CN105633791B - 一种缩束多光程拉曼激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种缩束多光程拉曼激光器，包括泵浦激光器、棱镜、刮刀镜、腔镜一、拉曼池、腔镜二；腔镜二、拉曼池、刮刀镜和腔镜一同轴放置构成负支共焦非稳定腔；拉曼池和腔镜一间设有刮刀镜，刮刀镜的镜面与负支共焦非稳定腔光轴呈45°放置；负支共焦非稳定腔外部，刮刀镜的一侧向外依次放置有棱镜和泵浦激光器；棱镜和泵浦激光器的光轴与非稳腔的光轴垂直。本发明的优点为：负支共焦非稳腔中泵浦激光有实聚焦点，这样能有效地降低拉曼阈值；负支共焦非稳腔对激光具有缩束效果，泵浦激光和拉曼激光在腔内振荡的过程中不断的被缩束同时光功率密度被提高，提高拉曼的增益放大效果。
Description
技术领域
本发明激光技术领域，具体涉及一种缩束多光程拉曼激光器。本发明提供的一种新型的外腔拉曼激光器，主要是利用泵浦光注入到受激拉曼谐振腔以实现对泵浦激光的高效转换。与其他方法的不同的是该设计腔外泵浦激光环状光斑注入，腔内多次缩束和聚焦以实现降低受激拉曼低阈值和实现低泵浦功率条件下实现更高的拉曼转换效率。
技术背景
激光是一种特殊光源，具有很好的单色性，但是目前的激光器并不能产生所有的波长，为了一些特殊的波长要求，就需要对目前现有的激光波长加以转换，来产生需要的波长。激光波长转换的方法有倍频、受激拉曼、光学参量振荡等。其中倍频是向短波长转化，受激拉曼和光学参量是向长波长转化。光学参量振荡在转化率和光束质量等方面都要明显比受激拉曼差很多。目前对单光程，多光程和腔内拉曼激光器做了相应的研究。1.单光程设计由于对泵浦光的损耗较小，所以采用长聚焦时拉曼的效率转换可以达到80％左右，但是其缺点就是拉曼阈值比较高，不适合应用于低功率的泵浦激光。2.腔内拉曼虽然可以非常有效地降低阈值，提高受激拉曼的转化率，但需要对激光器的光学谐振腔有非常大的修改。所以并不是所有激光器都适合腔内拉曼：例如光纤激光器和纳秒级别以下脉冲激光器等。3.Herriot多光程受激拉曼可以有效的降低对泵浦激光的阈值0.178MW(在1064nm泵浦，3.9MPa的H2作为拉曼介质)，而且可以达到可观的转换效率，但是Herriot多光程的设计复杂、调节困难、对实验装置的机械振动很敏感(与激光的光程次数呈正相关的关系)等等缺点。
发明内容：
针对以上技术难题，本发明提供了一种缩束多光程拉曼激光器，采用泵浦激光腔外注入式用来减小泵浦光的损耗。利用负支共焦非稳定腔的多次振荡和聚焦延长了受激拉曼的有效作用长度用来达到降低阈值提高转换效率的目的。在负支共焦非稳定腔中，光束不断的被压缩，其拉曼转换效率会大幅提升。
光束压缩能促进受激拉曼增益的原理，可以参考稳态受激拉曼散射过程，受激拉曼光小信号放大满足：
Is(z)＝Is(0)exp(gIpz)
其中：Is(z)为放大后的拉曼激光强，Is(0)为拉曼种子激光强，g为稳态增益系数，Ip为泵浦光强，z浦光作用长度。
光束的压缩的相当于Ip增大和有效作用长度z增长。因此利用负支共焦非稳定腔的光束压缩特性在受激拉曼波长转换中是有效的方法。
为了实现泵浦光腔外注入式腔内受激拉曼，本发明使用现有的激光作为泵浦光源，经过棱镜后将泵浦光的圆形实心光斑变换为环状空心光斑。在负支共焦非稳腔中安放刮刀镜，其用途是将激光导入到负支共焦非稳定腔中。在负支共焦非稳定腔内，对环状光斑来回振荡，振荡的过程中光斑的半径不断的被缩小和多次聚焦，该种设计有利于增加拉曼转换的有效长度，能实现提高受激拉曼转换效率的目的。本发明中腔镜一和腔镜二组成的负支共焦非稳腔中只有被转换的拉曼激光才会被镜一耦合输出，该种设计的可以实现对泵浦激光的最大化利用。
