CN105390931A - 一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器 - Google Patents
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Abstract
一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器，包括泵浦源、激光谐振腔以及拉曼晶体，采用方解石型结构的正硼酸盐拉曼晶体对激光波长进行调节，产生具有固定频移的新波长激光输出；所述方解石型结构的拉曼晶体通式为：RBO3，其中R＝V，In，Fe，Lu或Sc。可用于紫外波段、黄光波段和人眼安全波段的激光变频。
Description
技术领域
本发明涉及拉曼激光器领域，尤其涉及一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器。
背景技术
受限于激光晶体的激发波长，传统激光器的输出波长非常有限。利用非线性光学效应实现激光频率变换，如受激拉曼散射(SRS)，是目前获得新波长激光的重要手段之一。拉曼激光器可获得用其他手段难以获得的激光波长，仅需选择合适的拉曼介质及波长不同的泵浦激光即可实现从紫外到中红外波段的拉曼激光输出。丰富的激光谱线输出使得拉曼激光器的使用遍及激光测距、激光雷达、医学治疗、激光导星、激光通讯和光谱学测量等领域。
拉曼晶体是一种重要的非线性光学晶体，与气体和液体拉曼介质相比，拉曼晶体具有导热性好、增益高、机械特性好等优点。拉曼晶体决定了拉曼激光器的输出波长、光束质量及转化效率等重要参数，是固体拉曼激光器进行频率转化的关键器件。以晶体作为拉曼介质的全固态拉曼激光器不仅稳定可靠，而且转化效率高，逐渐成为近年来研究的热点。
目前商用的拉曼晶体主要有LiIO3、Ba(NO3)2、BaWO4、KGd(WO4)、KY(WO4)2及YVO4等。然而，这些常用拉曼晶体还存在如下两个方面的不足：(1)常用拉曼晶体的频移主要集中在800-1000cm-1范围内；(2)晶体的透光范围多在300nm以上。因此，这些相对成熟的拉曼晶体频移量不够丰富且受限于晶体的透光范围而不能用于紫外波段激光变频。理想的拉曼晶体需具备如下条件：(1)对泵浦光和拉曼散射光高透；(2)机械强度高、物化性能稳定、激光损伤阈值高；(3)具有良好的生长性能。包含强共价键分子基团的离子晶体的拉曼活性振动模式对应的拉曼峰强度高、线宽窄，拥有优良的受激拉曼散射性能。因此，拉曼晶体的研究主要集中在包含[XO3](X＝N,C和I)及[YO4](Y＝V,W及Mo)类分子基团的晶体上。BO3基团也与CO3、NO3基团一样包含强共价键，因此可以预测正硼酸盐晶体也是性能优良的拉曼晶体。但正硼酸盐晶体拉曼性能的研究开展较少。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器，可用于紫外波段、黄光波段和人眼安全波段的激光变频。
为了实现上述目的，本发明采用的方案是：
一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器，包括泵浦源、激光谐振腔以及拉曼晶体，采用方解石型结构的正硼酸盐拉曼晶体对激光波长进行调节，产生具有固定频移的新波长激光输出；所述方解石型结构的拉曼晶体通式为：RBO3，其中R＝V，In，Fe，Lu或Sc。
所述RBO3拉曼晶体按照光学Z轴加工。
所述RBO3拉曼晶体位于激光谐振腔外形成外腔式拉曼频移激光器；或RBO3拉曼晶体位于激光谐振腔内形成内腔式拉曼频移激光器，激光谐振腔有输入镜和输出镜构成。
所述输入镜是平面镜、凹面镜或凸面镜；所述输出镜是平面镜、凹面镜或凸面镜。
所述泵浦源为半导体激光器、光耦合输出的半导体激光器、闪光灯或弧光灯，所述泵浦源的泵浦方式是端面泵浦或侧面泵浦。
所述外腔式拉曼频移激光器为腔外单次通过式拉曼激光器、腔外双次通过式拉曼激光器或腔外多次通过式拉曼激光器；其中：
腔外单次通过式拉曼激光器依次由脉冲激光器和拉曼晶体构成；
腔外双次通过拉曼激光器依次由脉冲激光器、拉曼晶体和反射镜构成；
腔外多次通过拉曼激光器依次由脉冲激光器、输入镜、拉曼晶体和输出镜组成。
