專利名稱：一種光纖堿金屬蒸汽激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種光纖堿金屬蒸汽激光器。
背景技術(shù)：
光泵堿金屬蒸汽激光是最近幾年引起人們極大興趣和獲得快速發(fā)展的新型激光器件，兼有固體激光和氣體激光的優(yōu)點(diǎn)，有望獲得具有高質(zhì)量光束的高效高功率近紅外激光輸出，在激光冷卻、定向能量傳輸、材料處理和醫(yī)療磁共振成像系統(tǒng)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。與其他高功率激光器相比，光泵堿金屬蒸汽激光還具有量子效率高，增益介質(zhì)(氣體)光學(xué)性能好、線寬窄等優(yōu)點(diǎn)。如圖1所示，為二極管光泵浦銣、銫等堿金屬蒸汽激發(fā)激光的三能級示意圖。其中，堿金屬原子中電子受激吸收泵浦光時，從基態(tài)EO能級躍遷至激發(fā)態(tài)E2能級，然后處于E2能級的電子由于壽命極短，將迅速的弛豫至El能級，El能級的電子受激輻射產(chǎn)生激光，并隨之躍遷至基態(tài)EO能級。在實際激光器設(shè)計中，通常加入緩沖氣體氦和乙烷來提高激光器輸出性能。(I)由于泵浦光通常線寬達(dá)G赫茲級，遠(yuǎn)高于堿金屬原子吸收線寬，因此，在堿金屬蒸汽中加入氦展寬吸收譜，以利于提高泵浦光的利用率；(2)加入緩沖氣體乙烷增加電子從E2能級到El能級的弛豫速度，利于提高El能級和EO能級的粒子數(shù)之比。傳統(tǒng)的光泵堿金屬蒸汽激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計通常具有如圖2所示的結(jié)構(gòu)，圖2 (a)為端面光泵浦結(jié)構(gòu)，泵浦光P經(jīng)聚焦鏡I聚焦傳輸至光束分離器3向右傳輸，激勵蒸汽盒5(用來產(chǎn)生堿金屬蒸汽)中的工作物質(zhì)堿金屬蒸汽4至激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生激光，經(jīng)全反鏡6和透反鏡2組成的諧振腔振蕩放大后從 透反鏡2的端面輸出激光。圖2(b)為側(cè)面光泵浦結(jié)構(gòu)，工作原理大致與圖2(a)所示結(jié)構(gòu)類似。但傳統(tǒng)的光泵堿金屬蒸汽激光器諧振腔的復(fù)雜性，導(dǎo)致任何一個腔內(nèi)光學(xué)器件位置的微弱變化都可能會導(dǎo)致激光輸出性能的劣化。采用上述設(shè)計的光泵堿金屬蒸汽激光器通常具有不利移動，設(shè)備維護(hù)復(fù)雜，體積大等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種光纖堿金屬蒸汽激光器，旨在解決現(xiàn)有的激光器諧振腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致任何一個腔內(nèi)光學(xué)器件位置的微弱變化都可能會使得激光輸出性能劣化的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種光纖堿金屬蒸汽激光器，包括空芯光子晶體光纖、熔接于所述空芯光子晶體光纖一端的第一單模光纖、熔接于所述空芯光子晶體光纖另一端的第二單模光纖、刻蝕于所述第一單模光纖上的第一布拉格光柵、刻蝕于所述第二單模光纖上的第二布拉格光柵以及與所述第一單模光纖連接的泵浦光源；工作物質(zhì)均勻填充于所述空芯光子晶體光纖中，泵浦光源出射的泵浦光通過第一單模光纖耦合作用于所述工作物質(zhì)并產(chǎn)生受激種子激光，所述受激種子激光在第一布拉格光柵和第二布拉格光柵組成的諧振腔內(nèi)來回振蕩增益，并從所述第二單模光纖輸出連續(xù)的激光。