CN212626508U - 全光纤结构3μm光纤气体激光器 - Google Patents

Abstract

全光纤结构3μm光纤气体激光器，1.5μm波段波长可调谐半导体激光泵浦源输出1.5μm波段泵浦激光，通过1.5μm波段泵浦激光与填充于反共振空芯光纤中的C₂H₂气体发生本征吸收跃迁，从而实现3μm波段激光输出。1.5μm波段波长可调谐半导体激光泵浦源输出的中心波长调谐范围为1525nm到1565nm，能够覆盖大部分C₂H₂气体P支吸收线，通过精确调节泵浦源波长到不同的C₂H₂气体P支吸收线，可以对应产生3μm波段不同波长的激光输出。进一步地，同时使用双波长泵浦可以把C₂H₂分子振动基态上不同转动态泵浦到上能级的同一转动态，利用更多的分子数，提高泵浦效率。

Description

全光纤结构3μm光纤气体激光器

技术领域

本实用新型涉及激光发生设备技术领域，具体涉及一种全光纤结构3μm光纤气体激光器。

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)。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。

气体激光器是实现中红外输出的另一条有效途径，产生的波段可以通过气体的选择从近红外到中红外，气体可以通过循环便于散热，损伤阈值高，能够产生高功率的输出，但是，气体激光器一般体积庞大笨重，作用距离短。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，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，但是目前该种激光器的泵浦光通常是通过空间光学元件耦合进空芯光纤，容易受到外界环境的干扰，导致系统不稳定。

实用新型内容

为了解决现有技术中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，本实用新型提出了一种全光纤结构3μm光纤气体激光器，其是一种结构紧凑、性能稳定、窄线宽、可调谐、高转化效率、光束质量好的全光纤结构中红外气体激光器。

为实现上述技术目的，本实用新型采用的具体技术方案如下：

本实用新型提供的技术方案一：一种3μm波段激光产生方法，通过1.5μm 波段泵浦激光与填充于反共振空芯光纤中的C₂H₂气体发生本征吸收跃迁，从而实现3μm波段激光输出。

本实用新型提供的技术方案二：全光纤结构3μm光纤气体激光器，包括泵浦源、输入实芯光纤、反共振空芯光纤以及输出装置，泵浦源为1.5μm波段波长可调谐半导体激光泵浦源，泵浦源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1.5μm波段泵浦光然后跃迁产生3μm激光的 C₂H₂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3μm激光。

优选地，本实用新型技术方案二中的1.5μm波段波长可调谐半导体激光泵浦源输出的中心波长调谐范围为1525nm到1565nm，能够覆盖大部分C₂H₂气体P支吸收线，通过精确调节泵浦源波长到不同的C₂H₂气体P支吸收线，可以对应产生3μm波段不同波长的激光输出。

优选地，本实用新型技术方案二中的所述反共振空芯光纤的输入端密封在输入端密封气体腔中，输入实芯光纤的输出端拉锥后在输入端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，本实用新型技术方案二中的所述输入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。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，所述输入端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，实现对输入端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，本实用新型技术方案二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，本实用新型技术方案二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，本实用新型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，本实用新型技术方案二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。

本实用新型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。当C₂H₂气体吸收了1.5μm波段泵浦光，基态的C₂H₂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3μm波段的谱线，通过精确调节泵浦源波长到不同的C₂H₂气体吸收线，可以实现3μm波段的波长调谐输出。由于C₂H₂气体分子的吸收线宽非常窄(几百MHz量级)，为了C₂H₂分子能够充分吸收泵浦光，因此泵浦源的线宽要求比C₂H₂气体分子的吸收线宽更窄。此外，采用输入实芯光纤在输入端密封气体腔中直接拉锥耦合进反共振空芯光纤，同时反共振空芯光纤输出端直接熔接光纤端帽的方式或者与输出实芯光纤的输入端在输出端密封气体腔中中通过拉锥耦合的方式连接，可以有效实现全光纤结构，避免外界环境干扰，系统更加稳定。

