[发明专利]一种二氧化碳红外空芯光纤激光器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电子和器件领域，尤其涉及二氧化碳红外空芯光纤激光器及其制作方法。

背景技术

长波红外电磁波，尤其是波长处于第二大气窗口(8-14μm)的CO₂激光在军事和民用中 占有重要地位。CO₂激光谱线丰富，在9.1-11.3微米范围内约有140条谱线，而且谱线线宽 窄，再加之CO₂激光器能量转换效率和输出功率较高，该激光可被应用于主动式红外激光探 测、激光生命医疗、窄禁带半导体电子自旋调控、激光武器、激光点火、材料成型加工和长 波红外信息传输等领域。

二氧化碳激光器是以CO₂气体作为气体工作物质的气体激光器。传统箱式二氧化碳激光 器一般采用厚度数毫米的硬质玻璃、陶瓷或金属材质做成长方形或圆形腔体结构，并在两端 加上反射镜和半反射镜，充入CO₂及其他辅助气体，通过高压直流、射频、微波等激励方式 使气体放电实现粒子数反转输出激光。传统箱式二氧化碳激光器的体积约为几立方分米到数 立方米，重量约为数十公斤到数千公斤。箱式二氧化碳激光器内部的谐振腔采用的是硬质的 玻璃、陶瓷或金属腔体，二氧化碳激光的输出功率与其在谐振腔内受激励的长度成正比，因 此为了获得高功率的二氧化碳激光必须选用更长的玻璃、陶瓷或金属腔体，这些腔体本身无 法弯曲，因此进一步增加了箱式二氧化碳激光器的体积。采用多根玻璃、陶瓷或金属管并列 虽然可以减小体积，但又需要在每根管的末端设置一系列反射镜改变光路，使结构复杂化。 箱式二氧化碳激光器通过外接光纤实现激光输出与传导。由于二氧化碳激光是高能量激光， 因此传导时要求箱式二氧化碳激光器与光纤精确耦合，否则会导致激光泄漏或光纤烧毁，降 低使用系统的稳定性。并且，由于CO₂激光处于9.1-11.3微米的长波范围，不能用常规的石 英光纤来进行传输。导光臂是其主要的传输手段之一，但其灵活性受到较大的限制。

多年来，科学家们也一直针对CO₂激光的传输问题开展了红外实芯光纤(硫化物、卤化 物和氟化物光纤)、空芯光纤和光子晶体光纤的研究。其中空芯光纤以空气为传输介质，结构 简单，无终端反射。空芯光纤有泄漏型和全反射型两种。泄漏型空芯光纤依靠金属对光的镜 面反射实现CO₂激光的传输。全反射型空芯光纤是根据光由空气射向折射率(n_r)小于1的 反射膜产生全反射的原理实现CO₂激光的传输。目前开发的电介质/金属泄漏型空芯光纤和氧 化铝、氧化锗等全反射空芯光纤也已经达到了实用化的程度。在实际使用中一般是把这些光 纤作为外光路与传统的箱式CO₂激光器对接，实现光束传输。由于外光路在使用过程中较容 易受到外界振动和冲击的影响，每次设备开始或使用过程中都要进行光路调整，降低了设备 工作的稳定性。

近年来，实芯光纤激光器的出现实现了激光器的小型化和集约化，几乎能够实现激光器 的产生与传导的“无缝对接”，提高了设备工作的稳定性和精确度。但是目前开发的光纤激光 器主要是基于掺稀土元素实芯玻璃光纤且波长处于近红外，比如S-波段(1460～1530nm)、C- 波段(1530～1565nm)、L-波段(1565～1610nm)等，都是通过泵浦光作为激励而形成高功率的激 光。目前还没有利用气体工作物质，以射频信号等非泵浦光源激励的方式实现输出9.1-11.3 微米二氧化碳激光的光纤激光器。

发明内容

本发明提出了一种二氧化碳红外空芯光纤激光器，包括：空芯光纤，所述空芯光纤分为 谐振腔，以及与所述谐振腔成一体设置的传导部；所述谐振腔成笔直、折叠或卷绕形状设置； 安装在所述谐振腔的一端的全反射镜；安装在所述谐振腔另一端的半反射镜；填充在所述谐 振腔内的气体工作物质；及设置在所述全反射镜和所述半反射镜之间的激励系统；所述激励 系统为射频激励系统、高压直流电激励系统或微波激励系统；所述激励系统以非泵浦光源激 励的方式对所述气体工作物质产生激励，所述气体工作物质发生能级跃迁实现粒子数反转在 所述谐振腔内产生激光，所述激光透过所述半反射镜入射到所述传导部内进行传导。