本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空芯光子晶體光纖與密封腔組合式1.9μm波長轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：
波長為1.9μm的脈沖激光光源在激光醫(yī)療、激光測距、光電對抗、紅外雷達(dá)、紅外遙感以及紅外傳感等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)療上，激光碎石利用細(xì)胞中的水分對1.9μm激光的強(qiáng)烈吸收使得水分汽化，將能量傳遞至結(jié)石，進(jìn)而將結(jié)石粉碎成粉末。1.9μm的激光對人體組織的穿透深度很淺，碎石過程對周圍組織損傷很小，可以達(dá)到無創(chuàng)或微創(chuàng)效果。相比其他的碎石方法，激光碎石的安全性極高。高功率的1.9μm激光以其汽化切割速度快、止血效果好、穿透性小的特點，對治療前列腺增生等疾病有著獨特的優(yōu)勢。在軍事上，1.9μm的激光對空氣和煙霧有很強(qiáng)的穿透力，可用于激光雷達(dá)和激光測距等領(lǐng)域。目前，獲得1.9μm的脈沖激光光源有許多途徑，如鈥、鉺激光器、臨界相位匹配的KTP光參量振蕩器、半導(dǎo)體抽運的摻鉺光纖激光器、LiNbO3晶體差頻以及高壓氫氣對1064nm波長進(jìn)行拉曼頻移等。而實現(xiàn)1.9μm激光輸出最簡單最實用的方法是采用受激拉曼散射(SRS)實現(xiàn)拉曼頻移。SRS是一種典型的非線性光學(xué)效應(yīng)。對于氣體介質(zhì)，SRS閾值功率一般在mW量級以上，利用傳統(tǒng)方法實現(xiàn)氣體的SRS十分困難?；赟RS效應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換器，傳統(tǒng)的方法是使用高壓氣體拉曼池(ramancell)進(jìn)行，系統(tǒng)體積比較大，所需的泵浦能量較高，光波與氣體的作用距離短，能量轉(zhuǎn)換效率不高，一般只有20％-30％?？招竟庾泳w光纖(HC-PCF)的發(fā)明，使光與低密度氣體介質(zhì)的非線性效應(yīng)的實現(xiàn)和利用變得簡單和高效。HC-PCF具有獨特的中空結(jié)構(gòu)，纖芯大孔內(nèi)可以填充氣體介質(zhì)。光波被限制在該大孔纖芯中，以基模低損耗傳輸，其優(yōu)良的基模特性使得光與填充介質(zhì)的作用面積非常小。而且HC-PCF低損耗傳輸特性保證了較長的有效相互作用距離，從而進(jìn)一步增強(qiáng)非線性效應(yīng)，能夠?qū)⒐馀c氣體介質(zhì)的相互作用強(qiáng)度增強(qiáng)幾個數(shù)量級。中國發(fā)明專利申請“基于空芯光子晶體光纖的光纖型可調(diào)諧氣體拉曼激光光源(申請?zhí)枺?00910144236.1；公開號：CN101764350A)”提供了一種可調(diào)諧的氣體拉曼激光光源，內(nèi)充高壓氫氣的空芯光子晶體的兩端均連接單模光纖。由于其光纖兩端熔接后，HC-PCF內(nèi)部壓強(qiáng)不可改變，轉(zhuǎn)換效率受到限制。此發(fā)明對光纖熔接技術(shù)要求較高，故其制作成本也較高?！禦elationofpump-beamqualityandconversionefficiencyintheRamandownwardconversion》中報導(dǎo)了拉曼池內(nèi)壓強(qiáng)的變化對拉曼能量轉(zhuǎn)換效率的影響。隨著腔內(nèi)壓強(qiáng)增加，一階斯托克斯光的能量轉(zhuǎn)換效率明顯升高。本發(fā)明采用空芯光子晶體光纖與壓強(qiáng)可調(diào)的密封腔組合的方案，利用HC-PCF優(yōu)良的非線性效應(yīng)和模式傳輸特性，通過帶減壓閥的氫氣鋼瓶調(diào)節(jié)密封腔內(nèi)部壓強(qiáng)，氣體循環(huán)泵及時帶走拉曼頻移過程的熱量，大大降低了泵浦閾值功率，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，1064nm的脈沖激光到1.9μm的的脈沖激光的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)35％-45％。