CN103872575A

CN103872575A - 一种yag泵浦的共焦非稳腔气体拉曼激光器

Info

Publication number: CN103872575A
Application number: CN201210528982.2A
Authority: CN
Inventors: 郭敬为; 刘金波; 周冬建; 周灿华; 孟庆琨; 金玉奇
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明为一种YAG泵浦的共焦非稳腔气体拉曼激光器，共焦非稳腔由左侧凹面镜，镀有基频激光高反射膜的刮刀镜，拉曼池，对基频激光高透射、拉曼光高反射的二相色镜，基频激光介质YAG晶体，基频激光泵浦源，基频激光调Q单元，右侧凹面镜，基频激光全反镜等九部分组成，其中左右两侧的凹面镜都镀有基频激光的高反膜。该非稳腔采用气体拉曼介质，激光损伤阈值大，可以实现大功率密度，高光学均匀度的拉曼激光输出。实际结果表明，该腔型可以有效降低拉曼激光器转化阈值、提高拉曼激光转化效率。

Description

一种YAG泵浦的共焦非稳腔气体拉曼激光器

技术领域

本发明为一种用于内腔式拉曼激光变频的腔内气体拉曼激光器，与实现拉曼激光变频的腔内拉曼激光器有关，本发明采用的激光谐振腔为共焦非稳腔，可以降低拉曼激光器转化阈值、提高拉曼激光转化效率。

背景技术

拉曼散射技术是实现激光波长变换的重要技术手段，采用拉曼介质的受激拉曼散射可以实现对激光波长的改变。依据拉曼介质的物质形态可分为固体拉曼介质、液体拉曼介质和气体拉曼介质。固体拉曼介质一般体积小，拉曼介质浓度高，增益和转化率高，而且人们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，不易实现高功率输出。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。比较而言，气体拉曼介质具有产生的拉曼光均匀度高、损伤阈值高更可能实现大功率拉曼激光输出，高拉曼振动模（大拉曼频移）和窄拉曼线宽等优点，也得到了充分的重视；常用的气体拉曼介质有N₂，H₂，O₂和CH₄等，但由于气体介质的离子浓度太小，因此必须增大入射光和增大拉曼介质作用距离，这就造成气体拉曼介质的阈值高，转化效率低等不足。

目前采用气体介质实现激光拉曼频移的方法主要包含两种，第一种是采用外腔法，即将拉曼介质放置于激光腔外，激光器输出的基频激光经过透镜聚焦，在单程通过拉曼介质时产生受激拉曼散射，产生斯托克斯光或者反斯托克斯光，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，在此区域内可以发生受激拉曼散射实现对基频激光的频率转换，因此激光与拉曼介质的有效作用区域短，拉曼转化效率不高，同时对基频激光的功率要求也较高。

另外一种方法是采用拉曼谐振腔，该方法包括将拉曼介质放置于激光谐振腔内（内腔式）和将拉曼介质单独放置于一个谐振腔内（外腔式）两种形式，其中内腔式是将激光介质和拉曼介质都放在激光腔内，采用二相色镜作为输出耦合镜，使基频激光只在腔内震荡而不对外输出，只有拉曼光对外输出；这样基频光和Stokes光多次通过拉曼介质，相当于增长了基频激光与拉曼介质的有效作用长度，因此可以提高基频激光的拉曼转化效率，同时降低对基频激光的功率要求，相当于降低了受激拉曼阈值。内腔式拉曼由于利用了谐振腔内基频光功率密度非常高的优点，更容易产生受激拉曼散射，形成拉曼激光输出。采用拉曼谐振腔的拉曼频移器也成为拉曼激光器。

在拉曼激光器的研制中，拉曼激光谐振腔的腔型设计是其中的重要问题。目前采用固体拉曼介质的拉曼激光器的研究比较活跃，相关的拉曼激光腔型也比较多，但采用气体拉曼介质的内腔式拉曼激光器种类还很少。另外，激光谐振腔的稳定性也会影响拉曼激光输出效果。

发明内容

针对采用气体拉曼介质的拉曼激光器腔型的上述问题，提出了一种利用倒向波的共焦非稳腔，该腔型可以在拉曼介质处获得小的基频光光斑半径，同时可以利用非稳腔中倒向波的高功率密度的特性降低拉曼转化阈值。

本发明涉及的YAG泵浦的共焦非稳腔气体拉曼激光器，包括光腔包括两个左右相向设置的基频激光的凹面全反镜，两个基频全反镜之间依次设置有刮刀镜，充满气体拉曼介质的拉曼池，对基频光高透射、拉曼光全反射的二相色镜，基频激光介质YAG晶体，基频激光调Q单元，左侧凹面基频激光全反镜对拉曼光透过率为T，刮刀镜上方设置有基频激光全反镜，YAG晶体上下两端对称设置有两个基频激光泵浦源。拉曼池、刮刀镜、基频激光介质、基频激光调Q单元、二相色镜都在两个凹面全反镜中心的连线上排布。

