一种窄线宽固体拉曼激光器中抑制受激布里渊散射的装置的制作方法

1.本发明涉及窄线宽激光器技术领域，尤其涉及一种窄线宽固体拉曼激光器中抑制受激布里渊散射的装置。


背景技术：

2.大功率窄线宽拉曼激光器具有输出波长灵活，光束质量好，自相位匹配，单纵模运转稳定性高等特点，在精密测量，生物医学，量子计算，相干通信等领域具有广泛的应用价值。
3.由于窄线宽固体拉曼激光器中，谐振腔内光场强度较高，当泵浦功率达到一定水平后，容易产生受激布里渊散射(sbs)。基横模的sbs散射的谐振窗口较小，通过谐振腔腔长调节可以得到抑制。但是多横模sbs的谐振窗口大，腔长调节过程中，总有相应的多横模sbs满足谐振条件，因此通过腔长调节无法消除多横模sbs。sbs不仅对谐振腔造成额外损耗，抑制拉曼激光器的输出功率，还会对腔内稳定的单纵模谐振造成干扰，由于sbs的频移量较小，难以通过滤波方法将其与受激拉曼散射分量分开。导致输出光谱展宽，降低了激光器的输出性能。
4.目前，抑制sbs的方案多见于光纤激光器中，而大多数方案通过对光纤进行掺杂，施加应力，温度调制等方式，无法应用于自由空间光路上。少部分方案在自由空间光路中具有可行性，例如：cn102087452a公开了一种利用旋转波片抑制sbs装置和方法，通过使用波片将激光束分割为偏振态不同的多段实现抑制传播介质中sbs的发生。这种方法具有应用于行波谐振腔的可行性，但会显著降低腔内拉曼增益，同时也影响输出斯托克斯光的偏振性能。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种窄线宽固体拉曼激光器中抑制受激布里渊散射的装置，本发明目的在于克服高功率窄线宽拉曼激光器领域中受激布里渊抑制散射抑制技术的局限性与不足，实现窄线宽固体拉曼激光器中受激布里渊散射的高效抑制，大幅提高窄线宽拉曼激光的输出功率。
6.一种窄线宽固体拉曼激光器中抑制受激布里渊散射的装置，所述装置包括：激光泵浦源、谐振腔、拉曼增益介质、倍频晶体、温控模块。
7.泵浦源输出的泵浦光进入谐振腔，通过拉曼增益介质，在谐振腔内产生拉曼激光振荡，将泵浦光能量转换为拉曼光能量，通过将倍频晶体引入拉曼激光器的谐振腔中，并通过倍频晶体的温度控制、晶体角度控制、倍频晶体所在位置的拉曼光尺寸控制等合理调控倍频晶体的转换效率，利用倍频晶体的非线性纵模抑制能力，抑制受激布里渊散射效应，保持窄线宽拉曼激光输出，产生的窄线宽拉曼激光由谐振腔一侧输出。
8.所述谐振腔是为行波腔或驻波腔，可为外腔拉曼激光器、内腔拉曼激光器、耦合腔拉曼激光器、自拉曼激光器、泵浦谐振拉曼激光器的典型谐振腔中的任意一种；
9.所述倍频晶体是一二阶非线性效应晶体，通过一类临界相位匹配方式产生倍频作用；所述倍频晶体接收带宽大于拉曼增益介质中拉曼光转换到布里渊散射的频移量；
10.所述倍频晶体在谐振腔内发生二次谐波产生过程，典型的控制倍频转换效率的方法有温度控制、晶体角度控制、倍频晶体所在位置的拉曼光尺寸控制；
11.所述倍频晶体在谐振腔内，除将少部分拉曼光产生倍频作用外，同时对拉曼光和布里渊光产生和频作用，该和频作用将对布里渊光产生腔内损耗，影响布里渊光的产生和放大，进而布里渊光被抑制。
12.进一步地，
13.若谐振腔仅有一个光束束腰位置，拉曼增益介质放置在束腰位置，倍频晶体放置在靠近束腰位置；
14.若谐振腔形成两个光束束腰位置，拉曼增益介质和倍频晶体分别放置在束腰位置，一般倍频晶体处的束腰比拉曼增益介质处的束腰尺寸大；
15.若谐振腔有大于两个光束束腰位置，将拉曼增益介质放置在光束束腰最小的位置上，倍频晶体设置在光束束腰次小的位置。
16.其中，所述温控模块为半导体制冷片对应电路模块组成的温度调节模块，调节温度精度的典型值为
±
0.1℃。
17.其中，倍频晶体的温度控制通过控制温控模块实现，角度控制与倍频晶体所在位置的拉曼光尺寸控制通过改变倍频晶体在谐振腔内的角度与位置实现。
18.进一步地，所述泵浦源输出泵浦光的线宽小于拉曼增益介质的拉曼增益线宽。
19.其中，所述拉曼增益介质的拉曼增益线宽小于拉曼光转换到布里渊散射的频移量。
20.本发明提供的技术方案的有益效果是：
