緊湊型THz光纖雷射器及其抽氣充氣裝置的製作方法

2023-06-28 18:40:11

專利名稱：緊湊型THz光纖雷射器及其抽氣充氣裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於太赫茲輻射源技術領域，具體涉及一種光纖雷射器。
背景技術：
—般來說，THz波的波長在O. 03mm 1mm之間，相應的頻率範圍為0. 3THz 10THz，是介於毫米波與紅外光之間的電磁輻射，是電磁波譜中最後一個需要全面研究的波 段。由於物質在THz波段的發射、反射和透射光譜中包含了豐富的物理和化學信息，因此 THz波在物理、化學、天文、分子光譜、生命和醫藥科學等基礎研究領域，以及醫學成像、環境 監測、材料檢測、食品檢測、射電天文、移動通訊、衛星通信和軍用雷達等應用研究領域均有 重大的科學研究價值和廣闊的應用前景。 目前，THz波研究領域中比較重要的基本問題包括THz波輻射源；THz波探測技 術；THz波本身特性以及THz波與物質相互作用。其中，對THz波輻射源的研究是THz技術領 域科技發展的核心研究內容。THz輻射源根據產生機理的不同可分為兩大類基於電子學 的THz輻射源和基於光學的THz輻射源。基於光學的THz輻射源主要包括利用超短雷射脈 衝產生THz輻射；利用非線性頻率變換產生THz波；基於光泵氣體分子產生THz雷射源(簡 稱光泵THz雷射器)。與本申請最接近的技術是普通光泵THz雷射器，它是採用紅外雷射泵 浦發生器中的氣體分子產生受激輻射形成THz雷射，最大平均輸出功率已經達到800mW(波 長118iim)，光-光轉換效率高達0. 727% (M.S.Tobin，A review of opticallyp咖ped NMMW lasers, Proc. IEEE， 73 (1) :61-85， 1985)，且光束質量較好，並能夠持續穩定輸出，而其它的 光學方法目前最大的平均輸出功率僅為微瓦量級，光-光轉換效率小於O. 1%，因此光泵 THz雷射器在實現高功率太赫茲輻射方面具有很大的潛力。例如，在南極建立的移動天文站 和在衛星上搭載使用的都是這種光泵THz雷射器。這種雷射器的基本基本組成部分是泵浦 源和THz波雷射發生器，優點是，輸出的光束質量較好，輸出功率較高，並能夠持續穩定輸 出，缺點是由於THz波雷射發生器採用較粗的石英管或大容器，僅THz波雷射發生管的長度 一般在2米以上，直徑在30mm 50mm左右，不能彎曲，不易移動，且其支撐架也比較龐大笨 重，使用十分不便，在一定程度上影響了光泵THz波雷射器的實際應用領域。 近年來，人們也進行了 THz波雷射發生器小型化研究，主要是將THz波雷射器長度 變短，但變短後THz信號相對較弱，達不到使用要求，難以在科技領域廣泛推廣。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種輸出光束質量較好，輸出功率較高，並能夠持續穩 定輸出的且體積小的緊湊型THz光纖雷射器。 為達到上述目的，本實用新型的THz光纖雷射器由泵浦源、光纖、輸入鏡和輸出鏡 組成，其中 所述的光纖是金屬鍍層氣芯光纖，它是在金屬鍍層空芯光纖纖芯充有一定氣壓的 THz活性氣體，要求這些活性氣體是吸收10 ii m附近雷射(比如C02或N20雷射器)產生
