一种级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的可调谐激光器及其工作方法与流程

本发明涉及一种级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的可调谐激光器及其工作方法，属于激光频率转换技术领域。

背景技术：

受激电磁耦子散射(stimulatedpolaritonscattering,sps)，是指当具有一定强度的激光入射到非线性晶体中，激光光子和非线性晶体中的横向光学声子发生耦合，一个泵浦激光光子(频率为νp，波矢为kp)形成一个斯托克斯(stokes)光子(频率为νs，波矢为ks)和一个电磁耦子(频率为νt，波矢为kt)。泵浦激光光子、斯托克斯光子和电磁耦子之间需要满足能量守恒(νp＝νs+νt)和满足动量守恒(kp＝ks+kt)条件，但其动量守恒的相位匹配条件为非共线的相位匹配关系，这样会引起斯托克斯光的角度色散，即在不同的角度产生不同的频率的斯托克斯光，通过光学谐振腔可以使得不同角度下的斯托克斯光形成振荡，从而输出特定频率的斯托克斯激光，因此在受激电磁耦子散射中，通过角度调谐能实现斯托克斯激光的可调谐输出。

受激拉曼散射(stimulatedramanscattering,srs)是指一定强度的激光和物质分子发生强烈的非弹性相互作用，一个激光光子的能量被物质分子吸收发射出一个斯托克斯光子和一个声子的过程。泵浦光子(频率为νp，波矢为kp)、斯托克斯光子(频率为νs，波矢为ks)和声子(频率为νr，波矢为kr)之间也需要满足能量守恒(νp＝νs+νr)和动量守恒(kp＝ks+kr)条件，但其动量守恒的相位匹配关系为共线相位匹配，即泵浦光和其产生的斯托克斯光在一条直线上，因此这种共线相位匹配的物理机制，决定了在受激拉曼散射中无法通过角度调谐来实现受激拉曼激光的可调谐输出。由于可用于受激拉曼散射的非线性晶体种类很多，并且泵浦源和拉曼非线性晶体共用一个谐振腔，谐振腔的搭建和调节相对简单，因此基于受激拉曼散射的激光器技术已经非常成熟。

但是目前为止，由于能够产生受激电磁耦子散射的非线性晶体仅有linbo3、ktiopo4(ktp)、ktioaso4(kta)、rbtiopo4(rtp)这几种，因此基于受激电磁耦子散射的激光器技术发展较晚，但随着科研人员的不懈努力，近年来也有了很多相关报道。通过受激电磁耦子散射或受激拉曼散射，频率为νp的泵浦激光能够实现频率的转换，产生的频率为νs的斯托克斯激光，在sps(srs)过程中，当泵浦光产生的频率为νs1的一阶斯托克斯激光达到一定的强度后，就可以产生频率为νs2的二阶斯托克斯散射光，以此类推，这种情况就叫做级联sps(srs)。然而，同时利用这两种不同受激散射来获得级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的激光器，目前还没有科研工作者做过相关的尝试。

目前进行的受激拉曼散射的频率调谐一般都通过拉曼晶体的温度的变化来实现，但这种调谐方法能够调谐的范围很小，通常调谐范围在几个纳米以内，并且也增加了整个激光器的使用复杂性和成本。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的可调谐激光器，该可调谐激光器实现了受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的级联，同时实现了通过激光谐振腔和斯托克斯参量振荡腔之间的角度调谐来获得受激拉曼激光可调谐输出。

本发明还提供了一种级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的可调谐激光器的工作方法。

本发明的技术方案为：

一种级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的可调谐激光器，包括二极管激光器、光学耦合镜片、激光谐振腔、斯托克斯参量振荡腔和旋转位移平台；所述二极管激光器与光学耦合镜片相连接，所述光学耦合镜片与所述激光谐振腔相连接；

所述激光谐振腔包括沿光路依次设置的激光谐振腔后腔镜、nd：yag激光晶体、声光调q器件、偏振分光棱镜、非线性晶体和激光谐振腔输出镜；

所述斯托克斯参量振荡腔包括所述非线性晶体、斯托克斯参量振荡腔后腔镜和斯托克斯参量振荡腔输出镜，所述斯托克斯参量振荡腔后腔镜和斯托克斯参量振荡腔输出镜分别设置在非线性晶体的两侧，且斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度为1°-7°；

