專利名稱：THz拉曼光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太赫茲輻射源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖激光器。
背景技術(shù)：
一般來說，THz波的波長在0.03mm lmm之間，相應(yīng)的頻率范圍為 0.3THz 10THz，是介于毫米波與紅外光之間的電磁輻射，是電磁波譜中最后一 個(gè)需要全面研究的波段。由于物質(zhì)在THz波段的發(fā)射、反射和透射光譜中包含了 豐富的物理和化學(xué)信息，因此THz波在物理、化學(xué)、天文、分子光譜、生命和醫(yī) 藥科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及醫(yī)學(xué)成像、環(huán)境監(jiān)測、材料檢測、食品檢測、射電 天文、移動(dòng)通訊、衛(wèi)星通信和軍用雷達(dá)等應(yīng)用研究領(lǐng)域均有重大的科學(xué)研究價(jià)值 和廣闊的應(yīng)用前景。
目前，THz波研究領(lǐng)域中比較重要的基本問題包括THz波輻射源；THz波 探測技術(shù)；THz波本身特性以及THz波與物質(zhì)相互作用。其中，對THz波輻射 源的研究是THz技術(shù)領(lǐng)域科技發(fā)展的核心研究內(nèi)容。THz輻射源根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理的 不同可分為兩大類基于電子學(xué)的THz輻射源和基于光學(xué)的THz輻射源?；?光學(xué)的THz輻射源主要包括利用超短激光脈沖產(chǎn)生THz輻射；利用非線性頻 率變換產(chǎn)生THz波;基于光泵氣體分子產(chǎn)生THz激光源(簡稱光泵THz激光器)。 與本申請最接近的技術(shù)是普通光泵THz激光器，它是采用紅外激光泵浦發(fā)生器中 的氣體分子產(chǎn)生受激輻射形成THz激光，最大平均輸出功率已經(jīng)達(dá)到800mW(波 長118pm)，光一光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)0.727% (M. S. Tobin, A review of optically pumped NMMW lasers, Proc. IEEE, 73(1): 61 - 85， 1985)，且光束質(zhì)量較好，并能 夠持續(xù)穩(wěn)定輸出，而其它的光學(xué)方法目前最大的平均輸出功率僅為微瓦量級(jí)，光 一光轉(zhuǎn)換效率小于0.1%，因此光泵THz激光器在實(shí)現(xiàn)高功率太赫茲輻射方面具
3有很大的潛力。例如，在南極建立的移動(dòng)天文站和在衛(wèi)星上搭載使用的都是這種
光泵THz激光器。這種激光器的基本基本組成部分是泵浦源和THz波激光發(fā)生 器，優(yōu)點(diǎn)是，輸出的光束質(zhì)量較好，輸出功率較高，并能夠持續(xù)穩(wěn)定輸出，缺點(diǎn) 是由于THz波激光發(fā)生器采用較粗的石英管或大容器，僅THz波激光發(fā)生管的 長度一般在2米以上，直徑在30mm 50mm左右，不能彎曲，不易移動(dòng)，且其支 撐架也比較龐大笨重，使用十分不便，在一定程度上影響了光泵THz波激光器的 實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。
近年來，人們也進(jìn)行了 THz波激光發(fā)生器小型化研究，主要是將THz波激 光器長度變短，但變短后THz信號(hào)相對較弱，達(dá)不到使用要求，難以在科技領(lǐng)域 廣泛推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種輸出光束質(zhì)量較好，輸出功率較高，并能夠持續(xù)穩(wěn) 定輸出的且體積小的THz拉曼光纖激光器。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的THz拉曼光纖激光器由泵浦源、耦合系統(tǒng)和光纖 組成，其中
所述的光纖是金屬鍍層氣芯光纖，它是在金屬鍍層空芯光纖纖芯充有一定氣 壓的THz活性氣體，要求這些活性氣體是吸收10(im附近激光(比如(302或N20 激光器)產(chǎn)生THz波段輻射的氣體，如，氨氣皿3,甲基氟CH3F等，在金屬鍍 層氣芯光纖前后兩端加裝封帽，要求封帽端頭與金屬鍍層空芯光纖的端頭平行， 前封帽材料對紅外激光有較高透過率，如ZnSe或BaF2或NaCl晶片，后封帽材 料能有效地濾除中紅外信號(hào)，而對THz波有良好的透過性，如聚四氟乙烯(Teflon) 或聚乙烯，用于輸出THz激光。
