太赫兹光纤激光器

摘要

本发明提供的太赫兹光纤激光器包括依次连接的近红外激光器、第一准直聚焦单元、中红外激光谐振单元、第二准直聚焦单元和太赫兹激光谐振单元。第一准直聚焦单元用于对近红外激光器发出的近红外激光准直聚焦；中红外激光谐振单元用于在经第一准直聚焦单元准直聚焦后的近红外激光进入后，产生并输出中红外激光；第二准直聚焦单元用于对中红外激光谐振单元输出的中红外激光准直聚焦；太赫兹激光谐振单元用于在经第二准直聚焦单元准直聚焦后的中红外激光进入后，产生并输出太赫兹激光；中红外激光谐振单元的输出端、第二准直聚焦单元、太赫兹激光谐振单元的输入端均设置于气室内。本发明的太赫兹光纤激光器具有结构紧凑、工艺简单的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹光纤激光器。

背景技术

现有的太赫兹光纤激光器通常采用气体激光器或固态激光器作为泵浦源，然而，气体激光器体积大，且不易集成，固体激光器工作条件要求苛刻，且制作工艺复杂，成本高昂。

发明内容

本发明提供太赫兹光纤激光器，解决现有的太赫兹光纤激光器采用的泵浦源为气体激光器时体积大，为固体激光器时功率较低的问题。

根据本发明实施例的一方面，提供一种太赫兹光纤激光器，包括：

近红外激光器；

第一准直聚焦单元，对所述近红外激光器发出的近红外激光进行准直与聚焦；

中红外激光谐振单元，所述第一准直聚焦单元准直与聚焦后的近红外激光输入到所述中红外激光谐振单元，所述中红外激光谐振单元产生并输出中红外激光；

第二准直聚焦单元，对所述中红外激光谐振单元输出的中红外激光进行准直与聚焦；

太赫兹激光谐振单元，所述第二准直聚焦单元准直与聚焦后的中红外激光输入到所述太赫兹激光谐振单元，所述太赫兹激光谐振单元产生并输出太赫兹激光；

气室，所述第二准直聚焦单元设置于所述气室内，所述气室包括容纳第一气体的第一气室和容纳第二气体的第二气室，所述第一气室和所述第二气室之间设置有气室分隔壁，所述中红外激光谐振单元的输出端设置于所述第一气室内，所述太赫兹激光谐振单元的输入端设置于所述第二气室内。

在一些示例中，所述第一准直聚焦单元包括对所述近红外激光器发出的近红外激光进行准直的第一凸透镜，和对所述第一凸透镜准直后的近红外激光进行聚焦的第二凸透镜，所述第一凸透镜设置于靠近所述近红外激光器的一侧，所述第二凸透镜设置于靠近所述中红外激光谐振单元的一侧。

在一些示例中，所述中红外激光谐振单元包括端镜、中红外空芯光纤和第一输出镜，所述端镜密封设置于所述中红外空芯光纤输入端的端面，所述第一输出镜正对所述中红外空芯光纤输出端，且所述中红外空芯光纤输出端与所述第一输出镜之间具有能够使所述第一气体进出所述中红外空芯光纤的缝隙。

在一些示例中，所述第一气室设置有第一进气口和第一出气口，所述第二气室设置有第二进气口和第二出气口，所述第一进气口、所述第一出气口、所述第二进气口和所述第二出气口设置有控制阀。

在一些示例中，所述第二准直聚焦单元包括对所述中红外激光谐振单元输出的中红外激光进行准直的第三凸透镜，和对所述第三凸透镜准直后的中红外激光进行反射与聚焦的凹面镜，所述第三凸透镜位于所述第一气室内，所述凹面镜位于所述第二气室内。

在一些示例中，所述第二准直聚焦单元包括对所述中红外激光谐振单元输出的中红外激光进行准直的第三凸透镜，和对所述第三凸透镜准直后的中红外激光进行聚焦的第四凸透镜。

在一些示例中，所述第一气体包括溴化氢、氯化氢、氟化氢、氮化碳、一氧化碳、氢气、一氧化氮、氮气、二硫化碳、氰化氢、水蒸气、一氧化二氮、氨气、二氧化碳中的任一种或多种的组合。

在一些示例中，所述太赫兹激光谐振单元包括棱镜、太赫兹空芯光纤和第二输出镜，所述第二输出镜密封设置于所述太赫兹空芯光纤输出端的端面，所述棱镜正对所述太赫兹空芯光纤输入端，且所述太赫兹空芯光纤输入端与所述棱镜之间具有能够使所述第二气体进出所述太赫兹空芯光纤的缝隙。

在一些示例中，所述棱镜包括将所述第二准直聚焦单元准直聚焦后的中红外激光反射进所述太赫兹空芯光纤内的第一表面，和将所述太赫兹空芯光纤内的太赫兹激光反射回所述太赫兹空芯光纤内的第二表面，所述第一表面和所述第二表面之间具有预设夹角。

