空芯光子晶体光纤中射频放电激励气体激光的研究

近年来，基于空芯光子晶体光纤的多孔特性，在光纤的空芯孔中充入气体，研究光与气体的相互作用，已引起人们极大的兴趣，主要应用于气体传感、激光与物质的非线性相互作用以及激光频标等。本项目将空芯光子晶体光纤以及传统的放电激励的气体激光器结合起来，提出在充气的空芯光子晶体光纤中进行气体放电制作空芯光子晶体光纤气体激光器的思想。拟采用电容耦合的射频放电技术对各种结构的空芯光子晶体中的气体进行放电，研究空芯光子晶体光纤中射频气体放电等离子体特性、以及空芯光子晶体光纤中放电形成的等离子体对光传输特性的影响；对空芯光子晶体光纤气体激光谐振腔技术进行研究；以He-Ne气体激光为研究对象，实现空芯光子晶体光纤HeNe632.8nm激光输出。

空芯光子晶体光纤广泛用于气体传感以及光泵浦光纤气体激光中，本项目则开展空芯光纤中气体放电激光器的研究。在本项目的资助下，开展了空芯光子晶体光纤气体填充特性的研究、空芯光子晶体光纤中等离子体对光传输特性的研究、空芯光子晶体光纤中气体放电等离子体特性的研究以及空芯光子晶体光纤中气体放电He-Ne激光器的研究。.完成了本课题中的空芯光纤中气体填充特性的理论以及实验研究。通过求解带一阶滑移条件的N-S可压缩方程，推导出光纤气体填充的理论公式，并利用COMSOL Multiphysics软件进行相应的仿真模拟。建立实验装置对不同充入压强、不同填充气体、不同光纤孔径和不同光纤长度情况下的填充特性进行了实验研究，利用四极质谱仪对光纤内激光混合气体成分进行检测，研究了光纤激光混合气体各组成成分的填充特性。.完成了本课题中辉光放电低温等离子体填充的空芯光子晶体光纤的传输特性的研究。在空芯光纤中产生等离子体后，空芯光纤的传输特性将随着等离子体的状态而发生变化。通过计算不同氦氖混合气体辉光放电等离子体折射率，引入空芯光子晶体光纤的有限元模拟中，可计算光子晶体光纤的限制损耗。得到了空芯光子晶体光纤的传输损耗与气体放电等离子体参数的关系。.完成了本课题中空芯光子晶体光纤中气体放电等离子体特性的研究。提出了一种新型的射频放电结构，成功实现了空芯光纤中射频辉光放电。采用该结构的放电装置，可在很长的空芯光纤（大于1 m）中实现较高气压（大于70 Torr）下射频放电放电。考虑到空芯光纤中微小的放电空间，采用发射光谱诊断技术，研究了空芯光纤中气体放电等离子体参量，如放电中的气体温度、电子温度、电子密度，与气压放电、射频注入功率的关系。研究表明由于空芯光纤的热传导较好，空芯光纤中气体放电等离子体的气体温度约在52060 K范围内，电子密度约为1020 m3，电子能量小于104 K，并且等离子体参数随气体压力以及射频注入功率的变化并不明显。.开展了空芯氦氖气体放电增益特性进行实验研究，通过改变不同的气体配比以及放电长度，发现在氦氖混合气体中氦气的比例较高，且光纤的长度足够长的情况下，实验可观察到空芯光纤气体氦氖放电中的增益，但是增益不高，由于光纤的损耗较大，未能实现空芯光纤气体放电氦氖激光输出。