本發(fā)明屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于空芯光纖中氣體級(jí)聯(lián)受激拉曼散射效應(yīng)、可產(chǎn)生3～5μm波段調(diào)諧中紅外激光輸出的新型激光器。

背景技術(shù)：

3～5μm波段中紅外激光器由于其波長(zhǎng)處于大氣傳輸窗口，適合在大氣中遠(yuǎn)距離傳輸，因此在紅外對(duì)抗、激光雷達(dá)等軍事領(lǐng)域以及激光光譜實(shí)驗(yàn)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等民用技術(shù)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值，一直以來(lái)都是國(guó)際研究的熱點(diǎn)。

目前獲得中紅外激光的傳統(tǒng)技術(shù)手段主要包括氣體分子吸收躍遷以及非線性變頻技術(shù)。

化學(xué)激光器就是利用HF、DF分子的泛頻吸收和基頻躍遷產(chǎn)生2.7μm以及3.8μm的中紅外激光輸出，可以達(dá)到兆瓦功率水平，而且具有很好的光束質(zhì)量。但是，化學(xué)激光器需要復(fù)雜而龐大的真空尾氣處理系統(tǒng)，體積巨大，機(jī)動(dòng)性差，限制了化學(xué)激光器的應(yīng)用。

光參量振蕩是目前獲得中紅外輸出的一種重要非線性變頻技術(shù)手段，通過(guò)目前高度商業(yè)化的1064nm激光泵浦非線性晶體，可以獲得整個(gè)中紅外波段的寬調(diào)諧輸出，但受限于固體非線性晶體的損傷閾值較低，中紅外光參量振蕩激光器功率水平一直沒(méi)有得到大的提升。

拉曼散射是另一種重要的獲取中紅外激光的非線性變頻手段，而且轉(zhuǎn)換效率非常高，固體拉曼激光器量子轉(zhuǎn)換效率甚至可以達(dá)到接近100％。但是，固體拉曼介質(zhì)的拉曼頻移系數(shù)比較小，基本只有幾百個(gè)波數(shù)的拉曼頻移，所以需要通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)拉曼才能實(shí)現(xiàn)中紅外輸出，拉曼轉(zhuǎn)換效率隨著拉曼級(jí)數(shù)的增加而降低，因此中紅外級(jí)聯(lián)拉曼固體激光器的轉(zhuǎn)換效率一般都很低。

相比于固體拉曼介質(zhì)，氣體拉曼介質(zhì)具有更大的拉曼頻移系數(shù)，比如氫氣的振動(dòng)拉曼頻移系數(shù)為4155cm^-1，通過(guò)二階甚至只要一階拉曼就可以實(shí)現(xiàn)近紅外到中紅外的頻率變換。傳統(tǒng)的氣體拉曼激光器一般采用氣體腔，氣體腔中泵浦激光與拉曼介質(zhì)的相互距離很短，導(dǎo)致閾值泵浦功率非常高，甚至需要兆瓦的功率水平才能達(dá)到泵浦閾值。此外，由于不可避免地產(chǎn)生多級(jí)拉曼信號(hào)，使得到特定波長(zhǎng)的拉曼轉(zhuǎn)換效率非常低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)有技術(shù)中采用固體拉曼介質(zhì)實(shí)現(xiàn)中紅外輸出需要許多級(jí)拉曼變頻從而導(dǎo)致拉曼轉(zhuǎn)換效率很低的缺點(diǎn)。而傳統(tǒng)氣體腔結(jié)構(gòu)中，由于泵浦激光與拉曼氣體作用距離很短導(dǎo)致泵浦閾值很高，實(shí)現(xiàn)氣體拉曼中紅外激光輸出需要非常高的泵浦功率。為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的以上缺陷，本發(fā)明結(jié)合了氣體拉曼頻移系數(shù)大，實(shí)現(xiàn)中紅外輸出只需要一到二階拉曼散射的優(yōu)點(diǎn)，以及空芯光纖中泵浦激光與拉曼介質(zhì)有效作用距離長(zhǎng)、拉曼閾值低、拉曼轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器，其是以1μm波段可調(diào)諧激光產(chǎn)生裝置為泵浦源，通過(guò)同種氣體或兩種不同氣體的級(jí)聯(lián)受激拉曼散射產(chǎn)生3～5μm波段可調(diào)諧的中紅外激光輸出。該激光器包括1μm波段可調(diào)諧泵浦源、第一級(jí)氣體拉曼激光產(chǎn)生裝置和第二級(jí)氣體拉曼激光產(chǎn)生裝置，所述第一級(jí)氣體拉曼激光產(chǎn)生裝置將1μm波段可調(diào)諧泵浦源產(chǎn)生的1μm的泵浦激光轉(zhuǎn)化成第一級(jí)拉曼散射激光，所述第一級(jí)拉曼散射激光為1.5μm波段或者2μm波段的激光；所述第二級(jí)氣體拉曼激光產(chǎn)生裝置將第一級(jí)拉曼散射激光轉(zhuǎn)化成第二級(jí)拉曼散射激光，第二級(jí)拉曼散射激光為3～5μm波段可調(diào)諧的中紅外激光。

