CN103401135B - 采用拉曼频率变换将激光放大的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用拉曼频率变换将激光放大的方法，包括以下步骤：利用分束镜将入射的泵浦光分束为第一路光束与第二路光束；分束后的第一路光束绕过拉曼种子源发生器，经反射后入射至合束镜；第二路光束通过延时部分入射至拉曼种子源发生器形成拉曼种子光；通过对拉曼种子光源与泵浦光脉冲进行调节，使二者能够在空间中与时域上重合，以形成共轴光束；共轴光束进入拉曼放大器中实现对拉曼种子光能量的放大。实施上述方法的装置，包括激光泵浦源、分束镜、第一全反镜、第二全反镜、延时部分、拉曼种子源发生器、合束镜与拉曼放大器。本发明通过增加分束，合束，延时等部分，从而实现拉曼光的能量放大，并且还能够保证拉曼光的光束质量。
Description
技术领域
本发明属于激光频率变换领域，尤其是一种采用拉曼频率变换将激光放大的方法及其装置。
背景技术
现有激光器输出波长是由激光晶体中掺杂离子能级结构决定的。而掺杂离子种类多为常见几种，如Nd，Er，Yb等，故输出波长相对较为固定，单一。很多特定波长的激光有很强的实用价值，却无法从现有激光晶体中直接产生。为满足不同场合的需要，就要对现有波长进行频率变换。目前，常见的频率变换方法，多为利用非线性晶体的二阶非线性效应实现基频光的倍频，差频，和频等。此种方式大多采用角度匹配，对于不同的入射波长需改变晶体不同的切向。为使倍频效率达到最佳，倍频晶体的长度也需适当，不宜过长，也不宜过短。倍频的方式结构简单，设计方便，转化效率高，但产生的波长为基频光波长的一半，波长覆盖范围相对较窄，对于某些特定波段的产生仍有困难。
另一种常见的频率变换方式是采用宽荧光谱线的可调谐激光晶体，在其较宽的荧光谱线范围内实现激光波长连续可变的协调输出。但此种方法中可调谐激光晶体的种类较少，如钛宝石晶体(Ti:Al2O3)，掺铬紫翠宝石晶体(Cr:BeAl2O4)，掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)等。调谐的波长范围取决于该可调谐激光晶体的荧光谱线宽度，它们的波长协调范围多为几十或一百纳米左右的窄波段内，这限制了它的实际应用范围。
现有的拉曼激光器通过受激拉曼散射的方式对基频光进行频率变换。拉曼晶体对基频光进行拉曼频率变换时，基频光波长以等波数间隔由低阶斯托克斯拉曼光向高阶斯托克斯拉曼光转化。通过选择不同拉曼晶体，利用它们频移量的不同，便能够实现特定波长激光的输出。拉曼晶体对基频光无需角度匹配，对任意波长基频泵浦光均可实现拉曼频率变换，故波长范围覆盖较广。
大多数拉曼激光器采用外置拉曼腔的方案。此种结构拉曼光产生阈值较低，提高了拉曼转换效率。而且拉曼谐振腔还可以对某些特定波长，进行专门的设计，不仅能够实现特定输出波长的最佳运转，还能保证较好的拉曼光光束质量。但此种方案中，拉曼光波长通常与泵浦光波长相差不大，给耦合输入镜和输出镜的镀膜造成了一定的困难，所以此种方案往往输出低阶单一波长拉曼光。另一种常用的拉曼激光器为单通或双通方案。此种方案结构简单，装置小巧，易于调节。尤其适用于超短脉冲激光的频率转换，以及对拉曼晶体的受激拉曼阈值和拉曼晶体的拉曼增益进行测量，能同时输出多波长的拉曼光。但此种方案中拉曼光产生阈值相对较高，拉曼光的光束质量也往往不佳。
发明内容
针对上述方案中存在的不足之处，本发明提供了一种采用拉曼频率变换将激光放大的方法及其装置，通过增加分束，合束，延时等部分，实现拉曼激光放大，使得拉曼光的出光阈值低，并且在产生多波长拉曼光的同时，还能够保证较好的拉曼光光束质量。
为实现上述目的，本发明提供一种采用拉曼频率变换将激光放大的方法，包括以下步骤：
S1、利用分束镜将入射的泵浦光分束为第一路光束与第二路光束；
S2、分束后的第一路光束作为拉曼放大器的泵浦光脉冲绕过拉曼种子源发生器，经反射后入射至合束镜中，用于对拉曼种子光进行拉曼放大；
S3、第二路光束通过延时部分入射至拉曼种子源发生器形成拉曼种子光；
S4、通过对拉曼种子光源与泵浦光脉冲进行调节，使二者能够在空间中与时域上重合，以形成共轴光束；
