CN106058632B - 一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调q拉曼激光系统 - Google Patents

一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调q拉曼激光系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，该系统包括泵浦光源、传输光纤、光纤输出接口、耦合透镜组、反射腔镜、耦合输出镜、拉曼晶体以及由激光晶体、可饱和吸收体和非掺杂晶体组成的键合晶体。可饱和吸收体采用从上至下厚度缓慢变化的结构可以在不同的位置获得不同的初始透过率，当泵浦光源上下移动或者键合晶体上下移动时，激光穿过不同厚度的可饱和吸收体，基频激光会被调节为脉冲能量不同的脉冲激光，并进而通过拉曼晶体实现脉冲能量可调的拉曼激光输出。本发明的优点在于能克服常规被动调Q系统脉冲能量无法调整的缺点，并能够针对拉曼晶体选择最佳的脉冲能量，实现高效的拉曼激光输出。

Description

一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统
技术领域
本发明涉及激光调制技术和激光变频技术领域，特别涉及一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统。
背景技术
拉曼移频技术是对激光进行波长变换的重要手段，能够拓展激光的波长范围，制作更多适合各种应用的激光光源。目前，拉曼激光系统主要有连续输出，主动调Q输出以及被动调Q输出三种方式。在连续输出方式中拉曼光的瞬态光强与泵浦瞬态光强成正比，而连续工作方式的泵浦光由于没有像调Q输出方式那样能够实现上能级离子的充分积累，其瞬时光强普遍偏低。因此，为了保证拉曼光的有效产生，系统对谐振腔镜的镀膜要求非常高以尽量减少基频光和拉曼光的往返损耗。尽管连续输出方式结构更为简单，但实现难度却很大。
而对于调Q脉冲输出方式的拉曼激光而言，其在不考虑基频光能量损耗的情况下，瞬态的拉曼增益系数与泵浦脉冲能量成正比，脉冲能量越大，其增益系数越高。主动调Q方式(包括声光调Q和电光调Q方式)能够获得峰值功率高的脉冲输出，且脉冲的重复频率和脉冲宽度能够通过Q开关进行调节，但调Q开关体积庞大，价格昂贵，并需要外置电源供电。而被动调Q方式尽管在不需要外置电源的方式下通过插入可饱和吸收体10来获得Q脉冲输出，但是其脉冲的重复频率和脉冲宽度是固定的(根据可饱和吸收体10自身的初始透过率决定)，因而无法实现对脉冲能量的调节。综上所述，为了克服被动调Q方式其脉冲能量无法调节的缺点，充分发挥其优势，亟待提出一种脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统。
发明内容
本发明的目的在于克服被动调Q拉曼系统无法实现脉冲能量调节的缺点，并致力于通过调节适合的脉冲能量获得高效率的拉曼激光输出，提供了一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，并提供了一种通过制作特定形状的可饱和吸收体并对其进行移动，进而在被动调Q系统中实现对激光脉冲能量的调节。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，包括泵浦光源1、传输光纤2、耦合透镜组4、键合晶体6、拉曼晶体7以及由反射腔镜5和耦合输出镜8组成的激光谐振腔；
所述键合晶体6包括激光晶体9、可饱和吸收体10和非掺杂晶体11，三者拥有相同的晶体基质并依次结合在一起；
所述反射腔镜5与所述耦合输出镜8平行设置；
所述键合晶体6与所述拉曼晶体7位于同一直线上，并垂直设置于所述反射腔镜5与所述耦合输出镜8之间；
通过所述泵浦光源1产生泵浦激光，经由与其相连的所述传输光纤2的光纤输出接口3输出，并通过所述耦合透镜组4经所述反射腔镜5聚焦到键合晶体6上，所述键合晶体6产生的自发辐射在所述反射腔镜5和所述耦合输出镜8来回振荡，形成被动调Q的基频激光，基频激光在所述反射腔镜5和所述耦合输出镜8构成的激光谐振腔内反复通过所述拉曼晶体7，不断转化为拉曼激光，并最终由所述耦合输出镜8输出。
