全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器的製作方法

2023-07-29 20:06:22

本發明涉及雷射發生設備技術領域，具體涉及一種全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器。

背景技術：

中紅外波段位於大氣窗口，在遙感探測、雷射雷達、通信以及軍事等領域應用廣泛。目前實現中紅外波段輸出的雷射器主要有量子級聯雷射器、電子振動固體雷射器、光參量振蕩器以及光纖雷射器等。其中，量子級聯雷射器在連續工作時產熱較多，而且其受激區域較大，難以實現高功率單模輸出；電子振動固體雷射器可以實現2-5μm高效輸出，但是熱透鏡效應限制了其功率的提高；光參量振蕩器可以實現數瓦功率水平的可調諧中紅外輸出，但是其對泵浦源線寬以及偏振態要求較高；目前摻鈥的氟化物光纖雷射器可以實現3-4μm雷射輸出，但是功率水平和斜效率均較低，此外波長向更長波方向拓展也存在較大困難。與固體雷射器以及摻雜實心光纖雷射器相比，氣體雷射器的競爭性非線性效應閾值高，光學損傷閾值高，在光束質量和功率水平上有著潛在優勢。氣體受激拉曼散射增益係數高、頻移範圍大、介質選擇靈活，自1963年被首次報導以來受到了廣泛的關注，是進行雷射波長拓展的有效手段。然而在自由空間中實現氣體受激拉曼散射時有效作用距離受限於瑞利長度，其泵浦閾值較高，而且會產生很多競爭拉曼譜線。但是在空芯光纖中實現氣體的受激拉曼散射產生中紅外雷射則可以克服上述不足。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是克服現有技術存在的不足，提供一種結構緊湊、性能穩定、窄線寬、可調諧、可降低泵浦閾值功率，高轉化效率、光束質量好的全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器。

為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案：

一種全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器，包括近紅外可調諧光纖雷射泵浦源、反共振空芯光纖、輸入實芯光纖和輸出實芯光纖，所述輸入實芯光纖的兩端分別與近紅外可調諧光纖雷射泵浦源的輸出尾纖和反共振空芯光纖的一端熔接，所述反共振空芯光纖的另一端與輸出實芯光纖熔接；

所述反共振空芯光纖內混合充有兩種以上拉曼增益氣體，其中至少一種拉曼增益氣體使泵浦光發生受激拉曼散射產生第一級拉曼雷射，其餘拉曼增益氣體使第一級拉曼雷射發生受激拉曼散射產生中紅外波段的第二級拉曼雷射；

所述反共振空芯光纖在泵浦雷射波段、第一級拉曼雷射波段、第二級拉曼雷射波段的傳輸損耗5dB/m；

所述輸入實芯光纖刻寫有對中紅外波段的第二級拉曼雷射形成高反射的第一輸入布拉格光柵和對第一級拉曼雷射形成高反射的第二輸入布拉格光柵，所述第一輸入布拉格光柵和第二輸入布拉格光柵的峰值反射率均大於95％；所述輸出實芯光纖刻寫有對第一級拉曼雷射形成高反射的第一輸出布拉格光柵和對中紅外波段的第二級拉曼雷射部分反射的第二輸出布拉格光柵，所述第一輸出布拉格光柵對第一級拉曼雷射的反射率大於95％，所述第二輸出布拉格光柵對中紅外波段的第二級拉曼雷射的透射率為10％～90％。

上述的全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器，優選的，所述第二輸入布拉格光柵位於第一輸入布拉格光柵和反共振空芯光纖之間，所述第一輸出布拉格光柵位於第二輸出布拉格光柵和反共振空芯光纖之間。

上述的全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器，優選的，所述輸入實芯光纖和輸出實芯光纖對所述泵浦光、第一級拉曼雷射以及中紅外波段的第二級拉曼雷射的傳輸損耗<0.5dB/m。

上述的全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器，優選的，所述反共振空芯光纖內的兩種以上拉曼增益氣體包括氫氣和一種以上烷烴類氣體，所述烷烴類氣體包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和乙烯。