所述内腔式拉曼频移激光器为内腔式连续拉曼激光器、内腔式连续拉曼倍频激光器、内腔式脉冲拉曼激光器、内腔式脉冲拉曼倍频激光器；其中，
内腔式连续拉曼激光器依次由泵浦源、光学耦合系统、输入镜、激光晶体、拉曼晶体和平面输出镜构成；
内腔式连续拉曼倍频激光器依次由泵浦源、光学耦合系统、输入镜、激光晶体、拉曼晶体、倍频晶体和输出镜构成；
内腔式脉冲拉曼激光器依次由泵浦源、光学耦合系统、输入镜、激光晶体、声光调Q开关、拉曼晶体和输出镜构成；
内腔式脉冲拉曼倍频激光器依次由泵浦源、光学耦合系统、输入镜、激光晶体、声光调Q开关、拉曼晶体、倍频晶体和输出镜组成。
本发明的有益效果是：该方解石结构正硼酸盐拉曼晶体具有生长成本低、物理机械性能稳定、拉曼增益系数高、不潮解等优势，该类激光器具有输出稳定、结构简单、环境适应性强等优势，使得基于方解石结构的拉曼激光器具有产业化广泛应用的前景。
附图说明
附图1为基于方解石型正硼酸盐拉曼晶体的腔外单次通过式拉曼激光器结构图；
附图2为基于方解石型正硼酸盐拉曼晶体的腔外双次通过式拉曼激光器结构图；
附图3为基于方解石型正硼酸盐拉曼晶体的腔外多次通过式拉曼激光器结构图；
附图4为基于方解石型正硼酸盐拉曼晶体的内腔式连续拉曼激光器结构图；
附图5为基于方解石型正硼酸盐拉曼晶体的内腔式连续拉曼倍频激光器结构图；
附图6为基于方解石型正硼酸盐拉曼晶体的内腔式脉冲拉曼激光器结构图；
附图7为基于方解石型正硼酸盐拉曼晶体的内腔式脉冲拉曼倍频激光器结构图；
附图8为基于方解石型正硼酸盐拉曼晶体的腔外单次通过式拉曼激光光谱。其中，1为泵浦源、2为汇聚透镜、3为拉曼晶体；4为反射镜；5为输入镜；6为平面输出镜；7为LD泵浦源；8为激光晶体；9为倍频晶体；10为调Q晶体；S1为一阶斯托克斯光，S2为二阶斯托克斯光。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：InBO3晶体的腔外单次通过式拉曼激光器
图1给出了该激光器的结构图，该激光器由脉冲激光器1、汇聚透镜2和拉曼晶体3组成。脉冲激光器1输出脉宽30ps、重复频率10Hz、单脉冲约为5mJ、波长为532nm的皮秒激光。泵浦光经过缩束准直后通过InBO3拉曼晶体产生受激拉曼光。图8是该激光器的输出拉曼激光光谱图，从图中明显可以看到560nm的一阶拉曼激光和591nm的二阶拉曼激光输出。
所述拉曼晶体2是InBO3晶体，晶体长度为25mm，其双面抛光未镀膜。
实施例2：LuBO3晶体的腔外双次通过式拉曼激光器。
图2给出了该激光器的结构图，该激光器由脉冲激光器1，拉曼晶体3和反射镜4沿光路依次排列。脉冲激光器1输出波长为532nm、脉宽30ps、重复频率10Hz的激光。泵浦光经缩束准直后通过拉曼晶体3，经反射镜4反射后再次通过拉曼晶体3。通过加大泵浦光的功率可实现波长为558nm的一阶拉曼激光输出。
所述拉曼晶体3是LuBO3晶体，其双面抛光并镀以对532和558nm高透过的介质膜。所述反射镜4镀以对入射光532nm高透、对一阶拉曼激光558nm高反的介质膜。
实施例3：ScBO3晶体的腔外多次通过式拉曼激光器。
图3给出了该激光器的结构图，该激光器由脉冲激光器1、输入镜5，拉曼晶体3和输出镜6沿光路依次排列组成。泵浦光经缩束准直后通过输入镜5入射到拉曼晶体3，经经输出镜6、输入镜5反射后多通过拉曼晶体3。通过加大泵浦光的功率可实现波长为558nm的一阶拉曼激光输出。
所述脉冲激光器1输出波长为532nm、脉宽30ps、重复频率为10Hz的脉冲激光。输入镜5内侧镀以对基频和拉曼光(558nm)高反的介质膜，输出镜6为平面镜，两面镀以对基频光高反、对拉曼光(558nm)高透的介质膜。所述的输入镜5凹面曲率半径为200nm。
所述拉曼晶体3为ScBO3晶体，其双面抛光未镀膜。
实施例4：VBO3晶体的内腔式连续拉曼激光器。
图4给出了该激光器的结构图，该激光器由泵浦源7、输入镜5、激光晶体8、拉曼晶体3和平面镜6沿光路顺序排列而成。所用泵浦源7是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管，所用激光晶体8是Nd：YAG晶体，它的两个通光端面上镀以对泵浦光(808nm)和基频光(1064nm)高透的增透膜。拉曼晶体3为VBO3晶体，其两通光端面上镀以对1064nm和1172nm高透过的介质膜。输入镜5镀以对泵浦光(808nm)高透，对基频光(1064nm)和拉曼光(1172nm)高反的介质膜，输出镜6表面镀以对基频光(1064nm)高反，对拉曼光(1172nm)高透的介质膜。
