CN104092091B - 自拉曼可控多波长激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种自拉曼可控多波长激光器，包括全反镜、Q开关、偏振分束片、λ/2电光开关、波长分束片、自拉曼晶体、耦合输出镜和偏振态‑波长分数膜片；所述自拉曼晶体是集激光产生和拉曼频率变换于一身的各向异性晶体，可输出基频激光和两种不同波长的拉曼光。所述全反镜、Q开关、偏振分束片、λ/2电光开关、波长分束片、自拉曼晶体和耦合输出镜依序设置成直腔或类似直腔的结构。本发明提出的自拉曼可控多波长激光器，不仅实现了多种激光波长的可控输出，而且结构简单、损耗小。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种既可实现单一波长输出，又可实现多波长的分时调制输出的自拉曼可控多波长激光器。
背景技术
激光的单色性在科研与生产中得到了广泛应用。激光的单色性也决定了激光器的设计需要以单一波长的输出为目的，因而大多数激光器均为基于单一激光介质的单波长激光器。近年来，随着非线性光学效应研究的深入和相关变频技术的快速发展，已有的激光技术可利用倍频、光参量震荡和拉曼效应等实现多波长激光束的输出，但其结构均较为复杂。
现有技术中，为了实现可控产生多波长激光束，可利用部分拉曼晶体的各向异性，利用不同偏振态的基频光注入到拉曼晶体中产生所需波长的激光束输出(Wang,W.,Gong,M.L.,et al.,Diode-pumpedQ-switched Nd:YAG-KGW Raman laser operating in two-colormodulation.Opt.Express，2010，18(3):2655-2661.)。该结构虽然能够高效地输出可控多波长激光束，但是需要两种介质及其对应的谐振腔来实现，其中，一种用以产生基频激光，一种用于变换频率，并需要切换激光晶体和非线性变频介质在各自谐振腔中的工作状态，且需依赖多波长耦合输出装置用以耦合不同光路输出的激光束，光路结构较为复杂，激光损耗也较大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种自拉曼可控多波长激光器，以解决现有多波长激光器结构复杂，激光损耗大的问题，进而实现多种激光波长的可控输出。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提出了一种自拉曼可控多波长激光器，包括全反镜、Q开关、偏振分束片、第一λ/2电光开关、波长分束片、自拉曼晶体和耦合输出镜；所述偏振分束片对S偏振波光束高度反射，对P偏振波光束高度透射；所述第一λ/2电光开关设定为基频光的半波电压；
所述全反镜和耦合输出镜构建了基频光谐振腔；
所述波长分束片和耦合输出镜构建了拉曼光谐振腔；
所述全反镜、Q开关、偏振分束片、第一λ/2电光开关、波长分束片、自拉曼晶体和耦合输出镜依序设置成直腔或类似直腔的结构。
所述自拉曼晶体为集激光产生和拉曼频率变换于一身的各向异性晶体，所述自拉曼晶体沿折射率椭球Np方向切割，输出基频光λ0，拉曼频移宽度依基频光的偏振态而定，基频偏振方向沿Ng方向，输出拉曼光λ11，基频偏振方向沿Nm方向，输出拉曼光λ12。
优选地，所述全反镜镀有基频光高反膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高反膜，所述耦合输出镜镀有基频光高反膜和两个拉曼光λ11、λ12的耦合输出膜片，所述波长分束片置于所述第一λ/2电光开关与所述自拉曼晶体之间，对基频光高度透射，对拉曼光高度反射。
本发明还提出了另一种自拉曼可控多波长激光器，包括全反镜、Q开关、偏振分束片、第一λ/2电光开关、波长分束片、自拉曼晶体和耦合输出镜；所述偏振分束片对S偏振波光束高度反射，对P偏振波光束高度透射；所述第一λ/2电光开关设定为基频光的半波电压；