本發明的原理是：反共振空芯光纖能夠為氣體受激拉曼散射提供了近乎理想的環境，它可以有效地將泵浦光約束在微米量級的纖芯中，大大提高了泵浦強度和有效作用距離，而且可以通過合理選擇泵浦波長和拉曼增益氣體，設計反共振空芯光纖的傳輸損耗譜來控制各拉曼信號的有效增益，將二者結合組成光纖氣體雷射器實現中紅外雷射輸出。由於單種氣體的拉曼頻移範圍有限，不足以將常見的1微米波段近紅外泵浦光頻移至中紅外波段，因此可以在一段空芯光纖中同時充有兩種或多種氣體，泵浦光作用於其中一種氣體並發生受激拉曼散射進行一次波長上移，產生第一級拉曼雷射，第一級拉曼雷射與另外一種氣體相互作用發生受激拉曼散再進行一次波長上移，產生中紅外波段的第二級拉曼雷射。或者通過更多次的受激拉曼散射實現波長上移，產生中紅外雷射。通過合理設計空芯光纖的傳輸帶，可以有效抑制該過程中競爭拉曼雷射的產生，使得中紅外雷射的產生達到較高的轉化效率。

與現有技術相比，本發明的優點在於：

1、本發明全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器首次實現全光纖結構的可調諧中紅外雷射器，使得研製結構緊湊穩定的可調諧大功率中紅外光源成為可能；

2、本發明全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器同時利用了兩種氣體的級聯受激拉曼散射，是一種由常見近紅外泵浦雷射產生中紅外雷射的新裝置，由於採用了全光纖結構，具有光纖雷射器結構緊湊、性能穩定等優點；

3、本發明利用了反共振空芯光纖有效地將泵浦光約束在微米量級的纖芯中，大大提高了泵浦強度和有效作用距離，增強了泵浦光與拉曼增益氣體的作用強度；同時利用傳輸損耗譜特殊設計的反共振空芯光纖對泵浦波長和兩級級拉曼雷射波長傳輸損耗低、對其它波段傳輸損耗高的特點，有效抑制了競爭拉曼雷射的，提高了轉換效率；

4、本發明通過設計光纖光柵形成第一級拉曼雷射的諧振腔，第一級拉曼雷射在光柵的多次反射作用下形成諧振並充分與第二種拉曼增益氣體作用產生中紅外波段的第二級拉曼雷射，提高轉化效率；同時設計光纖光柵形成中紅外波段的第二級拉曼雷射的諧振腔，可以將一部分第二級拉曼雷射耦合輸出，另外一部分在光柵的多次反射作用下形成諧振，以降低泵浦閾值；

5、本發明結合了氣體雷射器輸出功率高、損傷閾值高、競爭性非線性效應閾值高和光纖雷射器結構緊湊、性能穩定、光束質量好、轉換效率高等優點，與現有的中紅外雷射技術手段相比，具有更大的潛在優勢。

附圖說明

圖1為全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器的結構示意圖。

圖2為冰淇淋型反共振空芯光纖橫截面掃描電子顯微圖。

圖3為自由邊界型反共振空芯光纖橫截面掃描電子顯微圖。

圖4為泵浦光經兩種氣體拉曼頻移後的波長及其在反共振空芯光纖傳輸帶中的相對位置示意圖。

圖例說明：

1、近紅外可調諧光纖雷射泵浦源；2、反共振空芯光纖；3、輸入實芯光纖；4、輸出實芯光纖；5、第一輸入布拉格光柵；6、第二輸入布拉格光柵；7、第一輸出布拉格光柵；8、第二輸出布拉格光柵；9、第一熔接點；10、第二熔接點；11、第三熔接點。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本實施例的全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器，包括近紅外可調諧光纖雷射泵浦源1、反共振空芯光纖2、輸入實芯光纖3和輸出實芯光纖4，輸入實芯光纖3的兩端分別與近紅外可調諧光纖雷射泵浦源1的輸出尾纖和反共振空芯光纖2的一端熔接，其中近紅外可調諧光纖雷射泵浦源1的輸出尾纖通過第一熔接點9與輸入實芯光纖3低損耗熔接，反共振空芯光纖2的一端通過第二熔接點10與輸入實芯光纖3低損耗熔接，反共振空芯光纖2的另一端通過第三熔接點11與輸出實芯光纖4低損耗熔接；