S5、共轴光束进入拉曼放大器中实现对拉曼种子光能量的放大。
进一步地，在步骤S2中，第一路光束经分束镜远离拉曼种子源发生器，并通过第一全反镜与第二全反镜反射后入射至合束镜。
进一步地，在步骤S3中，延时部分由第三全反镜、全反镜组与第四全反镜构成，第二路光束依次通过第三全反镜、全反镜组与第四全反镜入射至拉曼种子源发生器形成拉曼种子光。
进一步地，步骤S4包括以下步骤：
a、利用合束镜调节拉曼种子光源与泵浦光脉冲在空间中的重合度；
b、为使拉曼种子光源在拉曼放大器中能有效得到放大，利用延时部分调节拉曼种子光与泵浦光脉冲的光程差，实现泵浦光脉冲与拉曼种子光在时域上的重合；
c、当拉曼种子光源与泵浦光脉冲在空间中与时域上相匹配时以形成共轴光束。
本发明还提供一种采用拉曼频率变换将激光放大的装置，包括激光泵浦源，还包括分束镜、第一全反镜、第二全反镜、延时部分、拉曼种子源发生器、合束镜与拉曼放大器，所述分束镜将所述激光泵浦源发出的泵浦光分束为第一路光束与第二路光束；所述第一全反镜与所述第二全反镜依次设置在所述第一路光束的传播路径上；所述延时部分与所述拉曼种子源发生器依次设置在所述第二路光束的传播光路上，所述延时部分依次由第三全反镜、反射镜组与第四全反镜构成；所述合束镜用于使拉曼种子光源与泵浦光脉冲在空间中精确同轴；所述拉曼放大器设置在所述合束镜的后端，用于对拉曼种子光进行放大。
进一步地，所述分束镜为半反半透式分束镜。
进一步地，经所述分束镜分束后形成所述第一路光束，其传播路径远离所述拉曼种子源发生器，在经过所述第一全反镜与所述第二全反镜反射后入射至所述合束镜。
进一步地，所述全反镜组由两面正交放置的45°全反镜构成，所述全反镜组固定在一维平移台上。
进一步地，所述拉曼放大器中放置的拉曼晶体为稳态增益高或瞬态增益高的拉曼晶体。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）通过将泵浦光分束的方式，降低了入射至拉曼种子发生器的泵浦光强，可以避免高光强对拉曼晶体的损伤，也可以避免高峰值功率的脉冲在拉曼晶体中激发出其它的非线性效应，而降低拉曼种子光的光束质量；
（2）利用受激拉曼的自净化作用，在拉曼放大器中可以有效改善拉曼种子光的光束质量。从而在保持高光束质量的同时，实现对拉曼种子光能量的放大。
附图说明
图1为本发明方法部分的流程图；
图2为本发明装置部分的结构图；
图3为拉曼种子源部分的结构示意图；
图4为拉曼种子源部分的另一种结构示意图。
主要元件符号说明如下：
1-激光泵浦源2-分束镜3-第一全反镜
4-第二全反镜5-第三全反镜6-全反镜组
7-第四全反镜8-拉曼种子源发生器
9-合束镜10-拉曼放大器11-耦合输入镜
12-输出镜
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种采用拉曼频率变换将激光放大的方法，包括以下步骤：
S1、利用分束镜将入射的泵浦光分束为第一路光束与第二路光束。
S2、分束后的第一路光束作为拉曼放大器的泵浦光脉冲绕过拉曼种子源发生器，经反射后入射至合束镜，用于对拉曼种子光进行拉曼放大。
具体的，第一路光束经分束镜远离拉曼种子源发生器，并通过第一全反镜与第二全反镜反射后入射至合束镜。
S3、第二路光束通过延时部分入射至拉曼种子源发生器形成拉曼种子光。
具体的，延时部分由第三全反镜、全反镜组与第四全反镜构成，第二路光束依次通过第三全反镜、全反镜组与第四全反镜入射至拉曼种子源发生器形成拉曼种子光。
S4、通过对拉曼种子光源与泵浦光脉冲进行调节，使二者能够在空间中与时域上重合，以形成共轴光束。
步骤S4中具体包括以下步骤：
a、利用合束镜调节拉曼种子光源与泵浦光脉冲在空间中的重合度；
b、为使拉曼种子光源在拉曼放大器中能有效得到放大，利用延时部分调节拉曼种子光与泵浦光脉冲的光程差，实现泵浦光脉冲与拉曼种子光在时域上的重合；
c、当拉曼种子光源与泵浦光脉冲在空间中与时域上相匹配时以形成共轴光束。
S5、共轴光束进入拉曼放大器中实现对拉曼种子光能量的放大。