所述全反镜和耦合输出镜构建了基频光谐振腔；
所述波长分束片和耦合输出镜构建了拉曼光谐振腔；
所述全反镜、Q开关、偏振分束片、第一λ/2电光开关、波长分束片、自拉曼晶体和耦合输出镜依序设置成直腔或类似直腔的结构；
优选地，所述全反镜镀有基频光和拉曼光λ12高反膜以及拉曼光λ11高透膜，所述耦合输出镜镀有基频光和拉曼光λ12耦合输出膜片以及拉曼光λ11高透膜，所述波长分束片置于所述第一λ/2电光开关与所述自拉曼晶体之间，对基频光和拉曼光λ11高度透射，对拉曼光λ12高度反射。
优选地，还包括置于所述耦合输出镜与所述自拉曼晶体之间的偏振态-波长分束片和置于所述偏振态-波长分束片的光反射方向的基频光全反镜；
所述偏振态-波长分束片对基频S偏振光高度反射，对基频P偏振光高度透射，对非线性变换光束没有偏振选择性且高度透射；
所述基频光全反镜镀有基频光高反膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高透膜。
本发明还提出了另一种自拉曼可控多波长激光器，包括全反镜、Q开关、偏振分束片、第一λ/2电光开关、波长分束片、自拉曼晶体和耦合输出镜；所述偏振分束片对S偏振波光束高度反射，对P偏振波光束高度透射；所述第一λ/2电光开关设定为基频光的半波电压；
所述全反镜、Q开关、偏振分束片、第一λ/2电光开关、波长分束片、自拉曼晶体和耦合输出镜依序设置成直腔或类似直腔的结构。
优选地，所述全反镜镀有基频光高反膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高反膜，所述耦合输出镜镀有基频光和两个拉曼光λ11、λ12的耦合输出膜片，所述波长分束片倾斜置于所述第一λ/2电光开关与所述自拉曼晶体之间，对基频光高度透射，对拉曼光高度反射；
优选地，还包括置于所述耦合输出镜与所述自拉曼晶体之间的偏振态-波长分束片和置于所述偏振态-波长分束片的光反射方向的基频光全反镜；
所述偏振态-波长分束片对基频S偏振光高度反射，对基频P偏振光高度透射，对非线性变换光束没有偏振选择性且高度透射；
所述基频光全反镜镀有基频光高反膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高透膜。
优选地，还包括置于基波谐振腔内的第二λ/2电光开关，所述第二λ/2电光开关设定为基频光的半波电压，用以协同所述第一λ/2电光开关调节基频光在基波谐振腔中的线偏振态。
优选地，还包括置于倾放的波长分束片反射方向的第三λ/2电光开关、拉曼偏振分束片和拉曼全反镜；
所述拉曼全反镜镀有基频光高透膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高反膜；
所述第三λ/2电光开关设定为拉曼光λ11的半波电压；
所述拉曼偏振分束片，用于对拉曼全反镜和第三λ/2电光开关之间的S偏振光高度反射，P偏振光高度透射。
(三)有益效果
本发明提出的自拉曼可控多波长激光器，采用集激光产生和拉曼频率变换于一身的自拉曼晶体，利用λ/2电光开关实现偏振控制、以及偏振分束片、波长分束片和偏振态-波长分束膜片，能够实现在简单结构中，从同一耦合输出镜中可控输出某一所需的单一波长以及多波长复用。
附图说明
图1为本发明实施例一提出的自拉曼可控多波长激光器的结构图；
图2为本发明实施例二提出的自拉曼可控多波长激光器的结构图；
图3为本发明实施例三提出的自拉曼可控多波长激光器的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
