CN103855602A

CN103855602A - 一种自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器

Info

Publication number: CN103855602A
Application number: CN201210510175.8A
Authority: CN
Inventors: 周灿华; 郭敬为; 孟庆琨; 刘金波; 周冬建; 金玉奇
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-06-11

Abstract

本发明提供了一种自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器，包括一台泵浦激光器（1），一套分光系统（2），第一个拉曼池（6），第二个拉曼池（16）和一组分光棱镜（20）。泵浦光源（1）通过分光系统（2）分成两束泵浦光，其中第一束泵浦光通过第一二相色镜（3）导入第一个拉曼池（6）产生后向拉曼种子光；第二束泵浦光通过光路延迟，与后向拉曼种子光同时到达第二二相色镜（13）并进行合束，然后一起导入第二个拉曼池（16）进行受激拉曼放大。最后通过分光棱镜组（20）得到放大拉曼光。实验结果表明，和传统的单级拉曼池相比，本发明可以获得转换效率更高的受激放大拉曼光。本发明可以广泛应用于军事、医疗、环境监测等领域。

Description

一种自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器

技术领域

本发明涉及受激拉曼放大器，特别是一种自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器。

背景技术

随着近年来激光在交通、测量、医疗、国防和工农业等众多应用领域的不断发展，开发特殊的激光波长已经越来越引起人们的注意。这些特殊的激光波长可以通过新的激光工作物质产生，也可以通过光学材料（气体，晶体）的非线性光学频率转换产生。在非线性光学领域，受激拉曼散射能够用来对激光发射波长做特定频率转换（取决于拉曼介质的拉曼振动模频率），达到特定的激光波长输出。因此，受激拉曼散射技术是实现激光波长变换的重要技术手段。

依据拉曼介质的物质形态不同，拉曼介质可分为固体、液体和气体。固体拉曼介质一般体积小，拉曼介质浓度高，故其拉曼增益和转化率高。当前已研制出多种固体拉曼介质，应用十分广泛，但固体拉曼介质损伤阈值低，不易实现高能量激光输出。液体拉曼介质则由于液体介质的挥发性，毒性或不稳定性等缺陷，应用范围受到很大限制。相对而言，气体拉曼介质具有较好的热管理性、较高的损伤阈值（更可能实现大能量拉曼激光输出）、高拉曼振动模（大拉曼频移）和窄拉曼线宽等优点，也得到了广泛深入的研究。常用的气体拉曼介质有H₂，CH₄，O₂和N₂等。

目前，采用气体介质实现激光受激拉曼转换的传统方法主要是：泵浦激光器输出的泵浦光经过透镜聚焦，导入充满气体拉曼介质的单程拉曼池内发生受激拉曼散射过程，产生斯托克斯拉曼光，然后再通过准直透镜、棱镜分光得到拉曼放大光。在此过程中，只有在聚焦透镜的焦点位置附近的一小段区域内激光功率密度可以达到受激拉曼散射阈值；也就是说，只有在此区域内才可以发生受激拉曼散射实现对泵浦光的频率转换。因此泵浦光与拉曼介质的有效相互作用区域很小，难以获得较高的拉曼转化效率。

此外，通常说的受激拉曼阈值是指拉曼振荡池中通过受激拉曼散射来实现从自发拉曼散射产生的噪声放大到可观测程度时所需要的泵浦光强。传统的单程拉曼池的激光波长转换，是自发拉曼散射为后续的受激拉曼散射提供了种子光。另外，由于气体介质的粒子浓度小，这都就意味着传统的气体受激拉曼散射阈值会比较高。而对自带种子光的拉曼放大器而言，自发拉曼散射的作用可以忽略不计，其受激拉曼散射过程实际上不需要阈值。

发明内容

本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供了一种自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器，能够有效地提高拉曼光转化效率，特别是在低泵浦光能量的条件下。

本发明的技术解决方案如下：

一种自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器，包括一台泵浦激光器，一套分光系统，第一个拉曼池，第二个拉曼池和一组分光棱镜，其特征在于：泵浦激光器输出的泵浦光通过分光系统分成两束泵浦光；第一束泵浦光通过第一个拉曼池产生后向斯托克斯光作为拉曼种子光，后向斯托克斯光作为拉曼种子光和第二束泵浦光同时导入第二个拉曼池进行拉曼光受激放大。

