[发明专利]一种可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器

说明书

技术领域

本发明属于激光器技术领域，涉及一种基于空芯光纤中气体级联受激拉曼散射效应、可产生3～5μm波段调谐中红外激光输出的新型激光器。

背景技术

3～5μm波段中红外激光器由于其波长处于大气传输窗口，适合在大气中远距离传输，因此在红外对抗、激光雷达等军事领域以及激光光谱实验、大气环境监测等民用技术领域都有重要的应用价值，一直以来都是国际研究的热点。

目前获得中红外激光的传统技术手段主要包括气体分子吸收跃迁以及非线性变频技术。

化学激光器就是利用HF、DF分子的泛频吸收和基频跃迁产生2.7μm以及3.8μm的中红外激光输出，可以达到兆瓦功率水平，而且具有很好的光束质量。但是，化学激光器需要复杂而庞大的真空尾气处理系统，体积巨大，机动性差，限制了化学激光器的应用。

光参量振荡是目前获得中红外输出的一种重要非线性变频技术手段，通过目前高度商业化的1064nm激光泵浦非线性晶体，可以获得整个中红外波段的宽调谐输出，但受限于固体非线性晶体的损伤阈值较低，中红外光参量振荡激光器功率水平一直没有得到大的提升。

拉曼散射是另一种重要的获取中红外激光的非线性变频手段，而且转换效率非常高，固体拉曼激光器量子转换效率甚至可以达到接近100％。但是，固体拉曼介质的拉曼频移系数比较小，基本只有几百个波数的拉曼频移，所以需要通过多级级联拉曼才能实现中红外输出，拉曼转换效率随着拉曼级数的增加而降低，因此中红外级联拉曼固体激光器的转换效率一般都很低。

相比于固体拉曼介质，气体拉曼介质具有更大的拉曼频移系数，比如氢气的振动拉曼频移系数为4155cm^-1，通过二阶甚至只要一阶拉曼就可以实现近红外到中红外的频率变换。传统的气体拉曼激光器一般采用气体腔，气体腔中泵浦激光与拉曼介质的相互距离很短，导致阈值泵浦功率非常高，甚至需要兆瓦的功率水平才能达到泵浦阈值。此外，由于不可避免地产生多级拉曼信号，使得到特定波长的拉曼转换效率非常低。

发明内容

现有技术中采用固体拉曼介质实现中红外输出需要许多级拉曼变频从而导致拉曼转换效率很低的缺点。而传统气体腔结构中，由于泵浦激光与拉曼气体作用距离很短导致泵浦阈值很高，实现气体拉曼中红外激光输出需要非常高的泵浦功率。为了克服现有技术中的以上缺陷，本发明结合了气体拉曼频移系数大，实现中红外输出只需要一到二阶拉曼散射的优点，以及空芯光纤中泵浦激光与拉曼介质有效作用距离长、拉曼阈值低、拉曼转换效率高的优点。在此基础上，本发明提出了一种可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器。

本发明采用的技术方案是：

一种可实现3～5μm波段调谐的光纤气体级联拉曼激光器，其是以1μm波段可调谐激光产生装置为泵浦源，通过同种气体或两种不同气体的级联受激拉曼散射产生3～5μm波段可调谐的中红外激光输出。该激光器包括1μm波段可调谐泵浦源、第一级气体拉曼激光产生装置和第二级气体拉曼激光产生装置，所述第一级气体拉曼激光产生装置将1μm波段可调谐泵浦源产生的1μm的泵浦激光转化成第一级拉曼散射激光，所述第一级拉曼散射激光为1.5μm波段或者2μm波段的激光；所述第二级气体拉曼激光产生装置将第一级拉曼散射激光转化成第二级拉曼散射激光，第二级拉曼散射激光为3～5μm波段可调谐的中红外激光。

第一级气体拉曼激光产生装置将1μm波段可调谐泵浦源产生的1μm的泵浦激光耦合进第一级拉曼激光产生装置中一段充有第一级拉曼气体的空芯光纤中，通过第一级拉曼气体分子的受激拉曼散射将1μm波段的激光转换到1.5μm波段或2μm波段的第一级拉曼散射激光；再将产生的第一级拉曼激光耦合到第二级拉曼激光产生装置中一段充有第二级拉曼气体的空芯光纤中，利用第二级拉曼气体分子的受激拉曼散射产生第二级3～5μm波段可调谐的中红外激光。

本发明的其第一级拉曼激光产生装置采用的空芯光纤的传输谱满足：泵浦波长λ₀为1μm、拉曼激光波长λ₁为1.5μm或者2μm，泵浦波长和拉曼激光波长位于空芯光纤传输谱中。第二级拉曼激光产生装置采用的空芯光纤的传输谱满足：泵浦波长λ₀为1.5μm或者2μm、拉曼激光波长λ₁为3～5μm，泵浦波长和拉曼激光波长同样位于空芯光纤传输谱中。

第一级拉曼气体为一种烷烃类气体或氢气。所述烷烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯等。