3THz波段輻射的氣體，如，氨氣NH3，甲基氟CH3F等，在金屬鍍層氣芯光纖前後兩端加裝封帽， 要求封帽端頭與金屬鍍層空芯光纖的端頭平行，前封帽材料對紅外雷射有較高透過率，如 ZnSe或BaF2或NaCl晶片，後封帽材料能有效地濾除中紅外信號，而對THz波有良好的透過 性，如聚四氟乙烯(Teflon)或聚乙烯，用於輸出THz雷射。 所述的泵浦源為連續運轉或射頻運轉的C02或^0雷射器，在雷射器後加頻率選擇 元件，如旋轉金屬光柵，可實現THz波的調諧輸出； 所述的輸入鏡為電感性金屬網柵，要求對泵浦信號有50%以上的的透過率而對 THz信號有85X以上的反射率； 所述的輸出鏡為電感性金屬網柵，要求對泵浦信號有30%以上的反射率而對THz 信號有20 30%左右的透過率。 本實用新型的工作原理是光纖和兩端的輸入鏡、輸出鏡構成一個光纖雷射諧振 腔，當泵浦的紅外雷射照射時，腔內活性氣體發生粒子數反轉，向下躍遷時，發射THz雷射， 雷射在兩腔鏡之間振蕩，從輸出鏡輸出。 本實用新型的緊湊THz光纖雷射器，在低損耗的金屬鍍層氣芯THz光纖中充入低 壓THz活性氣體，製成THz活性光纖，代替粗重的石英管或大容器，用紅外雷射泵浦光纖產 生THz波。由於光纖側面對泵浦光的反射作用，泵浦光在光纖中的有效路徑大大增加了，與 石英管或大容器相比，相同長度的光纖效率更高，而且由於光纖質量輕、體積小和可彎曲的 特性，使整套儀器更緊湊、靈活。這種THz光纖雷射器能夠室溫運轉、可調諧、光束質量好、 轉換效率高，可以通過光纖輸出使THz波直達目標位置，緊湊、靈活、魯棒(robust的音義)、 便攜，集成了光泵氣體分子雷射器和全固態光纖雷射器的優點，是其它的太赫茲輻射源不 可比擬的。本實用新型金屬鍍層氣芯光纖的長度可根據光纖的參數和活性氣體的相關參數 選取。在芯內氣體量一定的情況下，在一定範圍內可通過溫度控制光纖溫度的方法控制芯 內氣體的壓強。

圖1是本實用新型的整體結構示意圖； 圖2是本實用新型金屬鍍層氣芯光纖的截面圖； 圖3是本實用新型金屬鍍層氣芯光纖前封帽實施例結構圖； 圖4是本實用新型金屬鍍層氣芯光纖抽氣充氣裝置結構圖。 圖5是本實用新型金屬鍍層氣芯光纖抽氣充氣時的組裝示意圖。 圖中l-泵浦源，2-THz光纖，3-輸入鏡，4-輸出鏡，5-THz波，6-外波導層，7-金
屬鍍層，8-氣芯，9-氣體容器，10-氣體容器塑料封口 ， 11-窗口 ， 12-封口膠，13-裝置罩，
14-裝置座，15-0型密封墊，16-密封墊，17-法蘭，18-外螺紋，19-內螺紋，20-塑料接口 。
具體實施方式圖1是本實用新型THz光纖雷射器結構示意圖，從圖中可以看出，它包括泵浦源1 、 THz光纖2、輸入鏡3和輸出鏡4， THz光纖2和兩端的輸入鏡3、輸出鏡4構成一個光纖激 光諧振腔，當泵浦的C02或N20雷射照射時，腔內活性氣體發生粒子數反轉，向下躍遷時，發 射THz雷射，雷射在兩腔鏡之間振蕩，從輸出鏡輸出THz波5。[0020] 實施例中，採用內徑2mm的金屬鍍層光纖，在纖芯內充入甲基氟CH3F氣體，充入氣 體後兩端密封。採用連續C02雷射器泵浦源1，泵浦光經C02雷射透鏡組耦合系統，進入光 纖2，雷射在輸入輸出鏡之間形成THz雷射振蕩。在光纖輸出端可測得THz波，改變泵浦光 的波長，得到可調諧的THz輸出波。 所述的金屬鍍層氣芯光纖的截面圖如圖2所示，外層為外波導層6，在外波導層6 內鍍有Au或Ag或Cu等金屬鍍層7，光纖中部為充有CH3F氣體的氣芯8。 所述的金屬鍍層氣芯光纖的前封帽結構如圖3所示，它是在一個氣體容器9的一 側設有插入光纖2的埠，氣體容器9選用對對泵浦雷射吸收少的ZnSe材料；埠上設有 窗口 ll，窗口 11選用對C02雷射高透過的ZnSe材料；氣體容器9的另一側設有插入光纖的 插口，插入光纖後用封口膠12密封；氣體容器9的底面連接有塑料口 IO，塑料口 IO與氣體 容器9密封連接；封口膠12將光纖和前封帽密封起來。 後封帽結構與前封帽結構相同，不同的是氣體容器、塑料封口和窗口均選用對THz 波吸收少的聚四氟乙烯或聚乙烯材料。 為了實現金屬鍍層氣芯光纖的抽空、充氣和密封，專門設計了抽氣充氣裝置，該裝 置結構如圖4所示。