所述的的泵浦源為射頻運(yùn)轉(zhuǎn)的CCb或N20激光器，在激光器后加頻率選擇 元件，如旋轉(zhuǎn)金屬光柵，可實(shí)現(xiàn)THz波的調(diào)諧輸出；所述的耦合系統(tǒng)為紅外激光(比如C02或N20激光)透鏡組耦合系統(tǒng)，對 泵浦光有80%以上的透過率，該透鏡組將C02或N20激光的光腰尺寸和發(fā)散角 調(diào)整為合適的參數(shù)，以提高泵浦效率。
本發(fā)明的工作原理是紅外激光經(jīng)耦合系統(tǒng)耦合進(jìn)入THz光纖纖芯，使纖芯 激活氣體發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這個(gè)過程伴隨較弱的自發(fā)輻射，當(dāng)泵浦功率超過拉曼 激光器的閼值，纖芯激活氣體中就會(huì)發(fā)生受激拉曼散射，THz波在光纖內(nèi)加強(qiáng)后 經(jīng)光纖輸出端輸出，并且還可以通過對泵浦光選線，改變泵浦光的波長，從而得 到可調(diào)諧的THz波輸出。
本發(fā)明的THz拉曼光纖激光器，在低損耗的金屬鍍層氣芯THz光纖中充入 低壓THz活性氣體，制成THz活性光纖，代替粗重的石英管或大容器，用紅外 激光泵浦光纖產(chǎn)生THz波。由于光纖側(cè)面的對泵浦光的反射作用，泵浦光在光纖 中的有效路徑大大增加了，與石英管或大容器相比，相同長度的光纖效率更高， 而且由于光纖質(zhì)量輕、體積小和可彎曲的特性，使整套儀器更緊湊、靈活。這種 THz光纖激光器能夠室溫運(yùn)轉(zhuǎn)、可調(diào)諧、光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高，可以通過光 纖輸出使THz波直達(dá)目標(biāo)位置，緊湊、靈活、魯棒、便攜，集成了光泵氣體分子 激光器和全固態(tài)光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)，是其它的太赫茲輻射源不可比擬的。本發(fā)明 氣芯光纖的長度可根據(jù)光纖的參數(shù)和活性氣體的相關(guān)參數(shù)選取，在芯內(nèi)氣體量一 定的情況下，在一定范圍內(nèi)可通過溫度控制光纖溫度的方法控制芯內(nèi)氣體的壓 強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明金屬鍍層氣芯光纖的截面圖3是本發(fā)明金屬鍍層氣芯光纖前封帽結(jié)構(gòu)圖4是本發(fā)明金屬鍍層氣芯光纖抽氣充氣裝置結(jié)構(gòu)圖。圖5是本發(fā)明金屬鍍層氣芯光纖抽氣充氣時(shí)的組裝示意圖。，
圖中1-泵浦源，2-耦合系統(tǒng)，3-THz光纖，4-THz波，5_外波導(dǎo)層，6-
金屬鍍層，7-氣芯，8-氣體容器，9-氣體容器塑料封口， 10-窗口， 11-封口膠，
12-塑料接口， 13-裝置罩，14-裝置座，15-0型密封墊，16-密封墊，17-法蘭，
18-外螺紋，19-內(nèi)螺紋。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括泵浦源i、耦合系統(tǒng)2和THz光纖3， THz光纖3 由金屬鍍層空芯在纖芯充有一定氣壓的THz活性氣體組成。
實(shí)施例中，采用內(nèi)徑2mm的金屬鍍層光纖，常溫下在纖芯充入甲基氟CH3F 氣體，用下述方法將光纖密封。用小型射頻C02激光器泵浦，泵浦光經(jīng)C02激 光透鏡組耦合系統(tǒng)2，進(jìn)入光纖3，在纖芯激活氣體中發(fā)生受激拉曼散射，在光 纖3輸出端可測得THz波4，改變泵浦光的波長，得到可調(diào)諧的THz波4輸出。
上述金屬鍍層氣芯光纖截面圖如圖2所示，外層為外波導(dǎo)層5，在外波導(dǎo)層 5鍍有Au或Ag或Cu等金屬鍍層6，光纖中心為氣芯7。
所述的金屬鍍層氣芯光纖的前封帽實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其結(jié)構(gòu)是它 是在一個(gè)氣體容器8的一側(cè)設(shè)有插入光纖3的端口 ，氣體容器8選用對對泵浦激 光吸收少的ZnSe材料；端口上設(shè)有窗口 10，窗口 10選用對CO2激光高透過的 ZnSe材料；氣體容器8的另一側(cè)設(shè)有插入光纖的插口，插入光纖后用封口膠11 密封；氣體容器8的底面連接有塑料口9，塑料口9與氣體容器9密封連接；封 口膠11將光纖和前封帽密封起來。
