CN104466639A - 一种多波长泛频级联时序激光泵浦的中红外气体激光器 - Google Patents
一种多波长泛频级联时序激光泵浦的中红外气体激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种多波长泛频级联时序激光泵浦的中红外气体激光器，包括泵浦源、模式匹配透镜、气室和谐振腔；气室填充有增益介质气体；谐振腔包括激光腔镜，激光腔镜由输入镜和输出镜组成；泵浦源产生的多波长时序泵浦脉冲的波长对准增益介质气体分子的泛频级联吸收谱线，脉冲时序对应级联泵浦的顺序，经过模式匹配透镜，注入至所述谐振腔，增益介质气体分子被泵浦脉冲级联泵浦到高激发态，增益介质气体分子通过自发辐射级联跃迁到低能级，自发辐射经过谐振腔提供正反馈形成受激辐射产生激光振荡，从谐振腔的输出镜输出中红外激光。本发明利用泵浦通过级联效应减弱吸收饱和效应，增强泵浦光能量吸收，提高泵浦效率。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种多波长泛频级联时序激光泵浦的中红外气体激光器。
背景技术
激光泵浦的气态分子激光器可在中远红外波段获得丰富波长、高平均功率输出。目前，紧凑型中红外光源相对紧缺；固体、光纤激光器实现3um以上中红外输出比较困难；采用OPO(Optical Parametric Oscillator)技术虽然可以实现中红外输出，但受限于非线性晶体的热效应难以向大功率发展。随着固态激光器输出波长可以达到气体分子的泛频吸收带，光泵浦中红外气体激光器可以结合固态激光器结构紧凑、效率高的优点以及气体介质易于流动散热、量子效率高、输出光束质量高等优点，从而实现中红外大功率输出。特别对于光纤激光器泵浦源，可以通过合束增强泵浦强度，容易实现定标放大，光纤泵浦的中红外气体激光器将是未来紧凑型大功率中红外激光器的发展方向。
气体分子激光器一般工作在振动-转动态上，具体采用泛频泵浦、基频激射的方式，为保证在上能级弛豫寿命内有效抽取反转能量，均采用脉冲泵浦。实现高效泵浦是提高中红外光泵浦气体激光器的先决条件。
目前，针对分子气体增益介质的光泵浦方式有一阶泛频泵浦和高阶泛频泵浦方式。不同泵浦方式的主要特点有：(1)一阶泛频泵浦：泵浦波长较长，吸收截面较大，有利于泵浦吸收，但是仅能获得一个带的基频跃迁，量子效率较低；(2)高阶泛频泵浦：泵浦波长较短从而吸收截面较小，泵浦吸收较弱，但是容易形成多个带之间的级联跃迁，具有较高的量子效率。
发明内容
为解决上述技术问题，提高光泵浦中红外气体激光器的效率，降低全固态泵浦源的技术难度。
本发明提出了一种技术方案是：
一种多波长泛频级联时序激光泵浦的中红外气体激光器，包括泵浦源、模式匹配透镜、气室和谐振腔，所述气室填充有增益介质气体；所述谐振腔包括激光腔镜，激光腔镜由输入镜和输出镜组成；所述气室位于所述谐振腔内部；所述泵浦源产生的多波长时序泵浦脉冲的波长对准所述增益介质气体分子的泛频级联吸收谱线，脉冲时序对应级联泵浦的顺序，所述泵浦脉冲经过所述模式匹配透镜，注入至所述谐振腔，所述增益介质气体分子被所述泵浦脉冲级联泵浦到激发态，位于激发态的增益介质气体分子通过自发辐射级联跃迁到低能级，自发辐射经过谐振腔提供正反馈形成受激辐射产生激光振荡，从所述谐振腔的输出镜输出中红外激光。
所述泵浦源用于产生多波长时序泵浦脉冲，所述谐振腔用于提供激光正反馈，所述模式匹配透镜实现泵浦光与谐振腔模式相匹配。
优选地，所述泵浦源包括种子源、控制电路、合束器和级联放大器；所述种子源用于产生不同中心波长的窄线宽脉冲；所述控制电路用于控制不同种子源产生的脉冲同步和脉冲先后次序；所述合束器用于将脉冲合成；所述级联放大器用于将合成后的脉冲放大；所述控制电路连接种子源，所述种子源的输出至合束器，所述合束器输出至级联放大器，所述级联放大器的输出即为泵浦源的输出。
优选地，所述增益介质气体为HF、DF、HCl、HBr、CO和CO2分子气体中的一种。
采用本发明获得的有益效果：本发明利用级联泵浦，1、在保留传统一阶泛频泵浦截面大优点的同时，保留高阶泛频泵浦量子效率高的优点。2、本发明采用级联泵浦技术，可通过级联效应减弱吸收饱和效应，增强泵浦光能量吸收，提高泵浦效率。3、本发明中通过级联泵浦到高振动态的气体分子容易实现基频多级级联跃迁，整体量子效率较高，同时，多个带的基频级联跃迁可以获得覆盖谱段更宽的中红外辐射输出。4、本发明采用多波长时序脉冲输出泵浦源，多波长从频域上降低了对泵浦源的峰值谱功率强度要求，时序脉冲从时域上降低了对泵浦源的峰值功率要求，两者共同作用条件下，可降低窄线宽脉冲高重频光纤激光器中的非线性效应。
附图说明
图1为HBr气体分子的级联泵浦能级结构图；
