一种结构紧凑的单频脉冲拉曼激光器的制作方法

本发明涉及一种结构紧凑的单频脉冲拉曼激光器，属于激光器技术领域。

背景技术：

单频脉冲激光器，是指工作在单纵模运转状态，输出光谱线宽非常窄，具有良好相干性的一类脉冲激光器。具有相干长度长、线宽窄、噪声低、峰值功率高等优点，可应用于激光雷达、激光测距、引力波探测、光谱学、激光医疗、非线性光学频率变换等领域。

受激光材料的限制，通过泵浦激光增益介质直接产生的激光波长有限，难以满足某些领域对激光波长的特殊需求。受激拉曼散射是一种重要的变频技术，具有转换效率高、不需要相位匹配等特性。通过改变泵浦光的波长和拉曼晶体，可以极大的扩展输出激光的波长范围。

目前常见的单频脉冲拉曼激光器多采用调q晶体和拉曼晶体分离的结构，如中国发明专利cn105552709a，公开了一种单频固体拉曼激光器，该结构明显增加了腔长，结构复杂，不利于激光器的紧凑性和稳定性。为解决上述激光器中的问题，本发明提出一种基于扭摆腔的耦合腔式单频脉冲拉曼激光器，该激光器结合了扭摆腔、拉曼耦合腔的优点，利用rtp晶体的优良特性，既保证了实现单频脉冲激光的输出，又减少了激光腔内的光学元件，降低了腔内损耗，提高了转换效率，使激光器的结构更加简单紧凑。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种结构紧凑的单频脉冲拉曼激光器，该激光器采用直腔全固态激光器结构，其中rtp晶体既可作为电光调q器件实现脉冲输出，又能够作为拉曼晶体实现激光拉曼转换，从而减小了腔内器件与腔长，使结构更加紧凑稳定。因此该激光器具有结构紧凑、稳定性好、输出高效、适用范围广等特点。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种结构紧凑的单频脉冲拉曼激光器，包括泵浦源、耦合透镜组、激光增益介质、rtp晶体、1/4波片、布儒斯特片、腔镜m1、腔镜m2、腔镜m3、分光镜m4和温度控制系统。泵浦源输出泵浦光，沿泵浦光的传播方向设置耦合透镜组、腔镜m1、第一1/4波片、激光增益介质、第二1/4波片、腔镜m2、rtp晶体、第三1/4波片、布儒斯特片、腔镜m3、分光镜m4。激光增益介质的外部设置有温度控制系统，保持晶体以及器件温度恒定以便减少激光腔内晶体的热效应，温度控制系统可采用现有技术，均不影响本发明的实施；腔镜m1和腔镜m3构成基频谐振腔，基频腔采用扭摆腔结构，确保基频光的单频输出，另外腔内插入rtp晶体用作电光调q开关，对基频激光进行调q；腔镜m2和腔镜m3构成拉曼谐振腔，在拉曼谐振腔内rtp晶体又作为拉曼介质进行拉曼转化，最终实现单频脉冲拉曼激光输出。

腔镜m1、腔镜m2和腔镜m3构成三镜耦合腔，布儒斯特片与激光介质两端的第一1/4波片和第二1/4波片构成扭摆腔；第三1/4波片、rtp晶体和布儒斯特片结合使用构成电光调q开关。

根据本发明优选的，所述第一1/4波片与第二1/4波片的快轴相互垂直；

进一步优选的，所述第一1/4波片与布儒斯特片的起偏方向，以及第二1/4波片与布儒斯特片的起偏方向均呈45°。

进一步优选的，所述激光增益介质和rtp晶体的两个通光端面上均镀有对泵浦光、基频光和拉曼光透过率大于99％的增透膜。

根据本发明优选的，所述腔镜m1镀有对泵浦光透过率大于95％、且对基频光反射率大于99％的介质膜；

进一步优选的，所述腔镜m1为平平镜、平凹镜或平凸镜。

进一步优选的，所述腔镜m2镀有对基频光透过率大于99.5％、且对拉曼光反射率大于99％的介质膜；

进一步优选的，所述腔镜m2为平平镜或平凹镜或平凸镜。

根据本发明优选的，所述腔镜m3镀有对基频光反射率大于99％、且对拉曼光反射率在20％-99％之间的介质膜；

进一步优选的，所述腔镜m3为平平镜或或平凹镜或平凸镜。

进一步优选的，所述分光镜m4镀有对基频光反射率大于99％、且对拉曼光透过率大于99％的介质膜，用于分离基频光和拉曼光。

根据本发明优选的，所述激光增益介质为掺nd³⁺的晶体、玻璃、陶瓷的任意一种或者掺yb³⁺的晶体、陶瓷、玻璃的任意一种，激光增益介质的长度为3mm-20mm，掺杂浓度为0.2％-10％。