所述斯托克斯参量振荡腔后腔镜和斯托克斯参量振荡腔输出镜均设置在旋转位移平台上，通过调节旋转位移平台实现斯托克斯参量振荡腔和激光谐振腔之间的角度调谐，输出不同波长的受激拉曼激光。

本发明提供的可调谐激光器的工作原理：二极管激光器作为光源，输出连续激光；激光在激光振荡腔内，二极管激光器输出的激光在增益介质nd：yag激光晶体里通过光受激辐射放大转换为泵浦激光；声光调q器件能产生一定频率的调q脉冲，以实现受激sps和受激srs；

在激光谐振腔中，当非线性晶体受到泵浦激光作用后，由于发生在斯托克斯谐振腔中的受激电磁耦子散射所产生的一阶sps-stokes的增益系数大于在激光谐振腔中发生受激拉曼散射所产生的一阶srs-stokes的增益系数，因此在非线性晶体中受激电磁耦子散射会优先于受激拉曼散射的发生，产生一阶sps–stokes激光。

通过斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔的角度调谐，一阶sps-stokes激光作为泵浦光在斯托克斯参量振荡腔方向上产生一阶srs-stokes激光。

根据本发明优选的，非线性晶体的材料为磷酸钛氧铷(rtp)，斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度为1.5°-5°。

根据本发明优选的，非线性晶体的材料为铌酸锂(linbo3)，斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度为1°-3°。

根据本发明优选的，非线性晶体的材料为磷酸钛氧钾(ktp)，斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度为1.2°-6.5°。

根据本发明优选的，非线性晶体的材料为砷酸钛氧钾(kta)，斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度为1.8°-7°。

针对不同的非线性晶体，通过调节激光谐振腔和斯托克斯参量振荡腔之间的角度，能够实现调谐输出波长不同的受激拉曼激光，且调谐范围较大，且装置比较简单。

根据本发明优选的，所述二极管激光器输出的波长为808nm；

激光谐振腔后腔镜的一端镀有808nm增透膜，激光谐振腔后腔镜的另一端同时蒸镀1064nm高反膜和808nm高透膜；808nm增透膜的透过率大于99.8％，1064nm高反膜的反射率大于99.8％，808nm高透膜的透过率大于98％。

一方面保证808nm的激光能够尽可能多的进入nd：yag激光晶体使其在nd：yag激光晶体中通过光受激辐射放大转化为1064nm的激光，另一方面镀1064nm的高反膜，是为了保证作为sps泵浦源的1064nm的光能够形成足够腔的激光振荡，从而能够尽可能多的产生sps-stokes激光，有利于提高激光器的效率。

激光谐振腔输出镜上蒸镀1064nm-1090nm波长范围内高反膜和1090nm-1200nm波长范围内高透膜；1064nm-1090nm波长范围内高反膜的反射率大于99.8％，1090nm-1200nm波长范围内高透膜的透过率大于80％。

在激光谐振腔中，激光谐振腔输出镜的镀膜保证了泵浦激光在激光谐振腔内形成稳定的振荡，也防止了级联受激电磁耦子散射的发生。

优选的，斯托克斯参量振荡腔输出镜上蒸镀有1050nm-1090nm波长范围内高反膜、1100nm-1130nm波长范围内部分透过膜、1140nm-1220nm波长范围内高透膜；1050nm-1090nm波长范围内高反膜的反射率大于99.5％，1100nm-1130nm波长范围内部分透过膜的透过率为5％-30％，1140nm-1220nm波长范围内高透膜的透过率大于80％。

在斯托克斯参量振荡腔中，斯托克斯参量振荡腔输出镜镀膜设计使得斯托克斯参量振荡腔内的级联受激拉曼散射将会受到抑制，在斯托克斯参量振荡腔内只产生一阶srs-stokes激光。

斯托克斯参量振荡腔后腔镜上蒸镀有1000nm-1200nm波长范围内高反膜，1000nm-1200nm波长范围内高反膜的反射率大于99.8％。

斯托克斯参量振荡腔后腔镜镀膜涉及对受激电磁耦子散射产生的不同波长的一阶sps-stokes激光高反，保证了斯托克斯参量振荡腔内一阶sps-stokes激光的高强度。