图2为双波长一阶泛频级联时序光泵浦HBr气体装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种多波长泛频级联时序激光泵浦的中红外气体激光器，包括泵浦源、模式匹配透镜5、气室7和谐振腔；谐振腔包括激光腔镜，激光腔镜由输入镜6和输出镜8组成；所述气室填充有增益介质气体；气室位于谐振腔的内部；泵浦源产生的多波长时序脉冲，经过模式匹配透镜，注入至谐振腔，增益介质气体分子被泵浦脉冲级联泵浦到激发态，位于激发态的增益介质气体分子通过自发辐射级联跃迁到低能级，自发辐射经过谐振腔提供正反馈形成受激辐射产生激光振荡，从谐振腔的输出镜输出中红外激光。其中，输入镜对泵浦激光高透，输出镜对泵浦激光高反。
泵浦源由结构包括种子源2、控制电路1、合束器3和级联放大器4；种子源用于产生不同中心波长的窄线宽脉冲；控制电路用于控制不同种子源产生的脉冲同步和脉冲先后次序；合束器用于将脉冲合成；级联放大器用于将合成后的脉冲放大；控制电路连接种子源，种子源的输出至合束器，合束器输出至级联放大器，级联放大器的输出即为泵浦源的输出。
本实施例以典型的双波长一阶泛频二级级联时序光泵浦HBr气体为例，该发明不限于本实施例，同样适用于多波长高阶泛频多级级联时序光泵浦，其中增益介质气体也可选择为DF/HF/CO/CO2等气体中的任一种。
图1为HBr气体分子的级联泵浦能级结构图。多个窄线宽脉冲种子源分别对应将增益介质气体分子从基态泵浦到第二振动态(简称底层泵浦)、从前述第二振动态再泵浦到第四振动态(简称上层泵浦)，并依此类推，即种子源可以实现对增益介质气体分子进行级联泵浦。图1中v＝0、1、2、3、4分别表示振动量子数为0、1、2、3、4的振动态能级；P1、P2分别表示上层泵浦和底层泵浦；L1、L2、L3、L4分别表示各级联基频跃迁谱线。
图2为本发明实施例双波长一阶泛频级联时序光泵浦HBr气体装置结构示意图。本发明所提出的多波长泛频级联时序光泵浦激光器，本实施例中以HBr气体作为增益介质气体，采用双波长一阶泛频二级级联时序泵浦。光纤激光器泵浦源产生的双波长时序泵浦脉冲，其波长分别对准HBr气体分子的v＝0→v＝2，v＝2→v＝4一阶泛频吸收谱线，通过时序效应，先将HBr气体分子从基态泵浦到v＝2振动激发态，再将该HBr分子泵浦到v＝4振动激发态，处于高激发态的分子可以通过基频级联跃迁辐射回到基态。
如图2所示，种子源2分别产生对应于HBr气体分子一阶泛频吸收谱线的种子光。控制电路的作用是控制种子源输出脉冲的同步以及先后次序，使通过合束器合成后的脉冲在一个脉冲周期中，底层泵浦脉冲位于脉冲周期前列，相邻的上层泵浦脉冲紧接其后，并依此类推，按照级联泵浦实现的先后次序排列，不同波长的脉冲间距小于增益介质气体分子的转动-转动弛豫交换时间。本实施例中，控制电路分别控制各种子源产生的脉冲周期、同步以及延时，使不同波长脉冲序列延时满足HBr分子级联泵浦的要求，不同种子源产生的脉冲序列通过合束器3合成后形成新的脉冲序列，并注入到光纤放大器4中放大得到所需峰值功率的泵浦脉冲，再经过透镜5使泵浦源输出的泵浦光与谐振腔的模式匹配，经过输入镜6和输出镜8的透射、反射，两次通过增益介质，先将HBr气体分子从基态泵浦到v＝2振动激发态，再将该HBr分子泵浦到v＝4振动激发态，最后处于高激发态的HBr分子通过基频级联跃迁辐射回到基态，在谐振腔提供正反馈条件下，可以从输出镜获得所需的中红外激光输出。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种多波长泛频级联时序激光泵浦的中红外气体激光器，其特征在于：包括泵浦源、模式匹配透镜、气室和谐振腔，所述气室填充有增益介质气体；所述谐振腔包括激光腔镜，激光腔镜由输入镜和输出镜组成；所述气室位于所述谐振腔内部；所述泵浦源产生的多波长时序泵浦脉冲的波长对准所述增益介质气体分子的泛频级联吸收谱线，脉冲时序对应级联泵浦的顺序，所述泵浦脉冲经过所述模式匹配透镜，注入至所述谐振腔，所述增益介质气体分子被所述泵浦脉冲级联泵浦到激发态，位于激发态的增益介质气体分子通过自发辐射级联跃迁到低能级，自发辐射经过谐振腔提供正反馈形成受激辐射产生激光振荡，从所述谐振腔的输出镜输出中红外激光。
2.如权利要求1所述的一种多波长泛频级联时序激光泵浦的中红外气体激光器，其特征在于：所述泵浦源包括种子源、控制电路、合束器和级联放大器；所述种子源用于产生不同中心波长的窄线宽脉冲；所述控制电路用于控制不同种子源产生的脉冲同步和脉冲先后次序；所述合束器用于将脉冲合成；所述级联放大器用于将合成后的脉冲放大；所述控制电路连接种子源，所述种子源的输出至合束器，所述合束器输出至级联放大器，所述级联放大器的输出即为泵浦源的输出。
3.如权利要求1所述的一种多波长泛频级联时序激光泵浦的中红外气体激光器，其特征在于：增益介质气体为HF、DF、HCl、HBr、CO和CO2分子气体中的一种。
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