第一級(jí)氣體拉曼激光產(chǎn)生裝置將1μm波段可調(diào)諧泵浦源產(chǎn)生的1μm的泵浦激光耦合進(jìn)第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置中一段充有第一級(jí)拉曼氣體的空芯光纖中，通過(guò)第一級(jí)拉曼氣體分子的受激拉曼散射將1μm波段的激光轉(zhuǎn)換到1.5μm波段或2μm波段的第一級(jí)拉曼散射激光；再將產(chǎn)生的第一級(jí)拉曼激光耦合到第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置中一段充有第二級(jí)拉曼氣體的空芯光纖中，利用第二級(jí)拉曼氣體分子的受激拉曼散射產(chǎn)生第二級(jí)3～5μm波段可調(diào)諧的中紅外激光。

本發(fā)明的其第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置采用的空芯光纖的傳輸譜滿足：泵浦波長(zhǎng)λ₀為1μm、拉曼激光波長(zhǎng)λ₁為1.5μm或者2μm，泵浦波長(zhǎng)和拉曼激光波長(zhǎng)位于空芯光纖傳輸譜中。第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置采用的空芯光纖的傳輸譜滿足：泵浦波長(zhǎng)λ₀為1.5μm或者2μm、拉曼激光波長(zhǎng)λ₁為3～5μm，泵浦波長(zhǎng)和拉曼激光波長(zhǎng)同樣位于空芯光纖傳輸譜中。

第一級(jí)拉曼氣體為一種烷烴類氣體或氫氣。所述烷烴類氣體包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯等。

第二級(jí)拉曼氣體為氫氣或一種烷烴類氣體。烷烴類氣體包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯等。

所述1μm波段可調(diào)諧激光產(chǎn)生裝置可以是激光振蕩器，也可以是激光放大器；可以是光纖激光產(chǎn)生裝置，也可以是固體激光產(chǎn)生裝置；可以是脈沖激光產(chǎn)生裝置，也可以是連續(xù)激光產(chǎn)生裝置。

所述第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置和第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置都可以是單程結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置或環(huán)形腔反饋結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置。

進(jìn)一步地，所述單程結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置沿著光路傳輸方向依次包括1#高反鏡、2#高反鏡、1#半波片、偏振分光棱鏡、2#半波片、耦合透鏡、輸入端氣室、空芯光纖、輸出端氣室、輸出透鏡以及濾波片。泵浦激光經(jīng)過(guò)1#高反鏡以及2# 高反鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦激光的準(zhǔn)直，1#半波片和偏振分光棱鏡對(duì)準(zhǔn)直之后的泵浦激光的功率進(jìn)行控制，2#半波片調(diào)節(jié)泵浦激光偏振方向，耦合透鏡將泵浦激光經(jīng)輸入端氣室的輸入窗口耦合到空芯光纖的纖芯中，泵浦激光在空芯纖芯中與纖芯中填充的的拉曼氣體發(fā)生受激拉曼散射作用產(chǎn)生單程放大的拉曼激光，然后通過(guò)輸出透鏡準(zhǔn)直后再通過(guò)濾波片濾除殘余泵浦激光后直接輸出拉曼激光。單程結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置中泵浦激光與拉曼氣體只在單程中發(fā)生受激拉曼散射，實(shí)質(zhì)上是拉曼激光放大器結(jié)構(gòu)。