该拉曼激光器采用气体拉曼介质，因此激光损伤阈值大固体或液体拉曼介质，可以实现大功率密度，高光学均匀度的拉曼激光输出。另外在该腔内经多次放大并由刮刀镜输出的基频光经反射镜返回到腔内行程倒向波，倒向波在非稳腔内不断压缩极易达到拉曼变频功率密度阈值，产生拉曼种子光。本发明中，气体拉曼池的中心放置于共焦非稳腔的左右两腔镜的共焦点位置上，因此此处基频光功率密度大，更易实现受激拉曼散射及拉曼放大。在该气体拉曼激光器中，二相色镜和左侧凹面腔镜组成了一个拉曼光的子谐振腔，且该拉曼子谐振腔的腔长（即二相色镜到左侧凹面镜的距离）小于左侧凹面镜的曲率半径，因此拉曼子谐振腔为稳定腔，这有利于拉曼种子光在该腔内的往复振荡放大，提高拉曼光转化效率。

附图说明

图1为本发明涉及的共焦非稳腔，图中：1-左侧凹面镜，2-镀有基频激光高反射膜的刮刀镜，3-拉曼池，4-对基频激光高透射、拉曼光高反射的二相色镜，5-基频激光介质YAG晶体，6-基频激光泵浦源，7-基频激光调Q单元，8-右侧凹面镜，9-基频激光全反镜。

图2是本发明所涉及的共焦非稳腔工作状态下基频激光和拉曼激光的光路图。图中：1-左侧凹面镜，2-镀有基频激光高反射膜的刮刀镜，3-拉曼池，4-对基频激光高透射、拉曼光高反射的二相色镜，5-基频激光介质YAG晶体，6-基频激光泵浦源，7-基频激光调Q单元，8-右侧凹面镜，9-基频激光全反镜。图中实线代表基频激光的光路轨迹，虚线代表拉曼激光束在腔内振荡情况，带箭头的黑虚线代表拉曼激光的输出情况。

具体实施方式

本发明中该非稳腔两端的凹面镜的曲率半径分别为R1，R2，腔长L=（R1+R2）/2，本发明中所有的元件都放置在两个腔镜中心的连线上。在最左侧凹面镜的右方放置镀有对基频激光高反射膜的刮刀镜，刮刀镜的右侧放置装有气体介质的拉曼池，拉曼池的右侧放置一个对基频激光高透射、拉曼激光高反射的二相色镜，二相色镜的右侧放置基频激光介质，基频激光介质的右侧即为右端凹面镜。在此发明中，最左侧和最右侧腔镜对基频激光高反射，形成基频光的谐振腔，基频激光在此腔内振荡；左侧凹面镜与二相色镜组成拉曼激光的子谐振腔，拉曼激光在此腔内振荡并从左侧凹面镜耦合输出。本发明中非稳腔两腔镜的共焦点处光斑尺寸可以压缩至衍射极限，此处的基频激光功率密度非常大，因此可以提高拉曼转化效率。在非稳腔中，一部分光经腔镜反射后不断扩束，称为正向波；另一部分光在腔内反射后不断压缩，称为倒向波。本发明中，刮刀镜上镀有对基频光的高反膜，能将在腔内经多次放大后溢出光腔的正向波反射回光腔形成倒向波，增强腔内原有的倒向波，倒向波在腔内不断压缩并在光轴附近形成很强的基频激光功率密度，可以迅速达到激光拉曼转化阈值，形成拉曼种子光，随后种子光在拉曼腔内振荡放大，最终形成拉曼激光输出，因此倒向波的利用可以有效降低对基频光功率的要求。

当本发明用于YAG激光泵浦的以CH₄作为拉曼介质的气体拉曼激光器：采用CH4作为拉曼介质时，期望输出的拉曼激光的波长为1543nm，因此此时采用的凹面镜1镀有对1064nm波长高反射，对1543nm透过率为T的膜系，二相色镜3镀有对1064nm高透射、对1543nm高反射的膜系，CH₄拉曼池4的两端窗口镜片上都镀有对1064nm和1543nm高透的增透膜系，凹面腔镜9为对1064nm波长的全反镜，这样YAG激光介质产生的1064nm的激光经过YAG晶体5、二相色镜4和拉曼池3，在左凹面腔镜1和右凹面腔镜8之间振荡，由于该腔型为非稳腔，因此1064nm基频光经多次振荡后由刮刀镜2出射，再经镀有高反膜的全反镜9反射回光腔，形成倒向波，并与腔内原有的倒向波合束并增强。倒向波在腔内不断压缩最终达到极大的功率密度，因此会在充满拉曼介质CH₄的拉曼池3的中心线即谐振腔的光轴线附近产生拉曼种子光；该拉曼种子光在腔镜1和二相色镜4的约束下在腔镜1和二相色镜4之间来回振荡，当拉曼种子光经过气体拉曼池3时会在1064nm基频激光的作用下不断放大，并经凹面腔镜1输出。在此实施例中，该激光腔的腔长等于两腔镜焦距之和，记为L=（R1+R2）/2，R1，R2分别为600cm和630cm,L为615cm。本实施例中拉曼池3的中心放置于左凹面腔镜1和右凹面腔镜8的焦点上。

