一种腔内倍频拉曼激光器、频率变换装置以及产生腔内倍频拉曼激光的方法与流程

文档序号:17854011发布日期:2019-06-11 22:27阅读:359来源:国知局

本发明属于频率变换技术领域,具体的说是涉及一种高效率高光束质量的腔内倍频拉曼激光器、频率变换装置以及产生腔内倍频拉曼激光的方法。



背景技术:

激光作为一种强相干光源,普遍应用于科学、经济和军事等诸多领域,随着社会的发展,对特殊波长激光的需求也越来越多。除了探索新的激光工作介质外,光学材料的非线性光学频率变换也是丰富激光波长的一种有效方法。其中,倍频效应是一种常用的利用二阶非线性光学效应的方法,而受激拉曼散射利用的是三阶非线性光学效应,二者都是实现激光频率变换的重要技术手段。

其中,倍频效应是最早被发现的非线性光学频率变换效应,已经发展成为一种最常用且实用化的技术。按照倍频晶体放置位置的不同,分为腔外倍频和腔内倍频,其中,腔外倍频技术简单,易获得好的光束质量,但转换效率相对较低;相对于腔外倍频技术,腔内倍频则充分利用了腔内激光功率密度高的优点,易获得高的转换效率和输出功率。

受激拉曼散射也是实现激光频率变换的重要技术手段,该技术利用拉曼介质对基频光的受激拉曼散射实现对激光频率的改变。目前实现激光拉曼频移的方法同样也包含两种,即外腔法和内腔法。外腔法即将拉曼介质放置于激光腔外,在此过程中,只有在聚焦透镜的焦点位置附近的一小段区域内激光功率密度可以达到受激拉曼散射阈值,在此区域内可以发生受激拉曼散射,实现对基频激光的频率转换,因此激光与拉曼介质的有效作用区域短,拉曼转化效率较低,同时对基频激光的功率要求也较高。而内腔法是利用拉曼谐振腔,该方法是将拉曼介质放置于激光谐振腔内,这样基频光和拉曼光光多次通过拉曼介质,相当于增长了基频激光与拉曼介质的有效作用长度,因此可以提高基频激光的拉曼转化效率,同时降低了受激拉曼阈值。

但是需要说明,现有的内腔法受激拉曼在拉曼转换过程中每传输一周仅聚焦一次,在焦点附近热效应较严重,会导致转换效率下降,光束质量恶化等问题。



技术实现要素:

鉴于已有技术不易获得高效率、高光束质量的频率变换激光的缺陷,本发明的目的是要提供一种腔内倍频拉曼激光器,以提高了频率变换效率和光束质量。

为了实现上述目的,本发明的技术方案:

一种腔内倍频拉曼激光器,其特征在于,包括:

基频模块,所述基频模块至少包括基频腔镜、激光模块以及q开关,其中,由所述激光模块所产生的基频光在所述基频腔镜与倍频腔镜所形成的基频谐振腔内形成振荡并通过所述q开关改变峰值功率;

倍频模块,所述倍频模块至少包括倍频腔镜、倍频晶体以及基频倍频分光镜,其中所述倍频腔镜与所述基频腔镜协同作用形成基频谐振腔,且所述基频光通过所述倍频晶体产生倍频光,同时通过所述基频倍频分光镜反射基频光并透射倍频光;

以及拉曼模块,所述拉曼模块至少包括拉曼腔镜、拉曼介质,其中,所述拉曼腔镜的曲率中心与所述倍频腔镜的焦点重合,使得倍频光在拉曼介质内以每传输一周能够聚焦两次的形式进行传输,并在拉曼介质产生受激拉曼光,通过所述拉曼腔镜输出受激拉曼光并反射倍频光,或者通过放置于基频倍频分光镜和拉曼介质之间的倍频拉曼分光镜将受激拉曼光反射至输出镜并透射倍频光。