本发明的具体技术解决方案如下：
本发明提供的一种缩束多光程拉曼激光器包括泵浦激光器、棱镜、刮刀镜、腔镜一、拉曼池、腔镜二；腔镜二、拉曼池、刮刀镜和腔镜一同轴放置构成负支共焦非稳定腔；拉曼池和腔镜一间设有刮刀镜，刮刀镜的镜面与负支共焦非稳定腔光轴呈45°放置；负支共焦非稳定腔外部，刮刀镜的一侧向外依次放置有棱镜和泵浦激光器；棱镜和泵浦激光器的光轴与非稳腔的光轴垂直。
腔镜一与腔镜二相对设置，采用共焦位置摆放；腔镜一的曲率半径大于腔镜二的曲率半径，腔镜一为凹凸镜，两面曲率半径相同，凹面镀泵浦光高反和拉曼光输出耦合膜，其拉曼输出耦合率在50-80％，凸面镀拉曼光增透膜；腔镜二为平凹镜，其凹面镀泵浦光和拉曼光高反膜；腔镜一和腔镜二组成光腔的放大率为M1，要求M1≥M2；M1的最佳取值范围为1.4-2，M2的最佳取值范围为1.2-1.5。。
气体拉曼池为长条管状结构，气体拉曼池的长度方向的中心位置处于负支共焦非稳定腔的焦点处。
棱镜形状为双锥体(形如梭子状)，上下两个顶点构成了其光轴，在使用时其光轴要与泵浦激光器发出的激光共轴；棱镜表面镀增透膜，棱镜的顶角为2，边长为l，对于半径为r的光斑，经过棱镜后产生的环形光斑的内外半径之比(M2)为其中θ′＝arcsin(cosθ/n)，n是棱镜的折射率(如图4所示)。
刮刀镜为一个中间开有椭圆孔的圆形高反镜片，其圆心的位置要在腔镜二和腔镜一构成负支共焦非稳定腔光轴和棱镜的光轴的交叉点处；刮刀镜镜面要与负支共焦非稳腔的光轴呈45°；刮刀镜距离焦点的距离小于腔镜二距离焦点的距离；刮刀镜镀泵浦光高反膜，中心椭圆孔的45°投影是半径为的圆。
本发明的光学设备和光学器件按照以上结构安放，总体的结构是：两个光轴和一个交叉点。两个光轴分别为：泵浦激光器输出的激光和棱镜共同的光轴命名为光轴-1，另外一个光轴是腔镜一，拉曼池，刮刀镜，腔镜二共同组成了负支共焦非稳腔其光轴命名为光轴-2，光轴-1和光轴-2垂直，其交叉点在刮刀镜的镜面中心，另外刮刀镜与光轴-1和光轴-2的夹角都为45°。
附图说明
(1)图1为本发明的结构示意图，图中的器件名称如下：1：激光器，2:棱镜，3:刮刀镜，4:腔镜一，5:拉曼池，6:腔镜二。
激光器1发出的泵浦激光被棱镜2扩束，扩束后的泵浦激光经过刮刀镜3的45°反射后注入到腔镜4，拉曼池5，腔镜6组成的负支共焦非稳定腔。
(2)图2为刮刀镜的外形和表面镀膜区域示意图。
(3)刮刀镜镀膜区内椭圆的长短轴。
(4)棱镜中的光路图。
(5)图5为本发明中的棱镜对光束变形的示意图。
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。
具体实施方式：
1：设置负支共焦非稳定腔，按照附图中图1的放置方式，先将腔镜二6；腔镜一4；同轴放置，其腔的长度为腔镜二6和腔镜一4焦距之和，放大倍率M1为腔镜一4与腔镜二6的焦长比。
2：拉曼池5的中心在负支共焦非稳腔的焦点处，并且拉曼池5是个两头带有法兰和窗口片的不锈钢管，管内充有拉曼活性比较强的(像H2,CH4,O2等等)一类气体。两端的窗口片上镀有拉曼光和泵浦光增透的光学膜。
3：如图2所示：刮刀镜3是一个中心带有椭圆孔的圆形平面反射镜，表面镀有泵浦激光高反膜。它的目的是将泵浦激光导入到负支共焦非稳腔内，中间的椭圆孔的短直径要略小于环状导入激光光斑的内圆半径，其椭圆的长直径等于椭圆短直径的1.414倍(如图3)，镜面的直径要大于激光光束的外径。刮刀镜3在负支共焦非稳定腔内与腔的光轴呈45°放置。