或者，所述激光增益介质为键合晶体。

根据本发明优选的，泵浦光经过非球面光学耦合系统耦合到激光晶体内产生激光振荡，泵浦源为连续泵浦源或准连续泵浦源，是端面泵浦源，它优选包括驱动电源、激光二极管、冷却装置、光纤和耦合透镜组等，可采用常规的端面泵浦源。

本发明中，激光器谐振腔采用三镜耦合腔结构以及更进一步的两镜直腔结构，使整个激光器结构更加简单稳定，调节更加方便。利用扭摆腔结构，以消除空间烧孔，抑制多模振荡，谐振腔内插入rtp晶体，既作为调q元件又用作拉曼介质，对基频光进行调q及拉曼转化作用，实现单频脉冲拉曼输出。

本发明的有益效果为：

(1)本发明将单频激光技术、拉曼激光技术、调q技术完美的结合在一起,采用rtp晶体、1/4波片、布儒斯特片构成调q开关的同时，rtp晶体又起到了拉曼转换介质的作用，大大减少腔内器件与腔长，既使结构更加紧凑稳定，又减少腔内的损耗，实现单频脉冲拉曼激光更高效的输出。

(2)本发明具有紧凑、高效、稳定性好的优点，能够很好的实现单频拉曼激光输出，可以拓宽原有波长范围，满足某些领域对波长的特殊要求。

(3)本发明适用范围广，能够更换各种激光增益介质、各种波长的单频拉曼激光输出，满足实际应用中对不同波长的要求。

综上以上优点，本发明可用于精细光谱测量、激光医疗、激光雷达、非线性频率转换等领域，具有结构紧凑，操作简单，稳定性好，适用范围广，成本低，有利于产业化生产等特点。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

其中：1、泵浦源；2、耦合透镜组；3、腔镜m1；4、第一1/4波片；5、激光增益介质；6、第二1/4波片；7、腔镜m2；8、rtp晶体；9、第三1/4波片；10、布儒斯特片；11、腔镜m3；12、分光镜m4。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

本实施例的激光器结构如图1所示。

一种结构紧凑的单频脉冲拉曼激光器，包括泵浦源、耦合透镜组、激光增益介质、rtp晶体、1/4波片、布儒斯特片、腔镜m1、腔镜m2、腔镜m3、分光镜m4和温度控制系统。泵浦源输出泵浦光，沿所述泵浦光的传播方向设置耦合透镜组、腔镜m1、第一1/4波片、激光增益介质、第二1/4波片、腔镜m2、rtp晶体、第三1/4波片、布儒斯特片、腔镜m3、分光镜m4，激光增益介质的外部设有温度控制系统。激光增益介质要置于温度控制系统中保持晶体以及器件温度恒定以便减少激光腔内晶体热效应；腔镜m1和腔镜m3构成基频谐振腔，在基频谐振腔内振荡生成基频光，腔镜m2和腔镜m3构成拉曼谐振腔，在拉曼谐振腔内振荡生成拉曼光，腔镜m1、腔镜m2和腔镜m3构成三镜耦合腔，布儒斯特片使腔内形成的激光在水平偏振态方向运转，与激光介质两端的1/4波片构成扭摆腔，使晶体之间形成两束反向传播的正交圆偏振光，其在增益介质中形成沿通光方向空间分布均匀的光场，从而消除空间烧孔效应，抑制腔内多模振荡。基频腔内rtp晶体与第三1/4波片、布儒斯特片结合使用构成电光调q开关，对基频激光进行调q，并且rtp晶体在拉曼腔中也作为拉曼介质对基频光进行拉曼转换，构成三镜耦合腔全固体拉曼激光器结构，实现窄线宽单频脉冲拉曼激光输出。泵浦源为808nm连续泵浦源，腔镜m1为平凹镜，镀有对泵浦光(波长808nm)透过率大于95％而对基频光(波长1064nm)反射率大于99％的介质膜。腔镜m2为平平镜，镀有对基频光(波长1064nm)透过率大于99.5％而对拉曼光(波长1096nm)反射率大于99％的介质膜。腔镜m3为平平镜，镀有对基频光(波长1064nm)反射率大于99.5％而对拉曼光(波长1096nm)反射率为90％的介质膜腔。激光增益介质为nd:yag晶体，nd:yag的直径为4mm，长度为10mm，nd³⁺掺杂浓度为1.0％，拉曼增益介质为rtp晶体，rtp的长度为30mm。激光增益介质和rtp晶体的两个通光端面上均镀有对泵浦光(808nm)、基频光(1064nm)和拉曼光(1096nm)透过率大于99.8％的增透膜。

