CN105375328B - 一种基于自拉曼与opo相结合的激光器 - Google Patents

一种基于自拉曼与opo相结合的激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，包括第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜，所述第一腔镜和第二腔镜之间设置有自拉曼晶体，所述第二腔镜和第三腔镜之间设置有OPO晶体，所述第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜上镀有镀膜，使得第一腔镜、第二腔镜之间形成基频光腔，第二腔镜和第三腔镜之间形成OPO腔，第一腔镜、第三腔镜之间形成拉曼激光腔，自拉曼晶体完成泵浦光转化为基频光、基频光转化为拉曼光的波长转换，拉曼光作为泵浦源泵浦OPO晶体，完成拉曼光到OPO参量光波长转化。用自拉曼介质实现自拉曼激光运转，再用该拉曼光做泵浦源泵浦OPO介质完成光参量转换，同时应用调谐技术产生长波长可调谐激光。

Description

一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器
技术领域
本发明涉及一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器。
背景技术
非线性光学变频技术是目前光学领域的重要研究内容及研究热点之一，其目的是寻求各种波长的相干光，以适应实际应用的需要。受激拉曼散射(stimulated Ramanscattering，SRS)是一种高效的非线性变频过程，是实现激光频率变换的一种有效途径。近年来，随着晶体拉曼材料生长技术的发展，基于晶体的受激拉曼散射效应的固体拉曼激光器以其体积小、效率高、稳定性好等优点吸引了广泛的关注，在信息、医疗、交通、测量和国防等领域都有重要应用，成为当前的一个研究热点。
在拉曼转换过程中，散射光波长由泵浦光的波长及拉曼介质本身的拉曼频移决定。通过选择不同波长的泵浦光和不同的拉曼介质，所获得的拉曼散射光的波长可遍及可见光及近红外波段。然而，实际应用中不同的激光波长往往具有特殊、重要的用途，因而要求激光波长也要具有多样性。有时，通过单一的受激拉曼散射变换产生的新波长激光不能满足人们的需求。把受激拉曼散射技术和其它的非线性频率技术结合起来，在拉曼转换的基础上将激光频率进一步变换，则恰恰能得以应用。事实上，通过两种及以上非线性效应的结合来实现频谱的扩展已经成为光学领域最急切的要求。经过固体拉曼介质受激拉曼散射效应出射的拉曼光具有输出功率高、转换效率高、光束质量好等优点，这使得以拉曼光为基础再次非线性变频成为可能。因此，研究将固体拉曼技术和其它非线性变频技术结合的新技术具有重要意义。它能够灵活多变地产生多种所需波长，在满足应用需求的同时也极大地拓宽了现有光谱。
目前，通过固体拉曼技术和其它非线性变频技术的结合方式实现频率转换的研究主要集中在以下几个方面：(一)、拉曼技术与倍频技术结合。通过受激拉曼散射将掺钕激光器产生的1.06μm激光频移至1.18μm附近，再对该拉曼光进行倍频，产生590nm的黄橙光；(二)、拉曼技术与和频技术结合。先通过受激拉曼散射将1.06μm激光频移至1.18μm附近，再对1.18μm拉曼光和1.06μm基频光进行和频，得到559nm左右的黄绿光。这两种结合方式效率高、功率大。缺点是由于倍频和和频技术属于频率上转换，因此只能使得激光的波长在拉曼光波长基础上向短波长方向移动，产生的激光主要集中在可见光波段，而且产生的光波长是单一的，固定的，不可调谐。
随着长波长激光(如中红外、远红外波段激光)以及可调谐激光在军事侦查、导弹精确制导、军事通信和军事对抗等多种领域中的应用不断增强，如何利用拉曼技术产生高功率高质量的可调谐长波长激光已成为各国军方和科研学界的研究焦点。
目前利用拉曼技术和其它变频技术相结合的方式产生长波长激光的方法为利用拉曼激光泵浦光学参量振荡器(Optical Parametric oscillator，OPO)。目前该方法的实现方案举例为：用Nd:YAG等晶体做激光介质产生1064nm的基频光，用BaWO4、SrWO4等晶体做拉曼介质实现1180nm附近的拉曼光输出，再用KTiOPO4(KTP)晶体参量转换产生1.8um新波长激光。从基频光到拉曼光，再到参量光，激光波长从1064nm到1180nm再到1.8nm，波长逐次增大。(Optics Letters,36(6),pp 813-815,2011/3/8)。该种方案的实现证明了拉曼光泵浦OPO方法的可行性。缺点是至少需要用到三块晶体和四个腔镜，且产生的激光波长是单一固定的，不可调谐。激光晶体、拉曼晶体、OPO晶体分别完成基频光产生、受激拉曼散射和光参量转换三种过程。四个腔镜组成基频激光腔、拉曼光腔和OPO腔，三个激光腔互相包含、叠套在一起。中间的两个腔镜增大了腔内损耗，降低了效率。整个激光腔结构相对复杂、成本相对较高、调整难度较大。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，本装置用两块晶体完成波长的三次转化，成本降低、结构简单、便于调试。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，包括三个腔镜、自拉曼晶体和OPO晶体，其中：