在一些示例中，所述第二气体包括甲醇、氟甲烷、一氧化碳、一氧化二氮、氨气、硫化羰、氰化氢、硫化氢、二氧化硫中的任一种或多种的组合。

本发明具有如下优点：采用近红外激光器作为泵浦源，近红外激光器产生的近红外激光作为泵浦光注入到中红外激光谐振单元中，中红外激光谐振单元产生的中红外激光作为泵浦光，激发的太赫兹激光在太赫兹激光谐振单元中振荡输出，避免了使用气体激光器时体积大、使用固体激光器时功率较低的问题，具有结构紧凑、工艺简单的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1示出了本申请实施例提供的太赫兹光纤激光器框图。

图2示出了本申请实施例提供的一种太赫兹光纤激光器结构示意图。

图3示出了本申请实施例提供的另一种太赫兹光纤激光器结构示意图。

图4示出了本申请实施例提供的太赫兹光纤激光器的棱镜结构示意图。

图5示出了本申请实施例提供的太赫兹光纤激光器的太赫兹空芯光纤结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的附图标记表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本发明中，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

图1为本申请实施例提供的太赫兹光纤激光器100框图；图2为本申请实施例提供的一种太赫兹光纤激光器结构示意图。如图1和图2所示，太赫兹光纤激光器100包括依次连接的近红外激光器110、第一准直聚焦单元120、中红外激光谐振单元130、第二准直聚焦单元140、太赫兹激光谐振单元150。近红外激光器110用于产生近红外激光。第一准直聚焦单元120用于对近红外激光器110发出的近红外激光进行准直与聚焦。中红外激光谐振单元130用于在经第一准直聚焦单元120准直与聚焦后的近红外激光进入后，产生并输出中红外激光。第二准直聚焦单元140用于对中红外激光谐振单元130输出的中红外激光进行准直与聚焦。太赫兹激光谐振单元150用于在经第二准直聚焦单元140准直与聚焦后的中红外激光进入后，产生并输出太赫兹激光。

参考图2，中红外激光谐振单元130的输出端、第二准直聚焦单元140、太赫兹激光谐振单元150的输入端均设置于气室170内。气室170包括用于容纳第一气体的第一气室171和用于容纳第二气体的第二气室172，第一气室171和第二气室172之间设置有气室分隔壁173，中红外激光谐振单元130的输出端设置于第一气室171内，太赫兹激光谐振单元150的输入端设置于第二气室172内。

近红外激光器110包括近红外波段可调谐激光器。

第一准直聚焦单元120包括第一凸透镜121和第二凸透镜122。第一凸透镜121设置于靠近近红外激光器110的一侧，用于对近红外激光器110发出的近红外激光进行准直。第二凸透镜122设置于靠近中红外激光谐振单元130的一侧，用于对经第一凸透镜121准直后的近红外激光进行聚焦。第一凸透镜121和第二凸透镜122均设置有近红外增透膜。

红外激光谐振单元130包括端镜131、能够容纳所述第一气体的中红外空芯光纤132和第一输出镜133，端镜131密封设置于中红外空芯光纤132输入端的端面，中红外空芯光纤132与第一输出镜133之间具有缝隙。

端镜131靠近第一准直聚焦单元120的一侧设置有近红外增透膜；端镜131靠近中红外空芯光纤132的一侧设置有中红外高反膜，和位于该中红外高反膜与端镜131之间的近红外增透膜，以使端镜131具有近红外波段高透过率和中红外波段高反射率，其中透过率和反射率均大于95％，优选大于99％。端镜131以封帽结构镶嵌在中红外空芯光纤132的输入端的端面，与中红外空芯光纤132形成封闭结构。中红外空芯光纤132的输出端通过光纤适配器(图未示)封装在第一气室171内。

第一输出镜133靠近中红外空芯光纤132的一侧设置有近红外高反膜，和对中红外激光具有一定透过率与反射率的介质膜，所述介质膜设置于所述近红外高反膜和第一输出镜133之间。所述近红外高反膜的反射率大于95％，优选大于99％；所述介质膜的透过率和反射率可以根据需求选取，例如透过率可以为50％。第一输出镜133靠近第二准直聚焦单元140的一侧设置有中红外增透膜。第一输出镜133对近红外波段表现高反射率，对中红外波段表现一定透过率与反射率。

气室分隔壁173的两侧均设置有中红外增透膜，使气室分隔壁173在中红外波段表现高透过率，透过率大于95％，优选大于99％。所述第一气体包括溴化氢、氯化氢、氟化氢、氮化碳、一氧化碳、氢气、一氧化氮、氮气、二硫化碳、氰化氢、水蒸气、一氧化二氮、氨气、二氧化碳中的任一种或多种的组合。可以理解的是，不同气体发出的光不同，且不同气体在不同的波段内表现出的发光强度也不同，为将中红外激光谐振单元130产生的中红外激光功率最大化，可以根据需求选取不同的所述第一气体进行匹配。中红外空芯光纤132与第一气室171的气压一致，所述第一气体能够通过设置在第一气室171中的第一输出镜133与中红外空芯光纤132之间的缝隙，由第一气室171进入中红外空芯光纤132内部或由中红外空芯光纤132内部排出至第一气室171。