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有的拉曼轉(zhuǎn)換獲得1.9μm激光光源的轉(zhuǎn)換效率不高的缺點，提出了一種將空芯光子晶體光纖與壓強(qiáng)可調(diào)的密封腔結(jié)合形成一種空芯光子晶體光纖與密封腔組合式1.9μm波長轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種空芯光子晶體光纖與密封腔組合式1.9μm波長轉(zhuǎn)換器包括：激光器、偏振控制器、氫氣鋼瓶、密封腔、空芯光子晶體光纖、光纖準(zhǔn)直器、透鏡、排氣口、進(jìn)氣口、氣體循環(huán)泵、平面反射鏡、光分束器。首先，氫氣鋼瓶向密封腔注入氫氣并控制其內(nèi)部壓強(qiáng)，激光器發(fā)出的泵浦光經(jīng)過偏振控制器調(diào)整其偏振態(tài)，然后通過光纖準(zhǔn)直器進(jìn)入HC-PCF內(nèi)部，氫氣在氣體循環(huán)泵的作用下流動起來，并與入射光充分接觸產(chǎn)生受激拉曼散射，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換波長經(jīng)過透鏡聚焦準(zhǔn)直輸出，在平面反射鏡的光路調(diào)節(jié)下，最后經(jīng)過光分束器分光得到1.9μm激光。進(jìn)一步的，所述的氫氣鋼瓶安裝有減壓閥，一方面，氫氣鋼瓶給密封腔內(nèi)充入氫氣，提供受激拉曼介質(zhì)；另一方面，通過減壓閥的控制，調(diào)整密封腔內(nèi)氫氣的壓強(qiáng)。進(jìn)一步的，所述激光器為1064nmNd:YAG納秒脈沖激光器，且自帶衰減器，可以快速改變?nèi)肷涔夤β省＿M(jìn)一步的，所述偏振控制器可以方便快捷的調(diào)整入射光的偏振態(tài)，用以獲得更高的拉曼增益，同時也可以用來測量偏振態(tài)對波長轉(zhuǎn)換效率的影響。進(jìn)一步的，所述光纖準(zhǔn)直器采用的是非球面光纖準(zhǔn)直器，利用其良好的集光能力，可提高激光耦合進(jìn)入HC-PCF的效率，光場在足夠長的HC-PCF中以基模的導(dǎo)波模式傳輸，且基模傳輸損耗很低。進(jìn)一步的，所述的HC-PCF固定在密封腔內(nèi)部，其兩端開口，方便氫氣進(jìn)入光子晶體光纖空芯部分。進(jìn)一步的，所述的氣體循環(huán)泵的排氣口緊挨著光纖準(zhǔn)直器，進(jìn)氣口與排氣口處于對稱位置，其作用是使HC-PCF內(nèi)的氫氣流動，這樣及時的帶走拉曼頻移過程的產(chǎn)生的熱量，從而提高拉曼轉(zhuǎn)換效率。進(jìn)一步的，所述的HC-PCF、光纖準(zhǔn)直器、透鏡位于一條直線上，且光纖準(zhǔn)直器與HC-PCF中間隔有一小段距離，確保氣體循環(huán)泵的排氣口、進(jìn)氣口分別在光子晶體光纖的兩端產(chǎn)生正、負(fù)壓，這樣利于氫氣在空芯光子晶體光纖內(nèi)部循環(huán)流動。進(jìn)一步的，所述的透鏡使用的是消色差顯微物鏡。進(jìn)一步的，所述的充氫氣的HC-PCF產(chǎn)生受激拉曼散射(SRS)，其散射光的頻率公式為ωs＝ωL-ωq和ωas＝ωL+ωq(其中ωL為激光器的激發(fā)光頻率，ωq為原子或分子振動或轉(zhuǎn)動能級改變時所對應(yīng)的光學(xué)聲子頻率，ωs和ωas分別為斯托克斯光和反斯托克斯光頻率)。以氫氣作為拉曼介質(zhì)，由于HC-PCF其獨特的濾波特性使得振動斯托克斯光和高階的斯托克斯光位于低損耗窗口之外，最后出射的主要是由純轉(zhuǎn)動受激拉曼散射效應(yīng)產(chǎn)生的一階斯托克斯光。本發(fā)明所具有的優(yōu)點為：通過偏振控制器調(diào)整入射光的偏振態(tài)，提高了波長轉(zhuǎn)換效率；通過非球面準(zhǔn)直器的集光能力可降低損耗提高耦合效率；通過氣體循環(huán)泵及時帶走拉曼頻移過程的熱量，提高了拉曼轉(zhuǎn)換效率；帶減壓閥的氫氣鋼瓶改變密封腔內(nèi)部壓強(qiáng)，利用HC-PCF優(yōu)良的非線性特性和模式傳輸特性降低了泵浦閾值功率，大大提升了能量轉(zhuǎn)換效率。低閾值使該系統(tǒng)更易與不同功率的激光器匹配使用；高的能量轉(zhuǎn)換效率在醫(yī)療上為高功率1.9μm激光手術(shù)提供了可能，同時1.9μm高能量激光也促進(jìn)了激光雷達(dá)和激光測距等軍事領(lǐng)域的發(fā)展。附圖說明圖1為本發(fā)明提供的一種空芯光子晶體光纖與密封腔組合式1.9μm波長轉(zhuǎn)換器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明密封腔的排氣口和光纖準(zhǔn)直器位置示意圖；圖3為本發(fā)明空芯光子晶體光纖和密封腔(sealedcavity)組合方案與常規(guī)拉曼池能量轉(zhuǎn)換效率對比圖；附圖中，1.