实施例2：

一种结构紧凑单频脉冲拉曼激光器，其结构如实施例1所述，区别在于，将腔镜m2去除，并且腔镜m1镀有对拉曼光反射率大于99.5％的介质膜，如图2所示。腔镜m1与腔镜m3直接构成两镜内腔拉曼结构，能够减少腔内器件，从而减小腔长及腔内损耗，使结构更加紧凑，输出更加高效。

本实施例的激光器结构如图2所示，沿所述泵浦光的传播方向设置耦合透镜组、腔镜m1、第一1/4波片、激光增益介质、第二1/4波片、rtp晶体、第三1/4波片、布儒斯特片、腔镜m3，腔镜m1和腔镜m3既构成基频谐振腔，又构成拉曼谐振腔，基频光与拉曼光同时在谐振腔中震荡产生，输出单频脉冲拉曼激光。

所述第一个1/4波片与第二个1/4波片的快轴相互垂直，所述1/4波片、rtp晶体与布儒斯特片的起偏方向成45°。

所述rtp晶体由电光驱动电源控制，工作时电光驱动电源对rtp晶体加1/4波长电压或不加电压。当加1/4波长电压时，激光在经过m1反射后再次通过布儒斯特片前，其偏振方向与布儒斯特片通光方向平行，腔内振荡生成基频光；而后基频光与腔内的rtp晶体相互作用振荡生成拉曼光输出；当不加电压时，激光通过电光晶体状态不发生变化，通过布儒斯特片的线偏振激光通过m1反射，两次经过腔内1/4波片后，偏振方向与布儒斯特片通光方向垂直，此时无法形成激光振荡输出，从而实现单频脉冲拉曼激光输出。

所述的激光增益介质、rtp晶体的两个通光端面上均镀有对泵浦光、基频光和拉曼光透过率大于99.5％的增透膜。

所述泵浦源工作波长为808nm，连续输出最大输出功率为60w，泵浦方式为连续泵浦。耦合透镜组由两个透镜组成，1:1耦合输出，光纤数值孔径为0.22。

所述激光增益介质5为的nd:yag晶体，nd³⁺的掺杂浓度为1.0％。

所述腔镜m1为平凹镜，镀有对泵浦光(波长808nm)透过率大于95％而对基频光(波长1064nm)、拉曼光(波长1096nm)反射率大于99.5％的介质膜。镜m3为平平镜，镀有对基频光(波长1064nm)反射率大于99％而对拉曼光(波长1096nm)反射率为90％的介质膜腔。

实施例3：

一种结构紧凑单频脉冲拉曼激光器，其结构如实施例2所述，区别在于，将第二1/4波片与第三1/4波片去除，如图3所示。在此结构中，rtp晶体同时起到调q器件、1/4波片与拉曼晶体的作用。工作时对rtp晶体施加1/4波长电压或不加电压，当加1/4波长电压时，rtp晶体与第一1/4波片、布儒斯特片共同构成扭摆腔，从而消除空间烧孔，抑制多模振荡。并且rtp晶体与第一1/4波片、布儒斯特片的结合使用也构成电光调q开关，对基频激光进行调q作用。同时，基频光与腔内rtp晶体相互作用，实现拉曼转换，最终产生单频脉冲拉曼激光输出。由于减少了两个1/4波片，进一步减少了腔内器件与腔长，使得结构更加紧凑稳定，单频脉冲拉曼激光输出更加高效。

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