本發(fā)明涉及超快激光，涉及一種基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置。該裝置可實現(xiàn)高功率中紅外超快激光柔性傳輸。

背景技術(shù)：

1、中紅外波段包含3-5微米及8-12微米的大氣傳輸窗口,是中紅外激光遠距離探測與遙感應(yīng)用的重要波段。

2、而光纖作為一種中紅外激光產(chǎn)生、頻率轉(zhuǎn)換、傳輸介質(zhì)。可以提高產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換效率，而且可以使光學(xué)系統(tǒng)更加緊湊、便捷。目前發(fā)展最為成熟的石英基實芯光纖由于它光譜范圍受石英透明窗口(約500-2000nm)的限制，不適用于中紅外波段。而以氟化物玻璃、硫系玻璃等軟玻璃材料為基底的光纖雖然具有寬導(dǎo)光窗口、低傳輸效率等特點，但制備要求和難度于石英光纖相比相對較高?，F(xiàn)如今一種新型的微結(jié)構(gòu)光纖——反諧振空芯光纖利用光在光纖內(nèi)的管狀玻璃薄膜間來回相干反射將光限制在空氣芯附近并沿軸線傳輸，相比傳統(tǒng)光纖和其他微結(jié)構(gòu)光纖，具備大模場面積、高損傷閾值、低非線性、可調(diào)節(jié)色散、自由控制纖芯氣體種類和成分等優(yōu)點，十分適合作為超快激光傳輸?shù)妮d體，其獨特的性質(zhì)為超快激光的傳輸提供了新的可能性。

3、中紅外波段也涵蓋分子“指紋”區(qū)，對應(yīng)多種重要分子的特征吸收譜，覆蓋了水、二氧化碳和其他物質(zhì)的強共振峰，在激光通信、環(huán)境檢測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是在超快激光領(lǐng)域，水、二氧化碳等大氣分子吸收帶會對中紅外超快激光系統(tǒng)性能帶來不利影響，例如脈沖畸變、光束衰減等等，很大程度限制了中紅外超快激光的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明克服上述大氣分子對中紅外超快激光傳輸?shù)挠绊?，提供一種基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置。該裝置可以實現(xiàn)低插入損耗、高光束質(zhì)量、高功率十米量級中紅外超快激光傳能。

2、這種裝置利用空芯光纖的中空特性，將光線約束在光纖內(nèi)部傳輸?shù)耐瑫r，可將空芯光纖內(nèi)部的空氣抽出，可克服大氣對中紅外超快激光的影響。本發(fā)明的實現(xiàn)過程為同時對載有空芯光纖的氣室抽氣，激光透過前端封頭進入空芯光纖，在空芯光纖中傳播，出射光經(jīng)過兩偏振片后傳導(dǎo)至激光脈沖測量裝置，最后實現(xiàn)對輸出激光的測量。

3、一種基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置，其特點在于，包括：中紅外超快激光光源，用于產(chǎn)生中紅外超快激光；以及沿激光傳輸方向依次設(shè)置的多個色散補償窗片，用于補償激光傳輸過程中的色散；

