本發(fā)明涉及激光發(fā)生設備技術領域，具體涉及一種可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器。

背景技術：

中紅外波段位于大氣窗口，在遙感探測、激光雷達、通信以及軍事等領域應用廣泛。目前實現(xiàn)中紅外波段輸出的激光器主要有量子級聯(lián)激光器、電子振動固體激光器、光參量振蕩器以及光纖激光器等。其中，量子級聯(lián)激光器在連續(xù)工作時產(chǎn)熱較多，而且其受激區(qū)域較大，難以實現(xiàn)高功率單模輸出；電子振動固體激光器可以實現(xiàn)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(xiàn)數(shù)瓦功率水平的可調(diào)諧中紅外輸出，但是其對泵浦源線寬以及偏振態(tài)要求較高；目前摻鈥的氟化物光纖激光器可以實現(xiàn)3-4μm激光輸出，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。

氣體受激拉曼散射增益系數(shù)高、頻移范圍大、介質(zhì)選擇靈活，自1963年被首次報道以來受到了廣泛的關注，是進行激光波長拓展的有效手段。然而在自由空間中實現(xiàn)氣體受激拉曼散射時有效作用距離受限于瑞利長度，其泵浦閾值較高，而且會產(chǎn)生很多競爭拉曼譜線。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種緊湊、窄線寬、可調(diào)諧、低泵浦閾值功率、高轉(zhuǎn)化效率的可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器，包括近紅外可調(diào)諧激光泵浦源空芯光纖、輸入氣體腔、輸出氣體腔和耦合輸出鏡，所述空芯光纖的兩端分別密封于輸入氣體腔和輸出氣體腔中；

所述輸入氣體腔設有輸入窗口，所述近紅外可調(diào)諧激光泵浦源與輸入窗口之間設有將泵浦光耦合至空芯光纖的輸入耦合組件；

所述空芯光纖、輸入氣體腔和輸出氣體腔內(nèi)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(fā)生受激拉曼散射產(chǎn)生第一級拉曼激光，其余拉曼增益氣體使第一級拉曼激光發(fā)生受激拉曼散射產(chǎn)生中紅外波段的第二級拉曼激光；

所述空芯光纖在泵浦激光波段、第一級拉曼激光波段、第二級拉曼激光波段的傳輸損耗<0.5dB/m，而在其它波段的傳輸損耗>5dB/m；

所述輸出氣體腔設有輸出窗口，所述輸出窗口和耦合輸出鏡之間設有用于將從輸出窗口射出的光引導至耦合輸出鏡的輸出引導組件；

所述耦合輸出鏡對第一級拉曼激光的透過率大于90％，對中紅外波段的第二級拉曼激光的反射率為10％～90％，透過率為90％～10％；

還包括用于將耦合輸出鏡透射出的第一級拉曼激光以及中紅外波段的第二級拉曼激光引導進入輸入窗口的反饋系統(tǒng)。

上述的可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器，優(yōu)選的，所述輸入耦合組件包括第一聚焦耦合透鏡和雙色鏡，所述第一聚焦耦合透鏡和雙色鏡沿泵浦光射出方向依次布置；所述輸出引導組件包括沿輸出窗口出光的方向依次布置的準直透鏡和用于將光反射至耦合輸出鏡的第一反射鏡。

上述的可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器，優(yōu)選的，所述反饋系統(tǒng)包括反射鏡組、回轉(zhuǎn)反射鏡、第二聚焦耦合透鏡和所述的雙色鏡，所述回轉(zhuǎn)反射鏡可沿光路方向高精度平移以改變反饋光路長度；所述第一級拉曼激光以及中紅外波段的第二級拉曼激光經(jīng)反射鏡組和回轉(zhuǎn)反射鏡準直后再經(jīng)第二聚焦耦合透鏡聚焦至雙色鏡。

上述的可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器，優(yōu)選的，所述反射鏡組包括第二反射鏡和第三反射鏡，所述第二反射鏡、第三反射鏡以及回轉(zhuǎn)反射鏡對第一級拉曼激光和中紅外波段的第二級拉曼激光的反射率大于98％。