反共振空芯光纖2內充有由兩種拉曼增益氣體混合的混合氣體，其中一種拉曼增益氣體使泵浦光發生受激拉曼散射產生第一級拉曼雷射，另一種拉曼增益氣體使第一級拉曼雷射發生受激拉曼散射產生中紅外波段的第二級拉曼雷射；

反共振空芯光纖2為傳輸損耗譜特殊設計的反共振空芯光纖，在泵浦雷射波段、第一級拉曼雷射波段、第二級拉曼雷射波段均具有較低傳輸損耗(5dB/m)；

輸入實芯光纖3刻寫有對中紅外波段的第二級拉曼雷射形成高反射的第一輸入布拉格光柵5和對第一級拉曼雷射形成高反射的第二輸入布拉格光柵6，第一輸入布拉格光柵5和第二輸入布拉格光柵6的峰值反射率均大於95％；輸出實芯光纖4刻寫有對第一級拉曼雷射形成高反射的第一輸出布拉格光柵7和對中紅外波段的第二級拉曼雷射部分反射的第二輸出布拉格光柵8，第一輸出布拉格光柵7對第一級拉曼雷射的反射率大於95％，第二輸出布拉格光柵8對中紅外波段的第二級拉曼雷射的透射率為10％-90％；

該全光纖結構中紅外氣體級聯拉曼雷射器是一種緊湊、窄線寬、可調諧的光纖氣體拉曼雷射器，其同時利用兩種氣體的拉曼頻移，將泵浦光輸出的近紅外雷射波長進一步向中紅外方向拓展。在工作時，由近紅外可調諧光纖雷射泵浦源1出射的近紅外泵浦雷射經輸出尾纖和第一熔接點9進入輸入實芯光纖3，再經過第一輸入布拉格光柵5、第二輸入布拉格光柵6、輸入實芯光纖3與反共振空芯光纖2的第二熔接點10進入充有兩種拉曼增益混合氣體的反共振空芯光纖2中，泵浦光在纖芯中與其中的一種拉曼增益氣體相互作用發生受激拉曼散射並產生第一級拉曼雷射，第一級拉曼雷射與第二種拉曼增益氣體相互作用發生受激拉曼散射產生中紅外波段的第二級拉曼雷射。經反共振空芯光纖2與輸出實芯光纖4的第三熔接點11進入輸出實芯光纖4，由於第二輸入布拉格光柵6和第一輸出布拉格光柵7對第一級拉曼雷射的反射作用，兩者結合形成了第一級拉曼雷射的諧振腔，第一級拉曼雷射在第二輸入布拉格光柵6和第一輸出布拉格光柵7的多次反射作用下形成諧振並充分與第二種拉曼增益氣體作用產生中紅外波段的第二級拉曼雷射。第一輸入布拉格光柵5和第二輸出布拉格光柵8形成了中紅外波段的第二級拉曼雷射的諧振腔，可以將一部分中紅外波段的第二級拉曼雷射耦合輸出，另外一部分在第一輸入布拉格光柵5和第二輸出布拉格光柵8的多次反射作用下形成諧振，以降低泵浦閾值。

本實施例中，第二輸入布拉格光柵6位於第一輸入布拉格光柵5和反共振空芯光纖2之間，第一輸出布拉格光柵7位於第二輸出布拉格光柵8和反共振空芯光纖2之間。

本實施例中，輸入實芯光纖3和輸出實芯光纖4對泵浦光、第一級拉曼雷射以及中紅外波段的第二級拉曼雷射均具有較低傳輸損耗(<0.5dB/m)。

本實施例中，反共振空芯光纖2採用傳輸損耗譜特殊設計的負曲率反共振空芯光纖2，其為微米量級的空芯結構，將泵浦光約束在橫截面為微米量級的空間中，可有效增強泵浦光與拉曼增益氣體的相互作用，提高有效作用距離，並且被設計為在近紅外和中紅外具有多個傳輸帶，其傳輸損耗譜基於反共振光學波導模型，也即傳輸帶的位置可以通過光纖包層毛細管壁的厚度控制，在泵浦波段以及兩級拉曼波長處具有較低傳輸損耗，而在其它需要抑制的拉曼信號波長處有較高的傳輸損耗。