根据本发明优选的，非线性晶体的两端均蒸镀有1000nm-1200nm波长范围内的增透膜，1000nm-1200nm波长范围内的增透膜的透过率大于99.8％。

根据本发明优选的，nd：yag激光晶体的两端均蒸镀有808nm增透膜和1064nm增透膜，声光调q器件两端均镀有1064nm增透膜，所述808nm增透膜和1064nm增透膜的透过率均大于99.8％。

nd：yag激光晶体将808nm的波长的激光通过受激辐射放大转换为1064nm波长；经过声光调q器件可以形成一定重复频率的脉冲激光。

根据本发明优选的，nd：yag激光晶体和非线性晶体的冷却温度为20℃。

上述级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的可调谐激光器的工作方法，包括步骤如下：

(1)二极管激光器产生的激光经过光学耦合镜片耦合到激光谐振腔中，在激光谐振腔中经过nd：yag激光晶体的受激辐射放大作用和声光调q器件的频率调节，产生调q泵浦激光，经过偏振分光棱镜输出竖直偏振方向的泵浦激光；

(2)泵浦激光作用在非线性晶体上，首先发生受激电磁耦子散射，产生受激电磁耦子散射；

(3)受激电磁耦子散射产生的一阶sps-stokes激光再作为泵浦光源激发非线性晶体，在斯托克斯参量振荡腔方向发生受激拉曼散射；

(4)通过斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度调谐，实现斯托克斯参量振荡腔输出镜输出不同波长范围的受激拉曼激光。

根据本发明优选的，通过调节旋转位移平台实现斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度调谐。

本发明的有益效果为:

1.本发明提供的可调谐激光器级联了受激电磁耦子散射和受激拉曼散射这两种不同的受激散射，拓宽了激光光谱的范围。在可调谐激光器中，通过满足受激电磁耦子散射的相位匹配条件，非线性晶体内能够实现受激电磁耦子散射，在斯托克斯参量振荡腔内产生一阶sps-stokes激光；通过对斯托克斯参量振荡腔镜片光谱透过率的设计，斯托克斯参量振荡腔振荡腔内的一阶sps-stokes激光作为泵浦激光能够在非线性晶体内再次实现受激拉曼散射。

2.本发明通过调节斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔的角度，能够实现调谐输出波长不同的受激拉曼激光，且调谐范围较大，为拉曼光的可调谐输出提供了新思路，且装置比较简单。

3.本发明为扩展获得激光波长范围提供了一种简易的思路，即通过改变对斯托克斯输出镜的不同波长地透过率，可以获得波长不同的不同阶的受激拉曼散射激光。

4.本发明提供的可调谐激光器在输入的泵浦功率为7.9w时，获得最高0.97w的激光功率输出，其转化效率较高，为12.3％。

5.本发明提供的级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的激光器输出的激光波长可以覆盖1120nm-1200nm，因此它可以作为可调谐黄光激光的光源，通过激光倍频之后，获得黄光激光，且可以进行黄光激光的频率可调谐输出，在生物医学、医疗美容、食品药品检测、大气遥感、信息储存等方面有广泛的应用。

附图说明

图1本发明提供的可调谐激光器的装置结构示意图；

图2一阶sps-stokes激光波长随着角度调谐的变化示意图；

图3斯托克斯参量振荡腔输出镜上镀膜的透过率曲线图；

图4一阶srs-stokes激光波长随着角度调谐的变化示意图；

图5在泵浦功率为7.9w时，不同调谐角度对应不同波长下的可调谐激光器的激光输出功率；

图6在最大输出功率对应的1118.6nm波长下的功率输入输出关系；

1、二极管激光器，2、耦合输出光纤，3、光学耦合镜片，4、nd：yag激光晶体，5、声光调q器件，6、偏振分光棱镜，7、激光谐振腔后腔镜，8、激光谐振腔输出镜，9、非线性晶体，10、斯托克斯参量振荡腔后腔镜，11、斯托克斯参量振荡腔输出镜，12、泵浦激光光束，13、斯托克斯激光光束，14、旋转位移平台。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的可调谐激光器，如图1所示，包括二极管激光器1、光学耦合镜片3、激光谐振腔、斯托克斯参量振荡腔和旋转位移平台14；二极管激光器1与光学耦合镜片3相连接，光学耦合镜片3与激光谐振腔相连接；

二极管激光器1输出的波长为808nm；二极管激光器1通过耦合输出光纤2与光学耦合镜片3相连接，经过光学耦合镜片3将光耦合到激光谐振腔中。

激光谐振腔包括沿光路依次设置的激光谐振腔后腔镜7、nd：yag激光晶体4、声光调q器件5、偏振分光棱镜6、非线性晶体9和激光谐振腔输出镜8；本实施例中，非线性晶体9为磷酸钛氧铷(rtp)。

