空芯光子晶体光纤作为放电微腔的微波激励准分子激光研究

Hollow-core photonic crystal fiber (HC-PCF) which based on photonic band gap effect was found to exhibit unique characteristics. It has a high level of optical power transmission and extremely low loss. Microwave excited excimer laser based on hollow-core photonic crystal fiber (HC-PCF) was the attempt of a novel excimer laser structure and it was different from conventional excimer. The micro-cavity excimer device has many excellent features, such as the low threshold value, small size, long life gas, easy to combine with other fiber optic devices. In addition, It likely to be a kind of long-pulse excimer laser with excellent beam quality, and which could achieve ps-level high beam quality UV pulse output by the mode-locked excimer. The excimer operation requires a high density of excitation power in discharge chamber. Based on the early study of the discharge characteristics in hollow fiber, our reserch will deep understand the microwave injection structure and the skin effect on the energy coupling efficiency by theoretical calculations and experimental studies. We try to resolve the problem of why the microwave energy is difficult to efficiently inject into the small-diameter optical waveguide. Through study of the discharge characteristics of excimer laser gas in the HC-PCF, to obtain the method of the long region uniform discharge. By studying the structure of laser oscillation, we want to seek the effective optical structure to have laser gain. In this project, by the study of the key issues of microwave excited excimer laser based on hollow-core photonic crystal fiber, we want to lay the foundation for the realization of the laser output of such devices.

空芯光子晶体光纤（HC-PCF）特有的基于光子带隙效应的波导机制，使其具有极高的光功率传输水平和极低的损耗。采用HC-PCF作为气体放电腔结合微波激励实现准分子激光运转是一种异于常规准分子的新结构尝试。这种微腔准分子器件阈值低、体积小、气体寿命长、易于同其它光纤器件结合。此外，高光束质量的长脉冲输出，有望获得准分子直接锁模的皮秒级高峰值功率紫外脉冲。.项目在已有的空芯光纤放电特性研究基础上，针对准分子运转要求高激励功率密度的特点，拟通过理论计算和实验研究，深入理解微波注入结构和纤壁趋肤效应对能量耦合效率的影响机理，尝试解决微波能量难以实现对小口径光波导高效注入的问题；通过研究准分子激光工作气体在HC-PCF中的放电特性，探索实现长区域均匀放电的方法；通过研究激光振荡结构，寻求获得激光增益的有效光学结构。项目拟通过以上关键问题的研究，为实现基于HC-PCF的准分子器件激光输出奠定基础。

空芯光子晶体光纤（HC-PCF）特有的基于光子带隙效应的波导机制，使其具有极高的光功率传输水平以及极低的损耗。采用HC-PCF 作为气体放电腔结合微波激励实现准分子激光运转是一种不同于常规气体激光的新结构尝试。这种微腔激光器件阈值低、体积小、气体寿命长、易于同其它光纤器件结合。项目旨在通过开展空芯光子晶体光纤作为放电微腔的微波激励激光研究，深入理解波导结构和谐振腔结构设计对 HC-PCF 的微波能量耦合效率的影响机理，寻找高耦合效率的微波注入结构模式；通过分析理解趋肤效应对微波注入的影响特点，探索降低趋肤效应对能量注入影响的方法；深入研究工作气体在HC-PCF 中的放电特性，把握形成均匀放电的关键条件；并进一步寻求有效的激光谐振腔结构，为实现激光起振奠定基础。项目设计并搭建了微波激励气体装置实验平台，制作了适合HC-PCF的充配气的真空密封系统，配备了抽真空系统、组合阀门充气装置、精密气压测量装置，以及微波激励源、微波测量系统、反射波吸收系统等。采用微波系统仿真软件HFSS对微波谐振腔结构进行了场分布模拟，通过不同结构微波谐振腔的仿真研究，寻找到一种比原计划采用的十字型微波谐振腔耦合效率更高的表面波同轴耦合结构微波谐振腔，并通过HFSS对这种谐振腔进行参数设计和优化，得到到适合HC-PCF高效激励的微波谐振腔结构；对趋肤效应对微波注入的影响进行了研究，通过理论推导分析了小口径放电腔尺寸、工作气压、组分对趋肤效应的影响，提出了降低趋肤效应对能量注入影响的方法；在研制完成的微波谐振腔中，进行了激光工作气体的放电特性研究，并通过调节激光工作气体参数和泵浦源参数获得了均匀的辉光放电，对放电的发射光谱进行了测量和分析；实现了气体压强100~3000Pa，输入功率4~80W条件下的均匀放电，均匀辉光放电长度最长达到165mm，并在300nm附近检测到较强的紫外波段辐射光谱；项目还针对微波放电的小口径放电腔进行了激光振荡结构研究，提出了凹凹腔激光振荡结构和光纤光栅作为发射腔的激光振荡结构。通过本项目的研究，解决了小口径光纤放电腔中微波能量高效耦合、气体均匀放电、减少趋肤效应对微波注入影响、激光谐振腔设计等关键技术问题，为实现基于HC-PCF的微腔准分子器件激光输出奠定了研究基础。项目相关研究结果发表学术论文3篇；申请发明专利3项，其中授权2项；项目培养研究生3名。