一种基于空心玻璃管且自带种子光的气体受激拉曼放大器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及受激拉曼放大器，特别是一种基于空心玻璃管且自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器。
【背景技术】
[0002]近年来，随着激光在交通、测量、医疗、国防和工农业等众多应用领域不断地发展，开发特殊的激光波长已经越来越引起人们的注意。这些特殊的激光波长可以通过新的激光工作物质产生，也可以通过气体或光学材料(如晶体等)的非线性光学频率转换产生。在非线性光学领域，受激拉曼散射能够用来对激光发射波长做特定频率转换(取决于拉曼介质的拉曼振/转动模频率)，达到特定的激光波长输出。因此，受激拉曼散射技术是实现激光波长变换的重要技术手段。
[0003]依据拉曼介质的物质形态不同,拉曼介质可分为固体、液体和气体。固体拉曼介质一般体积小，拉曼介质浓度高，故其拉曼增益和转化率高。当前已研制出多种固体拉曼介质，应用十分广泛，但固体拉曼介质损伤阈值低，不易实现高能量激光输出。液体拉曼介质则由于液体介质的挥发性，毒性或不稳定性等缺陷，应用范围受到很大限制。相对而言，气体拉曼介质浓度较低，增益较小，但具有较好的热管理性、较高的损伤阈值(更可能实现大能量拉曼激光输出)、高拉曼振动模(大拉曼频移)和窄拉曼线宽等优点，因此也得到了广泛深入的研究。常用的气体拉曼介质有H2，CH4, O2和N2等。
[0004]目前，采用气体介质实现激光受激拉曼转换的经典方法主要是:泵浦激光器输出的泵浦光经过透镜聚焦，导入充满气体拉曼介质的单程拉曼池内发生受激拉曼散射过程，产生斯托克斯拉曼光，然后再通过准直透镜、棱镜分光得到拉曼放大光。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；也就是说，只有在此区域内才可以发生受激拉曼散射实现对泵浦光的频率转换。因此泵浦光与拉曼介质的有效相互作用区域很小，难以获得较高的拉曼转化效率。
[0005]此外，通常说的受激拉曼阈值是指拉曼振荡池中通过受激拉曼散射来实现从自发拉曼散射产生的噪声放大到可观测程度时所需要的最小泵浦光强。经典的单程拉曼池的激光波长转换，是自发拉曼散射为后续的受激拉曼散射提供了种子光。另外，由于气体介质的粒子浓度小，这就意味着传统的气体增益系数比较小，受激拉曼散射阈值会比较高。为此，人们提出了一种自带拉曼种子光的拉曼放大器，则自发拉曼散射的作用可以忽略不计，其受激拉曼散射过程实际上就不需要阈值。这样一来，解决了气体受激拉曼散射阈值较高的技术难题，泵浦光和拉曼种子光的有效相互作用区域也所有增大，但远离焦点处的泵浦光功率密度下降很快，很难继续进行受激拉曼放大过程，即有效相互作用区域仍然有所限制，因此还是难以获得较高的拉曼转化效率。
【发明内容】
[0006]本发明为解决上述【背景技术】中存在的技术问题，提供了一种基于空心玻璃管且自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器，能够明显增加泵浦光和拉曼种子光的有效相互作用长度，并且提高泵浦光的功率密度，显著提高拉曼光转化效率。
[0007]本发明的技术解决方案如下:
[0008]一种基于空心玻璃管且自带种子光的气体受激拉曼放大器，包括一台泵浦激光器，一套分光系统，第一个拉曼池，第二个拉曼池，一根空心玻璃管和一组分光棱镜，其特征在于:泵浦激光器输出的泵浦光通过分光系统分成两束泵浦光；第一束泵浦光通过第一个拉曼池产生后向斯托克斯光作为拉曼种子光，后向斯托克斯光作为拉曼种子光和第二束泵浦光同时以掠入射方式导入置于第二个拉曼池内的空心玻璃管内进行拉曼光受激放大。
[0009]其中，第一束泵浦光通过第一二相色镜反射和第一聚焦透镜聚焦导入第一个拉曼池，随之产生后向斯托克斯拉曼种子光，该拉曼种子光按原光路返回、依次穿过第一聚焦透镜、第一二相色镜、第二聚焦透镜和第二二相色镜进入第二个拉曼池内置的空心玻璃管内，作为拉曼种子光；第二束泵浦光先后通过第一高反镜、第三聚焦透镜和第二高反镜进行光路延迟，作为受激拉曼放大泵浦光，与后向斯托克斯拉曼种子光同时到达第二二相色镜，然后经第二二相色镜反射与后向斯托克斯拉曼种子光在空间上达到重合，后一起以掠入射方式导入置于第二个拉曼池内的空心玻璃管进行受激拉曼放大；最后，空心玻璃管输出端口的输出光先后通过准直透镜和分光棱镜组，把剩余的泵浦光P和放大拉曼光Si分开，从而得到单一的放大拉曼光。