进一步地，所述泵浦光源1或者所述键合晶体6支持上下移动，使泵浦光能够照射到所述键合晶体6的不同位置，从而使所产生的基频激光能够穿过不同厚度的所述可饱和吸收体10，进而被调制为不同能量的调Q脉冲。
进一步地，所述泵浦光源1为半导体光纤激光器，激光输出后将耦合到所述传输光纤2中，并通过光纤输出接口3进行输出，所述泵浦光源1的输出波长根据泵浦激光晶体的成分进行选择。
进一步地，所述耦合透镜组4具有双面镀膜，使之能够对泵浦光进行增透。
进一步地，所述反射腔镜5及所述耦合输出镜8为平面镜或者平凹镜，其两者距离L1根据两者的曲率半径及键合晶体热透镜的曲率半径按ABCD矩阵原理进行计算获得，保证所述激光谐振腔能够工作在稳定区域，即符合|A+D|≤1/2的条件。
进一步地，所述反射腔镜5及所述耦合输出镜8均进行光学镀膜，所述反射腔镜5对泵浦光增透，其透射率大于99.9％，对基频激光及拉曼激光全反，其反射率大于99.9％；
所述耦合输出镜8对基频激光全反，其反射率大于99.9％，对拉曼激光则为部分反射。
进一步地，所述激光晶体9、所述可饱和吸收体10和所述非掺杂晶体11依次由热键合技术结合在一起形成所述所述键合晶体6；
所述键合晶体6的两端面进行镀膜，保证所述键合晶体6对基频激光和拉曼激光高透，其透射率大于99.9％。
进一步地，所述激光晶体9为掺杂稀土元素的晶体，所述可饱和吸收体10为掺杂铬(Cr)或者钒(V)的晶体，所述非掺杂晶体11为与所述激光晶体9和所述可饱和吸收体10基质相同的晶体。
进一步地，所述拉曼晶体7是拥有拉曼效应的晶体，其两端面进行镀膜，保证所述拉曼晶体7对基频激光和拉曼激光高透，其透射率均大于99.9％。
进一步地，所述可饱和吸收体10为从上至下厚度缓慢变化的结构，该结构选为梯形、倒三角形或者直角三角形。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明能够在被动调Q的激光系统中实现对输出的激光脉冲能量的调节，克服了过往被动调Q系统无法进行调节的缺点。
2、本发明能够通过调节系统的脉冲能量，选择出效率最高的拉曼激光输出所对应的激光脉冲能量，进而实现系统的最优化。
3、本发明拥有被动调Q拉曼激光系统建构紧凑、系统稳定、造价低廉等突出优点，又同时具备脉冲能量可调节的特殊优势，能够很好的替代价格昂贵、系统复杂庞大的主动调Q拉曼激光系统。
4、本发明采用三段键合的形式进一步优化了激光系统的结构，并采用非掺杂晶体11来对热量较大的可饱和吸收体10进行散热，提高了系统的性能。
附图说明
图1是本发明中公开的一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统的结构示意图；
图2是本发明系统中键合晶体结构图；
图3是本发明系统中可饱和吸收体10可采用的结构示意图；
图4是本发明系统中所采用的激光谐振腔结构图；
图5是本发明系统中所采用的键合晶体以及其调节脉冲能量的原理的示意图；
图6是本发明系统中测量的输出激光光谱曲线图；
图7是本发明系统输出的拉曼激光功率与泵浦功率的关系图；
图8是本发明系统输出光的拉曼波长的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，本实施例中一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，该系统包括泵浦光源1、传输光纤2、光纤输出接口3、耦合透镜组4、由反射腔镜5和耦合输出镜8组成的激光谐振腔、拉曼晶体7以及由激光晶体9、可饱和吸收体10和非掺杂晶体11组成的键合晶体6；
所述激光晶体9、所述可饱和吸收体10和所述非掺杂晶体11依次由热键合技术结合在一起形成所述所述键合晶体6。
所述反射腔镜5与所述耦合输出镜8平行设置；
所述键合晶体6与所述拉曼晶体7位于同一直线上，并垂直设置于所述反射腔镜5与所述耦合输出镜8之间，保证腔内谐振的激光能够垂直穿过这些器件的表面进行传播。
所述键合晶体6位于反射腔镜5之后，位于拉曼晶体7之前。
所述拉曼晶体7位于键合晶体6之后，位于耦合输出镜8之前。
通过所述泵浦光源1产生泵浦激光，经由与其相连的所述传输光纤2的光纤输出接口3输出，并通过所述耦合透镜组4经所述反射腔镜5聚焦到键合晶体6上，所述键合晶体6产生的自发辐射在所述反射腔镜5和所述耦合输出镜8来回振荡，形成被动调Q的基频激光，基频激光在所述反射腔镜5和所述耦合输出镜8构成的激光谐振腔内反复通过所述拉曼晶体7，不断转化为拉曼激光，并最终由所述耦合输出镜8输出。