由于倒向波不断在腔内压缩导致光轴附近功率密度极大，因此在相同的注入能量下更容易达到拉曼转化功率阈值并产生拉曼种子光，另外本实施例中拉曼池的中心恰好位于两腔镜的焦点上，因此基频激光在拉曼池中心处的光斑面积极小，因此可以提高基频光的功率密度，有效提高拉曼转化效率，降低拉曼激光转化的功率阈值。实际结果表明，当1064nm基频激光的腔内功率为20万W、腔内持续时间大于20us时，拉曼池长度为20cm，凹面腔镜1对于1543nm激光的输出耦合率约为50%的情况下，采用本发明就可以实现15%的拉曼转换效率，即实现3万W的拉曼激光输出；当采用的1064nm基频光的腔内功率为1MW时，凹面腔镜5对于1543nm激光的输出耦合率约为50%的情况下，可以实现40%的拉曼激光转化效率，即输出拉曼激光功率可达40万W。与普通采用气体拉曼介质的腔内激光变频方法及腔外变频方法相比，本发明可以有效降低拉曼转化阈值，降低对注入基频光功率的要求。

本发明为一种用于腔内拉曼激光器的共焦非稳腔，与实现拉曼激光变频的腔内拉曼激光器有关。本发明涉及的共焦非稳腔由左侧凹面镜，镀有基频激光高反射膜的刮刀镜，拉曼池，对基频激光高透射、拉曼光高反射的二相色镜，基频激光介质YAG晶体，基频激光泵浦源，基频激光调Q单元，右侧凹面镜，基频激光全反镜等九部分组成，其中左右两侧的凹面镜都镀有基频激光的高反膜。该非稳腔采用气体拉曼介质，激光损伤阈值大，可以实现大功率密度，高光学均匀度的拉曼激光输出。另外腔内经多次放大并由刮刀镜输出的基频激光经全反镜返回到腔内行程倒向波，倒向波在非稳腔内不断压缩极易达到拉曼变频功率密度阈值，可以产生拉曼种子光，且气体拉曼池的中心放置于共焦非稳腔的左右两腔镜的共焦点位置上，因此拉曼池内基频激光功率密度大，更易实现受激拉曼散射及拉曼放大。实际结果表明，该腔型可以有效降低拉曼激光器转化阈值、提高拉曼激光转化效率。

Claims

1.一种YAG泵浦的共焦非稳腔气体拉曼激光器，包括光腔，其特征是光腔包括两个左右相向设置的基频激光的凹面全反镜，两个基频全反镜之间依次设置有刮刀镜，气体拉曼池，对基频光高透射、拉曼光全反射的二相色镜，基频激光介质YAG晶体，基频激光调Q单元，左侧凹面基频激光全反镜对拉曼光透过率为T，刮刀镜上方设置有基频光全反镜，YAG晶体上下两端对称设置有两个基频激光泵浦源，二相色镜上端置有拉曼光全反射镜。

2.根据权利要求1所述的气体拉曼激光器，其特征是：气体拉曼介质、刮刀镜、基频激光介质、基频激光调Q单元、二相色镜都在两个凹面全反镜中心的连线上排布。

3.根据权利要求2所述的气体拉曼激光器，其特征是：采用气体拉曼介质，因此激光损伤阈值大于采用液体或固体拉曼介质的同类拉曼激光器，可以实现大功率密度，高光学均匀度的拉曼激光输出。

4.根据权利要求3所述的腔内气体拉曼激光器，其特征是腔内经多次放大并由刮刀镜输出的基频光经反射镜返回到腔内行程倒向波，倒向波在非稳腔内不断压缩极易达到拉曼变频功率密度阈值，产生拉曼种子光。

5.根据权利要求3所述的腔内气体拉曼激光器的共焦非稳腔，其特征是：气体拉曼池的中心放置于共焦非稳腔的左右两腔镜的共焦点位置上，因此此处基频光功率密度大，更易实现受激拉曼散射及拉曼放大。

6.根据权利要求3所述的腔内气体拉曼激光器的共焦非稳腔，二相色镜和左侧凹面腔镜组成了一个拉曼光的子谐振腔，且该拉曼子谐振腔的腔长小于左侧凹面镜的曲率半径，因此拉曼子谐振腔为稳定腔，这有利于拉曼种子光在该腔内的往复振荡放大，提高拉曼光转化效率。