上述的可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器，優(yōu)選的，所述雙色鏡對泵浦光的透射率大于95％，所述雙色鏡對第一級拉曼激光和中紅外波段的第二級拉曼激光的反射率均大于90％。

上述的可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器，優(yōu)選的，所述近紅外可調(diào)諧激光泵浦源產(chǎn)生的泵浦光為脈沖或連續(xù)近紅外激光，且從雙色鏡起依次經(jīng)輸入窗口、輸入氣體腔、空芯光纖、輸出氣體腔、輸出窗口、準直透鏡、第一反射鏡、耦合輸出鏡、反射鏡組、回轉(zhuǎn)反射鏡、第二聚焦耦合透鏡再回到雙色鏡的環(huán)路的光學長度為L，L的長度可通過回轉(zhuǎn)反射鏡沿光路方向高精度平移進行調(diào)節(jié)，當近紅外可調(diào)諧激光泵浦源產(chǎn)生的泵浦光脈沖近紅外激光時，其重復頻率M與環(huán)路光學長度L滿足如下關系：

nL＝c/M

式中，n為正整數(shù)，c為光在真空中傳播速度，L的單位為m，M的單位為Hz。

上述的可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器，優(yōu)選的，所述輸入窗口和所述輸出窗口對泵浦光、第一級拉曼激光和中紅外波段的第二級拉曼激光透過率均大于90％。

上述的可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器，優(yōu)選的，所述空芯光纖、輸入氣體腔和輸出氣體腔內(nèi)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。

上述的可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器，優(yōu)選的，還包括用于對輸入氣體腔或輸出氣體腔進行抽真空和充入兩種拉曼增益氣體的抽真空及充氣裝置。

本發(fā)明的原理是：空芯光纖能夠為氣體受激拉曼散射提供了近乎理想的環(huán)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，設計空芯光子晶體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(jié)合組成光纖氣體激光器實現(xiàn)中紅外激光輸出。由于單種氣體的拉曼頻移范圍有限，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，泵浦光作用于其中一種氣體并發(fā)生受激拉曼散射進行一次波長上移，產(chǎn)生第一級拉曼激光，第一級拉曼激光與另外一種氣體相互作用發(fā)生受激拉曼散再進行一次波長上移，產(chǎn)生中紅外波段的第二級拉曼激光?；蛘咄ㄟ^更多次的受激拉曼散射實現(xiàn)波長上移，產(chǎn)生中紅外激光。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激光的產(chǎn)生，使得中紅外激光的產(chǎn)生達到較高的轉(zhuǎn)化效率。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器同時利用了兩種或更多種氣體的級聯(lián)受激拉曼散射，是一種由近紅外泵浦激光產(chǎn)生中紅外激光的新裝置。

2、本發(fā)明利用了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；同時利用反共振空心光纖傳輸帶設計方便的特性，可以特殊設計光纖的輸出損耗帶，使得泵浦波長和兩級拉曼激光波長傳輸損耗較低，對其它波段傳輸損耗較高，這樣可以有效抑制競爭拉曼激光的產(chǎn)生，提高了轉(zhuǎn)換效率。

3、本發(fā)明通過設計反饋系統(tǒng)，使得第一級拉曼激光繼續(xù)與第二種拉曼增益氣體相互作用，進一步提高中紅外波段的第二級拉曼激光的轉(zhuǎn)化效率，并使中紅外波段的第二級拉曼激光在空間結(jié)構(gòu)的環(huán)路中多次傳播形成諧振，可以降低泵浦閾值功率，提高轉(zhuǎn)化效率。