具体应用中，所述泵浦光源1或者所述键合晶体6支持上下移动，使泵浦光能够照射到所述键合晶体6的不同位置，从而使所产生的基频激光能够穿过不同厚度的所述可饱和吸收体10，进而被调制为不同能量的调Q脉冲。
具体应用中，所述泵浦光源1为半导体光纤激光器，激光输出后将耦合到所述传输光纤2中，并通过光纤输出接口3进行输出，所述泵浦光源1的输出波长根据泵浦激光晶体的成分进行选择，要求选择跟激光晶体吸收波段匹配的泵浦源对其进行激发。
具体应用中，从光纤输出接口3输出的泵浦光需要经过耦合透镜组4，使之能够聚焦到键合晶体6上。所述耦合透镜组4双面镀膜，使之能够对泵浦光进行增透。
具体应用中，所述反射腔镜5及所述耦合输出镜8为平面镜或者平凹镜，其两者距离L1根据两者的曲率半径及键合晶体热透镜的曲率半径按ABCD矩阵原理进行计算获得，保证所述激光谐振腔能够工作在稳定区域，即符合|A+D|≤1/2的条件。
具体应用中，所述反射腔镜5及所述耦合输出镜8均进行光学镀膜，所述反射腔镜5对泵浦光增透，其透射率大于99.9％，对基频激光及拉曼激光全反，其反射率大于99.9％；
所述耦合输出镜8对基频激光全反，其反射率大于99.9％，对拉曼激光则为部分反射。
具体应用中，所述激光晶体9、所述可饱和吸收体10和所述非掺杂晶体11依次由热键合技术结合在一起形成所述所述键合晶体6；
所述键合晶体6的两端面进行镀膜，保证所述键合晶体6对基频激光和拉曼激光高透，其透射率大于99.9％。
具体应用中，所述激光晶体9为掺杂稀土元素的晶体，所述可饱和吸收体10为掺杂铬(Cr)或者钒(V)的晶体，所述非掺杂晶体11为与所述激光晶体9和所述可饱和吸收体10基质相同的晶体。
具体应用中，所述拉曼晶体7是拥有拉曼效应的晶体，其两端面进行镀膜，保证所述拉曼晶体7对基频激光和拉曼激光高透，其透射率均大于99.9％。
具体应用中，所述可饱和吸收体10为从上至下厚度缓慢变化的结构，可以是梯形12、倒三角形13以及直角三角形14等。
键合晶体6中的可饱和吸收体采用这些从上至下厚度缓慢变化的结构可以在不同的位置获得不同的初始透过率，当激光往返于不同的上下位置时，穿过不同厚度(不同初始透过率)的可饱和吸收体，进而能够被调制成不同能量的激光脉冲。
基于所述激光系统调节激光脉冲能量及寻找拉曼输出对应的最佳激光脉冲的方法步骤如下：
S1、选择基质相同的激光晶体、可饱和吸收体以及非掺杂晶体；
S2、将可饱和吸收体加工成上下厚度缓慢变化的形状；
S3、将激光晶体、可饱和吸收体以及非掺杂晶体通过热键合技术键合到一起；
S4、根据激光晶体的掺杂成分选择半导体激光泵浦光源；
S5、根据泵浦源光纤输出端的光斑尺寸选择耦合透镜组；
S6、根据激光晶体确定输出的基频激光的波长；
S7、根据输出基频激光的输出波长，确定对其透射率较大，拉曼效应较强的晶体作为拉曼晶体；
S8、根据激光晶体和拉曼晶体，确定输出的基频激光和拉曼激光的波长；
S9、根据基频激光和拉曼激光的波长，对键合晶体以及拉曼晶体进行光学镀膜处理；
S10、测量键合晶体的热透镜，并根据键合晶体、拉曼晶体的长度等参数，通过ABCD矩阵原理对反射腔镜、耦合输出镜进行选择，并确定谐振腔长度；
S11、选择合适的反射腔镜和耦合输出镜的曲率半径，并选择适当的谐振腔长度，保证激光能够运行在稳定区域，即符合|A+D|≤1/2的条件；
S12、根据基频激光和拉曼激光波长，对反射腔镜和耦合输出镜进行光学镀膜；
S13、根据所选择的键合晶体、拉曼晶体、反射腔镜、耦合输出镜以及确定的谐振腔长度进行谐振腔搭建，确保激光传输方向与键合晶体、拉曼晶体、反射腔镜和耦合输出镜的各个端面保持垂直；
S14、打开半导体激光泵浦源，调节其输出功率，使激光系统超过运行阈值，输出激光脉冲；
S15、调节泵浦源光纤输出接头上下移动或者调节键合晶体上下移动，由于激发光照射到晶体不同的位置，其激发出来的激光会穿过可饱和吸收体不同的位置，再由于可饱和吸收体的不同位置对应着不同的厚度，因此激光穿过不同的厚度时，其产生的调Q脉冲拥有不同的能量，因而可以实现在被动调Q系统中对脉冲能量进行调节；