本实用新型提供的技术方案三：一种全光纤结构3μm光纤气体激光器，具体地是一种双波长泵浦的3μm波段激光光纤气体激光振荡器，包括1.5μm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实芯光纤，所述1.5μm波段半导体激光泵浦源系统包括第二泵浦源、第三泵浦源和将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，第二泵浦源、第三泵浦源均属于1.5μm波段半导体激光泵浦源且两者的输出波长不同，1.5μm波段半导体激光泵浦源系统输出的1.5μm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实芯光纤，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过本征吸收1.5μm波段泵浦光然后跃迁产生3μm激光的C₂H₂气体，所述输出实芯光纤输出中红外波段3μm激光。具体地，所述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，所述输出实芯光纤的输入端拉锥耦合进反共振空芯光纤的输出端。进一步地，所述第二泵浦源和第三泵浦源的输出中心波长选择原则是使得C₂H₂分子不同下能级通过P支和R支跃迁到同一上能级。

实用新型优选地，本实用新型技术方案三中的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，输入实芯光纤的输出端拉锥后在输入端密封气体腔中与反共振空芯光纤的输入端耦合连接。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。所述的输入/输出实芯光纤的端头受热拉锥，促使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纤芯区域，实现与反共振空芯光纤端头的耦合连接。进一步地，输入端密封气体腔或者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。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，本实用新型技术方案三中所述反共振空芯光纤在1.5μm泵浦波段和产生的3μm激光波段均具有较低传输损耗，具体地反共振空芯光纤在1.5μm 泵浦波段和产生的3μm激光波段的传输损耗均小于0.15dB/m。

优选地，本实用新型技术方案三中的3μm波段激光光纤气体激光振荡器中还包括用于防止反向传输的泵浦光返回1.5μm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，本实用新型技术方案三中的3μm波段激光光纤气体激光振荡器中的所述输入实芯光纤上刻写有对中红外波段3μm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1.5μm波段泵浦光形成高反射的反馈光栅和对中红外波段3μm激光部分反射的输出布拉格光栅，所述反馈光栅对1.5μm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3μm激光的透射率为10％～90％。

优选地，本实用新型技术方案三中的3μm波段激光光纤气体激光振荡器中的所述1.5μm波段半导体激光泵浦源系统包括第二泵浦源、第三泵浦源和将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，所述第二泵浦源和第三泵浦源能把不同下能级的C₂H₂分子泵浦到同一上能级，把更多的C₂H₂分子数利用起来。

本实用新型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。不同波长的泵浦源可以把不同下能级转动态的C₂H₂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3μm波段激光，提高转换效率。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型是一种全光纤结构3μm光纤气体激光器，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；

2、本实用新型的泵浦源为1.5μm波段可调谐半导体激光泵浦源，同时利用了泵浦源波长精确调谐到不同C₂H₂分子的吸收线，可以对应实现3μm波段的波长调谐输出。另外本实用新型提供了通过双波长泵浦的3μm波段激光光纤气体激光振荡器，可以把不同下能级转动态的C₂H₂分子利用起来，提高C₂H₂分子利用率；

3、本实用新型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；

4、本实用新型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实用新型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实用新型的一些实施例，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；

图中标号：

1、第一泵浦源；2、第一输入实芯光纤；3、第一隔离器；4、拉锥端头； 5、密封气体腔；6、第一密封管道；7、第一抽气装置；8、第一充气装置； 9、反共振空芯光纤；10、输出光纤端帽；11、第二泵浦源；12、第三泵浦源； 13、2×1泵浦合束器；14、第二输入实芯光纤；15、第二隔离器；16、输入布拉格光栅；17、输入端密封气体腔；18、输入拉锥端头；19、第二密封管道； 20、第二抽气装置；21、第二充气装置；22、输出端密封气体腔；23、输出拉锥端头；24、输出实芯光纤；25、反馈光栅；26、输出布拉格光栅。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1：

参照图1，本实施例提供一种全光纤结构3μm光纤气体激光器，包括第一泵浦源1、第一输入实芯光纤2、第一隔离器3、密封气体腔5、反共振空芯光纤9以及输出光纤端帽10。

第一泵浦源1为1.5μm波段波长可调谐半导体激光泵浦源，第一泵浦源1 的输出端熔接第一输入实芯光纤2的输入端，第一输入实芯光纤2上熔接有防止泵浦光返回所述泵浦源的第一隔离器3。所述第一输入实芯光纤2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4。