[0010]其中，所述的拉曼种子光和第二束泵浦光分别通过第二聚焦透镜和第三聚焦透镜在空间上均聚焦到置于第二个拉曼池内的空心玻璃管的输入端口。
[0011]其中，所述的拉曼种子光和第二束泵浦光分别通过各自光路在时间上同时到达第二二相色镜上并进行合束。
[0012]其中，所述的拉曼种子光为第一束泵浦光在第一个拉曼池内产生的后向斯托克斯受激拉曼光，其光束质量优于泵浦光。
[0013]其中，所述的第一个拉曼池左侧为入射窗口，右侧为出射窗口，两窗口分别设为第一石英窗口片和第二石英窗口片，经第一聚焦透镜后的第一束泵浦光先通过第一个拉曼池入射窗口再通过出射窗口透射出去，产生的后向斯托克斯拉曼种子光按原光路经入射端第一窗口片返回。
[0014]其中，所述的第二个拉曼池右侧为入射窗口，左侧为出射窗口，两窗口分别设为第三石英窗口片和第四石英窗口片，拉曼种子光和第二束泵浦光在第二二相色镜上合束后的混合光先通过第二个拉曼池入射窗口，一起以掠入射方式导入置于第二个拉曼池内的空心玻璃管发生受激拉曼放大过程，然后剩余的泵浦光P和放大拉曼光Si均通过出射窗口透射出去。
[0015]其中，所述的分光系统由3个高反镜、2个1/2波片和2个偏振分光片组成，泵浦光先经过第一 1/2波片，通过调节1/2波片光轴的角度连续改变S和P偏振光光强，再经过第一偏振分光片进行分束，下方透射的光束为第一束泵浦光，右方反射的光束为第二束泵浦光。
[0016]其中，所述的准直透镜的聚焦焦点在置于第二个拉曼池内的空心玻璃管的输出端□。
[0017]其中，所述的第一二相色镜为对拉曼光高透，对泵浦光高反；第二二相色镜为对拉曼光高透，对泵浦光高反。
[0018]对于稳态受激拉曼散射过程，在小信号增益条件下(即可忽略泵浦光强的损耗)，放大拉曼光增长满足:
[0019]Is (z) =Is (O) exp (glpz)
[0020]其中:Is(z)为增长的放大拉曼光强，Is(O)为最初的拉曼种子光强，g为稳态增益系数，Ip为泵浦光强，Z为拉曼光和泵浦光有效相互作用长度。上式表明受激拉曼散射过程中，放大拉曼光强与拉曼种子光强成正比，与相互作用长度z成指数增长关系。
[0021]与传统的自带种子光的受激拉曼散射波长变换相比，依据本发明的受激拉曼放大有如下两个明显优点:
[0022]I)、由于第二束泵浦光以掠入射方式导入并被束缚在空心玻璃管内，则泵浦光在整个空心玻璃管内的功率密度较大，非常有利于进行受激拉曼散射放大过程。
[0023]2)、由于拉曼种子光和第二束泵浦光均被束缚在空心玻璃管内，两束光的有效相互作用长度(理论上为整个空心玻璃管长度)大大增加，使得泵浦光容易被大量的消耗，转化为拉曼光，即量子转化效率将大大提高。
【附图说明】
[0024]图1为本发明基于空心玻璃管且自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器结构示意图。
[0025]其中1-泵浦激光器,2-分光系统,3-第一二相色镜,4-第一聚焦透镜,5-第一石英窗口片，6-第一个拉曼池，7-第二石英窗口片，8-第二聚焦透镜，9-第一高反镜，10-第三1/2波片，11-第三聚焦透镜，12-第二高反镜，13-第二二相色镜，14-第三石英窗口片，15、24-充气阀门，16-第二个拉曼池，17、23_气压表，18-第四石英窗口片，19-空心玻璃管，20、21-空心玻璃管支架，22-准直透镜，25-分光棱镜组。
[0026]图2为受激放大拉曼光的量子转化效率随着第二束泵浦光强变化的曲线图(本发明的拉曼放大器和传统的双级联拉曼池受激拉曼)
【具体实施方式】
[0027]详见图1所示。由图可见，本发明基于空心玻璃管且自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器包括:一台泵浦激光器1，一套将泵浦光分为两束的分光系统2，泵浦光高反且拉曼光高透的第一二相色镜3，第一束泵浦光的第一聚焦