單程結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置中，輸入端氣室設(shè)有讓光束通過(guò)的同時(shí)起密封作用的輸入窗口?？招竟饫w連接在輸入端氣室和輸出端氣室之間，輸入端氣室設(shè)有讓光束通過(guò)的同時(shí)起密封作用的輸入窗口，輸出端氣室設(shè)置有同樣讓光束通過(guò)的同時(shí)起密封作用的輸出窗口。輸入端氣室和輸出端氣室均能實(shí)現(xiàn)給空芯光纖補(bǔ)充拉曼氣體。空芯光纖將泵浦激光和拉曼氣體約束在μm量級(jí)的纖芯中。

進(jìn)一步地，所述環(huán)形腔反饋結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置沿著光路傳輸方向依次包括3#高反鏡、4#高反鏡、3#半波片、偏振分光棱鏡、4#半波片、耦合透鏡、泵浦激光高透雙色鏡、輸入端氣室、空芯光纖、輸出端氣室、輸出透鏡、濾波片、5#高反鏡、耦合輸出鏡以及反饋耦合透鏡。泵浦激光經(jīng)3#高反鏡以及4#高反鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦激光的準(zhǔn)直，3#半波片和偏振分光棱鏡對(duì)準(zhǔn)直之后的泵浦激光的功率進(jìn)行控制，4#半波片調(diào)節(jié)泵浦激光偏振方向。經(jīng)4#半波片輸出的泵浦激光通過(guò)耦合透鏡實(shí)現(xiàn)泵浦激光與空芯光纖纖芯的模式匹配，然后泵浦激光經(jīng)過(guò)泵浦激光高透雙色鏡以及輸入端氣室的輸入窗口耦合到空芯光纖的纖芯中，泵浦激光在空芯光纖的纖芯中與填充于纖芯中的拉曼氣體發(fā)生受激拉曼散射作用產(chǎn)生單程放大的拉曼激光，拉曼激光依次經(jīng)過(guò)輸出端氣室的輸出窗口、輸出準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直、濾波片濾波、高反鏡反射后到達(dá)耦合輸出鏡，一部分拉曼激光透過(guò)耦合輸出鏡再經(jīng)過(guò)反饋耦合透鏡和泵浦激光高透雙色鏡后重新注入到空芯光纖中，形成環(huán)形腔反饋回路，耦合輸出鏡將另一部分拉曼激光直接輸出。

環(huán)形腔反饋結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置中，其輸入端氣室設(shè)有讓光束通過(guò)的同時(shí)起密封作用的輸入窗口。空芯光纖連接在輸入端氣室和輸出端氣室之間，輸入端氣室設(shè)有讓光束通過(guò)的同時(shí)起密封作用的輸入窗口，輸出端氣室設(shè)置有同樣讓光束通過(guò)的同時(shí)起密封作用的輸出窗口。輸入端氣室和輸出端氣室均能給空芯光纖充氣?？招竟饫w將泵浦激光和拉曼氣體約束在μm量級(jí)的纖芯中。

所述環(huán)形腔反饋結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置是在單程結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置的基礎(chǔ)上，在輸入窗口前增加了一個(gè)雙色鏡，將單程結(jié)構(gòu)輸出的拉曼激光再反饋耦合到空芯光纖中，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上構(gòu)成了激光振蕩器結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置中的空芯光纖在1μm和1.5μm波段(用于產(chǎn)生1.5μm波段第一級(jí)拉曼激光)或1μm和2μm波段(用于產(chǎn)生2μm波段第一級(jí)拉曼激光)具有較低傳輸損耗。所述第一級(jí)拉曼氣體包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯等烷烴類氣體(產(chǎn)生1.5μm波段第一級(jí)拉曼激光)和氫氣(產(chǎn)生2μm波段第一級(jí)拉曼激光)。

進(jìn)一步地，所述第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置中空芯光纖在1.5μm和3～5μm波段(第一級(jí)拉曼激光為1.5μm波段)或2μm和3～5μm波段(第一級(jí)拉曼激光為2μm波段)具有較低傳輸損耗；所述第二級(jí)拉曼氣體包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯等烷烴類氣體和氫氣。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：