本实施例结构简单，操作方便。通过加大泵浦光的功率可实现波长1172nm稳定的连续激光输出。
实施例5：FeBO3晶体的内腔式连续拉曼倍频激光器
图5给出了该激光器的结构图，该激光器由泵浦源7、输入镜5、激光晶体8、拉曼晶体3、倍频晶体9和输出镜6沿光路依次排列。泵浦源7是输出波长为808nm的半导体激光二极管。输入镜5镀以对泵浦光(808nm)高透，对基频光(1064nm)、拉曼光(1172nm)和拉曼倍频光(568nm)高反的介质膜。输出镜6内侧镀以对基频光(1064nm)、拉曼光(1172nm)高反，拉曼倍频光(568nm)高透的介质膜，外侧镀以对拉曼倍频光(568nm)高透的介质膜。
所述的倍频晶体9为LBO晶体，其两通光面抛光并镀以对586nm、1064nm以及1172nm高透过的介质膜。
所述的拉曼晶体为FeBO3晶体。加大泵浦功率，可实现1172nm稳定的连续受激拉曼散射光输出。
实施例6：InBO3晶体的内腔式脉冲拉曼激光器
图6给出了该激光器的结构图，该激光器由泵浦源7、输入镜5、激光晶体8、声光调Q开关10、拉曼晶体3和输出镜6沿光路顺序排列。泵浦源7是输出波长为808nm的xx的半导体激光二极管。其输入镜5镀以对泵浦光(808nm)高透过且对1064nm激光高透过、对1.34微米激光高反射、对拉曼光(1.5微米)高反射的介质膜，输出镜6镀以对1064nm激光高透过、对1.34微米激光高反射、对拉曼光(1.5微米)高透的介质膜。该激光晶体8是Nd:YAG晶体，它的两个通光端面上镀以对泵浦光(808nm)和基频光(1.34微米)高透的增透膜。
所述的拉曼晶体3是InBO3晶体，其双面抛光未镀膜。通过加大泵浦光的功率可实现波长为1498nm的脉冲受激拉曼散射光输出。
实施例7：InBO3晶体的内腔式脉冲拉曼倍频激光器
图7给出了该激光器的结构图，该激光器由泵浦源7、输入镜5、激光晶体8、声光调Q开关10、拉曼晶体3，倍频晶体9和输出镜6沿光路顺序排列。输入镜5和输出镜6的镀膜情况分别与实施例4中输入镜5和输出镜6的镀膜情况相同。激光晶体8、拉曼晶体3和倍频晶体9与实施例5中对应相同，所选拉曼晶体为InBO3晶体。
所述的泵浦源7是输出波长为808nm的xx的半导体激光二极管。
实施例8：RBO3晶体的生长
按摩尔比0.04:1.52:0.14:0.06称取R2O3、H3BO3、PbO和PbF2混合研磨后置于铂金坩埚中升温至500℃并恒温12小时，升温速率为15℃/h。将原料取出再次研磨混匀置于铂金坩埚中升温至原料开始熔化，将温度升高50℃并恒温6小时以保证原料完全熔化。之后降低温度下入籽晶，通过籽晶生长情况确定饱和生长温度。确定好生长温度后，降低以1-3℃/d的降温速率降温直至得到所需尺寸的晶体，晶转速度为1-3r/min。提拉使晶体脱离液面，降至室温，降温速率为10-30℃/h。
所述拉曼激光器的工作方法，为下列之一：
1、拉曼晶体在激光谐振腔外的外腔式拉曼频移激光器，用纳秒、皮秒或飞秒脉冲激光器作为泵浦源，采用单通、双通或多通方式对RBO3拉曼晶体进行激发，得到脉冲式受激拉曼激光输出；
2、拉曼晶体在激光谐振腔内的内腔式频移拉曼激光器，用激光二极管泵浦激光晶体产生波长为1.06微米、1.34微米或532纳米的激光L，该激光L通过RBO3拉曼晶体后发生频移，得到连续式散射的受激拉曼激光I输出；进一步的，将该受激拉曼激光I通过倍频晶体得到相应波长的倍频光输出；或者，所述激光L通过电光、声光或者被动调Q元件调制，产生脉冲激光，在通过RBO3拉曼晶体得到脉冲式散射的受激拉曼激光I输出；进一步的，将该受激拉曼激光I通过倍频晶体得到相应波长的倍频光输出。
所述拉曼激光器的输出波长包括280nm，560nm，590nm，749nm，1181nm或1498nm，可用于紫外波段、黄光波段及人眼安全波段的激光变频。
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 (7)