4：该发明中的泵浦激光器是不定的，选择的条件就是该激光的功率要达到本发明的拉曼阈值要求。光斑大小可以通过望远镜系统进行扩束或缩束实现与该发明的光学器件相互匹配。泵浦激光方向要与刮刀镜3，腔镜一4，拉曼池5，腔镜二6构成的负支共焦非稳腔的光轴垂直。
5：棱镜2形状为双锥体(形如梭子状)，上下两个顶点的连线为其光轴，锥体的倾斜角度要根据对光斑所要扩束的倍率而定，锥角计算如图5所示。其材质为石英，其表面镀有入射光增透膜。
6：该发明装置在实际的操作中得采用一些光路调节的装置，要采用He-Ne激光对光路进行准直。利用光路可逆原理，在拉曼光的出口出设置He-Ne激光器，He-Ne激光穿过腔镜一4依次通过刮刀镜3，拉曼池5，腔镜二6这样可以调节负支共焦非稳定腔。在负支非稳腔调节成功后刮刀镜3会在腔内将He-Ne激光刮出一个环状的光斑垂直光轴输出到腔外，在输出光的轴上放置棱镜2对环状光斑压缩，使压缩后的光斑穿过两个小孔。最后撤掉He-Ne激光器，安放泵浦激光器，调节泵浦激光光束反向穿过两个小孔，调节完成。
Claims (9)
1.一种缩束多光程拉曼激光器，包括泵浦激光器(1)、棱镜(2)、刮刀镜(3)、腔镜一(4)、拉曼池(5)、腔镜二(6)，其特征在于：
腔镜二(6)、拉曼池(5)、刮刀镜(3)和腔镜一(4)同轴放置构成负支共焦非稳定腔；拉曼池(5)和腔镜一(4)间设有刮刀镜(3)，刮刀镜(3)的镜面与负支共焦非稳定腔光轴呈45°放置；负支共焦非稳定腔外部，刮刀镜(3)的一侧向外依次放置有棱镜(2)和泵浦激光器(1)；棱镜(2)和泵浦激光器(1)的光轴与非稳腔的光轴垂直。
2.按照权利要求1所述的缩束多光程拉曼激光器，其特征在于：腔镜一(4)与腔镜二(6)相对设置，采用共焦位置摆放；腔镜一(4)的曲率半径大于腔镜二(6)的曲率半径，腔镜一(4)为凹凸镜，两面曲率半径相同，凹面镀泵浦光高反和拉曼光输出耦合膜，其拉曼输出耦合率在50-80％，凸面镀拉曼光增透膜；腔镜二(6)为平凹镜，其凹面镀泵浦光和拉曼光高反膜。
3.按照权利要求1所述的缩束多光程拉曼激光器，其特征在于：拉曼池(5)为长条管状结构，拉曼池(5)的长度方向的中心位置处于负支共焦非稳定腔的焦点处。
4.按照权利要求1所述的缩束多光程拉曼激光器，棱镜(2)为形状为双锥体，形如梭子状，上下两个顶点构成了其光轴，在使用时其光轴要与泵浦激光器(1)发出的激光共轴。
5.按照权利要求1或4所述的缩束多光程拉曼激光器，其特征在于：棱镜(2)表面镀增透膜，棱镜的顶角为2θ，边长为l，对于半径为r的光斑，经过棱镜后产生的环形光斑的内外半径之比M2为其中θ′＝arcsin(cosθ/n)，n是棱镜的折射率。
6.按照权利要求5所述的缩束多光程拉曼激光器，其特征在于：腔镜一(4)和腔镜二(6)组成光腔的放大率为M1，要求M1≥M2；M1的取值范围为1.4-2，M2的取值范围为1.2-1.5。
7.按照权利要求1所述的缩束多光程拉曼激光器，其特征在于：刮刀镜(3)为一个中间开有椭圆孔的圆形高反镜片，其圆心的位置要在腔镜二(6)和腔镜一(4)构成负支共焦非稳定腔光轴和棱镜(2)的光轴的交叉点处；刮刀镜(3)镜面要与负支共焦非稳腔的光轴呈45°。
8.按照权利要求7所述的缩束多光程拉曼激光器，其特征在于：刮刀镜(3)距离焦点的距离小于腔镜二(6)距离焦点的距离。
9.按照权利要求7所述的缩束多光程拉曼激光器，其特征在于：刮刀镜(3)镀泵浦光高反膜，中心椭圆孔的45°投影是半径为的圆。
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