CN105024275A - 一种高阶斯托克斯光产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种高阶斯托克斯光产生装置，包括共焦非稳腔A和多程池B两部分；其中共焦非稳腔A有两个对称放置高反凹面镜腔镜，谐振腔满足共焦非稳腔条件；基频激光和一级斯托克斯光(记为S1)从A中经刮刀镜和屋脊镜输出到多程池B；B中充有气体拉曼介质，两侧放置有镀有对基频光和S1及二级斯托克斯光(记为S2)高反膜的凹面腔镜，并通过法兰与多程池密封；进入多程池的激光和拉曼光在多程池内两腔镜间不断振荡放大，放大后的高阶斯托克斯光从多程池输出窗口输出。本发明可降低高阶斯托克斯光产生阈值，并使拉曼转化效率提高；通过改变拉曼池及多程池中的拉曼活性气体，可以改变拉曼激光波长，实现多波段激光的可切换输出。

Description

一种高阶斯托克斯光产生装置
技术领域
本发明为一种高阶斯托克斯光产生装置，采用的是共焦非稳腔与多程池结合的技术，与实现激光频率变换的拉曼激光技术有关，本发明采用多程池腔内放大技术，可以选择性地获得高阶斯托克斯光。
背景技术
拉曼激光散射技术是实现激光波长变换，拓展激光器输出激光波段的重要技术手段，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，依据实际条件的变化，可以获得不同阶次的激光频移，获得不同波长的斯托克斯光。
目前实现拉曼激光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聚焦透镜，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的基频激光功率密度才能达到受激拉曼转化阈值，因此激光与拉曼介质的有效作用区短，拉曼转化效率不高，对基频激光的功率要求也较高(一般需要几十毫焦，十纳秒以内脉宽情况下)，且一般很难获得高阶斯托克斯光输出；
另外一种方法是采用拉曼激光谐振腔，该方法包括将拉曼介质放置于激光谐振腔内(内腔式)的形式，将激光介质和拉曼介质都放在激光腔内，采用二相色镜实现基频光和拉曼光的分离，使基频激光只在腔内振荡而不对外输出，只有拉曼激光对外输出；这样基频光和拉曼光多次通过拉曼介质，相当于增加了基频激光与拉曼介质的有效作用长度，因此可以降低拉曼转化阈值，提高基频激光的拉曼转化效率。
如果能结合上述两种技术方案的优点，获得高效率的高阶斯托克斯光输出，就能够满足某些情况下对于特殊波长激光的需求，特别是在红外波段的需求。由于气体拉曼激光变频在高能量、高光束质量方面的巨大潜力，气体拉曼介质的优势十分明显，本发明的目的就是利用气体拉曼介质产生高阶斯托克斯光。
发明内容
针对已有激光器的变频需要，利用气体拉曼介质来实现拉曼变频，为实现高阶斯托克斯光输出，设计了一种利用共焦非稳腔腔内受激拉曼产生一阶斯托克斯光并在多程池中产生高阶斯托克斯光的装置。
本发明主要包括共焦非稳腔A和多程池B两部分；其中共焦非稳腔A采用两个对称放置高反凹面镜作为基频激光器的腔镜，两腔镜曲率及其间距满足共焦非稳腔条件；在共焦非稳腔A中，沿光轴方向依次放置有对基频激光高反射的左侧凹面腔镜，基频激光增益介质，对基频激光高透、一级斯托克斯光(记为S1)高反的二相色镜，拉曼池，刮刀镜，以及对基频激光和S1都高反射的右侧凹面腔镜，刮刀镜的上方放置有镀双高反膜的屋脊镜，刮刀镜的下方放置有两片水平排列的高反平面镜，刮刀镜输出的激光和S1光经屋脊镜变化为实心光束后，由刮刀镜下侧放置的高反平面镜输出，其输出光经多程池B的输入窗口进入到多程池B中；多程池B中充有气体拉曼介质，两片镀有对基频光和S1及二级斯托克斯光(记为S2)高反膜的凹面腔镜反射面相对放置在多程池两端，并通过法兰与多程池密封；进入多程池的激光和S1经多程池端面附近内侧壁上放置的一个高反镜反射到多程池的腔镜上，在多程池内两腔镜间不断振荡放大，并向高阶斯托克斯光转化，获得的高阶斯托克斯光经多程池另一端面附近内侧壁上放置的另一高反镜反射后，经多程池输出窗口输出。