斯托克斯参量振荡腔包括非线性晶体9、斯托克斯参量振荡腔后腔镜10和斯托克斯参量振荡腔输出镜11，斯托克斯参量振荡腔后腔镜10和斯托克斯参量振荡腔输出镜11分别设置在非线性晶体9的两侧，且斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度为1.5-5.5°，斯托克斯参量振荡腔后腔镜10和斯托克斯参量振荡腔输出镜11均设置在旋转位移平台14上，通过调节旋转位移平台14实现斯托克斯参量振荡腔和激光谐振腔之间的角度调谐，输出不同波长的受激拉曼激光。

激光谐振腔中的泵浦激光光束12的路线和斯托克斯参量振荡腔中斯托克斯激光光束13的路线如图1所示。

本发明提供的可调谐激光器的工作原理：二极管激光器1作为光源，输出连续激光；激光在激光振荡腔内，二极管激光器1输出的808nm激光通过在增益介质nd：yag激光晶体4里的光受激辐射放大过程转换为1064nm的激光；声光调q器件5能产生一定频率的调q脉冲，以实现受激sps和受激srs；

在激光谐振腔中，当非线性晶体9受到泵浦激光作用后，由于受激电磁耦子散射产生的在斯托克斯谐振腔中振荡的一阶sps-stokes的增益系数大于受激拉曼散射产生的一阶srs-stokes的增益系数，在非线性晶体9中受激电磁耦子散射会优先于受激拉曼散射的发生，产生一阶sps–stokes激光。

通过斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔的角度调谐，一阶sps-stokes激光作为泵浦光在斯托克斯参量振荡腔方向上产生一阶srs-stokes激光。

nd：yag激光晶体4的掺杂浓度为1at.％，尺寸为φ4mm×10mm，nd：yag激光晶体4的两端均蒸镀有808nm增透膜和1064nm增透膜。nd：yag激光晶体4将808nm的波长的激光通过受激辐射放大转换为1064nm波长。

声光调q器件5两端均镀有1064nm增透膜，808nm增透膜和1064nm增透膜的透过率均大于99.8％。经过声光调q器件5可以形成一定重复频率的脉冲激光。

激光谐振腔后腔镜7的一端镀有808nm增透膜，激光谐振腔后腔镜7的另一端同时蒸镀1064nm高反膜和808nm高透膜；808nm增透膜的透过率大于99.8％，1064nm高反膜的反射率大于99.8％，808nm高透膜的透过率大于98％。

一方面保证808nm的激光能够尽可能多的进入nd：yag激光晶体4使其在nd：yag激光晶体4中通过光受激辐射放大转化为1064nm的激光，另一方面镀1064nm的高反膜，是为了保证作为sps泵浦源的1064nm的光能够形成足够腔的激光振荡，从而能够尽可能多的产生sps-stokes激光，有利于提高激光器的效率。

激光谐振腔输出镜8上蒸镀1064nm-1090nm波长范围内高反膜和1090nm-1200nm波长范围内高透膜；1064nm-1090nm波长范围内高反膜的反射率大于99.8％，1090nm-1200nm波长范围内高透膜的透过率大于80％。

在激光谐振腔中，激光谐振腔输出镜8的镀膜保证了泵浦激光在激光谐振腔内形成稳定的振荡，也防止了级联受激电磁耦子散射的发生。

斯托克斯参量振荡腔后腔镜10上蒸镀有1000nm-1200nm波长范围内高反膜，1000nm-1200nm波长范围内高反膜的反射率大于99.8％。

斯托克斯参量振荡腔后腔镜10镀膜涉及对受激电磁耦子散射产生的不同波长的一阶sps-stokes激光高反，保证了斯托克斯参量振荡腔内一阶sps-stokes激光的高强度。

如图3所示，斯托克斯参量振荡腔输出镜11上蒸镀有1050nm-1090nm波长范围内高反膜、1100nm-1130nm波长范围内部分透过膜、1140nm-1220nm波长范围内高透膜；1050nm-1090nm波长范围内高反膜的反射率大于99.5％；1100nm-1130nm波长范围内部分透过膜的透过率为5％-30％；1140nm-1220nm波长范围内高透膜的透过率大于80％。