基于上述方案,进一步优选的,

所述倍频模块与所述拉曼模块能够共用同一谐振腔即通过仅保留基频倍频分光镜并改变基频倍频分光镜的膜系实现。

基于上述方案,进一步优选的,

q开关所改变的峰值功率至少以兆瓦特为单位的功率。

基于上述方案,进一步优选的,

所述基频腔镜1镀有对基频光的高反射的膜系,倍频腔镜2镀有对基频光及倍频光都高反射的膜系,拉曼腔镜3镀有对倍频光及拉曼光都高反射的膜系,输出镜4镀有对倍频光高反射拉曼光部分透过的膜系,具体透过率为实验得到的最佳值;基频倍频分光镜8镀有对基频光高反射、倍频光高透射的膜系,倍频拉曼分光镜9镀有对倍频光高透射拉曼光高反射的膜系。

基于上述方案,进一步优选的,

所述激光模块的工作介质选择下述固体激光介质、液体激光介质、气体激光介质中的任意一种。

基于上述方案,进一步优选的,

所述激光模块依据所选择的激光介质对应选择下述任意一种激励方式;所述激励方式包括光泵浦激励、电解离激励以及化学反应激励。

基于上述方案,进一步优选的,

所述q开关6选择下述电光调q元件、声光调q元件、转镜调q元件、饱和吸收染料调q元件中任意一种。

基于上述方案,进一步优选的,

所述倍频晶体选择磷酸盐、硼酸盐倍频晶体中任意一种。

基于上述方案,进一步优选的,

所述拉曼介质选择固体拉曼介质、液体拉曼介质、气体拉曼介质中任意一种。

本发明还要提供一种基于上述任意方案所述的腔内倍频拉曼激光器的频率变换装置。

本发明还要提供一种基于上述任意方案所述的腔内倍频拉曼激光器的产生腔内倍频拉曼激光的方法;其特征在于,包括:

所述激光模块产生基频光;

所述基频光在所述基频腔镜与倍频腔镜所形成的基频谐振腔内形成振荡并通过所述q开关改变峰值功率;且所述基频光在通过所述倍频晶体时所产生的倍频光,通过所述基频倍频分光镜将所述倍频光透射至拉曼模块内且同时通过所述基频倍频分光镜对基频光进行反射以使得其能够在基频谐振腔内形成振荡;

所述拉曼腔镜的曲率中心与所述倍频腔镜的焦点重合,使得倍频光在拉曼介质内以每传输一周能够聚焦两次的形式进行传输,并在拉曼介质产生受激拉曼光,通过所述拉曼腔镜输出受激拉曼光并反射倍频光,或者通过放置于基频倍频分光镜和拉曼介质之间的倍频拉曼分光镜将受激拉曼光反射至输出镜并透射倍频光。

与现有技术相比,本发明的有益效果:

本发明所述方案能够构成高效率高光束质量腔内倍频拉曼激光器,其相较于只在一点聚焦的一般腔内拉曼激光器,每个传输周期内,光束聚焦在两个不同位置,由于焦点分散,且同一位置两次聚焦的间隔时间长,因此可以大大降低热效应对频率转换效率和光束质量的影响,从而获得高效率、高光束质量的变频激光进行输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例,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是根据本发明所述腔内倍频拉曼激光器的实施例中的实施例1、实施例2所描述的激光器装置的结构示意图;

图2是根据本发明所述腔内倍频拉曼激光器的实施例中的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所描述的激光器倍频光束传输图;

图3是根据本发明所述腔内倍频拉曼激光器的实施例中的实施例1、实施例3所描述的激光器倍频光每传输一周光束在倍频模块内发射聚焦情况;

图4是根据本发明所述腔内倍频拉曼激光器的实施例中的实施例2、实施例4所描述的激光器倍频光每传输一周光束在倍频模块内发射聚焦情况;

图5是根据本发明所述腔内倍频拉曼激光器的实施例中的实施例3、实施例4所描述的激光器装置的结构示意图;

图中:1、基频腔镜;2、倍频腔镜;3、拉曼腔镜;4、输出镜;5、激光模块;6、q开关;7、倍频晶体;8、基频倍频分光镜;9、倍频拉曼分光镜;10、拉曼介质,11、基频模块,12、倍频模块,13、拉曼模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

如上所述,现有的内腔法受激拉曼在拉曼转换过程中每传输一周仅聚焦一次,在焦点附近热效应较严重,会导致转换效率下降,光束质量恶化等问题。

本发明提供一种腔内倍频拉曼激光器,其特征在于,包括:

基频模块11,所述基频模块11至少包括基频腔镜1、激光模块5以及q开关6,其中,由所述激光模块5所产生的基频光在所述基频腔镜1与倍频腔镜2所形成的基频谐振腔内形成振荡并通过所述q开关6改变峰值功率以获得高峰值功率;

倍频模块12,所述倍频模块12至少包括倍频腔镜2、倍频晶体7以及基频倍频分光镜8,其中所述倍频腔镜2与所述基频腔镜1协同作用形成基频谐振腔,且所述基频光通过所述倍频晶体7产生倍频光,同时通过所述基频倍频分光镜8反射基频光并透射倍频光;

以及拉曼模块13,所述拉曼模块13至少包括拉曼腔镜3、拉曼介质10、倍频拉曼分光镜9以及输出镜4,其中,所述拉曼腔镜的曲率中心与所述倍频腔镜的焦点重合,使得倍频光在拉曼介质内以每传输一周能够聚焦两次的形式进行传输,并在拉曼介质产生受激拉曼光,通过所述拉曼腔镜输出受激拉曼光并反射倍频光,或者通过另外放置于基频倍频分光镜和拉曼介质之间的倍频拉曼分光镜将受激拉曼光反射至输出镜并透射倍频光。

基于上述方案,进一步优选的方案1,所述q开关6所改变的峰值功率至少以兆瓦特为单位的功率。所述倍频模块12与所述拉曼模块13能够共用同一谐振腔即通过仅保留基频倍频分光镜并改变基频倍频分光镜的膜系实现。

基于上述方案1,进一步优选的方案2,所述基频腔镜1镀有对基频光的高反射(其反射率一般大于95%)的膜系,倍频腔镜2镀有对基频光及倍频光都高反射(其反射率一般大于95%)的膜系,拉曼腔镜3镀有对倍频光及拉曼光都高反射(其反射率一般大于95%)的膜系,输出镜4镀有对倍频光高反射(其反射率一般大于95%)拉曼光部分透过的膜系,具体透过率为实验得到的最佳值;基频倍频分光镜8镀有对基频光高反射(其反射率一般大于95%)、倍频光高透射(其透射率一般大于95%)的膜系,倍频拉曼分光镜9镀有对倍频光高透射(其透射率一般大于95%)拉曼光高反射(其反射率一般大于95%)的膜系。

基于上述方案2,进一步优选的方案3,所述激光模块5的工作介质选择下述固体激光介质、液体激光介质、气体激光介质中的任意一种;其包括但不限于:例如掺钕钇铝石榴石(nd:yag)、掺钕钒酸钇(nd:yvo4)、掺钕钆鎵石榴石(nd:ggg)、掺钕氟化钇锂(nd:ylf)、掺钕铝酸钇(nd:yap)、掺钕氟磷酸锶(nd:s-fap)、掺镱钇铝石榴石(yb:yag)、掺镱钒酸钇(yb:yvo4)、掺镱钆鎵石榴石(yb:ggg)、掺镱氟化钇锂(yb:ylf)、掺镱铝酸钇(yb:yap)、掺镱氟磷酸锶(yb:s-fap)、红宝石、若丹明6g、二氯荧光素、he-ne、co2、fh等。

基于上述方案3,进一步优选的方案4,所述激光模块5依据所选择的激光介质对应选择下述任意一种激励方式;所述激励方式包括光泵浦激励、电解离激励以及化学反应激励。

基于上述方案4,进一步优选的方案5,所述q开关6选择下述电光调q元件、声光调q元件、转镜调q元件、饱和吸收染料调q元件中任意一种;其包括但不限于:例如磷酸二氘钾(kd*p)、铌酸锂(linbo3)、氧化碲(teo2)、钼酸铅(pbmoo4)、氯铅钛菁(bdn)、熔融石英等。

基于上述方案5,进一步优选的方案6,所述倍频晶体7选择磷酸盐、硼酸盐倍频晶体中任意一种;其包括但不限于:例如磷酸氧钛钾(ktp)、偏硼酸钡(bbo)、三硼酸锂(lbo)、硼酸铯锂(clbo)、三硼酸铋(bibo)等。

基于上述方案6,进一步优选的方案7,所述拉曼介质10选择固体拉曼介质、液体拉曼介质、气体拉曼介质中任意一种;其包括但不限于:例如金刚石、方解石、硝基苯、苯、甲苯、氢气、甲烷、液氮、液氧等。

