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制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法及应用

文献发布时间:2024-04-18 19:53:33


制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法及应用

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域,尤其涉及一种制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法及应用。

背景技术

光纤气体激光器结合了气体激光器和光纤激光器的特点,具有结构紧凑、转换效率高、光束质量好、波长选择灵活、激光谱线窄、损伤阈值高、非线性效应弱等优点,广泛应用于医疗、材料加工、通信等领域。

基于空芯光纤的光纤气体激光器一直是国内外研究的热点,一方面空芯光纤中的气体作为激光器的增益介质,另一方面空芯光纤作为约束激光传输的波导结构。而反谐振空芯光纤具有在非常宽的光谱范围内以低损耗在空芯中引导光的优异能力。这为解决传统实芯光纤激光器在功率提升、波长拓展、谱线控制等方面遇到的技术瓶颈提供了全新的思路,特别在产生中远红外波段激光方面有巨大的发展潜力。

虽然光纤气体激光器受到了极大关注,但是整体发展水平还有待提高,仍有许多关键技术需要突破。现有的光纤气体激光器基本都采取空间耦合方式构造进气口,从而实现窄线宽、可调谐波长、高光束质量激光输出,但系统复杂度高,且稳定性差。空间耦合方式对环境条件的灵敏度较高,温度变化、机械振动以及光学元件的不稳定性等因素都会影响光束的传输效果,从而导致光功率的损耗,很大程度上制约了高功率光纤气体激光器的实用化发展。因此泵浦激光到空芯光纤的低损耗、高稳定性的耦合是亟需解决的关键问题。近年来,有报道提出了将空芯光纤与两个二氧化硅端帽进行拼接的新耦合方法,但二氧化硅端帽制作复杂且尺寸为毫米级别,与空芯光纤对准拼接时需精准把控温度以及端帽的熔融状态,不易实现。

因此,有必要研发一种耦合稳定、易于集成和操作的全光纤化的光纤气体激光器气体腔的制作方法。

发明内容

本发明的目的在于满足实际需求,提供一种制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法及应用

第一方面,为实现上述发明目的,本发明的第一目的是提供一种制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法,包括:

S1、将反谐振空芯光纤、四孔光纤和一号单模光纤的两端去除涂覆层,酒精擦拭干净后用切割刀将端面切平,将反谐振空芯光纤的两端分别与四孔光纤、一号单模光纤对齐熔接形成四孔光纤-反谐振空芯光纤-单模光纤结构;

S2、将所述四孔光纤-反谐振空芯光纤-单模光纤结构中的四孔结构切割到一定长度;

S3、将二号单模光纤的一端浸泡在装有氢氟酸溶液的凹槽中进行包层腐蚀,取出后放入去离子水中超声振荡清洗,得到微纳光纤;

S4、将所述微纳光纤与四孔光纤-反谐振空芯光纤-单模光纤结构中的四孔光纤的纤芯对准熔接,构造光纤气体激光器气体腔的进气口;

S5、用三通管在气体腔的进气口位置进行封装,将左右两个通道进行密封,三通管的另一个通道连接气压瓶。

在上述制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法的方案中,所述一号单模光纤(4)和二号单模光纤的包层直径为125um,纤芯直径为8um;所述反谐振空芯光纤(3)为无节点型反谐振空芯光纤,包层直径为140um,纤芯直径为35um,长度为10m;所述四孔光纤(2)的包层直径为130um,纤芯直径为20um。

在上述制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法的方案中,所述S1中,在光纤熔接机上选择手动熔接方式将反谐振空芯光纤的两端分别与四孔光纤、一号单模光纤对齐进行电弧放电熔接,反谐振空芯光纤远离放电电极;电弧放电熔接若干下,熔接时电流的强度为40mA,每次放电熔接的时间为1000ms。

在上述制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法的方案中,所述S2中四孔结构通过LDS2.5光纤微加工平台上的超声扰动技术进行切割;四孔结构经过切割后的长度为100um。

在上述制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法的方案中,所述S3中的氢氟酸溶液的浓度为47%。

在上述制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法的方案中,所述S3中包层进行腐蚀的时间为20min,腐蚀时的温度为25℃。

在上述制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法的方案中,所述S3中二号单模光纤经过腐蚀的一端为锥形,端面直径为40um。

在上述制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法的方案中,所述S4中将四孔光纤和微纳光纤熔接时,在光纤熔接机上选择手动熔接方式的电弧放电熔接,四孔光纤远离放电电极,电弧放电熔接若干下,熔接时电流的强度为40mA,每次放电熔接的时间为1000ms。

在上述制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法的方案中,所述S5中将左右两个通道进行密封包括:用UV光刻胶对三通管的左右两个通道进行滴胶密封,紫外线灯照射UV光刻胶固化。

第二方面,本发明的第二目的是基于第一方面所述的制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法制作的气体腔在激光领域的应用。

本申请具有的优点和积极效果是:

基于上述技术方案,全光纤化的光纤气体激光器将气体直接封装在光纤内部,不需要采用传统的空间耦合器件,可实现光纤激光器的紧凑集成,大大简化系统结构和组装过程,提升系统的可靠性和稳定性;同时全光纤化的光纤气体激光器可减少光信号在耦合过程中的损耗,进一步提高激光器的效率和输出质量以及抗干扰能力。