后封帽結(jié)構(gòu)與前封帽結(jié)構(gòu)相同，不同的是氣體容器、塑料封口和窗口均選用 對THz波吸收少的聚四氟乙烯或聚乙烯材料。
為了實(shí)現(xiàn)金屬鍍層氣芯光纖的抽空、充氣和密封，專門設(shè)計(jì)了抽氣充氣裝置， 該裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。它由裝置罩13、裝置座14和法蘭17所組成，裝置罩13上設(shè)有內(nèi)螺紋18，裝置座14上設(shè)有與內(nèi)螺紋18配合的外螺紋19，裝置罩13 與裝置座14螺紋連接時(shí)加有O型密封墊15，裝置座14與法蘭7連接時(shí)加有密 封墊16，另外，在裝置罩13上設(shè)有塑料接口 12，裝置罩13形成氣室。
對光纖抽氣、充氣并進(jìn)行無接觸焊接裝置的操作是(見圖5):在光纖3兩端 安裝圖3所示封帽，然后在光纖的兩端分別連接一個(gè)抽空充氣裝置，由光纖3連 通。通過控制氣室的氣壓控制光纖3內(nèi)氣壓，通過氣室實(shí)現(xiàn)抽氣和充氣，通過氣 室上的塑料接口 12進(jìn)行激光無接觸焊接。焊接后取下空充氣裝置，制成THz光 纖。其中抽氣、充氣及無接觸焊接操作步驟是
第一步先將密封墊16和法蘭17裝到光纖3上；
第二步將光纖3端頭裝上前封帽；用封口膠ll將光纖和前封帽密封連接； 第三步將裝有前封帽的光纖3通過法蘭17和密封墊16固定到抽空、充氣
裝置座14，法蘭17壓住密封墊16，使抽空、充氣裝置座14密封；
第四步將抽空、充氣裝置罩13通過內(nèi)螺紋19和外螺紋18與抽空、充氣
裝置座14連接，中間用0型密封墊15密封；
第五步光纖的另一端按照上述步驟連接另一個(gè)抽空、充氣裝置；
第六步兩個(gè)抽空、充氣裝置的接口 12分別連接到抽氣機(jī)和充氣機(jī)，將空
氣抽成氣壓較低時(shí)就充入甲基氟CH3F氣體氣體，再抽、再充，如此往復(fù)幾次， 則光纖內(nèi)可充滿氣體，并控制氣體的壓強(qiáng)達(dá)20 40mbar (lbar=105Pa);
第七步**透過抽空、充氣裝置罩塑料接口 12，用激光無接觸焊接的方法，將 前后封帽氣體容器塑料口焊接密封；
第八步卸掉抽氣充氣裝置，得到充有所需活性氣體的THz光纖。
權(quán)利要求
1、一種THz拉曼光纖激光器，其特征在于，它是由泵浦源、耦合系統(tǒng)和光纖組成，其中所述的光纖是金屬鍍層氣芯光纖，它是在金屬鍍層空芯光纖纖芯充有THz活性氣體，要求這些活性氣體是吸收10μm附近激光產(chǎn)生THz波段輻射的氣體，在金屬鍍層氣芯光纖前后兩端加裝封帽，要求封帽端頭與金屬鍍層空芯光纖的端頭平行，前封帽材料選用為對紅外激光有較高透過率的材料，后封帽材料選用能有效濾除中紅外信號(hào)而對THz波有良好的透過性的材料；所述的的泵浦源為射頻運(yùn)轉(zhuǎn)的CO2或N2O激光器；所述的耦合系統(tǒng)為紅外激光透鏡組耦合系統(tǒng)，對泵浦光有80％以上的透過率。
2、 如權(quán)利要求l所述的THz拉曼光纖激光器，其特征在于，在C02或N20 激光器后加有頻率選擇元件。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的THz拉曼光纖激光器，其特征在于，所述的 THz活性氣體為氨氣NH3或甲基氟CH3F，等。
4、 如權(quán)利要求l或2所述的THz拉曼光纖激光器，其特征在于，前封帽材 料選用ZnSe、 BaF2或NaCl晶片，后封帽材料選用聚四氟乙烯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種THz拉曼光纖激光器，它是由泵浦源、耦合系統(tǒng)和金屬鍍層氣芯光纖組成，其金屬鍍層光纖纖芯中充有THz活性氣體，光纖前后兩端加裝封帽，封帽端頭與金屬鍍層空芯光纖的端頭平行；所述的泵浦源為射頻運(yùn)轉(zhuǎn)的CO₂或N₂O激光器；所述的耦合系統(tǒng)為紅外激光透鏡組耦合系統(tǒng)。本發(fā)明拉曼光纖激光器在低損耗的金屬鍍層光纖纖芯中充入低壓THz活性氣體，制成THz活性光纖，代替粗重的石英管或大容器，用紅外激光泵浦光纖產(chǎn)生THz波，泵浦光在光纖中的有效路徑大大增加了，與石英管或大容器相比，相同長度的光纖效率更高，而且由于光纖質(zhì)量輕、體積小和可彎曲的特性，使整套儀器更緊湊、靈活。
文檔編號(hào)H01S3/067GK101494353SQ20091001450
公開日2009年7月29日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者張會(huì)云, 張玉萍, 徐世林, 楊積光, 申慶輝 申請人:山東科技大學(xué)