由激光泵浦源发出的泵浦光先通过分束镜分成两束，其中，一束泵浦光先激发出较弱的拉曼种子光作为拉曼种子源，再通过合束镜调节拉曼种子光与另一束泵浦光脉冲在空间中的重合度，从而实现泵浦光与拉曼光的合束，再利用延时部分调节拉曼种子光与泵浦光脉冲的光程差，从而实现泵浦光与拉曼光在时域上的重合。二者在时域和空间的重合度越好，拉曼种子光在拉曼放大器中的放大效果就会越好。对比现有的拉曼激光器，本发明通过增加分束，合束，延时等部分，实现拉曼激光放大系统，使得拉曼光出光阈值低，在产生多波长拉曼光的同时，还能够保证较好的拉曼光光束质量。
如图2至图4所示，本发明还提供一种采用拉曼频率变换将激光放大的装置，包括激光泵浦源1、分束镜2、第一全反镜3、第二全反镜4、延时部分、拉曼种子源发生器8、合束镜9与拉曼放大器10，分束镜将激光泵浦源发出的泵浦光分束为第一路光束与第二路光束；第一全反镜与第二全反镜依次设置在第一路光束的传播路径上；延时部分与拉曼种子源发生器依次设置在第二路光束的传播光路上，延时部分依次由第三全反镜、反射镜组与第四全反镜构成；合束镜用于使拉曼种子光源与泵浦光脉冲在空间中精确同轴；拉曼放大器设置在合束镜的后端，用于对拉曼种子光进行放大。
经分束镜分束后形成第一路光束，其传播路径远离拉曼种子源发生器，在经过第一全反镜与第二全反镜反射后入射至合束镜。
激光泵浦源1采用脉冲式激光器，输出波长只需满足拉曼晶体的透过率条件即可。受激拉曼散射属三阶非线性效应，其激发阈值相对较高，故一般会使用纳秒、皮秒或飞秒级高峰值功率的脉冲式泵浦源进行泵浦。
分束镜2是一面半反半透的分束镜。分束镜的分束比应根据具体应用来确定，一般情况下可采用1:1的分束比。分束镜2也可以是其他光学分束器件，但不宜采用偏振分光器件。
拉曼种子源发生器8可以是一个结构简单的单通拉曼发生器，也可以是一个外置拉曼腔。通常拉曼种子源采用泵浦光单次通过拉曼晶体的单通结构，但此种方式产生的拉曼光光束质量往往不好。为保证拉曼种子光的光束质量，也可以采用外置拉曼腔的方式。将拉曼晶体放入一个谐振腔中，耦合输入镜11对泵浦光高透，对拉曼光高反，输出镜12对泵浦光高透，对拉曼光以一定透射率输出。为使拉曼光在拉曼腔中可以持续获得增益而起振，泵浦源的脉冲重复频率应达到兆赫兹量级。无论采用单通拉曼发生器，还是采用外置拉曼腔。其目的都是使泵浦光通过拉曼种子源发生器8后，可以有效的激发出多阶的斯托克斯拉曼光。这些被激发出的拉曼光，作为拉曼种子光源为后级的拉曼放大器提供待放大的种子光。
合束镜9可以是靠镀膜实现的合束镜，也可以利用反射式滤光片实现合束的目的。对于合束镜9的要求应根据拉曼种子光和泵浦光的波长值来确定。合束镜对泵浦光是高透射率，而对拉曼种子光为45度高反射率。通过仔细调节合束镜9使两束光在空间上精确同轴，从而实现泵浦光与拉曼光在空间的合束。
拉曼放大器10是一个结构简单的行波拉曼放大器。根据不同的泵浦光脉宽，选用适合于此种泵浦光的增益高的拉曼晶体。若采用纳秒脉冲式的泵浦源，则可以选用Ba(NO3)2，Ba(WO4)2等稳态拉曼增益高的拉曼晶体。若采用皮秒或飞秒脉冲的泵浦源，则应选用YVO4、GdVO4或KGd(WO4)2等瞬态增益高的拉曼晶体。
由第三全反镜5、全反镜组6、第四全反镜7组成的延时同步部分都是对泵浦光的全反镜。其中，全反镜组6可以是两面正交放置的45度全反镜，也可以是全反射棱镜等全反射光学元件。为使泵浦光与拉曼种子光两者光程相同，就要对拉曼种子光的产生部分加入延时。全反镜组6被固定在一个一维平移台上，为使延时足够精确，该平移台的精度应达到0.02mm。
本发明的实施例如下：
下面以532nm，Nd:YAG泵浦源为例，详细介绍本发明的具体实施方式：
Nd:YAG泵浦源发出的脉冲式线偏振532nm泵浦光，被分束镜以反射透射比1:1的比例分束为两部分。一半泵浦光通过延时部分直接入射至拉曼种子源发生器，用于激发拉曼种子光。另一半泵浦光从旁边绕过拉曼种子源发生器，作为拉曼放大器的泵浦源，用于对拉曼种子光进行拉曼放大。