S16、基频激光脉冲能量不同，其通过拉曼晶体产生拉曼激光的效率也不同。在泵浦光功率不变的情况下，通过调节泵浦源光纤输出接头上下移动或者调节键合晶体上下移动，测量输出的拉曼激光的输出功率的变化，从而找到最大输出功率所对应的状态，从而实现拉曼激光的最优化输出。
实施例二
本实施例中一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统由泵浦光源1、传输光纤2、光纤输出接口3、耦合透镜组4、反射腔镜5、键合晶体6、拉曼晶体7及耦合输出镜8组成。
本实施案例中使用输出波长为808nm的半导体光纤激光器作为泵浦光源1，其输出光纤的芯径为100μm，最高输出功率为30W。配合1:5的耦合透镜组4(分别由一个50mm和250mm曲率半径的凸透镜组成)，耦合透镜组4将泵浦光源1的输出光聚焦到键合晶体6上。
本实施案例中反射腔镜5和耦合输出镜8均采用曲率半径为300mm的平凹镜，且设定两镜子的距离(即谐振腔长度)为85mm。反射腔镜5对泵浦光高透(透射率大于99.9％)，对基频激光和拉曼激光全反(反射率大于99.9％)；耦合输出镜8则对基频光全反(反射率大于99.9％)，对拉曼激光反射率分别为85％及70％两种，如图4所示。
本实施案例设置键合晶体6为Nd:YAG/Cr:YAG/YAG形式，总长度为20mm，其中Nd:YAG晶体的最长边长度为16mm，掺杂浓度1％；Cr:YAG晶体的长度为2mm，其初始透过率为95％，其形状为倒立的直角三角体；YAG长度为2mm，三者最大横截面均为4mm*4mm如图5所示，且本实施案例设定拉曼晶体7为无掺杂的YVO4晶体，其长度为30mm。键合晶体与拉曼晶体均镀光学薄膜，使其对1064nm的基频激光以及1176nm拉曼光增透。
本实施案例设置键合晶体6前端面与反射腔镜5的距离为10mm，其后端面与拉曼晶体7距离为10mm，而拉曼晶体7后端面与耦合输出镜8的距离为15mm。总体布局如图4所示，经测量，键合晶体在泵浦功率为10W时，其热透镜焦距为500mm，因此，综上所述，激光谐振腔内基模激光在光输出方向(Z轴)上其光斑变化情况如图6所示。整个光束的束腰位置位于离反射腔镜5的距离为55mm，即束腰位置在拉曼晶体中心位置，这种谐振腔设计有利于在拉曼晶体处产生高功率密度的基频激光，增强其拉曼输出效率。
所述系统的运行机制如下：当开启泵浦光源后，逐渐调高其输出功率，使得在激光晶体9中产生越来越强的受激辐射，受激辐射在激光谐振腔内往返并不断增大。由于激发光镜耦合透镜聚焦到激光晶体9后其光斑大小仅为500μm，即能产生的受激辐射光尺寸将不会超过泵浦光的尺寸，对于激光晶体4mm*4mm的横截面来说，仅在某一个位置产生了强的受激辐射，如图5所示，而产生在某一位置的受激辐射在每次往返时都通过特定厚度的可饱和吸收体10。在受激辐射还较弱的时候，可饱和吸收体10的透过率较低，激光系统的阈值很高，在这过程中激光晶体9由于仍未激发出激光，而又受到泵浦激励，激光晶体9能够积累很多的上能级粒子，而当受激辐射足够强的时候，可饱和吸收体10对基频激光透明，阈值一下子降低，使得大量的上能级粒子跃迁返回基态进而发出一个激光脉冲。在不同位置激发出受激辐射，其往返时通过的可饱和吸收体10的厚度不一样，因此其对应的阈值和可饱和吸收体10的初始透过率不一样，导致上能级积累粒子的时间不一样，因此，最后输出的脉冲其能量也就不一样，如图5右图曲线所示。综上所述，在开启泵浦后，调节泵浦使其超过某一阈值产生脉冲激光输出后，可以通过调节泵浦光或者键合晶体的上下移动，可以实现对输出激光脉冲能量的调节。而又由于激光脉冲的能量和峰值功率与拉曼激光的输出效率密切相关，调节泵浦光源1或者键合晶体6到某一特定位置将能够获得最优的拉曼激光输出。
在按所述的方法进行系统调节后，在最优的状态下本实施案例系统在分别采用透过率为15％和30％的耦合输出镜8时，输出的拉曼激光功率与泵浦功率的关系如图7所示，其输出光的拉曼波长如图8所示。在泵浦功率为12W时，能够获得输出平均功率超过1W的拉曼激光输出。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，其特征在于，包括泵浦光源(1)、传输光纤(2)、耦合透镜组(4)、键合晶体(6)、拉曼晶体(7)以及由反射腔镜(5)和耦合输出镜(8)组成的激光谐振腔；