更進(jìn)一步地，所述光纖堿金屬蒸汽激光器還包括加熱裝置，用于給所述工作物質(zhì)加熱并使得所述工作物質(zhì)為氣體狀態(tài)。更進(jìn)一步地，所述工作物質(zhì)為堿金屬蒸汽、氦和乙烷的混合氣體。更進(jìn)一步地，所述第一布拉格光柵對泵浦光的透射系數(shù)大于70%，所述第一布拉格光柵對受激激光的反射率大于95% ;所述第二布拉格光柵對泵浦光的反射系數(shù)大于70%,所述第二布拉格光柵對受激激光的透射率為30%-70%。更進(jìn)一步地，所述空芯光子晶體光纖為螺旋狀放置。更進(jìn)一步地，所述泵浦光源為激光二極管。更進(jìn)一步地，所述光纖堿金屬蒸汽激光器包括多個泵浦光源，多個泵浦光源分別通過多根單模光纖將泵浦光耦合至諧振腔。本發(fā)明提供的光纖堿金屬蒸汽激光器對光路的準(zhǔn)直性要求低；諧振腔與工作物質(zhì)一體化的設(shè)計免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、穩(wěn)定性高；整個設(shè)計體積小、重量輕，緊湊性好，利于移動；光纖端面輸出激光利于與外部光路f禹合。


圖1為堿金屬蒸汽 激發(fā)激光三能級圖；圖2為傳統(tǒng)光泵堿金屬蒸汽激光器結(jié)構(gòu)示意圖；(a)為端面光泵浦結(jié)構(gòu)；(b)為側(cè)面光泵浦結(jié)構(gòu)；圖3為本發(fā)明實施例提供的光纖堿金屬蒸汽激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實施例提供的空芯光子晶體光纖的端面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例提供的具有多路泵浦光源的光纖堿金屬蒸汽激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)光泵堿金屬蒸汽激光器諧振腔穩(wěn)定性能差的缺點(diǎn)，提供了一種光泵空芯光子晶體光纖堿金屬蒸汽激光器的設(shè)計。圖3示出了本發(fā)明實施例提供的光纖堿金屬蒸汽激光器的結(jié)構(gòu)，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分，詳述如下光纖堿金屬蒸汽激光器包括空芯光子晶體光纖7、熔接于空芯光子晶體光纖7 —端的第一單模光纖8、熔接于空芯光子晶體光纖7另一端的第二單模光纖9、刻蝕于第一單模光纖8上的第一布拉格光柵11、刻蝕于第二單模光纖9上的第二布拉格光柵12以及與第一單模光纖8連接的泵浦光源13 ;工作物質(zhì)均勻填充于空芯光子晶體光纖7中，泵浦光源13出射的泵浦光通過第一單模光纖8耦合作用于工作物質(zhì)并產(chǎn)生受激種子激光，受激種子激光在第一布拉格光柵11和第二布拉格光柵12組成的諧振腔內(nèi)來回振蕩增益，并從第二單模光纖9輸出連續(xù)的激光。
本發(fā)明提供的光纖堿金屬蒸汽激光器對光路的準(zhǔn)直性要求低；諧振腔與工作物質(zhì)一體化的設(shè)計免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、穩(wěn)定性高；整個設(shè)計體積小、重量輕，緊湊性好，利于移動；光纖端面輸出激光利于與外部光路的耦合。在本發(fā)明實施例中，光纖堿金屬蒸汽激光器還包括加熱裝置10，用于給工作物質(zhì)加熱并使得工作物質(zhì)為氣體狀態(tài)。工作物質(zhì)為堿金屬蒸汽、氦和乙烷的混合氣體。在空芯光子晶體光纖7內(nèi)密封工作物質(zhì)(堿金屬蒸汽、氦、乙烷)，采用兩截單模光纖分別熔接光子晶體光纖兩端，起到密封工作物質(zhì)的作用，并于兩截單模光纖上刻蝕布拉格光柵構(gòu)成諧振腔，泵浦方式采用端面光泵浦。