4、第一聚焦透鏡，用于聚焦激光脈沖，其焦距為使激光脈沖聚焦后的焦斑1/e2處的直徑為空芯光纖內(nèi)徑的0.64倍，以實現(xiàn)高效耦合；

5、空芯光纖，用于傳輸中紅外超快激光；

6、準(zhǔn)直透鏡，用于將經(jīng)所述空芯光纖輸出的激光光斑準(zhǔn)直為平行光；

7、偏振調(diào)節(jié)單元，用于調(diào)節(jié)輸出脈沖的形狀；

8、第二聚焦透鏡，用于將調(diào)節(jié)后的激光脈沖聚焦；以及，

9、第一氣室，用于容納空芯光纖的前端部分，并連接第一氣體控制單元，從而控制第一氣室內(nèi)的氣壓；

10、第二氣室，用于容納空芯光纖的后端部分，并連接第二氣體控制單元，從而控制第二氣室內(nèi)的氣壓；其中，

11、所述第一氣室和第二氣室均為密封氣腔，且入光面與出光面均設(shè)有光學(xué)窗片，用于密封氣室并允許激光通過；

12、通過所述第一氣體控制單元和第二氣體控制單元對所述第一氣室和第二氣室抽氣，從而將兩氣室及空芯光纖中空氣抽出，實現(xiàn)空芯光纖高真空度。

13、進一步，所述第一氣室和第二氣室均為方形腔體，前后端設(shè)有前端封頭、上端封蓋，通過螺絲緊密連接以保證良好的氣密性；所述方形腔體內(nèi)部設(shè)有供空芯光纖固定的v型槽。

14、進一步，所述第一氣室和第二氣室均由兩個平移臺支撐，通過調(diào)節(jié)平移臺，確保入射脈沖與氣室軸線重合。

15、進一步，所述光學(xué)窗片為caf2窗片。

16、進一步，所述多個色散補償窗片包括至少一個ge窗片和多個znse窗片。

17、進一步，通過計算空芯光纖的啁啾量，并選擇合適厚度的色散補償窗片，有效優(yōu)化了激光傳輸過程中的波導(dǎo)色散，提高了激光脈沖的傳輸質(zhì)量。

18、進一步，還包括置于所述第二聚焦透鏡后的脈沖測量裝置，由光譜儀和自相關(guān)儀組成，用于測量激光脈沖的時頻域特性。

19、進一步，所述空芯光纖環(huán)繞直徑大于40cm，以減少彎曲損耗。

20、進一步，所述第一聚焦透鏡的焦距為150mm，用于將激光脈沖聚焦到芯徑為110μm的空芯光纖中。

21、優(yōu)選的，中紅外超快激光光源能夠產(chǎn)生具有2780nm中心波長、約60fs脈沖寬度和30mhz重復(fù)頻率的初始激光脈沖，這為后續(xù)的激光傳輸和實驗提供了高質(zhì)量的光源基礎(chǔ)。

22、優(yōu)選的，第一聚焦透鏡的焦距為使激光脈沖聚焦后的焦斑1/e2處的直徑為空芯光纖內(nèi)徑的0.64倍；使得激光脈沖聚焦后的焦斑大小與空芯光纖內(nèi)徑達到最佳匹配，理論耦合效率高達0.98，從而實現(xiàn)了激光脈沖的高效耦合。

23、優(yōu)選的，色散補償窗片包括caf2、ge、znse補償空芯光纖引入的波導(dǎo)色散。

24、優(yōu)選的，第一氣室和第二氣室的空芯光纖孔略大于空芯光纖的外徑，空芯光纖插入后以紫外固化膠填充保證氣密性。

25、優(yōu)選的，氣室的前端封口由光學(xué)窗片、橡膠o圈通過螺紋密封，氣體控制單元在連接前需確保良好的氣密性。

26、優(yōu)選的，光學(xué)窗片、準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡均為caf2制成。

27、優(yōu)選的，空芯光纖長度約5m，以直徑為40cm環(huán)繞在面包板上，裝置可依托單張光學(xué)平臺實現(xiàn)緊湊靈活運行。

28、優(yōu)選的，半波片與四分之一波片配合使用組成偏振調(diào)節(jié)單元。

29、其工作過程如下：

30、激光光源輸出初始激光脈沖，經(jīng)過色散補償窗片，經(jīng)過第一聚焦透鏡和第一氣室caf2窗片聚焦并耦合進入空芯光纖中，空芯光纖前端通過第一氣室的空芯光纖孔，空芯光纖后端通過第二氣室的空芯光纖孔，經(jīng)過第二氣室caf2窗片輸出，經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡將光纖輸出光斑準(zhǔn)直為平行光，再經(jīng)過半波片和四分之一波片調(diào)節(jié)輸出脈沖的形狀，隨后經(jīng)過第二聚焦透鏡耦合至脈沖測量裝置進行測量。在激光系統(tǒng)運行時需要將真空泵同時與氣室快插接頭連接，同時對第一氣室與第二氣室進行抽氣，在可實現(xiàn)高能量、十米量級超快激光脈沖柔性傳輸。