1.一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器，包括泵浦源、激光谐振腔以及拉曼晶体，其特征是，采用方解石型结构的正硼酸盐拉曼晶体对激光波长进行调节，产生具有固定频移的新波长激光输出；所述方解石型结构的拉曼晶体通式为：RBO3，其中R＝V，In，Fe，Lu或Sc。
2.根据权利要求1所述的一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器，其特征是，所述RBO3拉曼晶体按照光学Z轴加工。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器，其特征是，所述RBO3拉曼晶体位于激光谐振腔外形成外腔式拉曼频移激光器；或RBO3拉曼晶体位于激光谐振腔内形成内腔式拉曼频移激光器，激光谐振腔由输入镜和输出镜构成。
4.根据权利要求3所述的一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器，其特征是，所述输入镜是平面镜、凹面镜或凸面镜；所述输出镜是平面镜、凹面镜或凸面镜。
5.根据权利要求3所述的一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器，其特征是，所述泵浦源为半导体激光器、光耦合输出的半导体激光器、闪光灯或弧光灯，所述泵浦源的泵浦方式是端面泵浦或侧面泵浦。
6.根据权利要求3所述的一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器，其特征是，所述外腔式拉曼频移激光器为腔外单次通过式拉曼激光器、腔外双次通过式拉曼激光器或腔外多次通过式拉曼激光器；其中：
腔外单次通过式拉曼激光器依次由脉冲激光器和拉曼晶体构成；
腔外双次通过拉曼激光器依次由脉冲激光器、拉曼晶体和反射镜构成；
腔外多次通过拉曼激光器依次由脉冲激光器、输入镜、拉曼晶体和输出镜组成。
7.根据权利要求3所述的一种基于方解石型正硼酸盐晶体的全固态拉曼激光器，其特征是，所述内腔式拉曼频移激光器为内腔式连续拉曼激光器、内腔式连续拉曼倍频激光器、内腔式脉冲拉曼激光器、内腔式脉冲拉曼倍频激光器；其中，
内腔式连续拉曼激光器依次由泵浦源、光学耦合系统、输入镜、激光晶体、拉曼晶体和平面输出镜构成；
内腔式连续拉曼倍频激光器依次由泵浦源、光学耦合系统、输入镜、激光晶体、拉曼晶体、倍频晶体和输出镜构成；
内腔式脉冲拉曼激光器依次由泵浦源、光学耦合系统、输入镜、激光晶体、声光调Q开关、拉曼晶体和输出镜构成；
内腔式脉冲拉曼倍频激光器依次由泵浦源、光学耦合系统、输入镜、激光晶体、声光调Q开关、拉曼晶体、倍频晶体和输出镜组成。
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| CN104348081A (zh) * | 2014-11-25 | 2015-02-11 | 山东大学 | 一种Ca3(BO3)2晶体受激拉曼散射的应用 |
-
2015
- 2015-12-21 CN CN201510969382.3A patent/CN105390931B/zh active Active
Patent Citations (3)
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| US20140269787A1 (en) * | 2011-11-09 | 2014-09-18 | Macquarie University | Wavelength versatile vecsel raman laser |
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| CN108173114A (zh) * | 2016-12-07 | 2018-06-15 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种小型化拉曼激光器 |
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| Publication number | Publication date |
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