以下实施例以两种双波长和一种三波长可控输出及其不同结构为例，对自拉曼可控多波长激光器进行详细阐述。本发明提出的激光器，其运转模式为脉冲体制，在具体实施方式中，调Q方式选用电光调Q，但本发明并不限于电光调Q，也可以采用声光调Q等其他方式。采用λ/2电光开关实现偏振控制，Q开关工作方式为退压工作方式，自拉曼特性激光介质为集激光产生和拉曼频率变换于一身的各向异性晶体，所述自拉曼晶体沿折射率椭球Np方向切割，输出基频光λ0，拉曼频移宽度依基频光的偏振态而定，基频偏振方向沿Ng方向，输出一级拉曼光λ11，基频偏振方向沿Nm方向，输出一级拉曼光λ12，本发明以下实施例中采用Nd:KGW自拉曼晶体对本发明进行具体说明，而并非对本发明的限制，其他集激光产生和拉曼频率变换于一身的各向异性晶体均适用于本发明，同样属于本发明的保护范畴。
实施例一
图1为本发明实施例一提出的一种自拉曼可控多波长激光器的结构图，如图1所示，包括全反镜101、Q开关(Q1)102、偏振分束片103、第一λ/2电光开关(SW1)104、波长分束片105、自拉曼晶体106和耦合输出镜107；所述偏振分束片103对S偏振波光束高度反射，对P偏振波光束高度透射；所述第一λ/2电光开关102设定为基频光的半波电压；所述全反镜101、Q开关101、偏振分束片103、第一λ/2电光开关104、波长分束片105、自拉曼晶体106和耦合输出镜107依序设置成直腔结构。其中，全反镜101与耦合输出镜107构成基波谐振腔，波长分束片105与耦合输出镜107构成拉曼谐振腔。
进一步地，所述全反镜101镀有基频光高反膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高反膜，所述耦合输出镜107镀有基频光高反膜和两个拉曼光λ11、λ12的耦合输出膜片，所述波长分束片105置于所述第一λ/2电光开关104与所述自拉曼晶体106之间，对基频光高度透射，对拉曼光高度反射。所述耦合输出镜107对基频光全部反射，基频光λ0不输出，仅用于为拉曼谐振腔提供泵浦光。本发明实施例中，两个拉曼光λ11、λ12耦合输出膜片的预设透过率优选为20％-90％。
其中，所述自拉曼晶体106选用沿折射率椭球Np方向切割的Nd:KGW晶体，所述自拉曼晶体的基频光λ0波长为1067nm，拉曼频移宽度依基频光的偏振态而定，基频偏振方向沿Ng方向，拉曼频移宽度为901.5cm-1，输出拉曼光λ11的波长为1180nm，基频偏振方向沿Nm方向，拉曼频移宽度为767.5cm-1，输出拉曼光λ12的波长为1162nm。在激光器结构中放置自拉曼晶体106，以保证的P波偏振方向沿晶体Ng方向。
该实施例中，多种波长可控输出的原理与过程具体如下：
所述Q开关102加压工作时，通过所述偏振分束片103的基频光以P波偏振态经过所述元件102和101后，再经所述元件103调出腔外，抑制了基频谐振腔的运转；当Q开关102退压工作时，通过所述偏振分束片103的P波不会被调出腔外，从而进入拉曼谐振腔产生定向受激拉曼散射。第一λ/2电光开关104在控制驱动作用下构成线偏振态的切换开关，用于改变进入拉曼谐振腔的基频光的偏振态，当所述第一λ/2电光开关104加压工作时，通过偏振分束片103的P波被转换为S波，进入拉曼谐振腔输出拉曼光λ12；当第一λ/2电光开关元件104退压工作时，通过偏振分束片103的P波保持当前偏振态，进入拉曼谐振腔输出拉曼光λ11。
控制器可按照逻辑电平驱动Q开关102和第一λ/2电光开关104，控制光开关的切换状态，控制状态表如表1所示：
表1控制状态表1
| Q1控制端逻辑状态 | 1→0 | 1→0 |
| SW1控制端逻辑状态 | 0 | 1 |
| 输出波长 | 1180nm | 1162nm |
本发明实施例一，实现在简单结构中，从同一耦合输出镜中可控输出拉曼光λ11和拉曼光λ12。
实施例二