31、綜上所述，本發(fā)明的優(yōu)點歸納如下：

32、本發(fā)明基于空芯反諧振光纖的超快激光脈沖傳輸裝置，具有輸出能量可調(diào)節(jié)、相干性優(yōu)異、輸出功率高穩(wěn)定的顯著特點。

33、通過對空芯光纖進行抽真空處理，本發(fā)明極大提高了中紅外超快激光傳輸效率及輸出光束質(zhì)量。

34、此外，本發(fā)明裝置具有廣泛的適應(yīng)性，能夠兼容任何寬譜中紅外超快光源，通過脈沖壓縮和色散補償技術(shù)，實現(xiàn)了低損耗的飛秒激光傳輸。

35、在科學(xué)研究和實際應(yīng)用方面，本發(fā)明兼顧了探索性和實用性。實驗裝置設(shè)計科學(xué)合理，成本得到有效控制，且維護簡便，大大降低了使用門檻。同時，該裝置還具備小型化、柔性傳輸?shù)耐怀鰞?yōu)勢，為激光技術(shù)的應(yīng)用開辟了新的可能性。

技術(shù)特征：

1.一種基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置，其特征在于，包括：中紅外超快激光光源(1)，用于產(chǎn)生中紅外超快激光；以及沿激光傳輸方向依次設(shè)置的多個色散補償窗片，用于補償激光傳輸過程中的色散；

2.根據(jù)據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置，其特征在于，所述第一氣室(10)和第二氣室(14)均為方形腔體，前后端設(shè)有前端封頭、上端封蓋，通過螺絲緊密連接以保證良好的氣密性；所述方形腔體內(nèi)部設(shè)有供空芯光纖固定的v型槽。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置，其特征在于，所述第一氣室(10)和第二氣室(14)均由兩個平移臺支撐，通過調(diào)節(jié)平移臺，確保入射脈沖與氣室軸線重合。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置，其特征在于，所述光學(xué)窗片為caf2窗片。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置，其特征在于，所述多個色散補償窗片包括至少一個ge窗片和多個znse窗片。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置，其特征在于，所述色散補償窗片的厚度經(jīng)過計算選擇，以優(yōu)化對空芯光纖引入的波導(dǎo)色散的補償。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置，其特征在于，還包括置于所述第二聚焦透鏡后的脈沖測量裝置(18)，由光譜儀和自相關(guān)儀組成，用于測量激光脈沖的時頻域特性。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置，其特征在于，所述空芯光纖(11)環(huán)繞直徑大于60cm，以減少彎曲損耗。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置，其特征在于，所述第一聚焦透鏡(8)的焦距為150mm，用于將激光脈沖聚焦到芯徑為110μm的空芯光纖中。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空芯反諧振光纖的中紅外超快激光傳輸裝置，其特征在于，所述偏振調(diào)節(jié)單元，包括四分之一波片(17)和二分之一波片(18)。

技術(shù)總結(jié)
本專發(fā)明屬于飛秒激光技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于空芯反諧振光纖超快激光傳輸系統(tǒng)，公開了一種將空芯光纖真空及氣體填充的方法。該系統(tǒng)包括中紅外超快激光光源、反射鏡、聚焦透鏡、光纖固定件、第一氣室、空芯反諧振光纖、第二氣室。利用光纖固定件、氣室和窗片實現(xiàn)光纖輸入輸出兩端提供一個密閉、穩(wěn)定，干燥的環(huán)境，通過對兩端氣室抽氣，將氣室及空芯光纖中空氣抽出，實現(xiàn)空芯光纖高真空度。本發(fā)明具有傳輸效率高，傳輸光束質(zhì)量好的優(yōu)點。應(yīng)用本裝置可以實現(xiàn)更高功率中紅外超快激光柔性傳輸。

技術(shù)研發(fā)人員：滕岳汶,龐盟,黃家鵬,林偉,李澤卿,孫偉義,陳麗明
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9