4、本發(fā)明結(jié)合了氣體激光器輸出功率高、損傷閾值高和光纖激光器光束質(zhì)量好等優(yōu)點，在實際應用中具有極大的潛在優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器的結(jié)構(gòu)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(jīng)兩種氣體拉曼頻移后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(diào)諧激光泵浦源；2、空芯光纖；3、第一聚焦耦合透鏡；4、雙色鏡；5、輸入窗口；6、輸入氣體腔；7、輸出氣體腔；8、輸出窗口；9、準直透鏡；10、第一反射鏡；11、耦合輸出鏡；12、第二反射鏡；13、第三反射鏡；14、回轉(zhuǎn)反射鏡；15、第二聚焦耦合透鏡；16、抽真空及充氣裝置。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本實施例的可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器，包括近紅外可調(diào)諧激光泵浦源1、空芯光纖2、輸入氣體腔6、輸出氣體腔7和耦合輸出鏡11，空芯光纖2的兩端分別密封于輸入氣體腔6和輸出氣體腔7中；

輸入氣體腔6設有輸入窗口5，近紅外可調(diào)諧激光泵浦源1與輸入窗口5之間設有將泵浦光耦合至空芯光纖2的輸入耦合組件，該輸入耦合組件包括第一聚焦耦合透鏡3和雙色鏡4，第一聚焦耦合透鏡3和雙色鏡4沿泵浦光射出方向依次布置；

空芯光纖2、輸入氣體腔6和輸出氣體腔7內(nèi)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(fā)生受激拉曼散射產(chǎn)生第一級拉曼激光，另一種拉曼增益氣體使第一級拉曼激光發(fā)生受激拉曼散射產(chǎn)生中紅外波段的第二級拉曼激光；通過兩種拉曼增益氣體的級聯(lián)受激拉曼散射將近紅外泵浦激光波長轉(zhuǎn)換至中紅外波段；

輸出氣體腔7設有輸出窗口8，輸出窗口8和耦合輸出鏡11之間設有用于將從輸出窗口8射出的光引導至耦合輸出鏡11的輸出引導組件，該輸出引導組件具體采用沿輸出窗口8射出光的方向依次布置的準直透鏡9和用于將光反射至耦合輸出鏡11的第一反射鏡10；

耦合輸出鏡11對第一級拉曼激光的透過率大于95％，對中紅外波段的第二級拉曼激光的反射率為10％～90％，透過率為90％～10％；

還包括用于將耦合輸出鏡11透射的第一級拉曼激光以及中紅外波段的第二級拉曼激光反射并聚焦至雙色鏡4、并由雙色鏡4反射進入輸入窗口5的反饋系統(tǒng)。

本實施例的反饋系統(tǒng)包括反射鏡組、回轉(zhuǎn)反射鏡14和第二聚焦耦合透鏡15，第一級拉曼激光以及中紅外波段的第二級拉曼激光經(jīng)反射鏡組、回轉(zhuǎn)反射鏡14準直后再經(jīng)第二聚焦耦合透鏡15聚焦至雙色鏡4。反射鏡組包括第二反射鏡12和第三反射鏡13，其中，第二反射鏡12、第三反射鏡13以及回轉(zhuǎn)反射鏡14對第一級拉曼激光和中紅外波段的第二級拉曼激光的反射率大于98％。雙色鏡4對泵浦光的透射率大于95％，雙色鏡4對第一級拉曼激光和中紅外波段的第二級拉曼激光的反射率大于90％?；剞D(zhuǎn)反射鏡14安裝在平移裝置上并可沿光路方向高精度平移以改變反饋光路長度，滿足脈沖工作條件下的脈沖重疊條件，平移裝置可以采用現(xiàn)有的高精度平移平臺。