图2为本发明实施例二提出的一种自拉曼可控多波长激光器的结构图，如图2所示，包括全反镜201、Q开关(Q1)202、偏振分束片203、第一λ/2电光开关(SW1)204、波长分束片205、自拉曼晶体206、耦合输出镜208、置于所述耦合输出镜208与所述自拉曼晶体206之间的偏振态-波长分束片207和置于所述偏振态-波长分束片207的光反射方向的基频光全反镜209。所述全反镜201、Q开关202、偏振分束片203、第一λ/2电光开关204、波长分束片205、自拉曼晶体206和耦合输出镜208依序设置成直腔或类似直腔的结构。其中，全反镜201、耦合输出镜208、偏振态-波长分束片207和基频光全反镜209共同构成基波谐振腔，波长分束片205与耦合输出镜208构成拉曼谐振腔。
其中，所述偏振分束片203对S偏振波光束高度反射，对P偏振波光束高度透射；所述第一λ/2电光开关204设定为基频光的半波电压。所述全反镜201镀有基频光和拉曼光λ12高反膜以及拉曼光λ11高透膜，所述耦合输出镜208镀有基频光和拉曼光λ12耦合输出膜片以及拉曼光λ11高透膜，所述波长分束片205置于所述第一λ/2电光开关204与所述自拉曼晶体206之间，对基频光和拉曼光λ11高度透射，对拉曼光λ12高度反射。本发明实施例中，预设透过率优选为20％-90％。所述偏振态-波长分束片207对基频S偏振光高度反射，对基频P偏振光高度透射，对非线性变换光束没有偏振选择性且高度透射。所述基频光全反镜209镀有基频光高反膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高透膜。
本发明实施例中自拉曼晶体206选用与实施例一相同的Nd:KGW自拉曼晶体，放置方式也一致。
该实施例中，多种波长可控输出的原理与过程具体如下：
所述Q开关202加压工作时，通过所述偏振分束片203的P波基频光经过Q开关202和全反镜201后，再经偏振分束片203调出腔外，抑制了基频谐振腔的运转；当Q开关202退压工作时，通过偏振分束片203的P波不会被调出腔外，从而耦合输出或者进入拉曼谐振腔产生定向受激拉曼散射。第一λ/2电光开关204在控制驱动作用下构成线偏振态的切换开关，用于改变进入拉曼谐振腔的基频光的偏振态，当第一λ/2电光开关204加压工作时，通过偏振分束片103的P波被转换为S波，进入拉曼谐振腔输出λ12拉曼光，同时，S波基频光被偏振态-波长分束片207反射进入基频光全反镜209，基频光无法耦合输出，只能作为拉曼腔的泵浦激光；当第一λ/2电光开关204退压工作时，通过偏振分束片203的P波保持当前偏振态，从偏振态-波长分束片207透射到耦合输出镜208实现耦合输出，同时所述全反镜201，波长分束片205，偏振态-波长分束片207和耦合输出镜208均对λ11高透从而抑制了拉曼光λ11的震荡。
控制器可按照逻辑电平驱动Q开关202和第一λ/2电光开关204，控制光开关的切换状态，控制状态表如表2所示：
表2控制状态表2
| Q1控制端逻辑状态 | 1→0 | 1→0 |
| SW1控制端逻辑状态 | 0 | 1 |
| 输出波长 | 1067nm | 1162nm |
本发明实施例二，实现在简单结构中，从同一耦合输出镜中可控输出基频光λ0和拉曼光λ12。
实施例三
图3为本发明实施例三提出的一种自拉曼可控多波长激光器的结构图，如图3所示，包括全反镜301、Q开关(Q1)302、偏振分束片303、第一λ/2电光开关(SW1)304、波长分束片305、自拉曼晶体306、第二λ/2电光开关(SW2)307、耦合输出镜309、置于所述耦合输出镜309与所述自拉曼晶体306之间的偏振态-波长分束片308、置于所述偏振态-波长分束片308的光反射方向的基频光全反镜310、拉曼全反镜313、置于倾放的波长分束片305反射方向的第三λ/2电光开关(SW3)311和拉曼偏振分束片312；所述全反镜301、Q开关302、偏振分束片303、第一λ/2电光开关304、波长分束片305、自拉曼晶体306和耦合输出镜309依序设置成直腔或类似直腔的结构。其中，全反镜301、基频光全反镜310，偏振态-波长分束膜片308和耦合输出镜309共同构成基波谐振腔，波长分束片305、拉曼全反镜313与耦合输出镜309构成拉曼谐振腔。
