一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器

本发明属于激光，尤其涉及一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器。

背景技术：

1、受激拉曼散射作为一种三阶非线性频率变换技术，是拓宽激光波长的重要手段。单频、宽调谐内腔式拉曼激光器因具有窄的线宽和大的波长调谐范围，在钠导星、精密光谱学以及原子冷却等领域具有非常重要的应用价值，近年来一直处于激光频率变换研究领域的前沿。

2、由于拉曼激光器的泵浦方式采用腔内连续波泵浦，拉曼激光器的性能很大程度上依赖于泵浦激光。目前，该类型拉曼激光器主要采用固体激光泵浦，通过在谐振腔中放置标准具，起到对泵浦激光线宽压缩和波长调谐的作用，从而实现单频、可调谐拉曼激光输出。然而，单个标准具的线宽与自由光谱范围之间会相互制约，往往引起激光多纵模工作，不利于激光的模式选择。此外，固体激光泵浦的激射波长和调谐能力都非常有限，致使这种内腔式拉曼激光器很难实现大范围可调谐输出。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，以解决现有固体激光泵浦的内腔式拉曼激光器难以实现大范围波长调谐和单频控制难度大的问题。本技术方案中用于提供泵浦激光的增益介质在谐振腔的作用下，能产生高达数百瓦的腔内功率密度，该功率密度能激发拉曼晶体中的三阶非线性效应，可实现拉曼激射。此外，增益介质采用宽带增益谱结构，在单频控制元件和波长调谐元件的协同作用下，易实现泵浦激光线宽的压缩和波长的大范围调谐，进而实现单频宽调谐的内腔式拉曼激光器。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，包括泵浦源、增益介质、单频控制元件、后端镜、波长调谐元件、分色镜、第一反射镜、拉曼晶体、第二反射镜和耦合输出镜；所述泵浦源、增益介质、单频控制元件、后端镜、波长调谐元件、第一反射镜和第二反射镜构成泵浦系统，所述分色镜、第一反射镜、拉曼晶体、第二反射镜和耦合输出镜构成拉曼系统；所述增益介质、后端镜、第一反射镜和第二反射镜之间形成泵浦谐振腔，泵浦辐射在所述泵浦谐振腔的作用下形成泵浦激光振荡；所述分色镜、第一反射镜、第二反射镜和耦合输出镜之间形成拉曼谐振腔，拉曼受激辐射在拉曼谐振腔的作用下形成拉曼激射；所述泵浦源用于向所述增益介质辐射初级泵浦光，所述增益介质用于吸收初级泵浦光的能量并对抽运光的波长产生用于激发拉曼晶体的泵浦辐射，所述增益介质采用宽带增益谱结构；所述增益介质能够将泵浦辐射反射给第一反射镜和后端镜；所述后端镜用于将增益介质反射来的泵浦辐射再次反射给所述增益介质；所述单频控制元件位于增益介质和后端镜之间，所述单频控制元件用于窄化泵浦激光的线宽；所述波长调谐元件和分色镜位于增益介质和第一反射镜之间，所述波长调谐元件位于靠近所述增益介质的一侧；所述波长调谐元件用于调谐泵浦激光的波长；所述分色镜用于实现泵浦辐射和拉曼辐射的分离，所述分色镜能够透射泵浦激光以及能够反射拉曼激光，所述分色镜能够将拉曼激光反射给第一反射镜和耦合输出镜；所述第一反射镜用于将增益介质发射的泵浦辐射和分色镜分离的拉曼辐射反射给第二反射镜；所述第二反射镜用于将拉曼辐射和泵浦辐射再次反射至第一反射镜；所述拉曼晶体位于第一反射镜和第二反射镜之间，所述拉曼晶体能够透过泵浦激光波长和拉曼激光波长，所述拉曼晶体用于吸收泵浦激光的能量并产生拉曼受激辐射；所述耦合输出镜用于输出拉曼激光。

3、进一步，所述增益介质包括依次设置的反射层和有源层，所述反射层用于对泵浦激光进行反射，所述有源层能够对泵浦辐射实现光放大，所述有源层为多量子阱结构。

4、进一步，所述增益介质还包括保护层，所述保护层用于防止所述增益介质发生氧化。

5、进一步，所述单频控制元件包括依次设置的多组控制层，多组控制层对线宽的窄化能力依次增强。

6、进一步，所述单频控制元件包括对线宽的窄化能力依次增强的第一控制层、第二控制层和第三控制层，所述第一控制层、第二控制层和第三控制层的厚度按比例增加。

7、进一步，所述波长调谐元件以布鲁斯特角放置。

8、进一步，所述波长调谐元件能够以其所在平面的法线为轴进行转动。

9、进一步，所述泵浦源为激光二极管。

10、进一步，所述泵浦源为波长小于泵浦系统激光波长的半导体激光二极管。

11、本技术方案的工作原理在于：增益介质中的有源层吸收泵浦源提供的能量，产生泵浦辐射。该泵浦辐射在增益介质、第一反射镜、第二反射镜和后端镜所构成的泵浦谐振腔的作用下，形成泵浦激光振荡。由于该泵浦激光的腔内功率密度高达数百瓦水平，可以激发拉曼晶体中的三阶非线性效应，产生拉曼辐射。

12、随后该拉曼辐射在分色镜、第一反射镜、第二反射镜和耦合输出镜所构成的拉曼谐振腔的作用下实现拉曼激射。利用泵浦激光易于线宽压缩和波长调谐的特性，通过在泵浦谐振腔内放置单频控制元件和波长调谐元件，可实现单频、宽调谐腔内连续波单频拉曼激光。