該可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器是一種緊湊、窄線寬、可調(diào)諧的光纖氣體拉曼激光器，其同時利用兩種氣體的拉曼頻移，將泵浦光輸出的近紅外激光波長進一步向中紅外方向拓展。在工作時，由近紅外可調(diào)諧激光泵浦源1產(chǎn)生的近紅外激光經(jīng)第一聚焦耦合透鏡3、雙色鏡4、輸入窗口5耦合至充有兩種拉曼增益混合氣體的空芯光纖2的纖芯中，泵浦光在纖芯中與其中的一種拉曼增益氣體相互作用發(fā)生受激拉曼散射產(chǎn)生第一級拉曼激光，第一級拉曼激光與第二種拉曼增益氣體相互作用發(fā)生受激拉曼散射產(chǎn)生中紅外波段的第二級拉曼激光，第一級拉曼激光與第二級拉曼激光通過輸出窗口8、準直透鏡9以及第一反射鏡10入射至耦合輸出鏡11，耦合輸出鏡11對第一級拉曼激光的透過率大于98％，對中紅外波段的第二級拉曼激光的反射率約為10％-90％，透過率約為90％-10％，從耦合輸出鏡11透射的第一級拉曼激光與中紅外波段第二級拉曼激光依次經(jīng)過第二反射鏡12、第三反射鏡13、回轉(zhuǎn)反射鏡14準直后再經(jīng)第二聚焦耦合透鏡15聚焦至雙色鏡4，再由雙色鏡4反射并經(jīng)過輸入窗口5透射耦合至空芯光纖2的纖芯中，使得第一級拉曼激光繼續(xù)與第二種拉曼增益氣體相互作用，可進一步提高中紅外波段的第二級拉曼激光的轉(zhuǎn)化效率，中紅外波段的第二級拉曼激光在這個空間結(jié)構(gòu)的環(huán)路中多次傳播形成諧振，可以降低泵浦閾值功率，提高轉(zhuǎn)化效率。

本實施例中，空芯光纖2采用傳輸帶特殊設計的反共振空芯光纖，其為微米量級的空芯結(jié)構(gòu)，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，并且被設計為在近紅外和中紅外具有多個傳輸帶，其傳輸損耗譜基于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(<0.5dB/m)，而在其它需要抑制的拉曼信號波長處有較高的傳輸損耗(>5dB/m)。

本實施例中，輸入窗口5和輸出窗口8均為鍍膜窗口，輸入窗口5和輸出窗口8對泵浦光、第一級拉曼激光和中紅外波段的第二級拉曼激光透過率均大于90％。

本實施例中，可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器還包括用于對輸入氣體腔6或輸出氣體腔7進行抽真空和充入兩種拉曼增益氣體的抽真空及充氣裝置16，該抽真空及充氣裝置16可以采用現(xiàn)有技術，其還可以配置進行氣壓監(jiān)測的監(jiān)測組件。

本實施例的，近紅外可調(diào)諧激光泵浦源1產(chǎn)生的泵浦光可為連續(xù)近紅外激光，也可為脈沖近紅外激光。當近紅外可調(diào)諧激光泵浦源1產(chǎn)生的泵浦光為脈沖近紅外激光時，可調(diào)諧中紅外光纖混合氣體級聯(lián)拉曼激光器工作在同步泵浦的脈沖狀態(tài)，在該狀態(tài)下，從雙色鏡4起依次經(jīng)輸入窗口5、輸入氣體腔6、空芯光纖2、輸出氣體腔7、輸出窗口8、準直透鏡9、第一反射鏡10、耦合輸出鏡11、反射鏡組、回轉(zhuǎn)反射鏡14、第二聚焦耦合透鏡15再回到雙色鏡4的環(huán)路的光學長度為L，該光學長度L可以由回轉(zhuǎn)反射鏡14在光路方向上的高精度平移進行調(diào)節(jié)，近紅外可調(diào)諧激光泵浦源1的重復頻率為M，L和M的對應關系滿足式(1)：

nL＝c/M (1)

式中，n為正整數(shù)，c為光在真空中傳播速度，L的單位為m，M的單位為Hz。

在該對應關系下，在反共振空芯光纖2中產(chǎn)生的第一級拉曼激光以及中紅外波段的第二級拉曼激光的任意一個脈沖在環(huán)路中傳播一個或多個周期后在雙色鏡4處與下一個泵浦激光脈沖重疊，可以降低兩級拉曼激光泵浦閾值，并提高轉(zhuǎn)化效率。