其中，偏振分束片303对S偏振波光束高度反射，对P偏振波光束高度透射；第一λ/2电光开关(SW1)304设定为基频光的半波电压；第二λ/2电光开关(SW2)307置于所述基波谐振腔中，设定为基频光的半波电压，用以协同所述第一λ/2电光开关304调节基频光在基波谐振腔中的线偏振态；全反镜301镀有基频光高反膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高反膜，耦合输出镜309镀有基频光高反膜和两个拉曼光λ11、λ12的耦合输出膜片，波长分束片305倾斜置于所述第一λ/2电光开关304与所述自拉曼晶体306之间，对基频光高度透射，对拉曼光高度反射，本发明实施例中，耦合输出膜片的透过率优选为20％-90％。偏振态-波长分束片308对基频S偏振光高度反射，对基频P偏振光高度透射，对非线性变换光束没有偏振选择性且高度透射；所述基频光全反镜310镀有基频光高反膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高透膜；所述拉曼全反镜313镀有基频光高透膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高反膜；所述第三λ/2电光开关311设定为拉曼光λ11的半波电压；所述拉曼偏振分束片312，用于对拉曼全反镜313和第三λ/2电光开关311之间的S偏振光高度反射，P偏振光高度透射。本发明实施例中自拉曼晶体206选用与实施例一相同的Nd:KGW自拉曼晶体，放置方式也一致。
该实施例中，多种波长可控输出的原理与过程具体如下：
Q开关302的工作原理同实施例一、实施例二中Q开关的工作原理基本一致，用于控制基频谐振腔的运转。
第一λ/2电光开关304、第二λ/2电光开关307将配合工作以改变基频光的偏振态从而切换基频光的光路，当第一λ/2电光开关304加压工作且第二λ/2电光开关307退压工作时，通过偏振分束片303的P波被转换为S波，进入拉曼谐振腔输出λ12拉曼光，同时，S波基频光被偏振态-波长分束片308反射进入基频光全反镜310，基频光无法耦合输出，只能作为拉曼腔的泵浦激光；当第一λ/2电光开关304退压工作且第二λ/2电光开关307加压工作时，基频光在经过自拉曼晶体的偏振态为P偏振，能激发拉曼光λ11，拉曼光λ11透过偏振态-波长分束片308、耦合输出镜309实现耦合输出，同时基频光因为经过加压工作的第二λ/2电光开关307，再次发生偏振态翻转，变成S波，被偏振态-波长分束片308反射至基频光全反镜310从而不输出；当第一λ/2电光开关304、第第二λ/2电光开关307均退压工作时，基频光以P波形式在谐振腔中震荡并耦合输出，同时，拉曼光λ11半波电压的第三λ/2电光开关311加压工作从而抑制了拉曼光λ11的震荡与输出。
控制器可按照逻辑电平驱动Q开关302、第一λ/2电光开关(SW1)304、第二λ/2电光开关(SW2)307和第三λ/2电光开关(SW3)311，控制光开关的切换状态，控制状态表如表3所示：
表3控制状态表3
| Q1控制端逻辑状态 | 1→0 | 1→0 | 1→0 |
| SW1控制端逻辑状态 | 0 | 0 | 1 |
| SW2控制端逻辑状态 | 0 | 1 | 0 |
| SW3控制端逻辑状态 | 0 | 1 | 0 |
| 输出波长 | 1067nm | 1180nm | 1162nm |
本发明实施例三，实现在简单结构中，从同一耦合输出镜中可控输出基频光λ0、拉曼光λ11和拉曼光λ12。