共焦非稳腔A的两凹面腔镜的曲率半径之和等于2倍腔长，因此基频激光能在腔内形成一个焦点；拉曼池放置于焦点位置上，此处基频激光功率密度大，更容易满足受激拉曼阈值要求。
本发明中，多程池B中的两个凹面腔镜的曲率半径R1，R2和两腔镜之间的距离L之间的关系满足稳定腔条件，即0<(1-L/R1)×(1-L/R2)<1。进入多程池B的激光和S1光都是由共焦非稳腔A的刮刀镜和屋脊镜提供的，因此可以保证泵浦光与S1光具有良好的重合性，有助于实现对S1的放大，并提高S2的转化效率。经合束的基频激光与S1光经过输入窗口进入多程池内，由输入光反射镜反射后入射到左侧腔镜上，可以在两侧腔镜之间多次往返后再由输出高反镜反射后经输出窗口输出；这相当于提高了拉曼介质的有效增益长度，因此可以提高放大效率，更容易产生并放大S2光。
通过改变多程池两侧腔镜的镀膜种类，改变激光在多程池内的往返次数，可以选择产生某些高阶次斯托克斯光(如三阶斯托克斯光S3或者四阶斯托克斯光S4)，也可以避免更高阶斯托克斯光的产生(如三阶斯托克斯光S3或者S4)，提高二阶斯托克斯光S2的转化效率。通过改变共焦非稳腔内拉曼池以及多程池中填充的拉曼活性气体种类，可以改变产生的高阶斯托克斯光的波长，实现可快速切换的多波段激光输出。
附图说明
图1为本发明涉及的采用共焦非稳腔和多程池的高阶斯托克斯光产生装置示意图；
图中：1—基频激光全反凹面镜，2—基频激光增益介质，3—对基频激光高透，对S1高反的二相色镜，4—拉曼池，5—对基频激光及S1全反的刮刀镜，6—基频激光及S1全反凹面镜，7—镀有高反膜的屋脊镜，8—基频激光及S1全反镜1，9—基频激光及S1全反镜2，10—多程池腔体，11—基频激光与S1输入窗，12—基频激光、S1及高阶斯托克斯光全反镜，13—基频激光、S1及高阶斯托克斯光全反的凹面镜1，14—基频激光、S1及高阶斯托克斯光全反的凹面镜2，15—高阶斯托克斯光全反镜，16—高阶斯托克斯光输出窗；
图1中上方虚线框内(A部分)为非稳腔单元；下方虚线框内(B部分)为多程池单元。
图2是非稳腔激光拉曼变频的工作原理；
图中：1—基频激光全反凹面镜，2—基频激光增益介质，3—对基频激光高透，对S1高反的二相色镜，4—拉曼池，5—对基频激光及S1全反的刮刀镜，6—基频激光及S1全反凹面镜，7—镀有高反膜的屋脊镜；图中带箭头的实线代表基频激光及其斯托克斯光。
图3是多程池的工作原理，多程池内部充满了气体拉曼介质；
图中：10—多程池腔体，12—基频激光、S1及高阶斯托克斯光全反镜，13—基频激光、S1及高阶斯托克斯光全反的凹面镜1，14—基频激光、S1及高阶斯托克斯光全反的凹面镜2，15—高阶斯托克斯光全反镜；
图中带箭头实线代表光束的传播路径，两个凹面腔镜上的虚线环与带箭头实线的交点代表拉曼光束及基频激光束在两腔镜上的入射及反射点位置，虚线环为这些交点的连线，该环一般为一椭圆环，依据不同设计，其大小和椭圆度可以改变，基频激光和斯托克斯光在腔内的往返次数也可以改变。
图4为本发明采用的多程池中光束在传播过程中其光斑半径的变化情况；
图中：10—多程池腔体，11—基频激光与S1输入窗，12—基频激光、S1及高阶斯托克斯光全反镜，13—基频激光、S1及高阶斯托克斯光全反的凹面镜1，14—基频激光、S1及高阶斯托克斯光全反的凹面镜2，15—高阶斯托克斯光全反镜，16—高阶斯托克斯光输出窗；
图中填充网格的区域代表在该多程池内斯托克斯光和基频光在不同位置处的光束尺寸变化情况，在本发明中，斯托克斯光和基频光的束腰都在拉曼池内部中间位置，依据两腔镜具体曲率半径的变化，束腰位置和大小都会发生变化。