在本發(fā)明實施例中，將堿金屬蒸汽、氦和乙烷混合氣體均勻填充于空芯光子晶體光纖7內(nèi)，空芯光子晶體光纖7兩端分別采用第一單模光纖8和第二單模光纖9熔接，以密封上述氣體物質(zhì)，單模光纖應(yīng)能同時傳輸泵浦光和輸出激光。米用加熱裝置10加熱工作物質(zhì)于700攝氏度左右以保持堿金屬處于氣體狀態(tài)。于第一單模光纖8上靠近光子晶體光纖處刻蝕第一布拉格光柵11，第一布拉格光柵11對泵浦光的透射系數(shù)大于70%,第一布拉格光柵11對受激激光的反射率大于95% ;于第二單模光纖9上靠近光子晶體光纖處刻蝕第二布拉格光柵12,第二布拉格光柵12對泵浦光的反射系數(shù)大于70%,第二布拉格光柵12對受激激光的透射率為30%-70%。第一布拉格光柵11和第二布拉格光柵12構(gòu)成系統(tǒng)諧振腔,激光于第二布拉格光柵12右側(cè)輸出；該激光器米用的泵浦光源為激光二極管13,通過第一單模光纖8耦合泵浦光于諧振腔內(nèi)。本發(fā)明要求使用的空芯光子晶體光纖7能同時傳輸對應(yīng)堿金屬蒸汽的泵浦光和激發(fā)激光。如圖4示出了一種常見的空芯光子晶體光纖7的端面結(jié)構(gòu)，該空芯光子晶體光纖7上周期性分布的圓孔均為空氣孔，中心缺陷處為一個大的空氣孔用來傳光，其余介質(zhì)為石英玻璃，最外層附有一層涂層起保護(hù)作用。此種空芯光子晶體光纖7的典型特性為光子禁帶特性，即只能傳輸特定頻帶的光。當(dāng)它的相鄰的周期性空氣孔距離a，周期性空氣孔直徑d,中心大空氣孔直徑D滿足條件(d/a=0. 85, a=3 μ m, D=IO μ m)時,能滿足上述條件。在本發(fā)明實施例 中，如圖5所示，光纖堿金屬蒸汽激光器包括多個泵浦光源，多個泵浦光源分別通過多根單模光纖將泵浦光耦合至諧振腔。采用多個泵浦光源從光纖端面耦合入諧振腔可以提高泵浦光的功率。為了更進(jìn)一步地說明本發(fā)明實施例提供的光纖堿金屬蒸汽激光器，現(xiàn)結(jié)合具體實例詳述如下光纖堿金屬蒸汽激光器包括三部分工作物質(zhì)結(jié)構(gòu)、諧振腔和泵浦光源。其中工作物質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下將堿金屬蒸汽、氦、乙烷混合氣體填充均勻于空芯光子晶體光纖7內(nèi)，該空芯光子晶體光纖7的放置狀態(tài)采用彎曲纏繞放置為佳，這樣既能使整個結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，同時能有效的抑制高階模式?？招竟庾泳w光纖7兩端分別采用第一單模光纖8和第二單模光纖9熔接，以密封上述氣體物質(zhì)于空芯光子晶體光纖7內(nèi)部，單模光纖應(yīng)能同時傳輸泵浦光和輸出激光。采用加熱裝置10加熱工作物質(zhì)至700-1000攝氏度以保持堿金屬處于氣體狀態(tài)。本發(fā)明要求使用的光子晶體光纖能同時傳輸對應(yīng)堿金屬蒸汽的泵浦光和激發(fā)激光。以工作物質(zhì)堿金屬銣為例，它的泵浦光為780. 25nm，激發(fā)光為794. 98nm，要求上述空芯光子晶體光纖能夠傳輸780. 25nm和794. 98nm的光。采用圖4所示結(jié)構(gòu)的空芯光子晶體光纖，諧振腔由第一布拉格光柵11和第二布拉格光柵12組成。第一布拉格光柵11刻蝕于第一單模光纖8上靠近光子晶體光纖處，要求光柵對泵浦光透射系數(shù)大于70%，對受激激光反射率大于95% ;第二布拉格光柵12刻蝕于第二單模光纖9上靠近光子晶體光纖處,要求光柵對泵浦光反射系數(shù)大于70%,對受激激光透射率為30%-70%。上述第一布拉格光柵11和第二布拉格光柵12分別構(gòu)成激光器的反射鏡和輸出鏡，激光從第二布拉格光柵12右端輸出。泵浦光源采用激光二極管，將它置于第一單模光纖8左端，與第一單模光纖8熔接耦合在一起。采用多泵浦光源設(shè)計方案可顯著提高泵浦光的輸入功率。其中多個泵浦光源通過多根單模光纖將泵浦光耦合入諧振腔。

