一种负压条件下高转换效率蓝色激光的产生装置

本发明属于激光变频，特别涉及一种负压条件下高转换效率蓝色激光的产生装置。

背景技术：

1、由于海水对蓝光波段的极低吸收损耗，蓝光激光器在海洋勘测、水下保密通信以及水下制导等领域有着广泛应用。此外，在光谱学、激光显示、信息存储、材料加工和生物医学检测等诸多领域中，脉冲蓝色激光器也承担着重要角色。获得蓝光的途径主要有：ii-vi族或iii-v族化合物作宽带隙pn结或pin结的半导体激光器、氩离子或氪离子等稀有气体激光器、重频xef准分子激光、采用非线性技术对红光和红外波段进行频率上转换以及受激拉曼散射(srs)产生频率变换等。基于半导体产生蓝光的频率稳定性以及光束质量较差，即存在波长漂移、发散角较大、光斑不均匀等问题；氩离子激光器通过电极放电在蓝绿光波段(454-528nm)可以输出一系列不同波长的激光，并可以旋转腔内棱镜选择工作波长，但该器件体积大、寿命短、转换效率低；xef2蒸汽在光解离作用下产生处于波段为450-520nm，中心波长在480nm处的xef(c-a)激光辐射，其脉冲能量大，脉宽为百纳秒至微秒级，然而总转换效率极低(仅为0.1％)。

2、目前，最为常用的蓝色激光产生方式是非线性频率上转换，其主要包括倍频与和频。其中，倍频包括腔内倍频、外腔倍频、自倍频等。和频手段则包括泵浦单一激光晶体的两个发射截面产生双波长激光和频，或分别泵浦两个激光晶体。以上方式通常选用nd3+掺杂的luvo4、yag、gdvo4和yvo4等晶体作为增益介质，通过抑制强谱线(1.06μm、1.32μm等波段)、选择弱谱线(950nm左右的波段)的手段产生激光，因而需要考虑复杂的谱线增益竞争问题。为了输出合适的波长，该类装置还对光学元件的镀膜工艺提出较高要求。此外，严苛的相位匹配和腔内模式匹配，电学参数、偏振和温度的精准控制，以及较差的定标放大性使得此类蓝光输出方式所得的脉冲能量和峰值功率都非常有限。另一种获得蓝光波段激光的上转换途径是，使用gaalas和ingaalp等红色或红外激光器泵浦掺杂yb3+作为敏化离子，er3+、ho3+、tm3+等稀土离子作激活离子的氟化物、卤化物或复合氧化物，其机制是激发态吸收、能量传递或者光子雪崩引起的稀土离子能级跃迁。例如，用红色激光泵浦tm3+：liyf4可以输出30mw的483nm蓝色激光，转换效率为8％。该方法不受相位匹配的约束，且对泵浦光的波长稳定性、偏振性和光束质量等要求不高，但是涉及复杂的光学材料制备工艺。利用碱金属原子蒸气的三阶混频、受激拉曼散射或者相干反斯托克斯拉曼散射等效应，也可以实现激光的频率变换与调谐，从而产生蓝光输出，但这种蓝光激光器的阈值较高(10kw/cm2以上)，且输出功率仅为百微瓦量级，距离实际应用仍有一定距离。

3、气体受激拉曼散射(srs)自1963年首次报道以来受到了极大的关注，被广泛应用于波长转换、超短脉冲产生、相干反斯托克斯拉曼光谱学以及频率梳产生等领域，其中，反斯托克斯光的产生可以将输出波长向短波拓展。因此srs也成为一种可以获得蓝色激光输出的有效手段。这一过程对泵浦光与一阶斯托克斯光以及各阶反斯托克斯光之间时域和空间的交叠程度以及相位匹配提出严格的要求，因此聚焦参数和气体压强等都极大程度上影响着反斯托克斯蓝光的能量转换效率。2016年，国防科技大学顾博所在的团队采用1064nm激光泵浦充有高压氢气的空芯光纤，通过级联srs同时获得737.6nm、564.2nm和457.1nm红绿蓝三色激光输出，分别对应氢气的一、二、三阶振动反斯托克斯光，并提出气压越高泵浦光到斯托克斯光以及反斯托克斯光的转化效率越高。然而光纤的传输损耗以及非线性效应限制了其转换效率及输出功率，3.5mpa气压下，42.6mw的泵浦功率仅对应几十微瓦的输出。因此，如何实现工作结构简单、高转换效率、稳定可靠的蓝色光脉冲输出，是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种负压条件下高转换效率蓝色激光的产生装置，以获得满足实际应用需求的蓝色脉冲激光，解决泵浦光与一阶斯托克斯光以及各阶反斯托克斯光之间相位匹配的关键性问题，探究各阶反斯托克斯的气压选择性，提高蓝光的转换效率。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明提供一种负压条件下高转换效率蓝色激光的产生装置，包括沿着激光传输方向依次放置的激光泵浦单元、拉曼变频单元、气压调控单元及分光探测单元；其中，