综上所述,全光纤化的光纤气体激光器无需采用空间耦合方式具有集成便利、耦合损耗低、稳定性高和抗干扰性强等优点,适用于许多需要高性能和可靠性的激光应用领域;使得光纤气体激光器在实际应用中更加灵活、可靠和易于操作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法的流程图;

图2示出了本发明实施例所提供的四孔光纤的端面结构示意图;

图3示出了本发明实施例所提供的反谐振空芯光纤的端面结构示意图;

图4示出了本发明实施例所提供的一种制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法的部分实验图;其中,step1为反谐振空芯光纤和四孔光纤熔接实验图;step2为四孔光纤-反谐振空芯光纤-单模光纤结构中切割四孔结构实验图;step3为切割四孔光纤后的实验图;step4为微纳光纤和四孔光纤熔接实验图。

图中,1、微纳光纤;2、四孔光纤;3、反谐振空芯光纤;4、一号单模光纤;5、三通管;6、气压瓶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

所有的数字标识,例如长度、时间,包括范围等,都是近似值。要了解,虽然不总是明确的叙述所有的数字标识之前都加上术语“约”。

在本发明创造的描述中,需要理解的是,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。

对以下内容进行相关说明:

反谐振空芯光纤是一种空芯光纤,光可以局限在折射率小于光纤材料的中空中沿光纤轴向传导。空心纤维具有超低的限制损耗、良好的抗弯曲损耗以及大模场面积等优势,其内部透射光束与周围玻璃之间的重叠较小,为基于光纤的高功率激光提供了可能的解决方案。

四孔光纤是多孔光纤的一种,也称为光子晶体光纤,是在石英光纤的包层中沿轴向均匀地排列空气孔,并在纤芯端面存在一个破坏了周期性结构的缺陷所构成,从而使入射光能被控制在光纤纤芯中传输。多孔光纤由于包层中的二维光子晶体结构,可以作为更加优异的光传输介质。

微纳光纤的直径通常接近或小于传输的光波长,具有广场约束强、倏逝场比例大、弯曲损耗小等新颖的光学传输特性。

实施例

本发明提供的一种制作全光纤化的光纤气体激光器气体腔的方法,如图1-4所示,包括以下步骤:

S1、将反谐振空芯光纤3、四孔光纤2和一号单模光纤4的两端去除涂覆层,酒精擦拭干净后用切割刀将端面切平,将反谐振空芯光纤3的两端分别与四孔光纤2、一号单模光纤4对齐熔接形成四孔光纤-反谐振空芯光纤-单模光纤结构;

其中,所述一号单模光纤4和二号单模光纤的包层直径为125um,纤芯直径为8um;所述反谐振空芯光纤3为无节点型反谐振空芯光纤,包层直径为140um,纤芯直径为35um,长度为10m;所述四孔光纤2的包层直径为130um,纤芯直径为20um;

具体地,在光纤熔接机上选择手动熔接方式将反谐振空芯光纤3的两端分别与四孔光纤2、一号单模光纤4对齐进行电弧放电熔接,反谐振空芯光纤3远离放电电极;电弧放电熔接若干下,设定为5下,熔接时电流的强度为40mA,每次放电熔接的时间为1000ms。

S2、将所述四孔光纤-反谐振空芯光纤-单模光纤结构中的四孔结构切割到一定长度;其中,四孔结构2通过LDS2.5光纤微加工平台上的超声扰动技术进行切割;四孔结构2经过切割后的长度为100um。

S3、将二号单模光纤的一端浸泡在装有浓度为47%氢氟酸溶液的凹槽中进行包层腐蚀,包层进行腐蚀的时间为20min,腐蚀时的温度为25℃;取出后放入去离子水中超声振荡清洗,得到微纳光纤1;其中,二号单模光纤经过腐蚀的一端为锥形,端面直径为40um。

S4、将所述微纳光纤1与四孔光纤-反谐振空芯光纤-单模光纤结构中的四孔光纤2的纤芯对准熔接,构造光纤气体激光器气体腔的进气口;其中,将四孔光纤2和微纳光纤1熔接时,在光纤熔接机上选择手动熔接方式的电弧放电熔接,四孔光纤2远离放电电极,电弧放电熔接若干下,设定为8下,熔接时电流的强度为40mA,每次放电熔接的时间为1000ms。

S5、用三通管5在气体腔的进气口位置进行封装,将左右两个通道进行密封,三通管5的另一个通道连接气压瓶6,便制备得到了光纤气体激光器气体腔;其中,将左右两个通道进行密封包括:用UV光刻胶对三通管5的左右两个通道进行滴胶密封,紫外线灯照射UV光刻胶固化。

综上,利用反谐振空芯光纤3的良好性能,通过四孔光纤2将反谐振空芯光纤3和微纳光纤1进行连接;其中,经氢氟酸腐蚀后的二号单模光纤直径减小从而得到微纳光纤1,微纳光纤1的锥形端面直径为40um,与四孔光纤2手动熔接后,熔接处留有空隙以允许气体通过四孔光纤2的空气孔进入反谐振空芯光纤3内部,从而在反谐振空芯光纤3内部形成气体腔。

封装之后,对本发明提出的全光纤化的光纤气体激光器的性能进行表征:

气压瓶6连接在三通管5进气口处,气压瓶6中的气体可通过四孔光纤2进入反谐振空芯光纤3内部。将微纳光纤1的未熔接的一端连接中心波长为2um的泵浦源,利用气压瓶6在气体腔中加压CO

以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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