1、本發(fā)明首次在光纖中實(shí)現(xiàn)3～5μm可調(diào)諧中紅外激光輸出，使得研制結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定的中紅外光源成為可能；

2、本發(fā)明采用空芯光纖將泵浦激光和拉曼氣體約束在纖芯中，泵浦激光與拉曼氣體的有效相互作用距離很長(zhǎng)，而且空芯光纖的損耗很低，大大降低了泵浦閾值；而且空芯光纖的輸出損耗譜可以特殊設(shè)計(jì)，使得在泵浦波長(zhǎng)和一階拉曼波長(zhǎng)處具有較低損耗，而在高階拉曼波長(zhǎng)處具有很高的損耗，大大提高了到一階拉曼信號(hào)的轉(zhuǎn)換效率。

3、本發(fā)明利用常見(jiàn)的1μm波段激光為泵浦源，只用了兩種氣體或同種氣體的兩級(jí)級(jí)聯(lián)拉曼就實(shí)現(xiàn)了3～5μm中紅外激光輸出，總的拉曼轉(zhuǎn)換效率很高。

空芯光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為氣體受激拉曼散射提供了非常理想的環(huán)境?？招竟饫w可以有效的將泵浦激光約束在μm量級(jí)的纖芯中，與填充在空芯光纖纖芯中的拉曼氣體充分作用，有效作用距離非常長(zhǎng)，將大大降低拉曼閾值。進(jìn)一步的，可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)空芯光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得特定的傳輸損耗特性，使空芯光纖在泵浦波段和想要產(chǎn)生的中紅外波段同時(shí)具有很低的傳輸損耗，可以大大提高到特定中紅外波長(zhǎng)的拉曼轉(zhuǎn)換效率。

附圖說(shuō)明

圖1所示為一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

101為1μm波段可調(diào)諧泵浦源；102為1μm波段可調(diào)諧泵浦源產(chǎn)生的1μm波段的泵浦激光；103為第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置；104為第一級(jí)拉曼散射激光；105為第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置；106為第二級(jí)拉曼散射激光。

圖2(a)和圖2(b)分別示出了一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器工作原理圖。

圖3所示一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器結(jié)構(gòu)圖。

圖3(a)、(b)、(c)、(d)是一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器的四種結(jié)構(gòu)圖，分別對(duì)應(yīng)：兩級(jí)拉曼激光器均是環(huán)形腔結(jié)構(gòu)、第一級(jí)環(huán)形腔結(jié)構(gòu)加第二級(jí)單程結(jié)構(gòu)、第一級(jí)單程結(jié)構(gòu)加第二級(jí)環(huán)形腔結(jié)構(gòu)以及兩級(jí)拉曼激光器均是單程結(jié)構(gòu)。

300為泵浦激光器；301為1μm泵浦激光；302為第一高反鏡；303為第二高反鏡；304為第一半波片；305為1#偏振分光棱鏡；306為第二半波片；307為1#耦合透鏡；308為1#泵浦激光高透雙色鏡；309為1#入射窗口；310為1#輸入端氣室；311為1#空芯光纖；312為1#輸出端氣室；313為1#輸出窗口；314為1#準(zhǔn)直透鏡；315為1#濾波片；316、第三高反鏡；317為1#耦合輸出鏡；318為1#反饋耦合透鏡；319為第一級(jí)拉曼氣體；320為第一級(jí)拉曼散射激光；

321為第四高反鏡、322為第五高反鏡；323為第三半波片；324為2#偏振分光棱鏡；325為第四半波片；326為2#耦合透鏡；327為2#泵浦激光高透雙色鏡；328為2#入射窗口；329為2#輸入端氣室；330為2#空芯光纖；331為2#輸出端氣室；332為2#輸出窗口；333為2#準(zhǔn)直透鏡；334為2#濾波片，335為第六高反鏡；336為2#耦合輸出鏡；337為2#反饋耦合透鏡；338為第二級(jí)拉曼氣體；339為第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置輸出的3～5μm拉曼散射激光；

圖4所示為一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器所使用的空芯光纖橫截面掃描電鏡圖，其中圖4(a)為自由邊界型反共振負(fù)曲率空芯光纖的橫截面掃描電鏡圖；圖4(b)為冰淇淋型反共振負(fù)曲率空芯光纖橫截面掃描電鏡圖。