第一气室171设置有第一进气口161和第一出气口162，第二气室172设置有第二进气口163和第二出气口164，第一进气口161、第一出气口162、第二进气口163和第二出气口164均设置有控制阀，第一进气口161和第一出气口162分别用于对第一气室171充气和放气，第二进气口163和所述第二出气口164分别用于对所述第二气室172充气和放气。

第二准直聚焦单元140包括第三凸透镜141和凹面镜142，第三凸透镜141用于对中红外激光谐振单元130输出的中红外激光进行准直，凹面镜142用于对经第三凸透镜141准直后的中红外激光进行反射并聚焦，第三凸透镜141位于第一气室171内，凹面镜142位于第二气室172内。第三凸透镜141上设置有中红外增透膜，使第三凸透镜141在中红外波段表现高透过率，透过率大于95％，优选大于99％。凹面镜142上设置有中红外高反膜，使凹面镜142在中红外波段表现高反射率，反射率大于95％，优选大于99％。

第二准直聚焦单元140还可以有其他的设置形式，具体参考图3，第二准直聚焦单元140包括第三凸透镜141和第四凸透镜143，第三凸透镜141用于对中红外激光谐振单元130输出的中红外激光进行准直，第四凸透镜143用于对经第三凸透镜141准直后的中红外激光聚焦。第三凸透镜141和第四凸透镜143可以共同设置于第一气室171内，也可以共同设置于第二气室172内，还可以分开设置，即第三凸透镜141设置于第一气室171内，第四凸透镜143设置于所述第二气室172内。第三凸透镜141和第四凸透镜143均设置有中红外增透膜，使第三凸透镜141和第四凸透镜143在中红外波段表现高透过率，透过率大于95％，优选大于99％。

太赫兹激光谐振单元150包括棱镜151、太赫兹空芯光纤152和第二输出镜153，太赫兹空芯光纤152与棱镜151之间具有缝隙，太赫兹空芯光纤152能够容纳所述第二气体，第二输出镜153密封设置于太赫兹空芯光纤152的输出端的端面。

如图4所示，棱镜151包括第一表面151a和第二表面151b，第一表面151a和第二表面151b之间具有预设夹角，第一表面151a设置有中红外高反膜151c和太赫兹增透膜151e，中红外高反膜151c设置于第一表面151a和太赫兹增透膜151e之间，第二表面151b设置有太赫兹高反膜151d，使得中红外激光经第一表面151a反射后进入太赫兹空芯光纤152内，太赫兹空芯光纤152内的太赫兹激光经第二表面151b反射回太赫兹空芯光纤152内。棱镜151通过石英介质或者聚合物介质加工制成。通过棱镜151表面反射的方式，将中红外激光注入至太赫兹空芯光纤152中，能够降低中红外激光的损耗，并提高光光转换效率。

太赫兹空芯光纤152的输入端通过光纤适配器(图未示)封装在第二气室172内。太赫兹空芯光纤152包括由聚碳酸酯和石英玻璃管制作的空芯波导。如图5所示，太赫兹空芯光纤152内壁镀有的膜层152a，膜层152a的厚度为0.5～0.7um，太赫兹空芯光纤152的管径范围为1～10mm。太赫兹空芯光纤152与所述第二气室172的气压一致，所述第二气体通过设置在第二气室172中的棱镜151与太赫兹空芯光纤152之间的缝隙，由第二气室172进入太赫兹空芯光纤152内部或由太赫兹空芯光纤152内部排出至第二气室172。

第二输出镜153靠近太赫兹空芯光纤152的一侧设置有太赫兹增透膜和中红外高反膜；第二输出镜153背离太赫兹空芯光纤152的一侧，即第二输出镜153的输出面设置有太赫兹增透膜，使第二输出镜153在中红外波段表现高反射率，反射率大于95％，优选大于99％；在太赫兹波段表现一定透过率和反射率，透过率和反射率可以根据需求选取，例如透过率可以为50％。第二输出镜153通过封帽形式镶嵌在太赫兹空芯光纤152的输出端的端面，与太赫兹空芯光纤152形成封闭结构。

第二气体包括甲醇、氟甲烷、一氧化碳、一氧化二氮、氨气、硫化羰、氰化氢、硫化氢、二氧化硫中的任一种或多种组合。同样的，可以根据需求选取不同的所述第二气体。

本发明的太赫兹光纤激光器，采用近红外激光器作为泵浦源，近红外激光器产生的近红外激光作为泵浦光注入到中红外激光谐振单元中，中红外激光谐振单元产生的中红外激光作为泵浦光，激发的太赫兹激光在太赫兹激光谐振单元中振荡输出，避免了使用气体激光器时体积大、使用固体激光器时功率较低的问题，具有结构紧凑、工艺简单的特点。