激光器，2.偏振控制器，3.氫氣鋼瓶，4.密封腔，5.空芯光子晶體光纖，6.光纖準(zhǔn)直器，7.透鏡，8.排氣口，9.進(jìn)氣口，10.氣體循環(huán)泵，11.平面反射鏡，12.光分束器。具體實施方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明提供的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示的一種空芯光子晶體光纖與密封腔組合式1.9μm波長轉(zhuǎn)換器，其包括激光器(1)采用1064nm脈寬為5ns能量低于330mJ的功率可調(diào)諧的Nd:YAG納秒脈沖激光器；偏振控制器(2)使用可以任意調(diào)整偏振態(tài)的偏振器件；光纖準(zhǔn)直器(6)采用焦距為18mm的非球面光纖準(zhǔn)直器，其位置正對著空芯光子晶體光纖(5)；氫氣鋼瓶(3)帶有減壓閥，向密封腔(4)內(nèi)充入一定壓強(qiáng)的氫氣；密封腔(4)由不銹鋼制成，可以承受100atm；空芯光子晶體光纖(5)纖芯直徑為10μm，長度為2m；透鏡(7)采用20倍的消色差顯微物鏡。如圖2所示，密封腔(4)入射窗口處，氣體循環(huán)泵(10)的排氣口(8)緊挨著光纖準(zhǔn)直器(6)，同樣進(jìn)氣口(9)處于出射端面與排氣口(8)對稱的位置，光纖準(zhǔn)直器(6)正對著空芯光子晶體光纖(5)入射端面且相隔一小段距離，這樣氣體循環(huán)泵(10)在排氣口(8)與進(jìn)氣口(9)產(chǎn)生的正、負(fù)壓便能使空芯光子晶體光纖(5)內(nèi)部產(chǎn)生氫氣的流動。如圖3所示，本發(fā)明將空芯光子晶體光纖和密封腔組合方案的能量轉(zhuǎn)換效率與常規(guī)拉曼池進(jìn)行了對比，常規(guī)拉曼池所需泵浦能量很高，將腔內(nèi)壓強(qiáng)調(diào)節(jié)到50atm，能量轉(zhuǎn)換效率一般只有20％-30％。采用非線性效應(yīng)和模式傳輸特性良好的HC-PCF與內(nèi)部壓強(qiáng)可調(diào)的密封腔組合的方案只需30atm便可將能量轉(zhuǎn)換效率提升到35％-45％。下面通過對本實施例中的具體操作原理以及步驟作進(jìn)一步詳細(xì)說明以支持本發(fā)明提供的空芯光子晶體光纖與密封腔組合式1.9μm波長轉(zhuǎn)換器能夠解決的技術(shù)問題。第一步：將偏振控制器(2)、光纖準(zhǔn)直器(6)、空芯光子晶體光纖(5)、透鏡(7)的軸心調(diào)整在一條直線上，使激光能順利的進(jìn)入空芯光子晶體光纖(5)。第二步：先用真空泵抽干密封腔(4)內(nèi)空氣，再使用氫氣鋼瓶(3)向密封腔(4)內(nèi)注入氫氣，待密封腔(4)內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在30atm時再進(jìn)行下一步操作。第三步：1064nmNd:YAG激光器(1)預(yù)熱后經(jīng)過內(nèi)置衰減器調(diào)整輸出能量穩(wěn)定的10mJ脈沖激光。第四步：提前將偏振控制器(2)調(diào)整到λ/4偏振處，經(jīng)過激光器(1)衰減器調(diào)整后的激光經(jīng)過偏振控制器(2)轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。第五步：非球面光纖準(zhǔn)直器(6)具有靈活的光場分布調(diào)整能力，激光經(jīng)過非球面光纖準(zhǔn)直器(6)后低損耗耦合進(jìn)入空芯光子晶體光纖(5)內(nèi)以基模的導(dǎo)波模式進(jìn)行傳輸。第六步：在傳輸過程中，氣體循環(huán)泵(10)使空芯光子晶體光纖(5)內(nèi)部氫氣循環(huán)流動，及時的帶走了拉曼頻移過程的熱量，這樣激光與空芯光子晶體光纖(5)內(nèi)部氫氣充分接觸產(chǎn)生受激拉曼散射后，最終出射光包括一階斯托克斯光、二階斯托克斯光和泵浦光，其波長分別1907nm、9186nm、1064nm，其中受激拉曼散射波長以一階斯托克斯光1907nm為主。第七步：出射光經(jīng)過透鏡(7)聚焦準(zhǔn)直輸出，最后經(jīng)過光分束器(12)得到波長為1907nm的脈沖激光，輸出能量約為4mJ，其能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40％。