本发明还要提供一种基于上述任意方案所述的腔内倍频拉曼激光器的频率变换装置。

本发明还要提供一种基于上述任意方案所述的腔内倍频拉曼激光器的产生腔内倍频拉曼激光的方法;其特征在于,包括:

所述激光模块产生基频光;

所述基频光在所述基频腔镜与倍频腔镜所形成的基频谐振腔内形成振荡并通过所述q开关改变峰值功率;且所述基频光在通过所述倍频晶体时所产生的倍频光,通过所述基频倍频分光镜将所述倍频光透射至拉曼模块内且同时通过所述基频倍频分光镜对基频光进行反射以使得其能够在基频谐振腔内形成振荡;

所述拉曼腔镜的曲率中心与所述倍频腔镜的焦点重合,使得倍频光在拉曼介质内以每传输一周能够聚焦两次的形式进行传输,并在拉曼介质产生受激拉曼光,通过所述拉曼腔镜输出受激拉曼光并反射倍频光,或者通过另外放置于基频倍频分光镜和拉曼介质之间的倍频拉曼分光镜将受激拉曼光反射至输出镜并透射倍频光。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。

实施例1:

如图1、图2、图3所示的腔内倍频拉曼激光器,其包括:基频腔镜1、倍频腔镜2、拉曼腔镜3、输出镜4、激光模块5、q开关6、倍频晶体7、基频倍频分光镜8、倍频拉曼分光镜9、拉曼介质10;如图2所示的光束在腔内传播情况,倍频光在拉曼介质内每传输一周均聚焦两次;如图3所示:ⅰ、倍频光以平行的方式进入拉曼介质10;ⅱ、经过拉曼腔镜3后聚焦通过拉曼介质10,实现拉曼转换,产生的拉曼光通过倍频拉曼分光镜9进入拉曼模块,并部分输出,剩余倍频光通过倍频拉曼分光镜9、基频倍频分光镜8进入倍频模块;ⅲ、经过倍频腔镜2后沿原路返回,再次在拉曼介质中实现拉曼转换;ⅳ、经过拉曼腔镜3后平行输出,倍频光通过拉曼介质10、倍频拉曼分光镜9、基频倍频分光镜8进入倍频模块;ⅴ、倍频光经过倍频腔镜2后聚焦后第三次在拉曼介质10内聚焦,实现拉曼转换;ⅵ、倍频光经过拉曼腔镜3后原路返回,第四次在拉曼介质10内聚焦,实现拉曼转换,产生的拉曼光通过倍频拉曼分光镜9进入拉曼模块,并部分输出,剩余倍频光通过倍频拉曼分光镜9、基频倍频分光镜8进入倍频模块,完成一次完整传输过程。

其中,激光模块5采用nd:yag侧泵激光头,其期望输出的激光波长为1064nm,激光介质为棒状,其尺寸为ф8mm×100mm,nd离子掺杂浓度为0.6%,两端面镀有对1064nm激光高反射(其反射率一般大于95%)的膜系,并由波长808nm的3×4的半导体激光阵列侧面泵浦;与其对应的基频腔镜1曲率为1000mm、镀有1064nm的高反射(其反射率一般大于95%)的膜系,倍频腔镜2曲率为1100mm、镀有1064nm&532nm双高反射(其反射率一般大于95%)的膜系,基频倍频分光镜8镀有对1064nm高反射(其反射率一般大于95%)532nm高透射(其透射率一般大于95%)的膜系。

q开关6采用以熔融石英作为材料的声光q开关。

倍频晶体7采用lbo晶体,其尺寸为10mm×10mm×20mm,两端面镀有对1064nm&532nm高透射(其透射率一般大于95%)的膜系并使用精度为0.1℃的温控仪对其控温。

拉曼介质10采用甲烷气体,其期望输出的拉曼激光波长为630nm,气体压强为3.5mpa,拉曼池两端窗口镀有532nm&630nm高透射(其透射率一般大于95%)的膜系;与其对应的拉曼腔镜3曲率为1000mm、镀有对532nm&630nm高反射(其反射率一般大于95%)的膜系,输出镜4曲率为1000mm、镀有对630nm透过率为75%的膜系,倍频拉曼分光镜9镀有对630nm高反射(其反射率一般大于95%)532nm高透射(其透射率一般大于95%)的膜系。