激光器的工作原理為泵浦光通過單模光纖耦合作用于工作物質(zhì)產(chǎn)生受激種子激光，受激種子激光在兩個布拉格光柵組成的諧振腔內(nèi)來回振蕩增益，在第二布拉格光柵12右端獲得連續(xù)的激光輸出。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光纖堿金屬蒸汽激光器，其特征在于，包括空芯光子晶體光纖、熔接于所述空芯光子晶體光纖一端的第一單模光纖、熔接于所述空芯光子晶體光纖另一端的第二單模光纖、刻蝕于所述第一單模光纖上的第一布拉格光柵、刻蝕于所述第二單模光纖上的第二布拉格光柵以及與所述第一單模光纖連接的泵浦光源； 工作物質(zhì)均勻填充于所述空芯光子晶體光纖中，泵浦光源出射的泵浦光通過第一單模光纖耦合作用于所述工作物質(zhì)并產(chǎn)生受激種子激光，所述受激種子激光在第一布拉格光柵和第二布拉格光柵組成的諧振腔內(nèi)來回振蕩增益，并從所述第二單模光纖輸出連續(xù)的激光。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖堿金屬蒸汽激光器，其特征在于，所述光纖堿金屬蒸汽激光器還包括加熱裝置，用于給所述工作物質(zhì)加熱并使得所述工作物質(zhì)為氣體狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖堿金屬蒸汽激光器，其特征在于，所述工作物質(zhì)為堿金屬蒸汽、氦和乙烷的混合氣體。
4.如權(quán)利要求1所述的光纖堿金屬蒸汽激光器，其特征在于，所述第一布拉格光柵對泵浦光的透射系數(shù)大于70%,所述第一布拉格光柵對受激激光的反射率大于95% ;所述第二布拉格光柵對泵浦光的反射系數(shù)大于70%,所述第二布拉格光柵對受激激光的透射率為30%-70%。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖堿金屬蒸汽激光器，其特征在于，所述空芯光子晶體光纖為螺旋狀放置。
6.如權(quán)利要求1所述的光纖堿金屬蒸汽激光器，其特征在于，所述泵浦光源為激光二極管。
7.如權(quán)利要求1或6所述的光纖堿金屬蒸汽激光器,其特征在于,所述光纖堿金屬蒸汽激光器包括多個泵浦光源，多個泵浦光源分別通過多根單模光纖將泵浦光耦合至諧振腔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖堿金屬蒸汽激光器，包括空芯光子晶體光纖、第一單模光纖、第二單模光纖、刻蝕于第一單模光纖上的第一布拉格光柵、刻蝕于第二單模光纖上的第二布拉格光柵以及與第一單模光纖連接的泵浦光源；工作物質(zhì)均勻填充于空芯光子晶體光纖中，泵浦光源出射的泵浦光通過第一單模光纖耦合作用于工作物質(zhì)并產(chǎn)生受激種子激光，受激種子激光在第一布拉格光柵和第二布拉格光柵組成的諧振腔內(nèi)來回振蕩增益，并從第二單模光纖輸出連續(xù)的激光。本發(fā)明提供的光纖堿金屬蒸汽激光器對光路的準(zhǔn)直性要求低；諧振腔與工作物質(zhì)一體化的設(shè)計免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、穩(wěn)定性高；整個設(shè)計體積小、重量輕，緊湊性好，利于移動；光纖端面輸出激光利于與外部光路耦合。
文檔編號H01S3/08GK103066490SQ20121053493
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者徐權(quán)正, 王新兵, 左都羅, 陸培祥 申請人:華中科技大學(xué)