4、激光泵浦单元用于输出激光，输出的激光经过一段自由空间光路传播后射入拉曼变频单元中；

5、拉曼变频单元在负压条件下通过受激拉曼散射过程产生多波长激光脉冲且输出；

6、气压调控单元用于控制拉曼变频单元的负压条件；

7、分光探测单元用于从拉曼变频单元输出的多波长激光脉冲中分离出波长可选择的蓝色激光。

8、所述激光泵浦单元包括泵浦激光器、半波片、偏振分光片、激光束流收集器及用于形成一段自由空间光路的平面反射镜组，其中泵浦激光器、半波片、偏振分光片沿着激光传输方向依次排列，偏振分光片一侧设有激光束流收集器，半波片与偏振分光片的组合实现对进入所述拉曼变频单元的激光能量的连续调节；平面反射镜组设置于激光传输路径上，用于保证光路的有效传播长度。

9、所述平面反射镜组包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜和第五平面反射镜，其中第一平面反射镜设置于泵浦激光器和所述半波片之间，用于将所述泵浦激光器输出的激光反射至所述半波片上，第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜和第五平面反射镜沿激光传输方向依次排列于所述偏振分光片的后侧。

10、所述拉曼变频单元包括沿激光传输方向依次排列的聚焦透镜、第一佩林布洛卡棱镜、拉曼池及准直透镜，其中拉曼池为两端分别设置激光入射窗口和激光出射窗口的中空密闭腔室，中空密闭腔室的内部填充拉曼活性气体，入射脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后，再经过第一佩林布洛卡棱镜射入拉曼池中，在拉曼池内经过受激拉曼散射过程产生包括斯托克斯光、反斯托克斯光和剩余泵浦光在内的多波长激光脉冲输出，输出的多波长激光脉冲经过准直透镜准直后射入所述分光探测模块中。

11、所述拉曼池的激光入射窗口为石英窗口；所述拉曼池的激光出射窗口为氟化钙窗口。

12、所述气压调控单元包括增压装置、减压装置、气压检测装置及监测控制装置，其中增压装置、减压装置和气压检测装置均与所述拉曼池连接，气压检测装置用于检测所述拉曼池内的气压，增压装置和减压装置通过监测控制装置控制；

13、当气压检测装置测得的拉曼池内实际气压低于理想负压条件时，监测控制装置启动增压装置向所述拉曼池中充入拉曼活性气体；当气压检测装置测得的拉曼池内实际气压高于理想负压条件时，监测控制装置启动减压装置从所述拉曼池中抽出部分拉曼活性气体。

14、所述增压装置包括高压储气瓶、减压阀、第一导气管及第一转接头，其中高压储气瓶内充有拉曼活性气体，第一导气管的一端与高压储气瓶连接，另一端通过第一转接头与所述拉曼池连接，减压阀设置于第一导气管上。

15、所述减压阀包括阀体、进气接头、进气压力显示表、出气压力显示表、压力调节杆、泄压阀及出气接头，其中进气接头和出气接头设置于阀体的两端，进气压力显示表设置于阀体的进气端，出气压力显示表、压力调节杆和泄压阀设置于阀体的出气端；

16、进气压力显示表的示值为所述高压储气瓶内贮存气体的压力，出气压力显示表所示压力由压力调节杆控制。

17、所述减压装置包括真空泵、第二导气管及第二转接头，其中第二导气管的一端与真空泵连接，另一端通过第二转接头与所述拉曼池连接。

18、所述分光探测单元包括沿激光传输方向依次排列的第二佩林布洛卡棱镜、第三佩林布洛卡棱镜、分光光阑、扩束镜及能量计，其中第二佩林布洛卡棱镜和第三佩林布洛卡棱镜用于对激光光束进行波长分离；分光光阑可在垂直于光束传播的方向上左右移动，以分别筛选出各阶反斯托克斯光，实现输出蓝光波长的可调，输出的蓝色激光经过扩束镜镜扩束后，通过能量计记录输出光能量。

19、本发明的优点与积极效果为：

20、1.本发明利用拉曼活性气体在拉曼池中的受激拉曼散射效应产生的反斯托克斯光获得蓝光输出，其原理简单、结构简易、成本低廉。在频率稳定性和光束均匀性等方面相较于二极管蓝光有着较大优势，且规避了非线性频率上转换蓝光输出在相位匹配与腔模匹配上的技术难点，对电学参数、偏振和温度等条件的控制要求不高。此外，无需考虑各类稀土激活离子复杂的能级跃迁结构以及发射截面间的增益竞争问题。

21、2.本发明通过在负压范围内探究各阶反斯托克斯的气压选择性，解决了泵浦光与一阶斯托克斯光以及各阶反斯托克斯光之间相位匹配的关键性问题，大大提高了蓝光的转换效率。通过调控气体压强，优化聚焦参数和泵浦能量，极大程度上提高反斯托克斯光的能量转换效率。可以实现脉宽为数纳秒至数十纳秒、单脉冲能量数十毫焦至百毫焦、峰值功率为数十兆瓦、能量转换效率超过10％的蓝色脉冲激光输出。

22、3.本发明可通过选用不同发射波长的泵浦激光器和具有不同拉曼频移的气体增益介质，改变输出反斯托克斯光的频率，以获得不同波长的蓝色脉冲激光。

23、4.本发明的气压调控单元具有较高的监测灵敏度以及调节的灵活性，通过高灵敏度的电子气压表对拉曼池内的气压进行实时监控，将增压装置与减压装置联动，可以实现拉曼活性气体气压在负压区间的精细控制，便于寻找每一种泵浦条件和增益介质所对应的最佳负压条件。