所述反共振空芯光纤9的输入端密封在密封气体腔5中，第一输入实芯光纤 2的输出端拉锥成拉锥端头4后密封伸入到密封气体腔5中，将拉锥端头4直接耦合进所述反共振空芯光纤9的输入端的纤芯区域，实现与反共振空芯光纤9 其输入端的耦合连接。

所述密封气体腔5设有进气接口，通过进气接口连接第一密封管道6，所述密封管道6上设有阀门，密封气体腔5通过第一密封管道6以及第一密封管道6 上的阀门连接有第一抽气装置7和第一充气装置8。通过第一抽气装置7和第一充气装置8以及对应的阀门，可以对密封气体腔5以及反共振空芯光纤9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5通过第一密封管道6以及第一密封管道6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9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9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9内填充用于通过本征吸收1.5μm波段泵浦光然后跃迁产生3μm激光的C₂H₂气体，所述反共振空芯光纤9的输出端熔接输出光纤端帽10，输出光纤端帽10输出3μm激光。其中所述输出光纤端帽10是由能透过中红外波段光的晶体制成，其能够透过产生的3μm波段激光，同时能够滤除残余的1.5μm波段泵浦光，使得最后输出的是3μm波段可调谐的、窄线宽的激光输出。作为本实施例的另一种实现方式，其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9的输入端和输出端分别密封在两个密封气体腔中，输出实芯光纤的输入端拉锥后在对应的密封气体腔中与反共振空芯光纤的输出端耦合连接，输出实芯光纤的输出端实现3μm波段可调谐的、窄线宽的激光的输出。

所述1.5μm波段波长可调谐半导体激光泵浦源输出的中心波长调谐范围为1525nm到1565nm，能够覆盖大部分C₂H₂气体P支吸收线，通过精确调节泵浦源波长到不同的C₂H₂气体P支吸收线，可以对应产生3μm波段不同波长的激光输出。

本实施例增益介质是C₂H₂气体，且工作气压为低压，量级在千分之一大气压，首先利用抽气装置对反共振空芯光纤9的纤芯进行抽气操作，使反共振空芯光纤9处于接近于真空的状态，然后利用充气装置填充不同气压的C₂H₂气体进反共振空芯光纤9，所以反共振空芯光纤9在输入端通过密封气体腔以及其外接的气路管道系统进行密封，可以进行抽气/充气的操作，反共振空芯光纤9在输出端通过与输出光纤端帽10熔接进行密封，这样反共振空芯光纤9输入端和输出端有效地被密封，并通过抽气/充气装置填充任意所需气压的增益介质C₂H₂气体。

反共振空芯光纤9中填充的用于通过本征吸收1.5μm波段泵浦光然后跃迁产生3μm激光的C₂H₂气体，当C₂H₂分子被P(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v₁+v₃振动态上J＝i-1的转动态。由于玻尔兹曼分布，在常温下除了v＝0的振动基态，其他振动态上的粒子数几乎为0。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v₁+v₃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P(i)和R (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；

本实施例中反共振空芯光纤9采用的负曲率反共振空芯光纤，其在1.5μm 泵浦波段和产生的3μm激光波段的传输损耗均小于0.15dB/m。相较于传统的气体腔，反共振空芯光纤9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。

拉锥是一种重要的光纤后处理技术，可改变光纤的形状和光学性能，并在各种光纤器件和光纤应用的发展中起着重要作用，光纤拉锥后处理技术通常分为正拉锥和反拉锥，正拉锥主要利用组成实芯光纤的二氧化硅材料在受热过程中熔融变软，然后将光纤向两边拉伸，促使普通实芯光纤纤芯和包层等比例减小，最后得到锥形形变的拉锥实芯光纤，拉锥后的实芯光纤主要可分为3个部分：标准光纤(即未拉锥区域)、锥形过渡区域和锥腰区域，本实用新型就是采用正拉锥的方式对1.5μm波段可调谐半导体激光泵浦源1后熔接的输入实芯光纤2进行处理。