具体实施方式
一种高阶斯托克斯光产生装置，包括共焦非稳腔A和多程池B两部分；其中共焦非稳腔A采用两个相对放置高反凹面镜作为基频激光器的腔镜，两腔镜曲率及其间距满足共焦非稳腔条件；在共焦非稳腔A中，沿光轴方向依次放置有对基频激光高反射的左侧凹面腔镜，基频激光增益介质，对基频激光高透、一级斯托克斯光(记为S1)高反的二相色镜，拉曼池，刮刀镜，以及对基频激光和S1都高反射的右侧凹面腔镜；刮刀镜的上方放置有镀双高反膜的屋脊镜，刮刀镜的下方放置有两片水平排列的高反平面镜，刮刀镜输出的激光和S1光经屋脊镜变化为实心光束后，由刮刀镜下侧放置的高反平面镜输出，其输出光经多程池B的输入窗口进入到多程池B中；
多程池B包括一左右两端开口的筒体，两片镀有对基频光和S1及二级斯托克斯光(记为S2)高反膜的凹面腔镜反射面相对放置在筒体的左右两开口端，并通过法兰与筒体密封构成多程池B，多程池B中充有气体拉曼介质；于筒体的侧壁上设有激光输入窗口和输出窗口，由激光输入窗口进入多程池的激光和拉曼种子光经多程池一个端面附近内侧壁上放置的一个高反镜反射到多程池的腔镜上，在多程池内两腔镜间不断振荡放大，并向高阶斯托克斯光转化，获得的高阶斯托克斯光经多程池另一端面附近内侧壁上放置的另一高反镜反射后，经多程池输出窗口输出。
实施例1
采用甲烷(2917.6cm-1)作为拉曼介质，Nd：YAG作为基频激光介质，实现2806.4nm二阶斯托克斯光输出。
在本实施例中，采用甲烷作为拉曼介质，充入共焦非稳腔内的拉曼池和多程池，Nd：YAG作为基频激光介质，脉冲运转。激光腔中的拉曼池内和多程池内甲烷的气压都是10atm，共焦非稳腔的两端腔镜的焦距分别为66cm和60cm，直径均为30cm；腔长为126cm，刮刀镜每次提取激光的效率约为10％。腔内的拉曼池长度为10cm，拉曼池的窗口孔径尺寸均为10cm，且窗口都采用布儒斯特窗。共焦非稳腔输出光包含1064nm基频激光和1543nm一阶斯托克斯激光(S1)，并且它们在空间上基本重合。多程池的两腔镜曲率半径R1＝R2＝100cm；多程池两腔镜之间距离即多程池长为50cm；为消除由于长时间工作产生的热效应影响拉曼转化效率及光束质量，多程池内的拉曼活性气体在压缩机驱动下以50m/s的速度循环，且气流方向垂直于谐振腔光轴方向。1064nm基频光与1543nm的S1光输入窗口对这两个波长的透过率均为98％；斯托克斯光与基频光输入反射镜对两个波长的反射率均为99％；斯托克斯光输出反射镜对2133nm的反射率为99％；S1与基频光在多程池内多次往返，并不断转化为波长为2806.4nm的二级斯托克斯光S2，斯托克斯光输出窗口对2806.4nm的透过率为99％；两个凹面腔镜对S1、S2和基频光的反射率均为99％。根据适当设计，二阶斯托克斯光在本多程池中经9次反射后由输出光反射镜反射后，经输出窗口输出。实际结果表明，该高阶斯托克斯产生装置可以达到约5％的二阶斯托克斯光输出效率。
实施例2
采用氮气(2330cm-1)作为拉曼介质，实现2110nm拉曼激光输出。
在本实施例中，采用氮气作为拉曼介质，充入共焦非稳腔内的拉曼池和多程池，Nd：YAG作为基频激光介质，脉冲运转。拉曼池内和多程池内氮气气压都是10atm，共焦非稳腔的两端腔镜的焦距分别为66cm和60cm，直径均为30cm，腔长为126cm，刮刀镜每次提取激光的效率约为10％。共焦非稳腔输出光包含1064nm基频激光和1414.8nm一阶斯托克斯激光(S1)，并且它们在空间上基本重合。多程池的两腔镜曲率半径R1＝R2＝100cm；多程池两腔镜之间距离即多程池长为50cm；为消除由于长时间工作产生的热效应影响拉曼转化效率及光束质量，多程池内的拉曼活性气体在压缩机驱动下以50m/s的速度循环，且气流方向垂直于谐振腔光轴方向。