圖5所示為一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器所使用的空芯光纖的設(shè)計(jì)傳輸譜示意圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1、圖2所示為一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和工作原理圖。本發(fā)明包括1μm波段可調(diào)諧泵浦源101、第一級(jí)氣體拉曼激光產(chǎn)生裝置103和第二級(jí)氣體拉曼激光產(chǎn)生裝置105，第一級(jí)氣體拉曼激光產(chǎn)生裝置103將1μm波段可調(diào)諧泵浦源產(chǎn)生的1μm的泵浦激光102轉(zhuǎn)化成第一級(jí)拉曼散射激光104，所述第一級(jí)拉曼散射激光104為1.5μm波段或者2μm波段的激光；所述第二級(jí)氣體拉曼激光產(chǎn)生裝置105將第一級(jí)拉曼散射激光轉(zhuǎn)化成第二級(jí)拉曼散射激光106，第二級(jí)拉曼散射激光106為3～5μm波段可調(diào)諧的中紅外激光。

本發(fā)明的一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器中的第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置和第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置為單程結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置或環(huán)形腔反饋結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置。

具體地可以這樣設(shè)計(jì)：如圖3(a)所示，第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置和第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置均為環(huán)形腔反饋結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置?；蛘呷鐖D3(b)所示，第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置為環(huán)形腔反饋結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置；第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置為單程結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置?；蛘呷鐖D3(c)所示，第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置為單程結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置；第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置為環(huán)形腔反饋結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置?；蛘呷鐖D3(d)所示，第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置和第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置均為單程結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置。

下面以兩級(jí)激光器均是環(huán)形腔反饋結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置說(shuō)明本發(fā)明的一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器的具體實(shí)施方式：

如圖3(a)所示，一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器，包括泵浦激光器300、第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置和第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置，其中第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置和第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置均為環(huán)形腔反饋結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置。第一級(jí)氣體拉曼激光產(chǎn)生裝置將泵浦激光器300產(chǎn)生的1μm的泵浦激光301轉(zhuǎn)化成第一級(jí)拉曼散射激光320，所述第一級(jí)拉曼散射激光320為1.5μm波段或者2μm波段的激光。第一級(jí)拉曼散射激光320并作為第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置的泵浦激光。第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置沿著光路傳輸方向依次包括第一高反鏡302、第二高反鏡303、第一半波片304、1#偏振分光棱鏡305、第二半波片306、1#耦合透鏡307、1#泵浦激光高透雙色鏡308、1#輸入端氣室310、1#空芯光纖311、1#輸出端氣室312、1#準(zhǔn)直透鏡314、1#濾波片315、第三高反鏡316、1#耦合輸出鏡317和1#反饋耦合透鏡318。

泵浦激光器300產(chǎn)生的1μm泵浦激光301通過(guò)第一高反鏡302和第二高反鏡303，實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵浦激光的準(zhǔn)直。第一高反鏡302和第二高反鏡303均為1μm高反鏡。第一半波片304和1#偏振分光棱鏡305再對(duì)準(zhǔn)直之后的泵浦激光的功率進(jìn)行控制，接著第二半波片306再對(duì)泵浦激光的偏振方向?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)，使泵浦激光的偏振方向達(dá)到最優(yōu)耦合效果，其中第一半波片304和第二半波片306均為1μm半波片，1#偏振分光棱鏡305為1μm偏振分光棱鏡。然后，泵浦激光通過(guò)1#耦合透鏡307實(shí)現(xiàn)泵浦激光與空芯光纖其纖芯的模式匹配，然后泵浦激光經(jīng)過(guò)1#泵浦激光高透雙色鏡308以及1#輸入端氣室的1#輸入窗口309耦合到1#空芯光纖311的纖芯中。1#空芯光纖311為在1μm和1.5μm波段或者在1μm和2μm波段傳輸損耗較低的空芯光纖。泵浦激光在1#空芯光纖311的纖芯中與填充于其中的第一級(jí)拉曼氣體319發(fā)生受激Raman散射相互作用，轉(zhuǎn)換為1.5μm或者2μm波段的第一級(jí)受激Raman散射光，1.5μm或者2μm波段的第一級(jí)的拉曼散射激光依次經(jīng)過(guò)1#輸出端氣室312的1#輸出窗口313、1#準(zhǔn)直透鏡314準(zhǔn)直、1#濾波片315(濾波片315對(duì)1μm泵浦激光高效吸收，對(duì)1.5μm或2μm第一級(jí)拉曼散射光高透；)濾波、第三高反鏡316反射后到達(dá)1#耦合輸出鏡317，一部分第一級(jí)拉曼散射激光透過(guò)1#耦合輸出鏡317再經(jīng)過(guò)1#反饋耦合透鏡318和1#泵浦激光高透雙色鏡308后重新注入到1#空芯光纖311中，形成環(huán)形腔反饋回路，1#耦合輸出鏡317將另一部分第一級(jí)拉曼散射激光耦合輸出作為第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的1.5μm或者2μm波段的第一級(jí)拉曼散射激光320輸出，從而實(shí)現(xiàn)了1μm泵浦激光301到1.5μm或者2μm波段的第一級(jí)拉曼散射激光320的輸出。