实施例2:

如图1、图2、图4所示的腔内倍频拉曼激光器,其包括:基频腔镜1、倍频腔镜2、拉曼腔镜3、输出镜4、激光模块5、q开关6、倍频晶体7、基频倍频分光镜8、倍频拉曼分光镜9、拉曼介质10。如图2所示的光束在腔内传播情况,倍频光在拉曼介质内每传输一周,聚焦两次。如图4所示:ⅰ、倍频光聚焦后进入拉曼介质10,实现拉曼转换;ⅱ、经过拉曼腔镜3后沿原路返回,聚焦后再次通过拉曼介质10,实现拉曼转换,产生的拉曼光通过倍频拉曼分光镜9进入拉曼模块,并部分输出,剩余倍频光通过倍频拉曼分光镜9、基频倍频分光镜8进入倍频模块;ⅲ、倍频光经过倍频腔镜2后以平行光的方式输出,通过拉曼介质10;ⅳ、经过拉曼腔镜3后聚焦再次通过拉曼介质10,实现第三次拉曼转换,产生的拉曼光通过倍频拉曼分光镜9进入拉曼模块,并部分输出,剩余倍频光通过倍频拉曼分光镜9、基频倍频分光镜8进入倍频模块,倍频光通过拉曼介质10、倍频拉曼分光镜9、基频倍频分光镜8进入倍频模块;ⅴ、经过倍频腔镜2后沿原路返回,再次在拉曼介质中实现拉曼转换;ⅵ、经过拉曼腔镜3后平行输出,拉曼光通过倍频拉曼分光镜9进入拉曼模块,并部分输出,倍频光通过拉曼介质10、倍频拉曼分光镜9、基频倍频分光镜8进入倍频模块。

由上图可知,本实施例2与实施例1不同之处在于基频腔镜1曲率为1100mm,倍频腔镜2曲率为1000mm,倍频光以聚焦的方式进入拉曼介质10。

实施例3:

如图2、图3、图5所示腔内倍频拉曼激光器,其包括:基频腔镜1、倍频腔镜2、输出镜4、激光模块5、q开关6、倍频晶体7、基频倍频分光镜8、拉曼介质10。其光束在腔内传播情况如图2、图3所示。

由图可知,本实施例3与实施例1不同之处在于倍频光与拉曼光共用同一谐振腔。因此,倍频腔镜2镀有1064nm&532nm&630nm三个波长高反射(其反射率一般大于95%)的膜系,基频倍频分光镜8镀有对1064nm高反射(其反射率一般大于95%)532nm&630nm高透射(其透射率一般大于95%)的膜系,lbo晶体两端面镀有对1064nm&532nm&630nm三个波长高透射(其透射率一般大于95%)的膜系,输出镜4镀有对630nm透过率为75%对532nm高反射(其反射率一般大于95%)的膜系。

实施例4:

如图2、图4、图5所示一腔内倍频拉曼激光器,其包括:基频腔镜1、倍频腔镜2、输出镜4、激光模块5、q开关6、倍频晶体7、基频倍频分光镜8、拉曼介质10;其光束在腔内传播情况如图2、图3所示。

由图可知,本实施例4与实施例3不同之处在于倍频光与拉曼光共用同一谐振腔。因此,倍频腔镜2镀有1064nm&532nm&630nm三个波长高反射(其反射率一般大于95%)的膜系,基频倍频分光镜8镀有对1064nm高反射(其反射率一般大于95%)532nm&630nm高透射(其透射率一般大于95%)的膜系,lbo晶体两端面镀有对1064nm&532nm&630nm三个波长高透射(其透射率一般大于95%)的膜系,输出镜4镀有对630nm透过率为75%对532nm高反射(其反射率一般大于95%)的膜系。

综上所述,本发明所述方案的拉曼转换过程在每个传输周期内,光束聚焦在两个不同位置,由于焦点分散,且同一位置两次聚焦的间隔时间长,因此可以大大降低热效应对频率转换效率和光束质量的影响,从而获得高效率、高光束质量的变频激光进行输出。

以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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