其中，第一束泵浦光通过第一二相色镜反射和第一聚焦透镜聚焦导入第一个拉曼池，随之产生后向斯托克斯拉曼种子光，该拉曼种子光按原光路返回、依次穿过第一聚焦透镜、第一二相色镜、第二聚焦透镜和第二二相色镜进入第二个拉曼池，作为受激拉曼放大种子光；第二束泵浦光先后通过第一高反镜、第三聚焦透镜和第二高反镜进行光路延迟，作为受激拉曼放大泵浦光，与后向斯托克斯拉曼种子光同时到达第二二相色镜，然后经第二二相色镜反射与后向斯托克斯拉曼种子光在空间上达到重合，一起进入第二个拉曼池进行受激拉曼放大；第二个拉曼池的出光最后通过准直透镜和分光棱镜组把剩余的泵浦光P和放大拉曼光S1分开，从而得到单一的放大拉曼光。

其中，所述的拉曼种子光和第二束泵浦光分别通过第二聚焦透镜和第三聚焦透镜在空间上均聚焦到第二个拉曼池的中心。

其中，所述的拉曼种子光和第二束泵浦光分别通过各自光路在时间上同时到达第二二相色镜上并进行合束。

其中，所述的拉曼种子光为第一束泵浦光在第一个拉曼池内产生的后向斯托克斯受激拉曼光，其光束质量优于泵浦光。

其中，所述的第一个拉曼池左侧为入射窗口，右侧为出射窗口，两窗口分别设为第一石英窗口片和第二石英窗口片，经第一聚焦透镜后的第一束泵浦光先通过该拉曼池入射窗口再通过出射窗口透射出去，产生的后向斯托克斯拉曼种子光按原光路经入射端第一窗口片返回。

其中，所述的第二个拉曼池右侧为入射窗口，左侧为出射窗口，两窗口分别设为第三石英窗口片和第四石英窗口片，拉曼种子光和第二束泵浦光在第二二相色镜上合束后的混合光先通过该拉曼池入射窗口，发生受激拉曼放大过程，然后混合光通过出射窗口透射出去。

其中，所述的分光系统由3个高反镜、2个1/2波片和2个偏振分光片组成，泵浦光依次经过第一高反镜、第一1/2波片后分为S和P分量，然后经过第一偏振分光片分成两束，第一束下方透射的光束再依次经过第二高反镜和第三高反镜反射后作为第一束泵浦光，第二束右方反射的光束再依次经过第二1/2波片和第二偏振分光片分光后竖直方向向下光束作为第二束泵浦光。

其中，所述的准直透镜的聚焦焦点在第二个拉曼池中心。

其中，所述的第一二相色镜为对拉曼光高透，对泵浦光高反；第二二相色镜为对拉曼光高透，对泵浦光高反。

值得指出的是，第一束泵浦光经过聚焦透镜造成的光束畸变后可以通过后向斯托克斯光再次经过该透镜得到补偿，因此后向拉曼光的光束质量通常比泵浦光的好。在本发明中，被用来作为后续受激拉曼放大的种子光。

对于稳态受激拉曼散射过程，在小信号增益条件下（即可忽略泵浦光强的损耗），放大拉曼光增长满足：

I_s(z)=I_s(0)exp(gI_pz)

其中：I_s(z)为增长的放大拉曼光，I_s(0)为最初的拉曼种子光，g为稳态增益系数，I_p为泵浦光强，z为拉曼光和泵浦光相互作用长度。上式表明受激拉曼散射过程中，放大拉曼光与拉曼种子光成正比，与相互作用长度z成指数增长关系。

与传统的受激拉曼散射波长变换相比，依据本发明的受激拉曼放大有如下几个明显优点：

1）、由于拉曼种子光的存在，第二束泵浦光的受激拉曼散射过程没有阈值限制，因此斯托克斯拉曼光非常容易被放大，而传统的气体受激拉曼散射阈值比较高；

2）、由于拉曼种子光和第二束泵浦光在时间和空间上很好的重合，两束光相互作用长度大大增加，使得泵浦光很容易被大量的消耗，转化为拉曼光，即量子转化效率较高。

3）、由于拉曼种子光的存在，在第二个拉曼池内的受激拉曼过程中抑制其他斯托克斯光的转化，因此获得的放大拉曼光仍以种子光频率为主，即输出激光波长比较单一。

附图说明

图1为本发明自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器结构示意图。其中1-泵浦激光器，2-分光系统，3-第一二相色镜，4-第一聚焦透镜，6-第一个拉曼池，5-第一石英窗口片，7-第二石英窗口片，8-第二聚焦透镜，11-第三聚焦透镜，14-第三石英窗口片，18-第四石英窗口片，19-准直透镜，9-第一高反镜，12-第二高反镜，10-第三1/2波片，13-第二二相色镜，15、21-气压表，16-第二个拉曼池，17、22-充气阀门，20-分光棱镜组。