所述腔镜包括第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜，所述第一腔镜和第二腔镜之间设置有自拉曼晶体，所述第二腔镜和第三腔镜之间设置有OPO晶体，所述第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜上镀有镀膜，使得第一腔镜、第二腔镜之间形成基频光腔，第二腔镜和第三腔镜之间形成OPO腔，第一腔镜、第三腔镜之间形成拉曼激光腔，整个激光器实现泵浦光转化为基频光、再转化为拉曼光，最后转化为OPO参量光的整个过程的三次波长转化。
自拉曼晶体完成泵浦光转化为基频光、基频光转化为拉曼光的波长转换，拉曼光作为泵浦源泵浦OPO晶体，完成拉曼光到OPO参量光波长转化。
所述第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜沿直线依次排布或第一腔镜、第二腔镜的连线与第二腔镜和第三腔镜的连线构成角度。
此角度可以为直角，也可以为其它角度，具体可根据使激光运转最佳确定。
所述第一腔镜面向自拉曼晶体的一面有镀膜，对基频光、拉曼光反射。优选的，反射率>99.8％。
所述第二腔镜面向自拉曼晶体的一面有镀膜，对基频光具有高反射率，另一面对参量光具有高反射率，且两面镀膜对拉曼光透射，优选的透射率>99.8％。
所述第三腔镜面向OPO晶体的一面对拉曼光具有高反射率，对于参量光部分透射，透射率可根据不同情况具体确定，以确保输出光具有高功率。
所述自拉曼晶体上镀有镀膜，该镀膜对基频光、拉曼光增透。
所述OPO晶体按一定角度切割，具体切割角度可根据实际需要按相应的相位匹配方式确定。晶体上镀有镀膜，该镀膜对拉曼光、参量光增透。
所述第一腔镜和第二腔镜之间添加有声光调Q晶体、被动调Q晶体或锁模器件。
所述泵浦光泵浦自拉曼晶体的方式为半导体端面泵浦、半导体侧面泵浦。
一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，包括三个腔镜、自拉曼晶体和OPO晶体，其中：
所述腔镜包括第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜，所述第一腔镜和第二腔镜之间设置有自拉曼晶体，所述第二腔镜和第三腔镜之间设置有OPO晶体，所述第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜上镀有镀膜，使得第一腔镜、第三腔镜之间形成基频光腔和拉曼激光腔，第二腔镜和第三腔镜之间形成OPO腔，整个激光器实现泵浦光转化为基频光、再转化为拉曼光，最后转化为OPO参量光的整个过程的三次波长转化。
自拉曼晶体完成泵浦光转化为基频光、基频光转化为拉曼光的波长转换，拉曼光作为泵浦源泵浦OPO晶体，完成拉曼光到OPO参量光波长转化。
所述第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜沿直线依次排布或第一腔镜、第二腔镜的连线与第二腔镜和第三腔镜的连线构成角度。
此角度可以为直角，也可以为其它角度，具体可根据使激光运转最佳确定。
所述第一腔镜面向自拉曼晶体的一面镀有镀膜，且对基频光、拉曼光具有高反射率，优选的反射率>99.8％；
第二腔镜面向OPO晶体的一面镀有镀膜，且对参量光具有高反射率，另一面也设有镀膜，且两面镀膜对拉曼光、基频光具有高透射率，优选的透射率>99.8％。
所述第三腔镜面向OPO晶体的一面对拉曼光、基频光具有高反射率，对于参量光部分透射，透射率可根据不同情况具体确定，以确保输出光具有高功率。
同时第二腔镜和第三腔镜的镀膜还需考虑降低基频光在OPO晶体内发生参量转换的可能性。要求对以基频光为泵浦光时，在该角度相位匹配时产生的参量光波长处透射率尽可能大。
所述自拉曼晶体上镀有镀膜，该镀膜对基频光、拉曼光增透。
所述OPO晶体按一定角度切割，具体切割角度可根据实际需要按相应的相位匹配方式确定。晶体上镀有镀膜，该镀膜对拉曼光、参量光、基频光增透。
上述两种激光器的所述自拉曼晶体为单块的具有拉曼效应的激光晶体或具有拉曼效应的激光晶体前端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体或具有拉曼效应的激光晶体后端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体，或具有拉曼效应的激光晶体双端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体。
上述两种激光器中，所述的OPO晶体为KTP或KTA或周期极化晶体，相位匹配角度为以拉曼光为泵浦光的匹配角度切割。
上述两种激光器中，所述波长转化的过程中，OPO晶体的调谐方式为OPO温度、角度调谐。
本发明的有益效果为：
(1)将OPO技术与自拉曼技术相结合，思路是用自拉曼介质实现自拉曼激光运转，再用该拉曼光做泵浦源泵浦OPO介质完成光参量转换，同时应用调谐技术产生长波长可调谐激光；