21.1、本发明通过在谐振腔内引入倍频晶体，从而利用倍频晶体的多纵模抑制效应，对sbs场施加比主模式更多的非线性损耗，实现对谐振腔内sbs的抑制效果；
22.2、由于倍频晶体来源广泛，可匹配宽范围波段，装置整体结构紧凑、操作简便、可靠性高，本发明通过调节倍频晶体的倍频效率，可灵活调整抑制能力；
23.3、若使用高损伤阈值的倍频晶体，例如：lib3o5晶体(lbo)等，还可将本发明用于高功率激光器的sbs抑制中。
附图说明
24.图1为本发明的实施例1的示意图；
25.图2为本发明的实施例2的示意图；
26.图3为本发明的实施例3的示意图；
27.图4为本发明的实施例4的示意图；
28.图5为本发明的典型sbs受抑制的对比效果图。
29.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
30.1：激光泵浦源；
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2：谐振腔；
31.3：拉曼增益介质；
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4：倍频晶体；
32.5：温控模块；
33.21：第一腔镜；
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22：第二腔镜；
34.23：第三腔镜；
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24：第四腔镜。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
36.本发明实施例通过将倍频效应引入拉曼激光器的谐振腔中，利用倍频效应产生的多纵模抑制作用，对除了主纵模外的其他纵模产生额外损耗。具体说来，假设谐振腔内只有两个模式谐振，频率为λ1的主纵模与频率为λ2的非激活纵模，主纵模、非激活纵模的光强分别为i1与i2，当倍频效应发生时，主纵模的非线性损耗可以描述为：
37.l1＝k1i1+2k1i238.其中，k1为非线性强度相关的常数。而非激活纵模的非线性损耗可以描述为：
39.l2＝k2i2+2k2i140.由于主纵模与非激活纵模都在倍频晶体的接收带宽内，因此非线性常数k1≈k2。在主纵模激发时，主纵模强度远大于非激活纵模，因此非激活纵模的强度可忽略，则非激活纵模的非线性损耗近似为主纵模的两倍。可有效抑制非激活纵模的产生。
41.通过对倍频晶体的选型设计，如晶体长度控制，使得倍频晶体的接收带宽大于布里渊频移量，则倍频过程中，可将sbs视作非激活纵模并施加更多的非线性损耗，从而实现对谐振腔内sbs的抑制效果。改善激光器的输出功率性能与光谱特性。
42.一种抑制固体拉曼激光器中受激布里渊散射的装置，包括：激光泵浦源1、谐振腔2、拉曼增益介质3、倍频晶体4、温控模块5；
43.激光泵浦源1为窄线宽半导体激光器、窄线宽光纤激光器或其他窄线宽固态激光器类型，输出泵浦光的线宽小于拉曼增益介质3的拉曼增益线宽。
44.谐振腔2为行波腔或驻波腔，可为外腔拉曼激光器、内腔拉曼激光器、耦合腔拉曼激光器、自拉曼激光器、泵浦谐振拉曼激光器的典型谐振腔中的任意一种，本发明实施例对此不做限制。
45.拉曼增益介质3为固体拉曼介质中的任意一种，包括：但不限于钒酸钇盐、钨酸盐、硝酸盐、石英、硅、金刚石等拉曼晶体材料。其拉曼增益线宽需小于拉曼光转换到布里渊散射的频移量。将拉曼增益介质3放置在谐振腔2的光束束腰处，若谐振腔2形成两个束腰，则放置在焦点位置光斑半径最小的束腰处。
46.倍频晶体4，是一种二阶非线性效应晶体，在所述的窄线宽固体拉曼激光器中抑制受激布里渊散射的装置中通过一类临界相位匹配方式产生倍频作用；典型为lib3o5(lbo)、β-bab2o4(bbo)、kh2po4(kdp)晶体中的任意一种。倍频晶体4通过切割设计，实现对所输出的受激拉曼散射波长产生二次谐波，相位匹配为第一类相位匹配。倍频晶体4的设计同时需要满足可接收带宽大于拉曼增益介质3中拉曼光转换到布里渊散射的频移量；倍频晶体4需要设置在谐振腔2的内部，若谐振腔2只有一个焦点位置，例如：二镜谐振腔，则倍频晶体4可以设置在靠近光束束腰位置；若谐振腔2形成两个束腰，则倍频晶体4设置在束腰位置光斑半径相对较大的一处焦点处。同时将倍频晶体4安装在温控模块5上，通过温控模块5进行温度调节。