本实施例中，1.5μm波段波长可调谐半导体激光第一泵浦源1输出的中心波长调谐范围从1525nm到1565nm，能够覆盖大部分C₂H₂气体P支吸收线，通过精确调节泵浦源波长到不同的C₂H₂气体P支吸收线，可以对应产生3μm 波段不同波长的激光输出。

实施例2：

如图2所示，本实施例提供一种全光纤结构3μm光纤气体激光器，具体地是一种双波长泵浦的3μm波段激光光纤气体激光振荡器，包括第二泵浦源11、第三泵浦源12、2×1泵浦合束器13、第二输入实芯光纤14、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15、输入布拉格光栅16、输入拉锥端头18、反共振空芯光纤9、输出拉锥端头23、输出实芯光纤24、反馈光栅25 和输出布拉格光栅26。

第二泵浦源11、第三泵浦源12和2×1泵浦合束器13构成了1.5μm波段半导体激光泵浦源系统。所述第二泵浦源和第三泵浦源的输出中心波长选择原则是使得C₂H₂分子不同下能级通过P支和R支跃迁到同一上能级。

第二泵浦源11、第三泵浦源12分别连接2×1泵浦合束器13的两个输入端， 2×1泵浦合束器13将两个泵浦源出射的泵浦激光耦合在一起后输出。所述第二泵浦源的中心波长选择为C₂H₂分子P(i)吸收线，所述第三泵浦源的中心波长选择为C₂H₂分子R(i-2)吸收线，可以把不同下能级转动态的C₂H₂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3μm波段激光，提高转换效率。具体来说，当C₂H₂分子被P(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v₁+v₃振动态上J＝i-1的转动态，当C₂H₂分子被R(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v₁+v₃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v₁+v₃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P(i)和R(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。

所述1.5μm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第二输入实芯光纤14、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15、输入布拉格光栅16、输入拉锥端头18、反共振空芯光纤9、输出拉锥端头23、输出实芯光纤24、反馈光栅25和输出布拉格光栅26。所述第二输入实芯光纤14的输入端与2×1泵浦合束器13的输出尾纤熔接。所述第二隔离器 15熔接在第二输入实芯光纤14上。输入布拉格光栅16刻写在用于防止反向传输的泵浦光返回1.5μm波段半导体激光泵浦源系统的第二隔离器15和反共振空芯光纤9之间的第二输入实芯光纤14上，所述输入布拉格光栅峰值反射率均大于95％。第二输入实芯光纤14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18，所述反共振空芯光纤9的输入端密封在输入端密封气体腔17中，第二输入实芯光纤14的输出端拉锥成输入拉锥端头18后密封伸入到输入端密封气体腔17中，将输入拉锥端头18直接耦合进所述反共振空芯光纤9的输入端的纤芯区域，实现与反共振空芯光纤9 其输入端的耦合连接。

所述输出实芯光纤24的输入端受热拉锥，促使输入端的纤芯和包层等比例减小，最后得到锥形形变的输出拉锥端头23，所述反共振空芯光纤9的输出端密封在输出端密封气体腔22中，输出实芯光纤24的输入端拉锥成输出拉锥端头23后密封伸入到输出端密封气体腔22中，将输出拉锥端头23直接耦合进所述反共振空芯光纤9的输入端的纤芯区域，实现与反共振空芯光纤9其输出端的耦合连接。

所述输入端密封气体腔17设有进气接口，通过进气接口连接第二密封管道 19，所述第二密封管道19上设有阀门，输入端密封气体腔17通过第二密封管道19以及第二密封管道19上的阀门连接有第二抽气装置20和第二充气装置21。通过第二抽气装置20和第二充气装置21以及对应的阀门，可以对输入端密封气体腔17以及反共振空芯光纤9的空芯纤芯进行抽气/充气的操作。在具体应用中，本实施例中输入端密封气体腔17通过第二密封管道19以及第二密封管道 19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9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9中气体的排空，提高工作效率，需要指出的是，输出端密封气体腔22未设有进气接口，C₂H₂气体仅通过输入端密封气体腔17 进行抽气/充气的操作，有利于整体系统的小型紧凑化。

