CN106711752A - 一种基于转动拉曼原理的内腔式气体拉曼激光器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于转动拉曼原理的内腔式气体拉曼激光器，与实现拉曼激光变频的腔内拉曼激光器有关。左侧的平凹腔镜，偏振片，YAG激光晶体和泵浦源，基频激光Q单元，二相色镜，拉曼池，基频光、拉曼光λ/4波片，基频光全反、拉曼光透射率为T的平凹镜，拉曼光λ/4波片以及拉曼光全反平凹镜十个部分组成。本发明有利于产生转动拉曼光,基频激光的束腰处于拉曼池内，这使得拉曼池内的激光功率密度大这有利于提高拉曼转化效率，基频激光介质处的基频光的光束半径大有利于激光介质得到充分地利用，使得基频激光的能量较强。另外设计在保证了基频光功率密度的同时减小了腔镜失调导致光斑畸变的风险，使得激光器的稳定性提高。

Description

一种基于转动拉曼原理的内腔式气体拉曼激光器

技术领域

本发明为内腔拉曼激光变频的腔内气体拉曼激光器，利用气体介质的转动拉曼效应来实现激光的频率变化。

背景技术：

受激拉曼技术是实现对高峰值功率脉冲激光器的激光变频的重要技术。一般的拉曼变频的工作介质有固体、液体和气体。固体拉曼的工作介质的浓度高，所以增益和转化率高，所以被人们广泛研究，但是它也存在着一些问题：损伤阈值低，不容易实现高功率输出。液体拉曼介质通常不稳定。而气体拉曼的损伤阈值相对来说非常高，容易实现大功率输出。现在研究非常多的气体拉曼通常是利用如N₂，H₂，O₂和CH₄等气体的振动拉曼平移来实现变频，通常是能够实现较大波长的移动。而本技术是利用H₂的转动拉曼原理来实现较小的波长移动。

目前气体拉曼频移的方法主要有两种，第一种是采用外腔法，就是将拉曼池放于成熟激光器的腔外，基频光经过聚焦，在焦点附近可以达到很高的功率密度从而达到受激拉曼的阈值。但是这样的结构的弊端是变频的有效区域比较短，拉曼转化率低。

另外一种方式是采用拉曼谐振腔，将拉曼池放在激光谐振腔里。这样基频光和拉曼光多次经过拉曼池子，增加了基频光和拉曼介质作用的长度，从而降低了受激拉曼的阈值。

现在很多研究都是利用N₂，H₂，O₂和CH₄等气体的振动拉曼平移来实现较大波长的移动，但是对于较小波长的移动还比较少，但是相对于振动拉曼来说，转动拉曼要求的阈值更加高，所以采用了近共心稳定腔的结构。

发明内容：

针对气体拉曼介质，为了降低受激拉曼阈值，提出了既保证基频光介质模体积，又能够在拉曼池中获得比较小的光斑的双凹近共焦稳定腔的光腔结构。

对于转动拉曼，圆偏振的光相对于线偏振具有更加高效的激发概率，所以本发明中采用了一些特殊的光腔设计，使得通过拉曼池的基频光都是圆偏振光。

本发明的光腔包括左右相向放置的基频激光全反的平凹镜，从左往右依次排布一个偏振片，基频激光介质，基频激光Q单元(打开相当于λ/4波片)，基频光高透、拉曼光高反的二相色镜，拉曼池，基频光、拉曼光λ/4波片和对于基频光全反、拉曼光透过率为T的平凹镜。在二相色镜的一侧依次排布拉曼光λ/4波片和一个拉曼光全反的平凹镜。偏振片，YAG激光晶体和泵浦源，基频激光Q单元，二相色镜，拉曼池，λ/4波片都在两个平凹镜的中心连线上排布。拉曼光λ/4波片，和拉曼光全反平凹镜的连心线和前者垂直放置。

基频激光的束腰位于拉曼池内，两个平凹镜片之间的距离稍小于两个腔镜的曲率半径之和，这符合稳定腔的条件，而且束腰的半径较小使得功率密度变大，这可以有效的降低拉曼转化阈值和提高拉曼转化效率。与此同时，基频介质处的光束半径大，这有利于提高基频激光介质的利用率。同时二相色镜到拉曼光高反平凹镜和基频光高反平凹镜的距离相同，而且拉曼高反和基频光高反平凹镜的曲率半径相同。