它由裝置罩13、裝置座14和法蘭17所組成，裝置罩13上設有內螺紋 18，裝置座14上設有與內螺紋18配合的外螺紋19，裝置罩13與裝置座14螺紋連接時加有 0型密封墊15，裝置座14與法蘭7連接時加有密封墊16，另外，在裝置罩13上設有塑料接 口 20，裝置罩13形成氣室。 對光纖抽氣、充氣並進行無接觸焊接裝置的操作是(見圖5):在光纖兩端安裝圖3 所示封帽，然後在光纖的兩端分別連接一個抽空充氣裝置，由光纖連通。通過控制氣室的氣 壓控制光纖內氣壓，通過氣室實現抽氣和充氣，通過氣室上的塑料接口 20進行雷射無接觸 焊接。焊接後取下空充氣裝置，製成THz光纖。其中抽氣、充氣及無接觸焊接操作步驟是 第一步先將密封墊16和法蘭17裝到光纖2上； 第二步將光纖2端頭裝上前封帽；用封口膠12將光纖和前封帽密封連接； 第三步將裝有前封帽的光纖2通過法蘭17和密封墊16固定到抽空、充氣裝置座 14，法蘭17壓住密封墊16，使抽空、充氣裝置座14密封； 第四步將抽空、充氣裝置罩13通過內螺紋19和外螺紋18與抽空、充氣裝置座14 連接，中間用0型密封墊15密封； 第五步光纖的另一端按照上述步驟連接另一個抽空、充氣裝置； 第六步兩個抽空、充氣裝置的接口 20分別連接到抽氣機和充氣機，將空氣抽成 氣壓較低時就充入甲基氟CH3F氣體氣體，再抽、再充，如此往復幾次，則光纖內可充滿氣體， 並控制氣體的壓強5 70mtorr(lTorr " 133. 322Pa); 第七步透過抽空、充氣裝置罩塑料接口 20，用雷射無接觸焊接的方法，將前後封 帽氣體容器塑料口焊接密封； 第八步卸掉抽氣充氣裝置，得到充有所需活性氣體的THz光纖。
權利要求一種緊湊型THz光纖雷射器，其特徵在於，它是由泵浦源、光纖、輸入鏡和輸出鏡組成，其中所述的光纖是金屬鍍層氣芯光纖，它是在金屬鍍層空芯光纖纖芯充有THz活性氣體，在金屬鍍層氣芯光纖前端加裝ZnSe或BaF2或NaCl晶片封帽，後端加裝聚四氟乙烯或聚乙烯封帽；所述的泵浦源為連續運轉或射頻運轉的CO2或N2O雷射器；所述的輸入鏡為電感性金屬網柵，要求對泵浦信號有50％以上的的透過率而對THz信號有85％以上的反射率；所述的輸出鏡為電感性金屬網柵，要求對泵浦信號有30％以上的反射率而對THz信號有20～30％左右的透過率。
2. 如權利要求1所述的緊湊型THz光纖雷射器，其特徵在於，在C02或N20雷射器後加 有頻率選擇元件。
3. —種用於權利要求1或2所述的緊湊型THz光纖雷射器的抽氣充氣裝置，其特徵在 於，它由裝置罩(13)、裝置座(14)和法蘭(17)所組成，裝置罩(13)上設有內螺紋(18)，裝 置座(14)上設有與內螺紋(18)配合的外螺紋(19)，裝置罩(13)與裝置座(14)螺紋連接 時加有O型密封墊(15)，裝置座(14)與法蘭(7)連接時加有密封墊(16)，在裝置罩(13) 上設有塑料接口 (20)，裝置罩(13)形成氣室。
專利摘要本實用新型公開了一種緊湊型THz光纖雷射器及其抽氣充氣裝置，它是由泵浦源、耦合系統、輸入鏡、輸出鏡和金屬鍍層氣芯光纖組成，其金屬鍍層光纖纖芯中充有THz活性氣體，光纖前後兩端加裝封帽；所述的泵浦源為連續運轉或射頻運轉的CO2或N2O雷射器；所述的耦合系統為紅外雷射透鏡組耦合系統；輸入鏡輸出鏡均為電感性金屬網柵。本實用新型在低損耗的金屬鍍層光纖纖芯中充入低壓THz活性氣體，製成THz活性光纖，代替粗重的石英管或大容器，用紅外雷射泵浦光纖產生THz波，泵浦光在光纖中的有效路徑大大增加了，與石英管或大容器相比，相同長度的光纖效率更高，而且由於光纖質量輕、體積小和可彎曲的特性，整套儀器更緊湊、靈活。
文檔編號H01S3/223GK201444531SQ20092002266
公開日2010年4月28日 申請日期2009年2月27日 優先權日2009年2月27日
發明者周強, 張會雲, 張玉萍, 李德華, 王守海 申請人:山東科技大