第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置輸出的1.5μm或者2μm波段的第一級(jí)拉曼散射激光320作為第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置的泵浦激光，同樣經(jīng)過(guò)與第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)相同的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的拉曼激光器，與空芯光纖中的第二級(jí)拉曼氣體發(fā)生受激拉曼散射作用，產(chǎn)生3～5μm拉曼散射激光339輸出。

具體地，第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置沿著光路傳輸方向依次包括第四高反鏡321、第五高反鏡322、第三半波片323、2#偏振分光棱鏡324、第四半波片325、2#耦合透鏡326、2#泵浦激光高透雙色鏡327、2#輸入端氣室329、空芯光纖330、2#輸出端氣室331、2#準(zhǔn)直透鏡333、2#濾波片334、第六高反鏡335、2#耦合輸出鏡336和2#反饋耦合透鏡337。其中第四高反鏡321和第五高反鏡322均為1.5μm或2μm高反鏡。第三半波片323和第四半波片325均為1.5μm或2μm半波片。2#偏振分光棱鏡324為1.5μm或2μm偏振分光棱鏡。2#泵浦激光高透雙色鏡327對(duì)1.5μm或2μm泵浦激光高透，對(duì)3～5μm第二級(jí)拉曼散射光高反。2#空芯光纖330位在1.5μm和3～5μm波段或者在2μm和3～5μm傳輸損耗較低的空芯光纖。2#濾波片334對(duì)1.5μm或2μm泵浦激光高效吸收，對(duì)3～5μm拉曼散射光高透。第六高反鏡335為3～5μm高反鏡。

如圖3(b)所示，一種可實(shí)現(xiàn)3～5μm波段調(diào)諧的光纖氣體級(jí)聯(lián)拉曼激光器，包括泵浦激光器300、第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置和第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置，其中第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置環(huán)形腔反饋結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置，第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置為單程結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置。第一級(jí)氣體拉曼激光產(chǎn)生裝置將泵浦激光器300產(chǎn)生的1μm的泵浦激光301轉(zhuǎn)化成第一級(jí)拉曼散射激光320，所述第一級(jí)拉曼散射激光320為1.5μm波段或者2μm波段的激光。

第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置沿著光路傳輸方向依次包括第一高反鏡302、第二高反鏡303、第一半波片304、1#偏振分光棱鏡305、第二半波片306、1#耦合透鏡307、1#泵浦激光高透雙色鏡308、1#輸入端氣室310、1#空芯光纖311、1#輸出端氣室312、1#準(zhǔn)直透鏡314、1#濾波片315、第三高反鏡316、1#耦合輸出鏡317和1#反饋耦合透鏡318。這里第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)方式與圖3(a)中的第一級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置完全相同，在此不再贅述。