该拉曼激光器采用气体拉曼介质，通常为氢气。将氢气置于封闭的拉曼池中，拉曼池的两端镀有基频光和拉曼光高透膜的窗口，窗口的中心位于两个平凹镜中心的连线上。因为气体拉曼的激光损伤阈值大，所以本激光器可以实现高光学均匀度，大功率密度的激光输出。

在基频激光Q单元和拉曼池之间放置的二相色镜使得基频和拉曼谐振腔分开，由左右方向的两个平凹镜组成了基频谐振腔，由正下方和右边的平凹镜组成了拉曼谐振腔。

本发明当基频激光Q单元关闭的情况下基频光经过两次λ/4波片后到达偏振片时偏振正好转了π/2，这样导致基频光不会在谐振腔里面起振放大，从而实现上能级粒子数的积累。在基频激光Q单元打开的情况下，基频光由线偏振经过基频激光Q单元变成圆偏振，再经过λ/4波片又变成线偏振。经过右侧的平凹镜反射再次经过λ/4波片变成圆偏振。这样在基频光经过拉曼池的时候都能保证基频光为圆偏振，有利于实现氢气的转动受激拉曼，同时当基频光再次经过偏振片时，相位恰好延迟了2π从而可以低损耗地通过偏振片，实现基频激光的起振和迅速放大。

本发明的近共心稳定腔可以减小腔镜失调造成的光斑畸变的风险，使得光腔调节难度降低，提高本激光器的稳定性。

附图说明

附图1为本发明的激光器的结构图。图中：1-基频激光平凹全反镜，2-偏振片，3-YAG激光晶体和泵浦源，4-基频激光调Q单元(打开相当于基频光λ/4波片)，5-二相色镜(基频光高反，拉曼光高透)，6-拉曼池，7-基频光、拉曼光λ/4波片，8-基频光全反、拉曼光透射率为T的平凹镜，9-拉曼光λ/4波片，10-拉曼光平凹全反镜。

附图2是本发明中的近共心稳定腔在工作状态下基频、拉曼激光在腔内的光路图。图中：1-基频激光平凹全反镜，2-偏振片，3-YAG激光晶体和泵浦源，4-基频激光调Q单元(打开相当于基频光λ/4波片)，5-二相色镜(基频光高反，拉曼光高透)，6-拉曼池，7-基频光、拉曼光λ/4波片，8-基频光全反、拉曼光透射率为T的平凹镜，9-拉曼光λ/4波片，10-拉曼光平凹全反镜。其中实线部分表示基频光光场的分布，虚线表示拉曼光在谐振腔中的振荡和输出情况。

具体实施方式

详见附图1。本发明中2-7光学元件都在腔镜1，8中心的连线上，5、9、10中心的连线垂直于前者。镀有基频光高反的平凹镜1在整个激光器光腔的最左边。在1的右边是偏振片2，在偏振片2的右边是基频激光介质以及其泵浦源3，3的右边是调Q单元4，4的右边是基频光高透，拉曼光高反的二相色镜5，5的右边是充满拉曼气体的拉曼池6，拉曼池6的右边是λ/4波片7(基频光、拉曼光)，λ/4波片7的右边是基频光高反，拉曼光透射率为T的平凹镜8。位于二相色镜5的正下方是拉曼光λ/4波片9，在9的正下方是拉曼光高反的平凹反射镜10。

本激光器中平凹镜1，8的距离略小于这两个平凹镜半径R₁(平凹镜1)和R₂(平凹镜8)之和。平凹镜8，10之间的距离(拉曼谐振腔)和经过光学元件折射率修正后的平凹镜1，8之间的距离相等。平凹镜8和10的曲率半径都是R₂。平凹反射镜1，8都是基频激光高反，这构成了基频光谐振腔；最右边的平凹镜8、二相色镜5以及平凹反射镜10构成了拉曼光的子谐振腔。基频激光在平凹反射镜1，8之间的近共心稳定腔里振荡，拉曼激光在平凹镜8、二相色镜5和平凹镜10组成的近共心稳定腔里振荡。基频激光的束腰在拉曼池的中心，这使得基频光在拉曼池中心处的功率达到最大从而达到降低拉曼转化阈值的目的。基频激光介质位于稳定腔的左边，这里的基频激光的光束半径较大从而可以更有效地利用基频激光介质，提高基频激光的能量密度。