(2)能够把拉曼光波长往长波长方向移动，可通过不同相位匹配方式灵活多变地产生多种激光波长；利用OPO本身的调谐性质，可以实现激光波长的调谐输出；
(3)自拉曼介质同时实现基频光和拉曼光的产生，激光产生过程与受激拉曼散射过程在同一块晶体中进行；整个过程只需两块晶体(自拉曼晶体和OPO晶体)即可完成泵浦光→基频光→拉曼光→OPO参量光(信号光和(或)闲频光)整个过程的三次波长转化，还可利用温度调谐、角度调谐等方式完成波长的调谐过程；
(4)最多只需三个腔镜，减少损耗的同时也使得整个激光腔结构简单，调整方便，有望获得结构紧凑、高功率、稳定的新型激光器。
附图说明
图1为本发明的实施例一的结构示意图；
图2为本发明的实施例二的结构示意图；
图3为本发明的实施例三的结构示意图；
图4为本发明的实施例四的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明中，我们用自拉曼激光泵浦OPO的方式将自拉曼技术和OPO技术相结合产生长波长可调谐激光。OPO本身不但是一种高效的非线性光学过程，可以把一束频率较高的入射光转化为低频率的信号光和闲频光。同时，应用相应的调谐技术可以实现OPO激光波长一定范围内的调谐。本发明中OPO技术与自拉曼技术相结合，思路是用自拉曼介质实现自拉曼激光运转，再用该拉曼光做泵浦源泵浦OPO介质完成光参量转换，同时应用调谐技术产生长波长可调谐激光。本发明优点如下：第一，能够把拉曼光波长往长波长方向移动，可通过不同相位匹配方式灵活多变地产生多种激光波长；第二，利用OPO本身的调谐性质，可以实现激光波长的调谐输出；第三，自拉曼介质同时实现基频光和拉曼光的产生，激光产生过程与受激拉曼散射过程在同一块晶体中进行。因而整个过程只需两块晶体(自拉曼晶体和OPO晶体)即可完成泵浦光→基频光→拉曼光→OPO参量光(信号光和(或)闲频光)整个过程的三次波长转化。同时，还可利用温度调谐、角度调谐等方式完成波长的调谐过程。且最多只需三个腔镜，减少损耗的同时也使得整个激光腔结构简单，调整方便，有望获得结构紧凑、高功率、稳定的新型激光器。
自拉曼晶体和OPO晶体的放置位置要求如下：当要求整个激光器结构紧凑时，所有元器件尽可能排列靠近，当对最终激光性能如输出功率、输出效率等有要求时，自拉曼晶体和OPO晶体的放置位置可以离腔镜有一定空隙。
M1、M2、M3为激光腔镜，形状可为平-平或平-凹或平-凸或凹凹或凸凸等。M1材料可为普通的K-9玻璃或专门用于中红外波段的中红外材料如CaF2或白宝石或中红外石英制成。M2和M3材料为专门用于中红外波段的中红外材料如CaF2或白宝石或中红外石英制成。
实施例一：
如图1所示，腔镜M1与腔镜M2组成基频光腔，M2与腔镜M3组成OPO腔，M1与M3组成拉曼光腔，
基频光腔与OPO光腔隔离，拉曼光腔覆盖了基频光腔与OPO光腔。
镀膜要求如下：M1对基频光、拉曼光高反；M2一面对基频光，另一面对参量光(信号光和(或)闲频光)高反，双面都要对拉曼光高透；M3对拉曼光高反，对参量光(信号光和(或)闲频光)部分透射；
自拉曼晶体镀膜对基频光、拉曼光增透；
OPO晶体镀膜对拉曼光、参量光(信号光和(或)闲频光)增透；
自拉曼晶体可以为单块的具有拉曼效应的激光晶体(如Nd:YVO4、Nd:GdVO4、或Nd：KGW)。或具有拉曼效应的激光晶体前端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体或具有拉曼效应的激光晶体后端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体，或具有拉曼效应的激光晶体双端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体。
OPO晶体为KTP或KTA或周期极化晶体(如PPLN等)，相位匹配角度为以拉曼光为泵浦光的匹配角度切割。调谐方式为OPO温度、角度调谐。
实施例二：
如图2所示，第一腔镜、第二腔镜的连线与第二腔镜和第三腔镜的连线构成直角或其它角度，其他设置与实施例一一致。
实施例三：
如图3所示，M1与M3组成基频光腔，同时也是拉曼光腔，M2与M3组成OPO腔。基频光和拉曼光腔重合。
镀膜要求：M1对基频光、拉曼光高反；M2一面对参量光(信号光和(或)闲频光)高反，双面对拉曼光、基频光高透；M3对基频光、拉曼光高反，对参量光(信号光和(或)闲频光)部分透射；
自拉曼晶体镀膜对基频光、拉曼光增透；
OPO晶体镀膜对基频光、拉曼光、参量光(信号光和(或)闲频光)增透；
自拉曼晶体可以为单块的具有拉曼效应的激光晶体(如Nd:YVO4、Nd:GdVO4、或Nd：KGW)。或具有拉曼效应的激光晶体前端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体或具有拉曼效应的激光晶体后端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体，或具有拉曼效应的激光晶体双端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体。
OPO晶体为KTP或KTA或周期极化晶体(如PPLN等)，相位匹配角度为以拉曼光为泵浦光的匹配角度切割。调谐方式为OPO温度、角度调谐。