13、本技术方案的有益效果在于：利用泵浦激光具有大的增益带宽、高的腔内功率密度、易于线宽压缩和大范围波长调谐等特性，通过在泵浦谐振腔内放置单频控制元件和波长调谐元件，再结合拉曼晶体的三阶非线性效应，实现单频、宽调谐内腔式拉曼激射。本发明可以解决现有固体激光泵浦的腔内连续波拉曼激光器难以实现大范围波长调谐和单频控制难度大等问题，为钠导星、精密光谱学以及原子冷却等应用领域提供高性能光源。

技术特征：

1.一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：包括泵浦源(3)、增益介质(2)、单频控制元件(5)、后端镜(6)、波长调谐元件(7)、分色镜(8)、第一反射镜(9)、拉曼晶体(10)、第二反射镜(11)和耦合输出镜(12)；所述泵浦源(3)、增益介质(2)、单频控制元件(5)、后端镜(6)、波长调谐元件(7)、第一反射镜(9)和第二反射镜(11)构成泵浦系统，所述分色镜(8)、第一反射镜(9)、拉曼晶体(10)、第二反射镜(11)和耦合输出镜(12)构成拉曼系统；所述增益介质(2)、后端镜(6)、第一反射镜(9)和第二反射镜(11)之间形成泵浦谐振腔，泵浦辐射在所述泵浦谐振腔的作用下形成泵浦激光振荡；所述分色镜(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(11)和耦合输出镜(12)之间形成拉曼谐振腔，拉曼受激辐射在拉曼谐振腔的作用下形成拉曼激射；所述泵浦源(3)用于向所述增益介质(2)辐射初级泵浦光，所述增益介质(2)用于吸收初级泵浦光的能量并对抽运光的波长产生用于激发拉曼晶体(10)的泵浦辐射，所述增益介质(2)采用宽带增益谱结构；所述增益介质(2)能够将泵浦辐射反射给第一反射镜(9)和后端镜(6)；所述后端镜(6)用于将增益介质(2)反射来的泵浦辐射再次反射给所述增益介质(2)；所述单频控制元件(5)位于增益介质(2)和后端镜(6)之间，所述单频控制元件(5)用于窄化泵浦激光的线宽；所述波长调谐元件(7)和分色镜(8)位于增益介质(2)和第一反射镜(9)之间，所述波长调谐元件(7)位于靠近所述增益介质(2)的一侧；所述波长调谐元件(7)用于调谐泵浦激光的波长；所述分色镜(8)用于实现泵浦辐射和拉曼辐射的分离，所述分色镜(8)能够透射泵浦激光以及能够反射拉曼激光，所述分色镜(8)能够将拉曼激光反射给第一反射镜(9)和耦合输出镜(12)；所述第一反射镜(9)用于将增益介质(2)发射的泵浦辐射和分色镜(8)分离的拉曼辐射反射给第二反射镜(11)；所述第二反射镜(11)用于将拉曼辐射和泵浦辐射再次反射至第一反射镜(9)；所述拉曼晶体(10)位于第一反射镜(9)和第二反射镜(11)之间，所述拉曼晶体(10)能够透过泵浦激光波长和拉曼激光波长，所述拉曼晶体(10)用于吸收泵浦激光的能量并产生拉曼受激辐射；所述耦合输出镜(12)用于输出拉曼激光。

2.根据权利要求1所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述增益介质(2)包括依次设置的反射层(13)和有源层(14)，所述反射层(13)用于对泵浦激光进行反射，所述有源层(14)能够对泵浦辐射实现光放大，所述有源层(14)为多量子阱结构。

3.根据权利要求2所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述增益介质(2)还包括保护层(15)，所述保护层(15)用于防止所述增益介质(2)发生氧化。

4.根据权利要求1所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述单频控制元件(5)包括依次设置的多组控制层，多组控制层对线宽的窄化能力依次增强。

5.根据权利要求4所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述单频控制元件(5)包括对线宽的窄化能力依次增强的第一控制层(16)、第二控制层(17)和第三控制层(18)，所述第一控制层(16)、第二控制层(17)和第三控制层(18)的厚度按比例增加。

6.根据权利要求1所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述波长调谐元件(7)以布鲁斯特角放置。

7.根据权利要求6所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述波长调谐元件(7)能够以其所在平面的法线为轴进行转动。

8.根据权利要求1所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述泵浦源(3)为激光二极管。

9.根据权利要求8所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述泵浦源(3)为波长小于泵浦系统激光波长的半导体激光二极管。

技术总结
本发明属于激光技术领域，具体公开了一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，包括泵浦源、增益介质、单频控制元件、后端镜、波长调谐元件、分色镜、第一反射镜、拉曼晶体、第二反射镜和耦合输出镜。本发明利用增益介质在谐振腔的作用下，可产生高达数百瓦的腔内功率密度，从而激发拉曼晶体中的三阶非线性效应，实现拉曼激射。其次，由于增益介质采用宽带增益谱结构设计，在单频控制元件和波长调谐元件的协同作用下，易实现泵浦激光线宽的压缩和波长的大范围调谐，进而可实现单频、宽调谐腔内连续波拉曼激光输出。

技术研发人员：蒋丽丹,张鹏,朱仁江,王涛
受保护的技术使用者：重庆师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21