所述键合晶体(6)包括激光晶体(9)、可饱和吸收体(10)和非掺杂晶体(11)，三者拥有相同的晶体基质并依次结合在一起；
所述反射腔镜(5)与所述耦合输出镜(8)平行设置；
所述键合晶体(6)与所述拉曼晶体(7)位于同一直线上，并垂直设置于所述反射腔镜(5)与所述耦合输出镜(8)之间；并且所述键合晶体(6)与所述拉曼晶体(7)均镀光学薄膜；
通过所述泵浦光源(1)产生泵浦激光，经由与其相连的所述传输光纤(2)的光纤输出接口(3)输出，并通过所述耦合透镜组(4)经所述反射腔镜(5)聚焦到键合晶体(6)上，所述键合晶体(6)产生的自发辐射在所述反射腔镜(5)和所述耦合输出镜(8)来回振荡，形成被动调Q的基频激光，基频激光在所述反射腔镜(5)和所述耦合输出镜(8)构成的激光谐振腔内反复通过所述拉曼晶体(7)，不断转化为拉曼激光，并最终由所述耦合输出镜(8)输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，其特征在于，
所述泵浦光源(1)或者所述键合晶体(6)支持上下移动，使泵浦光能够照射到所述键合晶体(6)的不同位置，从而使所产生的基频激光能够穿过不同厚度的所述可饱和吸收体(10)，进而被调制为不同能量的调Q脉冲。
3.根据权利要求1所述的一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，其特征在于，
所述泵浦光源(1)为半导体光纤激光器，激光输出后将耦合到所述传输光纤(2)中，并通过光纤输出接口(3)进行输出，所述泵浦光源(1)的输出波长根据泵浦激光晶体的成分进行选择。
4.根据权利要求1所述的一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，其特征在于，
所述耦合透镜组(4)具有双面镀膜，使之能够对泵浦光进行增透。
5.根据权利要求1所述的一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，其特征在于，
所述反射腔镜(5)及所述耦合输出镜(8)为平面镜或者平凹镜，其两者距离L1根据两者的曲率半径及键合晶体热透镜的曲率半径按ABCD矩阵原理进行计算获得，保证所述激光谐振腔能够工作在稳定区域，即符合|A+D|≤1/2的条件。
6.根据权利要求1所述的一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，其特征在于，
所述反射腔镜(5)及所述耦合输出镜(8)均进行光学镀膜，所述反射腔镜(5)对泵浦光增透，其透射率大于99.9％，对基频激光及拉曼激光全反，其反射率大于99.9％；
所述耦合输出镜(8)对基频激光全反，其反射率大于99.9％，对拉曼激光则为部分反射。
7.根据权利要求1所述的一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，其特征在于，
所述激光晶体(9)、所述可饱和吸收体(10)和所述非掺杂晶体(11)依次由热键合技术结合在一起形成所述所述键合晶体(6)；
所述键合晶体(6)的两端面进行镀膜，保证所述键合晶体(6)对基频激光和拉曼激光高透，其透射率大于99.9％。
8.根据权利要求1所述的一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，其特征在于，
所述激光晶体(9)为掺杂稀土元素的晶体，所述可饱和吸收体(10)为掺杂铬或者钒的晶体，所述非掺杂晶体(11)为与所述激光晶体(9)和所述可饱和吸收体(10)基质相同的晶体。
9.根据权利要求1所述的一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，其特征在于，
所述拉曼晶体(7)是拥有拉曼效应的晶体，其两端面进行镀膜，保证所述拉曼晶体(7)对基频激光和拉曼激光高透，其透射率均大于99.9％。
10.根据权利要求1所述的一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调Q拉曼激光系统，其特征在于，
所述可饱和吸收体(10)为从上至下厚度缓慢变化的结构，该结构选为梯形、倒三角形或者直角三角形。
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