如图4所示，第一腔镜、第二腔镜的连线与第二腔镜和第三腔镜的连线构成直角或其它角度，其他设置与实施例三一致。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，其特征是：包括三个腔镜、自拉曼晶体和OPO晶体，其中：
所述腔镜包括第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜，所述第一腔镜和第二腔镜之间设置有自拉曼晶体，所述第二腔镜和第三腔镜之间设置有OPO晶体，所述第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜上镀有镀膜，使得第一腔镜、第二腔镜之间形成基频光腔，第二腔镜和第三腔镜之间形成OPO腔，第一腔镜、第三腔镜之间形成拉曼激光腔，整个激光器实现泵浦光转化为基频光、再转化为拉曼光，最后转化为OPO参量光的整个过程的三次波长转化；把拉曼光波长往长波长方向移动，可通过不同相位匹配方式灵活多变地产生多种激光波长；利用OPO本身的调谐性质，实现激光波长的调谐输出。
2.如权利要求1所述的一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，其特征是：
所述第一腔镜面向自拉曼晶体的一面有镀膜，对基频光、拉曼光反射；
所述第二腔镜面向自拉曼晶体的一面有镀膜，对基频光反射，另一面对参量光反射，且两面镀膜对拉曼光透射；
所述第三腔镜面向OPO晶体的一面对拉曼光反射，对于参量光部分透射。
3.如权利要求1所述的一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，其特征是：所述自拉曼晶体上镀有镀膜，该镀膜对基频光、拉曼光增透。
4.如权利要求1所述的一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，其特征是：所述OPO晶体按一定角度切割，切割角度由相位匹配方式确定，晶体上镀有镀膜，该镀膜对拉曼光、参量光增透。
5.一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，其特征是：包括三个腔镜、自拉曼晶体和OPO晶体，其中：
所述腔镜包括第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜，所述第一腔镜和第二腔镜之间设置有自拉曼晶体，所述第二腔镜和第三腔镜之间设置有OPO晶体，所述第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜上镀有镀膜，使得第一腔镜、第三腔镜之间形成基频光腔和拉曼激光腔，第二腔镜和第三腔镜之间形成OPO腔，整个激光器实现泵浦光转化为基频光、再转化为拉曼光，最后转化为OPO参量光的整个过程的三次波长转化；把拉曼光波长往长波长方向移动，可通过不同相位匹配方式灵活多变地产生多种激光波长；利用OPO本身的调谐性质，实现激光波长的调谐输出。
6.如权利要求5所述的一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，其特征是：所述第一腔镜面向自拉曼晶体的一面镀有镀膜，且对基频光、拉曼光反射；
第二腔镜面向OPO晶体的一面镀有镀膜，且对参量光反射，另一面也设有镀膜，且两面镀膜对拉曼光、基频光透射；
所述第三腔镜面向OPO晶体的一面对拉曼光、基频光反射，对于参量光部分透射。
7.如权利要求1或5所述的一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，其特征是：所述自拉曼晶体为单块的具有拉曼效应的激光晶体或具有拉曼效应的激光晶体前端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体或具有拉曼效应的激光晶体后端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体，或具有拉曼效应的激光晶体双端键合基质晶体组成的自拉曼激光晶体。
8.如权利要求1或5所述的一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，其特征是：所述第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜沿直线依次排布或第一腔镜、第二腔镜的连线与第二腔镜和第三腔镜的连线构成角度。
9.如权利要求1或5所述的一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，其特征是：所述第一腔镜和第二腔镜之间添加有声光调Q晶体、被动调Q晶体或锁模器件。
10.如权利要求1或5所述的一种基于自拉曼与OPO相结合的激光器，其特征是：所述的OPO晶体为KTP或KTA或周期极化晶体，相位匹配角度为以拉曼光为泵浦光的匹配角度切割；OPO晶体的调谐方式为OPO温度、角度调谐。
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