图2为受激放大拉曼光的量子转化效率随着第二束泵浦光强变化的曲线图——本发明的拉曼放大器和传统的单级拉曼池受激拉曼。

具体实施方式

详见附图1所示。由图可见，本发明自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器包括：一台泵浦激光器1，一套将泵浦光分为两束的分光系统2，泵浦光高反且拉曼光高透的第一二相色镜3，第一束泵浦光的第一聚焦透镜4，第一个拉曼池6及其两端面10毫米厚密封法兰上各设直径30毫米的第一石英窗口片5、第二石英窗口片7，安装在第一个拉曼池6上的气压表21及充气阀门22，后向拉曼种子光的第二聚焦透镜8，用于第二束泵浦光光路延迟的第一高反镜9、第二高反镜12，第三1/2波片10，第二束泵浦光的第三聚焦透镜11，将拉曼种子光和第二束泵浦光合束的第二二相色镜13，第二个拉曼池16及其两端面10毫米厚密封法兰上各设直径30毫米的第三石英窗口片14、第四石英窗口片18，安装在第二个拉曼池16上的气压表15及充气阀门17，输出放大拉曼光的准直透镜19，一组分光棱镜20。其中，第一个拉曼池6和第二个拉曼池16的主体均是内径26毫米、壁厚3毫米的不锈钢管，长度分别为300毫米和1800毫米。

具体地说，泵浦激光器1输出的泵浦光通过分光系统2分成两束泵浦光。其中第一束泵浦光通过第一二相色镜3（对泵浦光高反，对拉曼光高透）反射和第一聚焦透镜4（焦距为250毫米）聚焦后经第一个拉曼池6的左侧入射窗口导入该拉曼池6内，随之产生光束质量较好的后向斯托克斯拉曼种子光，该拉曼种子光按原光路返回，依次经过第一聚焦透镜4、第一二相色镜3、第二聚焦透镜8（焦距为1000毫米，焦点在第二个拉曼池16的中心）和第二二相色镜13进入第二个拉曼池16，作为受激拉曼放大种子光，剩余的第一束泵浦光经第一个拉曼池6的右侧出射窗口透射出去；第二束泵浦光先后通过第一高反镜9、第二高反镜12进行光路延迟并经过中间的第三聚焦透镜11（焦距为1000毫米，焦点在第二个拉曼池16的中心）聚焦，作为受激拉曼放大泵浦光，与后向拉曼种子光同时到达第二二相色镜13，然后在空间上进行合束后一并导入第二个拉曼池16进行受激拉曼放大。最后通过准直透镜19（焦距为1000毫米，焦点也在第二个拉曼池16的中心）和分光棱镜组20把剩余的泵浦光P和放大拉曼光S1分开，从而得到单一的放大拉曼光。

本发明实施例，采用美国Continuum Nd:YAG激光器基频光1064nm作为泵浦光，以H₂为受激拉曼散射介质，实现其一阶斯托克斯1900nm拉曼光种子光的产生及其受激拉曼放大。第一个拉曼池6和第二个拉曼池16均注入4.0MPa氢气。按照上述的实验步骤进行自带拉曼种子光的H₂受激拉曼放大实验。在进行传统的单级拉曼池实验时，只需将上述实验过程中第一束泵浦光挡住，仅让第二束泵浦光单独导入第二个拉曼池进行受激拉曼散射。最后对上述两个受激拉曼光出光效率进行比较和分析。

图2绘出了受激放大拉曼光的量子转化效率随着第二束泵浦光光强变化的两条曲线图，分别对应本发明的拉曼放大器和传统的单级拉曼池。从图2可以看出：1）、前者由于自带拉曼种子光，第二束泵浦光10mJ时明显发生受激拉曼放大过程，而后者在30mJ时才发生受激拉曼散射；2）、第二束泵浦光在40mJ以内低能区时，前者的受激拉曼放大效果明显好于后者，特别的当能量为38.5mJ时，前者受激拉曼放大对应的量子转化效率为49.1%，而后者对应的量子转化效率为24.6%，仅为前者的一半；3）、第二束泵浦光在40-120mJ之间高能区时，前者的受激拉曼放大效果同样明显好于后者，当能量为100mJ时，前者受激拉曼放大对应的量子转化效率仍约为后者对应的1.1倍。实验结果表明：与传统的单级拉曼池受激拉曼相比，依据本发明的受激拉曼放大的效率获得了显著地提高，特别是在泵浦光在40mJ以内低能区时。