47.在较少出现大于两个束腰的情况时，将拉曼增益介质3设置在距束腰位置光斑半径最小的位置上，倍频晶体4设置在束腰位置光斑半径次小的位置。
48.温控模块5，典型为半导体制冷片对应电路模块组成的温度调节模块，或其他能实现温度调节的模块。用于倍频晶体的温控控制。调节温度精度的典型值为
±
0.1℃。
49.通过将倍频晶体4接入固体拉曼激光器的谐振腔2内，对拉曼光进行倍频转换，利用倍频晶体4对非激活纵模产生的高损耗性，以及倍频晶体4接收带宽对布里渊波段的覆盖，以抑制谐振腔2内的sbs，并通过控制倍频转换效率的方法改变sbs的抑制效果。
50.典型的控制倍频转换效率的方法有温度控制、晶体角度控制、倍频晶体4所在位置的拉曼光尺寸控制的方法。
51.其中，倍频晶体4的温度控制通过控制温控模块5实现，角度控制与倍频晶体4所在位置的拉曼光尺寸控制通过改变倍频晶体4在谐振腔2内的角度与位置实现。
52.一种抑制固体拉曼激光器中受激布里渊散射的装置的光路走向如下所示：
53.泵浦源1输出的泵浦光进入谐振腔2，在谐振腔2内通过拉曼增益介质3，将谐振腔2的其中一个腔镜，作为拉曼光的输出端口。
54.泵浦光经过拉曼增益介质3时产生受激拉曼散射，将泵浦光转换为拉曼光，拉曼光在谐振腔2内振荡并放大。
55.谐振腔2内谐振的拉曼光，经过倍频晶体4，产生二次谐波，二次谐波的多纵模抑制效应作用于拉曼光场，并通过倍频晶体的温度控制、晶体角度控制、倍频晶体所在位置的拉曼光尺寸控制等合理调控倍频晶体的转换效率，从而高效抑制受激布里渊散射效应，保持窄线宽拉曼激光输出。产生的窄线宽拉曼激光最终通过谐振腔的输出端口输出。
56.将倍频晶体接入固体拉曼激光器的谐振腔内，对拉曼光进行倍频转换，利用倍频晶体对非激活纵模产生的高损耗性，以及倍频晶体接收带宽对布里渊波段的覆盖，以抑制谐振腔内的sbs，并通过控制二次谐波转换效率的方法改变sbs的抑制效果。
57.通过将倍频晶体引入拉曼激光器的谐振腔中，利用倍频晶体的非线性纵模抑制能力，可以高效抑制受激布里渊散射效应，保持窄线宽拉曼激光输出，产生的窄线宽拉曼激光最终通过谐振腔的输出端口输出。
58.实施例1
59.图1是本发明实施例1的结构示意图，实施例1中是外腔拉曼激光器中常见的由第一腔镜21与第二腔镜22组成的共焦谐振腔(本领域中的惯用技术术语)。激光泵浦源1为1064nm窄线宽光纤激光器，最大功率为70w，输出线偏振光。在使用过程中，泵浦光源的参数、选取波长、输出功率等根据实际应用中的需要进行选择，本发明实施例对此不做限制。泵浦光从泵浦源1输出后进入谐振腔2，谐振腔2由第一腔镜21与第二腔镜22组成。第一腔镜21是平凹镜，镀有对泵浦波长1064nm的增透膜，对拉曼波长1240nm的高反膜，对二次谐波波长620nm的增透膜，作为泵浦光进入共焦谐振腔的输入腔镜。谐振腔2的第二腔镜22是平凹镜，镀有对泵浦波长1064nm的高反膜，对拉曼波长1240nm的部分透射膜，其透射率针对70w的泵浦源功率的典型值为1％，对二次谐波波长620nm的增透膜，作为激光器的输出腔镜，生成的拉曼光从第二腔镜22镜输出至腔外。拉曼增益介质3为金刚石晶体，两端镀有1064nm、1240nm与620nm的增透膜，其布里渊频移量约为0.36nm。倍频晶体4为4x4x4 mm3的lbo晶体，两端镀有1064nm、1240nm与620nm的增透膜。切割角度为θ＝85.6
°
，采用一类相位匹
配，最佳匹配温度为40℃，可接收带宽参考值为2.5nm，可接收温度带宽参考值19.1℃。倍频晶体4安装在温控模块5上，温控模块5为利用半导体制冷片实现温度控制的模块，控制精度为
±
0.1℃。倍频晶体4与金刚石相距1mm。
60.当泵浦功率足够高，在谐振腔2内产生拉曼光振荡时，由于谐振腔2内的光场强度较高，部分拉曼光转换为倍频光。有效抑制了sbs效应的产生，从而达到提高sbs阈值的作用。并且倍频转换效率越高，sbs光受到的额外非线性损耗越大，抑制作用越强。在泵浦功率68w，温控模块5设置温度40℃下，sbs被稳定抑制，此时二次谐波转化效率为28.8％，产生了10.4w的稳定斯托克斯单纵模输出。通过改变倍频晶体4的温度，平衡sbs抑制能力与输出功率后，温控模块5设置温度49℃下，二次谐波转化效率达到10.6％，即可实现相同泵浦功率下sbs的稳定抑制，并产生11.7w的斯托克斯单纵模输出。