1064nm基频光与1414.8nm的S1光输入窗口对这两个波长的透过率均为98％；斯托克斯光与基频光输入反射镜对两个波长的反射率均为99％；斯托克斯光输出反射镜对1414.8nm的反射率为99％；S1与基频光在多程池内多次往返，并不断转化为波长为2110nm的二级斯托克斯光S2，斯托克斯光输出窗口对2110nm的透过率为99％；两个凹面腔镜对S1、S2和基频光的反射率均为99％。根据适当设计，二阶斯托克斯光S2在本多程池中经9次反射后由输出光反射镜反射后，经输出窗口输出。实际结果表明，该高阶斯托克斯产生装置可以达到约5％的二阶斯托克斯光输出效率。

Claims (7)

1.一种高阶斯托克斯光产生装置，包括共焦非稳腔A和多程池B两部分；其中共焦非稳腔A采用两个相对放置高反凹面镜作为基频激光器的腔镜，两腔镜曲率及其间距满足共焦非稳腔条件；在共焦非稳腔A中，沿光轴方向依次放置有对基频激光高反射的左侧凹面腔镜，基频激光增益介质，对基频激光高透、一级斯托克斯光(记为S1)高反的二相色镜，拉曼池，刮刀镜，以及对基频激光和S1都高反射的右侧凹面腔镜；刮刀镜的上方放置有镀双高反膜的屋脊镜，刮刀镜的下方放置有两片水平排列的高反平面镜，刮刀镜输出的激光和S1光经屋脊镜变化为实心光束后，由刮刀镜下侧放置的高反平面镜输出，其输出光经多程池B的输入窗口进入到多程池B中；
多程池B包括一左右两端开口的筒体，两片镀有对基频光和S1及二级斯托克斯光(记为S2)高反膜的凹面腔镜反射面相对放置在筒体的左右两开口端，并通过法兰与筒体密封构成多程池B，多程池B中充有气体拉曼介质；于筒体的侧壁上设有激光输入窗口和输出窗口，由激光输入窗口进入多程池的激光和拉曼种子光经多程池一个端面附近内侧壁上放置的一个高反镜反射到多程池的腔镜上，在多程池内两腔镜间不断振荡放大，并向高阶斯托克斯光转化，获得的高阶斯托克斯光经多程池另一端面附近内侧壁上放置的另一高反镜反射后，经多程池输出窗口输出。
2.根据权利要求1所述的高阶斯托克斯光产生装置，其特征是：共焦非稳腔A的两凹面腔镜的曲率半径之和等于2倍腔长，因此基频激光能在腔内形成一个焦点；拉曼池放置于焦点位置上，此处基频激光功率密度大，更容易满足受激拉曼阈值要求。
3.根据权利要求1所述的高阶斯托克斯光产生装置，其特征是：多程池B中的两个凹面腔镜的曲率半径R1，R2和两腔镜之间的距离L之间的关系满足稳定腔条件，即0<(1-L/R1)×(1-L/R2)<1。
4.根据权利要求1所述的高阶斯托克斯光产生装置，其特征是:进入多程池B的激光和S1光都是由共焦非稳腔A的刮刀镜和屋脊镜提供的，因此可以保证泵浦光与S1光具有良好的重合性，有助于实现对S1的放大，并提高S2的转化效率。
5.根据权利要求1所述的高阶斯托克斯光产生装置，其特征是：经过合束的基频激光与S1光经过输入窗口进入多程池内，由输入光反射镜反射后入射到左侧腔镜上，可以在两侧腔镜之间多次往返后再由拉曼光输出镜反射后经输出窗口输出；这相当于增加了拉曼放大的有效增益长度，因此可以提高放大效率，更容易产生并放大S2光。
6.根据权利要求1所述的高阶斯托克斯光产生装置，其特征是：可以通过改变多程池两侧腔镜的镀膜种类，改变激光在多程池内的往返次数，改变基频光注入能量选择产生某些高阶次斯托克斯光，如三阶斯托克斯光S3或者四阶斯托克斯光S4。
7.根据权利要求1所述的高阶斯托克斯光产生装置，其特征是：通过改变共焦非稳腔内拉曼池以及多程池中填充的拉曼活性气体种类，可以改变产生的高阶斯托克斯光的波长，实现可快速切换的多波段激光输出。
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