本實施例中，反共振空芯光纖2內的兩種以上拉曼增益氣體為氫氣與一種或者兩種烷烴類氣體，烷烴類氣體包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯等。或者其它合適的拉曼增益混合氣體，氣體的種類並不限於2種，可以是2種或者2種以上，當拉曼增益混合氣體種類多於2種時，對應的受激拉曼散射級數也相應多於2種。

下面以氫氣(H2)與丙烷(C3H8)組合為例，說明第一級拉曼雷射與中紅外波段的第二級拉曼雷射的產生過程以及在反共振空芯光纖2的傳輸帶設計。

在受激拉曼散射過程中，一階斯託克斯波長可以通過式(1)得到

式中，λout為受激拉曼散射過程中一階斯託克斯波長，單位為nm；λpump為泵浦波長，單位為nm；Δω為受激拉曼散射過程中對應氣體分子的拉曼頻移，單位為cm-1。

當近紅外可調諧光纖雷射泵浦源1的中心波長為1064nm，反共振空芯光纖2中的兩種拉曼混合氣體為氫氣和丙烷時，泵浦光在反共振空芯光纖2中先與丙烷相互作用發生受激拉曼散射產生第一級拉曼雷射。丙烷的拉曼頻移為2908cm-1，將泵浦波長與丙烷拉曼頻移代入式(1)可得第一級拉曼雷射波長為1541nm。第一級拉曼雷射1541nm做為第二次受激拉曼散射泵浦源與氫氣相互作用產生第二級拉曼雷射，將1541nm和氫氣的拉曼頻移4155cm-1代入式(1)中，可得第二級拉曼雷射波長，也即本發明提出的可調諧中紅外光纖氣體拉曼雷射器輸出雷射的中心波長為4283nm。當近紅外可調諧光纖雷射泵浦源1的中心波長調諧時，由式(1)可以得到對應的第一級拉曼雷射波長以及對應的本發明所提出的中紅外雷射最終輸出雷射的中心波長。

在兩級受激拉曼散射過程中，有可能會產生例如轉動拉曼、高階拉曼等競爭拉曼譜線，而且近紅外可調諧光纖雷射泵浦源1的泵浦光有可能先與氫氣相互作用發生受激拉曼散射產生1135nm的轉動拉曼雷射或1907nm的振動拉曼雷射。為防止這些情況的出現可以通過合理設計反共振空芯光纖2的傳輸帶，其橫截面如圖2和圖3所示，其中圖2為冰淇淋型反共振空芯光纖，圖3為自由邊界型反共振空芯光纖，圖中光纖截面淺顏色區域為石英結構，深顏色區域為空氣孔。反共振空芯光纖2的高損耗區域波長位置可以由式(2)得到。

式中，λm為共振波長，單位為nm，也即高傳輸損耗區域波長，d為包層毛細管壁厚度，單位為nm，m為正整數，n2和n1分別為包層石英和纖芯區域的折射率。通過控制包層毛細管壁的厚度進而可以設計反共振空芯光纖2的傳輸帶，使得泵浦中心波長λ0(1064nm)、第一級拉曼雷射波長λ1(1541nm)以及本發明提出的雷射器的最終輸出中心波長λ2(4283nm)與光纖的傳輸譜的相對位置如圖4所示。從圖4可以看到，三種波長分別位於該光纖的三個傳輸帶中，泵浦光λ0經過兩種氣體的先後兩次拉曼頻移轉移至中紅外波段λ2。通過這種設計可以抑制競爭拉曼線的產生，最大限度地提高中紅外雷射的轉化效率。

上述中心波長為1064nm的泵浦光也可以先與氫氣作用發生受激拉曼散射產生1907nm的第一級拉曼雷射，此時只需要將圖4中的λ1處的傳輸帶設計至1907nm即可。同理，當反共振空芯光纖2中的拉曼增益混合氣體為其它氣體時，通過式(1)計算得到兩級拉曼雷射波長併合理調整反共振空芯光纖2的傳輸帶即可。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例。對於本技術領域的技術人員來說，在不脫離本發明技術構思前提下所得到的改進和變換也應視為本發明的保護範圍。