本发明的施例是采用氙灯泵浦YAG激光介质产生基频光，以H₂充满拉曼池作为拉曼介质实现拉曼光输出，基频光1064nm，期望的拉曼激光波长为1135nm，所以平凹镜1是对1064nm的高反镜，基频激光Q单元4打开相当于1064nm的λ/4波片，9为拉曼光的λ/4波片，7为对于拉曼光和基频光均有效的λ/4波片，二相色镜5是1064nm高透、1135nm高反的镜片，平凹镜8镀有1064nm高反，1135nm透过率为T的膜系。这样1064nm的基频光在平凹镜1和平凹镜8之间振荡，气体拉曼介质H₂在1064nm的基频光下产生1135nm的拉曼光在平凹镜10-二相色镜5-输出耦合镜8之间振荡，最终在平凹镜8输出。基频光的光腔长度等于拉曼光光腔长度都记为L，平凹镜1和平凹镜10的曲率半径相等记为R₁，平凹镜8的曲率半径记为R₂，他们的关系为L＝R₁+R₂+a。实验表明当1064nm的基频光内功率为10⁵w量级时，腔内持续时间为30-40ns时，输出耦合率为30％-70％的情况下，拉曼光的转化率达到了20-30％。

Claims (6)

1.一种基于转动拉曼原理的内腔式气体拉曼激光器，包括光腔，其特征是：光腔包括两个左右相向放置的基频激光平凹全反镜，左侧为基频光全反平凹镜，右侧为基频光全反、拉曼光透射率为T的平凹镜，于这两个镜子之间从左到右依次有有偏振片，YAG激光晶体和泵浦源，基频激光Q单元，基频光高透、拉曼光高反的二相色镜，拉曼池和基频光、拉曼光λ/4波片；基频光在两个基频光平凹全反镜之间振荡，在基频光光路的一侧设有拉曼光λ/4波片和拉曼光全反平凹镜，由二相色镜分出的拉曼光经拉曼光λ/4波片照射到拉曼光全反平凹镜；拉曼光在基频拉曼光全反、拉曼光透射率为T的平凹镜和拉曼光全反的平凹镜之间振荡。

2.根据权利要求1所述的气体拉曼激光器，其特征是：偏振片，YAG激光晶体和泵浦源，基频激光Q开关，基频光高透、拉曼光高反的二相色镜，拉曼池，λ/4波片都在两个基频激光平凹全反镜的中心线上排布。

3.根据权利要求1或2所描述的气体拉曼激光器，其特征是：该激光器的拉曼介质置于拉曼池中，池子两端是镀有基频光和拉曼光高透的窗口，窗口的中心在光腔中心线上。

4.根据权利要求1或2所述的气体拉曼激光器，其特征是：左右基频激光平凹全反镜的半径分别为R₁、R₂使得左右平凹镜之间的距离L＝R₁+R₂-a，a～0.01(R₁+R₂)这样使之满足稳定腔的条件，且束腰半径非常小，从而使得功率密度很大，使得拉曼阈值降低。

5.根据权利要求1或2所述的气体拉曼激光器，其特征是：在λ/4波片和拉曼池之间有一个基频光高透、拉曼光高反的二相色镜，使得基频光在左右两个基频激光平凹全反镜之间的谐振腔振荡，而拉曼光在最右边基频光高透、拉曼光透过率为T的平凹镜和基频激光光路一侧的拉曼全反平凹镜所组成的谐振腔里振荡，有利于拉曼光的放大。

6.根据权利要求1所述的气体拉曼激光器，其特征是：在基频激光介质和二相色镜中间有一个Q开关，开启Q开关相当于一个基频光λ/4波片；在拉曼池和右边的平凹镜之间有一个λ/4波片(基频光、拉曼光都有效果)，在二相色镜和下方的平凹镜之间有一个拉曼光λ/4波片，这样的设计使得打开Q开关后基频光经过拉曼池的时候都是圆偏振光。