对于拉曼种子源的两种结构分别适合于不同重复频率的泵浦源，高重频的泵浦光可采用外置拉曼腔的结构，低重频的泵浦光适宜采用单通拉曼发生器的结构。此处以外置拉曼腔为例，入射至拉曼种子源发生器的泵浦光，经由对532nm泵浦光高透的输入镜耦合输入至拉曼腔中，激发出拉曼种子光。拉曼种子光在拉曼腔中保持振荡，经由输出镜以一定透射率输出。输出的拉曼种子光经过对其全反的合束镜，与放大级泵浦光在拉曼放大器中共轴输入。为使拉曼种子光在拉曼放大器中能有效得到放大，需精确调节拉曼种子光与放大级泵浦光间的光程差，使它们在时域上能很好的重合。当同时保证了两者在时域上和空间上的匹配，就可以得到共轴的多波长拉曼光。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士．在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，曾应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (9)
1.一种采用拉曼频率变换将激光放大的方法，包括以下步骤：
S1、利用分束镜将入射的泵浦光分束为第一路光束与第二路光束；
S2、分束后的第一路光束作为拉曼放大器的泵浦光脉冲绕过拉曼种子源发生器，经反射后入射至镀膜合束镜，用于对拉曼种子光进行拉曼放大；
S3、第二路光束通过延时部分入射至拉曼种子源发生器形成多阶拉曼种子光；
S4、通过对拉曼种子光源与泵浦光脉冲进行调节，使二者能够在空间中与时域上重合，以形成共轴光束，以得到共轴的多波长拉曼光；
S5、共轴光束进入拉曼放大器中实现对拉曼种子光能量的放大；
其中，泵浦光是由脉冲重复频率为兆赫兹量级的激光泵浦源发出。
2.根据权利要求1所述的采用拉曼频率变换将激光放大的方法，其特征在于，在步骤S2中，第一路光束经分束镜远离拉曼种子源发生器，并通过第一全反镜与第二全反镜反射后入射至合束镜。
3.根据权利要求1所述的采用拉曼频率变换将激光放大的方法，其特征在于，在步骤S3中，延时部分由第三全反镜、全反镜组与第四全反镜构成，第二路光束依次通过第三全反镜、全反镜组与第四全反镜入射至拉曼种子源发生器中以形成拉曼种子光。
4.根据权利要求1所述的采用拉曼频率变换将激光放大的方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：
a、利用合束镜调节拉曼种子光源与泵浦光脉冲在空间中的重合度；
b、为使拉曼种子光源在拉曼放大器中能有效得到放大，利用延时部分调节拉曼种子光与泵浦光脉冲的光程差，实现泵浦光脉冲与拉曼种子光在时域上的重合；
c、当拉曼种子光源与泵浦光脉冲在空间中与时域上相匹配时以形成共轴光束。
5.一种实施上述权利要求1-4任一项所述的采用拉曼频率变换将激光放大的方法的装置，包括激光泵浦源，其特征在于，还包括分束镜、第一全反镜、第二全反镜、延时部分、拉曼种子源发生器、合束镜与拉曼放大器，所述分束镜将所述激光泵浦源发出的泵浦光分束为第一路光束与第二路光束；
所述第一全反镜与所述第二全反镜依次设置在所述第一路光束的传播路径上；
所述延时部分与所述拉曼种子源发生器依次设置在所述第二路光束的传播光路上，所述延时部分依次由第三全反镜、反射镜组与第四全反镜构成；
所述合束镜用于使拉曼种子光源与泵浦光脉冲在空间中精确同轴；
所述拉曼放大器设置在所述合束镜的后端，用于对拉曼种子光进行放大；
其中，所述激光泵浦源的脉冲重复频率为兆赫兹量级。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述分束镜为半反半透式分束镜。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，经所述分束镜分束后形成所述第一路光束，其传播路径远离所述拉曼种子源发生器，在经过所述第一全反镜与所述第二全反镜反射后入射至所述合束镜。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述全反镜组由两面正交放置的45°全反镜构成，所述全反镜组固定在一维平移台上。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述拉曼放大器中放置的拉曼晶体为稳态增益高或瞬态增益高的拉曼晶体。
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