第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置為單程結(jié)構(gòu)激光產(chǎn)生裝置，其沿著光路傳輸方向依次包括第四高反鏡321、第五高反鏡322、第三半波片323、2#偏振分光棱鏡324、第四半波片325、2#耦合透鏡326、2#輸入端氣室329、2#空芯光纖330、2#輸出端氣室331、2#準(zhǔn)直透鏡333和2#濾波片334，第一級(jí)拉曼散射激光320作為第二級(jí)拉曼激光產(chǎn)生裝置的泵浦激光經(jīng)過(guò)第四高反鏡321以及第五高反鏡322實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦激光的準(zhǔn)直，第三半波片323和2#偏振分光棱鏡324對(duì)準(zhǔn)直之后的泵浦激光的功率進(jìn)行控制，第四半波片325調(diào)節(jié)泵浦激光偏振方向，2#耦合透鏡326將泵浦激光經(jīng)2#輸入端氣室329的2#輸入窗口328耦合到2#空芯光纖330的纖芯中，泵浦激光在2#空芯光纖330中與纖芯中填充的的拉曼氣體發(fā)生受激拉曼散射作用產(chǎn)生單程放大的拉曼激光，然后通過(guò)2#輸出端氣室331的2#輸出窗口332輸出，輸出的拉曼激光經(jīng)2#準(zhǔn)直透鏡333準(zhǔn)直后再通過(guò)2#濾波片334濾除殘余泵浦激光后直接輸出，輸出的即為3～5μm拉曼散射激光339。

本發(fā)明采用的空芯光纖是在中紅外波段具有較低傳輸損耗的反共振負(fù)曲率空芯光纖，這種光纖由包層毛細(xì)管401、纖芯403和纖芯內(nèi)的多根毛細(xì)管402組成，所有毛細(xì)管均為玻璃材料。根據(jù)毛細(xì)管402的形狀可以將反共振負(fù)曲率空芯光纖分為自由邊界型反共振負(fù)曲率空芯光纖和冰淇淋型反共振負(fù)曲率空芯光纖，其中自由邊界型反共振負(fù)曲率空芯光纖所對(duì)應(yīng)的纖芯內(nèi)的毛細(xì)管402均為圓形。冰淇淋型反共振負(fù)曲率空芯光纖所對(duì)應(yīng)的纖芯內(nèi)的毛細(xì)管402具有類冰淇淋形狀。自由邊界型反共振負(fù)曲率空芯光纖和冰淇淋型反共振負(fù)曲率空芯光纖分別如圖4(a)和4(b)所示，圖中白色區(qū)域?yàn)榭諝饪?，灰色區(qū)域?yàn)椴ＡР牧?。根?jù)實(shí)際需要，可以改變包層毛細(xì)管401的大小以及纖芯內(nèi)毛細(xì)管402的大小和數(shù)量，特別對(duì)于圖4(a)所示的自由邊界型反共振負(fù)曲率空芯光纖，各毛細(xì)管402的大小可以不一樣。這種空芯光纖的高損耗區(qū)域波長(zhǎng)位置可以由下式給出：

式中，λ_m為共振波長(zhǎng)，單位為nm，也即高傳輸損耗區(qū)域波長(zhǎng)；d為纖芯毛細(xì)管402的等效壁厚，單位為nm；m為正整數(shù)，代表不同的共振區(qū)域；n₂和n₁分別為包層玻璃和纖芯區(qū)域(一般為空氣)的折射率。

通過(guò)控制包層毛細(xì)管壁的厚度進(jìn)而可以設(shè)計(jì)反共振負(fù)曲率空芯光纖的傳輸帶，使得泵浦波長(zhǎng)λ₀、拉曼激光波長(zhǎng)λ₁與光纖的傳輸譜的相對(duì)位置如圖5所示。從圖5可以看到，泵浦波長(zhǎng)λ₀和拉曼激光波長(zhǎng)λ₁分別位于該光纖的兩個(gè)傳輸帶中，通過(guò)這種設(shè)計(jì)可以抑制競(jìng)爭(zhēng)拉曼線的產(chǎn)生，最大限度地提高中紅外激光的轉(zhuǎn)化效率。

以上包含了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明，這是為了詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)特征，并不是想要將發(fā)明內(nèi)容限制在實(shí)施例所描述的具體形式中，依據(jù)本發(fā)明內(nèi)容主旨進(jìn)行的其他修改和變型也受本專利保護(hù)。本發(fā)明內(nèi)容的主旨是由權(quán)利要求書(shū)所界定，而非由實(shí)施例的具體描述所界定。