由以上实施例可以看出本发明提出的一种自拉曼可控多波长激光器，采用集激光产生和频率变换于一身的自拉曼晶体，利用λ/2电光开关、偏振分束片、波长分束片和偏振态-波长分束膜片，能够实现在简单结构中，从同一耦合输出镜中可控输出某一所需的单一波长以及多波长复用。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (8)
1.一种自拉曼可控多波长激光器，其特征在于，包括全反镜、Q开关、偏振分束片、第一λ/2电光开关、波长分束片、自拉曼晶体和耦合输出镜；所述偏振分束片对S偏振波光束高度反射，对P偏振波光束高度透射；所述第一λ/2电光开关设定为基频光的半波电压；
所述全反镜和耦合输出镜构建了基频光谐振腔；
所述波长分束片和耦合输出镜构建了拉曼光谐振腔；
所述全反镜、Q开关、偏振分束片、第一λ/2电光开关、波长分束片、自拉曼晶体和耦合输出镜依序设置成直腔的结构。
2.如权利要求1所述的自拉曼可控多波长激光器，其特征在于，所述自拉曼晶体为集激光产生和拉曼频率变换于一身的各向异性晶体，所述自拉曼晶体沿折射率椭球Np方向切割，输出基频光λ0，拉曼频移宽度依基频光的偏振态而定，基频偏振方向沿Ng方向，输出拉曼光λ11，基频偏振方向沿Nm方向，输出拉曼光λ12。
3.如权利要求2所述的自拉曼可控多波长激光器，其特征在于，所述全反镜镀有基频光高反膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高反膜，所述耦合输出镜镀有基频光高反膜和两个拉曼光λ11、λ12耦合输出膜片，所述波长分束片置于所述第一λ/2电光开关与所述自拉曼晶体之间，对基频光高度透射，对拉曼光高度反射。
4.如权利要求2所述的自拉曼可控多波长激光器，其特征在于，还包括置于所述耦合输出镜与所述自拉曼晶体之间的偏振态-波长分束片和置于所述偏振态-波长分束片的光反射方向的基频光全反镜；
所述偏振态-波长分束片对基频S偏振光高度反射，对基频P偏振光高度透射，对非线性变换光束没有偏振选择性且高度透射；
所述基频光全反镜镀有基频光高反膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高透膜。
5.如权利要求4所述的自拉曼可控多波长激光器，其特征在于，所述全反镜镀有基频光和拉曼光λ12高反膜以及拉曼光λ11高透膜，所述耦合输出镜镀有基频光和拉曼光λ12耦合输出膜片以及拉曼光λ11高透膜，所述波长分束片置于所述第一λ/2电光开关与所述自拉曼晶体之间，对基频光和拉曼光λ11高度透射，对拉曼光λ12高度反射。
6.如权利要求4所述的自拉曼可控多波长激光器，其特征在于，所述全反镜镀有基频光高反膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高反膜，所述耦合输出镜镀有基频光和两个拉曼光λ11、λ12的耦合输出膜片，所述波长分束片倾斜置于所述第一λ/2电光开关与所述自拉曼晶体之间，对基频光高度透射，对拉曼光高度反射。
7.如权利要求6所述的自拉曼可控多波长激光器，其特征在于，还包括置于基波谐振腔内的第二λ/2电光开关，所述第二λ/2电光开关设定为基频光的半波电压，用以协同所述第一λ/2电光开关调节基频光在基波谐振腔中的线偏振态。
8.如权利要求7所述的自拉曼可控多波长激光器，其特征在于，还包括置于倾放的波长分束片反射方向的第三λ/2电光开关、拉曼偏振分束片和拉曼全反镜；
所述拉曼全反镜镀有基频光高透膜、拉曼光λ11和拉曼光λ12的高反膜；
所述第三λ/2电光开关设定为拉曼光λ11的半波电压；
所述拉曼偏振分束片，用于对拉曼全反镜和第三λ/2电光开关之间的S偏振光高度反射，P偏振光高度透射。
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