速搭建有效激光体系；整体装置体积小、重量轻、紧凑性好，便于小型化及集成化应用。
(3)本发明在Rb蒸气池内部采用了起谐振腔作用的空芯光子晶体光纤，经过空芯光子晶体光纤耦合后的输出光束为近圆形光斑，场分布较为均匀、形成的蓝光激光光强较强，因而经过空芯光子晶体光纤形成的蓝光激光具有较好的光束质量及较高的转化率。本发明的激光器可用于激光通信、精密测量及精确制导等领域。
(4)本发明中蓝光激光器输出的420nm蓝色激光，相比现有双光子泵浦碱金属“四波混频”蓝光技术中输出的420nm蓝色光，传输距离更远、发散角更小、具有更高的亮度、更好的方向性及更好的光束质量。
附图说明
图1为双光子泵浦铷蒸气产生蓝光激光的相关能级示意图；
图2为利用“四波混频”原理产生蓝光的传统双光子泵浦碱金属，(a)能级图、(b)装置原理图；其中，1：半导体激光器(Laser Diode,LD)、2：入射泵浦光、3：铷蒸气池、4：固体Rb、5：出射蓝光及剩余泵浦光。
图3为本发明基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸气蓝光激光器结构示意图；(a)为整体结构示意图；(b)为局部放大图；其中，6：半导体激光器(LD)、7：入射泵浦光、8：平凸透镜、9：铷蒸气池、10：空芯光子晶体光纤、11：聚四氟乙烯环、12：出射蓝光及剩余泵浦光。
具体实施方式
为了使本发明的目的、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以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明使用的空芯光子晶体光纤可以采用江阴韵翔光电技术有限公司或西安唯苑电讯设备有限公司代理的多种品牌7芯或19芯定制空芯光子晶体光纤，定制方案见权利要求。
本发明克服了传统采用“四波混频”原理进行的双光子泵浦碱金属蓝光激光器中生成的蓝光转化率普遍偏低的问题，提供了一种基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸气蓝光激光器的设计。图3示出了本发明实施例提供的基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸气蓝光激光器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸气蓝光激光器，包括泵浦源6(本发明的泵浦源6为半导体激光器)、铷蒸气池9、固定于所述铷蒸气池一端的平凸透镜8、放置于所述铷蒸气池内部的空芯光子晶体光纤10及其固定用聚四氟乙烯环11；金属铷以固体形式置于所述铷蒸气池中，并对铷蒸气池做密封及抽真空处理，后将所述铷蒸气池9整体加热到100-150℃，由泵浦源6出射的泵浦光通过平凸透镜8后被聚焦于所述铷蒸气池9内部的空芯光子晶体光纤10中并与光纤中的铷蒸气相互作用，如图1所示，处于基态n1的Rb原子通过吸收两个778nm的光子，到达了激发态n3，在n3上的粒子数积累达到一定程度后，形成n3→n4的5.23μmASE，并通过这一ASE过程将大量铷蒸气粒子从n3转移到n4能态，大量处于n4能态的铷蒸气粒子通过受激辐射产生n4→n1的420nm蓝光激光，经过在空心光子晶体光纤内多次反射并不断增益放大后形成较强的蓝光激光输出。
具体地，泵浦源6采用经过线宽压窄后的单个半导体激光器(LD)或LD阵列，连续输出功率为5mW～20mW可调，激光输出波长为778nm；线宽为0.25cm-1；铷蒸气池9为采用石英或K9制作的长20cm、直径2cm的空心圆柱体，空芯光子晶体光纤10位于铷蒸气池9内部并用聚四氟乙烯环11将之固定，铷蒸气池9中同时还装有2g铷，对整个铷蒸气池9做密封及抽真空处理；透镜8可采用f＝50mm、100mm、150mm三种不同规格并将之固定于铷蒸气池一端；整体装置的加热温度控制在100-150℃之间；空芯光子晶体光纤10可采用“直接接入”与“环状接入”两种方式固定于铷蒸气池9中。
下面通过18个具体的实施例对本发明作进一步说明：
实施例1-9
实施例1～9提供的基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸汽蓝光激光器的核心参数，采用石英材料铷蒸气池、直线型空芯光子晶体光纤时，所述基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸汽蓝光激光器的核心参数，如表1所示：
表1
Figure BDA0002119164660000041
实施例10-18
实施例10～18提供的基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸汽蓝光激光器的核心参数，采用K9材料铷蒸气池、环状空芯光子晶体光纤时，所述基于空芯光子晶体光纤的新型双光子泵浦铷蒸汽蓝光激光器的核心参数如表2所示：
表2
Figure BDA0002119164660000042
本发明采用的工作原理与已有双光子泵浦铷蒸气蓝光激光器所用原理不同，已有技术手段多采用“四波混频”原理实现蓝光输出，本发明采用在铷池中加入空芯光子晶体光纤的形式增加了增益介质的长度并形成了蓝光激光输出。同时，与已有其他种类的同类型蓝光激光器相比，本发明不含外部谐振腔、铷蒸气池中不需要添加烷烃或惰性气体等缓冲气体，装置内部光路免调节；整体装置体积小、重量轻、紧凑性好；经过空芯光子晶体光纤形成的蓝光具有较好的光束质量及较高的转化率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种泵浦铷蒸气蓝光激光器，其特征在于，包括泵浦源和沿着泵浦源激光输出方向依次设置的平凸透镜、铷蒸气池；所述平凸透镜固定于所述铷蒸气池一端，且所述平凸透镜的凸面面向半导体激光器；所述铷蒸气池中固定有空芯光子晶体光纤；
金属铷以固体形式置于所述铷蒸气池中，并对铷蒸气池做密封及抽真空处理，工作时将所述铷蒸气池加热到60-200℃，由泵浦源出射的泵浦光通过平凸透镜后被聚焦于所述铷蒸气池内部的空芯光子晶体光纤中，并与光纤中的铷蒸气相互作用形成蓝光，经多次反射后形成较强的蓝光激光并与剩余泵浦光同时输出。
2.如权利要求1所述的泵浦铷蒸气蓝光激光器，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤通过聚四氟乙烯环固定于所述铷蒸气池中。
3.根据权利要求1所述的泵浦铷蒸气蓝光激光器，其特征在于，所述泵浦源的线宽小于0.3cm-1。
4.如权利要求1所述的泵浦铷蒸气蓝光激光器，其特征在于，所述泵浦源为染料激光器或半导体激光器。
5.如权利要求1所述的泵浦铷蒸气蓝光激光器，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤仅可以使778nm和420nm两种波长的光经多次反射后得到放大。
6.如权利要求1所述的泵浦铷蒸气蓝光激光器，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤的零色散点位于420nm处。
7.如权利要求1所述的泵浦铷蒸气蓝光激光器，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤的涂覆层材料为耐热硅胶涂层或金属涂层。
8.如权利要求1所述的泵浦铷蒸气蓝光激光器，其特征在于，所述铷蒸气池采用石英或K9玻璃制作。
9.如权利要求1所述的泵浦铷蒸气蓝光激光器，其特征在于，所述泵浦源的激光输出波长为778nm。
10.如权利要求1所述的泵浦铷蒸气蓝光激光器，其特征在于，所述铷蒸气池为密闭结构，真空度为0.1-10Kpa。
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