Claims

1.一种自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器，包括一台泵浦激光器（1），一套分光系统（2），第一个拉曼池（6），第二个拉曼池（16），其特征在于：

泵浦激光器（1）输出的泵浦光通过分光系统（2）分成两束泵浦光；

第一束泵浦光通过第一个拉曼池（6）产生后向斯托克斯光作为拉曼种子光，后向斯托克斯光作为拉曼种子光和第二束泵浦光同时导入第二个拉曼池（16）进行拉曼光受激放大。

2.根据权利要求1所述的气体受激拉曼放大器，其特征在于：

第一束泵浦光通过第一二相色镜（3）反射和第一聚焦透镜（4）聚焦导入第一个拉曼池（6），随之产生后向斯托克斯拉曼种子光，该拉曼种子光按原光路返回、依次穿过第一聚焦透镜（4）、第一二相色镜（3）、第二聚焦透镜（8）和第二二相色镜（13）进入第二个拉曼池（16），作为受激拉曼放大种子光；

第二束泵浦光先后通过第一高反镜（9）、第三聚焦透镜（11）、第二高反镜（12）进行光路延迟，作为受激拉曼放大泵浦光，与后向斯托克斯拉曼种子光同时到达第二二相色镜（13），然后经第二二相色镜（13）反射与后向斯托克斯拉曼种子光在空间上达到重合，一起进入第二个拉曼池（16）进行受激拉曼放大；

第二个拉曼池（16）的出光最后通过准直透镜（19）和分光棱镜组（20）把剩余的泵浦光P和放大拉曼光S1分开，从而得到单一的放大拉曼光。

3.根据权利要求1所述的气体受激拉曼放大器，其特征在于：

所述的拉曼种子光和第二束泵浦光分别通过第二聚焦透镜（8）和第三聚焦透镜（11）在空间上均聚焦到第二个拉曼池（16）的中心。

4.根据权利要求1所述的气体受激拉曼放大器，其特征在于：

所述的拉曼种子光和第二束泵浦光分别通过各自光路在时间上同时到达第二二相色镜（13）上并进行合束。

5.根据权利要求1所述的气体受激拉曼放大器，其特征在于：

所述的拉曼种子光为第一束泵浦光在第一个拉曼池（6）内产生的后向斯托克斯受激拉曼光，其光束质量优于泵浦光。

6.根据权利要求1所述的气体受激拉曼放大器，其特征在于：

所述的第一个拉曼池（6）左侧为入射窗口，右侧为出射窗口，两窗口分别设为第一石英窗口片（5）和第二石英窗口片（7），经第一聚焦透镜（4）聚焦后的第一束泵浦光先通过该拉曼池入射窗口再通过出射窗口透射出去，产生的后向斯托克斯拉曼种子光按原光路经入射端第一窗口片（5）返回。

7.根据权利要求1所述的气体受激拉曼放大器，其特征在于：

所述的第二个拉曼池（16）右侧为入射窗口，左侧为出射窗口，两窗口分别设为第三石英窗口片（14）和第四石英窗口片（18），拉曼种子光和第二束泵浦光在第二二相色镜（13）上合束后的混合光先通过该拉曼池（16）入射窗口，发生受激拉曼放大过程，然后混合光通过出射窗口透射出去。

8.根据权利要求1所述的气体受激拉曼放大器，其特征在于：

所述的分光系统（2）由3个高反镜、2个1/2波片和2个偏振分光片组成，泵浦光依次经过第一高反镜、第一1/2波片后分为S和P分量，然后经过第一偏振分光片分成两束，第一束下方透射的光束再依次经过第二高反镜和第三高反镜反射后作为第一束泵浦光，第二束右方反射的光束再依次经过第二1/2波片和第二偏振分光片分光后竖直方向向下光束作为第二束泵浦光。

9.根据权利要求2所述的气体受激拉曼放大器，其特征在于：

所述的准直透镜（19）的聚焦焦点在第二个拉曼池（16）中心。

10.根据权利要求2所述的气体受激拉曼放大器，其特征在于：

所述的第一二相色镜（3）为对拉曼光高透，对泵浦光高反；第二二相色镜（13）为对拉曼光高透，对泵浦光高反。