所述输出实芯光纤24上依次刻写有对1.5μm波段泵浦光形成高反射的反馈光栅25和对中红外波段3μm激光部分反射的输出布拉格光栅26，所述反馈光栅25对1.5μm波段泵浦光的反射率大于95％，所述输出布拉格光栅26对3μm 中红外波段的透射率为10％～90％。

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C₂H₂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1.5μm波段的第二泵浦源11和第三泵浦源12输出的泵浦激光通过2×1泵浦合束器进入第二输入实芯光纤14，再经过输入布拉格光栅16，输入拉锥端头18，进入充有C₂H₂工作气体的反共振空芯光纤9中，泵浦光在纤芯中与C₂H₂气体相互作用发生本征吸收跃迁产生3μm中红外波段激光。经输出拉锥端头23进入输出实芯光纤24，在输出实芯光纤24上刻写的反馈光栅25会反射回残余的泵浦光进反共振空芯光纤9进一步利用，以降低泵浦阈值，产生的3μm中红外波段激光在输出实芯光纤24上刻写的输出布拉格光栅 26和输入布拉格光栅16的多次反射作用下形成谐振，并将一部分产生的3μm 中红外波段激光耦合输出。

本实施例通过实芯光纤与反共振空芯光纤拉锥耦合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3μm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。通过两个不同波长的泵浦源把不同下能级转动态的C₂H₂分子数利用起来，提高了C₂H₂分子的利用率。

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

Claims (17)

1.全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：包括泵浦源、输入实芯光纤、反共振空芯光纤以及输出装置，泵浦源为1.5μm波段波长可调谐半导体激光泵浦源，泵浦源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1.5μm波段泵浦光然后跃迁产生3μm激光的C₂H₂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3μm激光。

2.根据权利要求1所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：所述1.5μm波段波长可调谐半导体激光泵浦源输出的中心波长调谐范围为1525nm到1565nm。

3.根据权利要求1所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：所述反共振空芯光纤的输入端密封在输入端密封气体腔中，输入实芯光纤的输出端拉锥后在输入端密封气体腔中与反共振空芯光纤的输入端耦合连接。

4.根据权利要求3所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：所述输入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。

5.根据权利要求4所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：所述输入端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。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，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。

7.根据权利要求6所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：所述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。

8.根据权利要求7所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：所述输出光纤端帽是由能透过中红外波段光的晶体制成。

9.根据权利要求6所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，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。

10.根据权利要求6所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：所述反共振空芯光纤在1.5μm泵浦波段和产生的3μm激光波段的传输损耗均小于0.15dB/m；所述反共振空芯光纤采用负曲率反共振空芯光纤。

11.全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：包括1.5μm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实芯光纤；所述1.5μm波段半导体激光泵浦源系统包括第二泵浦源、第三泵浦源和将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；第二泵浦源、第三泵浦源均属于1.5μm波段半导体激光泵浦源且两者的输出波长不同，1.5μm波段半导体激光泵浦源系统输出的1.5μm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实芯光纤，所述反共振空芯光纤内填充有用于通过本征吸收1.5μm波段泵浦光然后跃迁产生3μm激光的C₂H₂气体，所述输出实芯光纤输出中红外波段3μm激光。

12.根据权利要求11所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，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，输入实芯光纤的输出端拉锥后在输入端密封气体腔中与反共振空芯光纤的输入端耦合连接，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。

13.根据权利要求12所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：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。

14.根据权利要求13所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：所述输入端密封气体腔或/和输出端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。

15.根据权利要求11所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：所述反共振空芯光纤在1.5μm泵浦波段和产生的3μm激光波段的传输损耗均小于0.15dB/m；所述反共振空芯光纤采用负曲率反共振空芯光纤。

16.根据权利要求11至15中任一项权利要求所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于：还包括用于防止反向传输的泵浦光返回1.5μm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。

17.根据权利要求16所述的全光纤结构3μm光纤气体激光器，其特征在于，所述输入实芯光纤上刻写有对中红外波段3μm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1.5μm波段泵浦光形成高反射的反馈光栅和对中红外波段3μm激光部分反射的输出布拉格光栅，所述反馈光栅对1.5μm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3μm激光的透射率为10％～90％。

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