61.实施例2
62.图2是本发明实施例2的结构示意图，实施例2是外腔拉曼激光器中常见的由第一腔镜21，第二腔镜22，第三腔镜23，呈v型组成的三镜驻波谐振腔，第一腔镜21安装在v型的中心结点位置，第二腔镜22作为输出腔镜，谐振腔内光场为往返运行，构成驻波腔结构。与实施例1不同之处在于，谐振腔2的结构不同，拉曼增益介质3与倍频晶体4分别安装在谐振腔2的两臂的焦点处。此外，第三腔镜23是平凹镜，其镀膜与第一腔镜21一致，倍频晶体4由于所在光路无泵浦光通过，可不用针对泵浦光波长进行镀膜。倍频晶体4的设置与运作方式与实施例1一致，本发明实施例在此不做赘述。
63.实施例3
64.图3是本发明实施例3的结构示意图，实施例3是泵浦谐振拉曼激光器中常见的由第一腔镜21，第二腔镜22，第三腔镜23，第四腔镜24组成的8字型行波腔(本领域中的惯用技术术语)，谐振腔内光场为单向运行，构成行波腔结构。与实施例1不同之处在于，谐振腔2为行波腔，拉曼增益介质3与倍频晶体4分别安装在谐振腔2两侧的两个焦点处。此外，第一腔镜21是平凹镜，作为输入腔镜与输出腔镜，镀有对泵浦光与拉曼光的部分透射膜，针对70w的激光泵浦源1，此部分透射膜对泵浦光与拉曼光波段的典型透过率为10％，对二次谐波光场的增透膜。本实施例中第一腔镜作为输入腔镜和输出腔镜，根据设计不同，可将其他腔镜设计为输出腔镜。其余谐振腔镜(第二腔镜22，第三腔镜23，第四腔镜24)镀有对腔内泵浦光与拉曼光的高反膜，对二次谐波光的增透膜，从而形成泵浦光与拉曼光场在谐振腔内的振荡。本实施例中第三腔镜23与第四腔镜24是平面镜，根据设计不同可为平凹镜。倍频晶体4的设置与运作方式实施例1一致，本发明实施例在此不做赘述。
65.实施例4
66.图4是本发明实施例4的结构示意图，实施例4是内腔拉曼激光器中常见的由第一腔镜21与第二腔镜22组成的半共焦谐振腔(本领域中的惯用技术术语)。激光泵浦源1由808nm半导体激光器11，谐振腔2，激光介质12组成。第一腔镜21是平凹镜，镀有对808nm、620nm的增透膜，对1064nm，1240nm的高反膜，第二腔镜22是平面镜，镀有对808nm、620nm的增透膜，对1064nm的高反膜，对1240nm的部分透射膜，透射率典型值为1％。激光介质12为nd:yvo4晶体，拉曼增益介质3为金刚石晶体，倍频晶体4为lbo晶体。半导体激光器11输出的808nm光场进入谐振腔后，将先通过激光介质12，产生1064nm泵浦光。所获得的泵浦光在谐振腔2内振荡增强，并通过金刚石晶体产生1240nm拉曼光。倍频晶体4的设置与运作方式实
施例1一致，本发明实施例在此不做赘述。
67.实施例5
68.图5为本发明实施例的典型sbs受抑制的对比效果图。在无倍频晶体4时，如最下分图所示，输出光的光谱中除了中心波长为1239.6nm的拉曼光分量之外，还可发现明显的sbs分量，中心波长位于1239.9nm。这代表输出光存在sbs分量。在谐振腔2内引入倍频晶体4时，在相同拉曼光输出功率下，调节倍频晶体4的二次谐波转换效率，可观察到二次谐波功率较低时(约为几个毫瓦)，sbs光谱出现不稳定现象，说明sbs分量被少量抑制，当二次谐波功率较高时(通常大于500毫瓦，取决于实际情况)，sbs光谱消失，说明sbs被完全抑制。
69.本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，本发明的各种更改和变化。凡在本发明的精神实质与原理内，所作的任何改变、修饰、替代、组合、简化等，均应包含在本发明的保护范围之内。
70.本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
71.本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
72.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。