在斯托克斯参量振荡腔中，斯托克斯参量振荡腔输出镜11镀膜设计使得斯托克斯参量振荡腔内的级联受激拉曼散射将会受到抑制，在斯托克斯参量振荡腔内只产生一阶srs-stokes激光。

斯托克斯参量振荡腔后腔镜10和斯托克斯参量振荡腔输出镜11都放置在一个旋转位移平台14上，可以调节斯托克斯参量振荡腔和激光谐振腔之间的角度，通过角度的改变，调谐输出不同波长的受激拉曼激光。

非线性晶体9的尺寸为4mm×4mm×30mm，非线性晶体9的两端均蒸镀有1000nm-1200nm波长范围内的增透膜，1000nm-1200nm波长范围内的增透膜的透过率大于99.8％。

nd：yag激光晶体4、声光晶体5和非线性晶体9都被铟箔包裹好后放入紫铜块中，通水冷却，冷却温度控制在20℃。

实施例2

实施例1提供的一种级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的可调谐激光器的工作方法:

(1)二极管激光器1输出波长为808nm的连续激光，光学耦合镜片3将连续激光耦合到激光谐振腔中；在激光谐振腔中，经过nd：yag激光晶体4的受激辐射放大作用和声光调q器件5的频率调节，输出波长为1064nm的泵浦激光，1064nm的泵浦激光经过偏振分光棱镜6输出竖直偏振方向的泵浦激光；

(2)当非线性晶体9受到泵浦激光作用后，由于受激电磁耦子散射会优先于受激拉曼散射的发生，1064nm的脉冲泵浦激光会首先在激光谐振腔中发生受激电磁耦子散射产生一阶sps–stokes激光；

(3)一阶sps-stokes激光作为泵浦激光与非线性晶体9作用，在斯托克斯参量振荡腔方向上发生受激拉曼散射产生一阶srs-stokes激光；

(4)由斯托克斯参量振荡腔输出镜11输出级联一阶sps–stokes激光和一阶srs–stokes激光，通过调谐斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度，实现受激拉曼激光可调谐输出。

为了获取这种可调谐激光器输出的激光波长和角度的关系，我们调节旋转位移平台，每次旋转的角度都为0.1°，角度从1.5°变化到5.5°，由斯托克斯参量振荡腔输出镜输出的光经过二向色镜将把sps-stokes和srs-stokes分开，再用光谱仪记录各个角度下输出的一阶srs-stokes激光的波长和一阶sps–stokes激光的波长，如图4所示，得到一阶srs-stokes激光波长的范围1107.7nm–1108.3nm，1109.8nm–1112.7nm，1114.3nm–1115.2nm和1117.8nm–1221.1nm的激光输出；得到的一阶sps–stokes激光的波长范围，如图2所示，得到波长范围为1075.7nm–1075.8nm、1078.1nm–1080.4nm、1081.8nm–1082.2nm、1084.8nm–1088.3nm。

为了获取不同的波长下输出功率的差别，在光源功率7.9w时，用功率计记录不同波长下的输出激光的功率，结果如图5所示，该可调谐激光器在波长为1118.6nm时得到最高的输出功率。

为了获得这种可调谐激光器最大输出功率，固定激光器输出波长为1118.6nm，通过调节激光器输入功率获得功率的输入输出关系，如图6所示，在输入的泵浦功率为7.9w时获得最高0.97w的激光功率输出，其转化效率为12.3％。

实施例3

根据实施例1提供的一种级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的可调谐激光器，其区别之处在于：

本实施例中，非线性晶体9的材料为砷酸钛氧钾(kta)，斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度为1.8°-7°。输出的一阶srs-stokes激光波长的范围为1106.1nm-1107.1nm，1107.5nm-1109.2nm，1110.6nm-1111.9nm，1113.9nm-1114.1nm，1115.2nm-1116.6nm。最大的功率在1116.1nm波长处。

实施例4

根据实施例1提供的一种级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的可调谐激光器，其区别之处在于：

本实施例中，非线性晶体9为铌酸锂(linbo3)，斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度为1°-3°。

实施例5

根据实施例1提供的一种级联受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的可调谐激光器，其区别之处在于：

本实施例中，非线性晶体9的材料为磷酸钛氧钾(ktp)，斯托克斯参量振荡腔与激光谐振腔之间的角度为1.2°-6.5°。