本實施例中，空芯光纖2、輸入氣體腔6和輸出氣體腔7內(nèi)的兩種以上拉曼增益氣體為常見拉曼氣體的組合，例如可以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，氣體的種類并不限于2種，可以是2種或者2種以上，當種類多于2種時，發(fā)生的受激拉曼散射級數(shù)也相應多于2級，直至產(chǎn)生中紅外波段拉曼激光。下面以氫氣與乙烷組合為例，說明第一級拉曼激光與中紅外波段的第二級拉曼激光的產(chǎn)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，一階斯托克斯波長可以通過式(2)得到

${\mathrm{\&lambda;}}_{out}=\frac{1}{1/{\mathrm{\&lambda;}}_{pump}\&times;{10}^9-\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}\&times;100}\&times;{10}^9---\left(2\right)$

式中，λ_out為受激拉曼散射過程中一階斯托克斯波長，單位為nm；λ_pump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(diào)諧激光泵浦源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乙烷時，泵浦光在空芯光纖2中先與氫氣相互作用發(fā)生受激拉曼散射產(chǎn)生第一級拉曼激光。氫氣的拉曼頻移為4155cm^-1，將泵浦波長與氫氣拉曼頻移代入式(2)可得第一級拉曼激光波長為1907nm。第一級拉曼激光1907nm做為第二次受激拉曼散射泵浦源與乙烷相互作用產(chǎn)生第二級拉曼激光，將1907nm和乙烷的拉曼頻移2954cm^-1代入式(2)中，可得第二級拉曼激光波長，也即本發(fā)明提出的可調(diào)諧中紅外光纖氣體拉曼激光器輸出激光的中心波長為4367nm。當近紅外可調(diào)諧激光泵浦源1的中心波長調(diào)諧時，由式(2)可以得到對應的第一級拉曼激光波長以及對應的本發(fā)明所提出的中紅外激光最終輸出激光的中心波長。

在兩級受激拉曼散射過程中，有可能會產(chǎn)生例如轉(zhuǎn)動拉曼、高階拉曼等競爭拉曼譜線，而且近紅外可調(diào)諧激光泵浦源1的泵浦光有可能先與乙烷相互作用發(fā)生受激拉曼散射產(chǎn)生1553nm的第一級拉曼激光。為防止這些情況的出現(xiàn)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2，圖3為自由邊界型反共振空芯光纖2，圖中光纖截面淺顏色區(qū)域為石英結(jié)構(gòu)，深顏色區(qū)域為空氣孔。反共振空芯光纖2的高損耗區(qū)域波長位置可以由(3)式得到。

${\mathrm{\&lambda;}}_m=\frac{2d}{m}\sqrt{n_2^2-n_1^2}---\left(3\right)$

式中，λ_m為共振波長，單位為nm，也即高傳輸損耗區(qū)域波長，d為包層毛細管壁厚度，單位為nm，m為正整數(shù)，n₂和n₁分別為包層石英和纖芯區(qū)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)、第一級拉曼激光波長λ₁(1907nm)以及本發(fā)明提出的激光器的最終輸出中心波長λ₂(4367nm)與光纖的傳輸譜的相對位置如圖4所示。從圖4可以看到，三種波長分別位于該光纖的三個傳輸帶中，泵浦光λ₀經(jīng)過兩種氣體的先后兩次拉曼頻移轉(zhuǎn)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(chǎn)生，最大限度地提高中紅外激光的轉(zhuǎn)化效率。

上述中心波長為1064nm的泵浦光也可以先與乙烷作用發(fā)生受激拉曼散射產(chǎn)生1553nm的第一級拉曼激光，此時只需要將圖4中的λ₁處的傳輸帶設計至1553nm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(2)計算得到兩級拉曼激光波長并合理調(diào)整空芯光纖2的傳輸帶即可。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例。對于本技術領域的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術構(gòu)思前提下所得到的改進和變換也應視為本發(fā)明的保護范圍。