CN107248695A - 一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器，包括：激光增益介质吸收泵浦光，形成粒子数反转产生激光增益，在谐振腔反射镜、谐振腔折叠镜和输出镜构成的激光谐振腔正反馈作用下形成1064nm基频激光振荡；基频激光种子源发射1064nm的单频种子光，通过隔离器并经过种子光耦合透镜聚焦、分束镜反射后耦合进入激光谐振腔；单频种子光高效耦合进入激光谐振腔，实现种子注入；1064nm基频激光经过激光增益介质和拉曼增益介质时产生拉曼增益，当拉曼增益大于谐振腔反射镜、谐振腔折叠镜和输出镜构成的斯托克斯光谐振腔损耗后，发生受激拉曼散射，在斯托克斯光谐振腔内形成稳定的1176nm斯托克斯光振荡。

Description

一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器。
背景技术
受激拉曼散射(SRS)是重要的非线性光学频率变换技术之一，基于SRS的拉曼激光器具有自动相位匹配(automatic phase matched)特性和光束净化(beam cleanup)特性，易于获得高光束质量的稳定输出，在紫外、可见光、近红外至中红外波段光源中均有应用。特别是内腔拉曼激光器，包括：自拉曼激光器，具有结构简单紧凑、成本经济等优点，是近年来激光技术领域的研究热点，应用也较为广泛。
现有技术中的内腔拉曼激光器在高功率运转状态下存在基频光光谱展宽、影响SRS转换效率的问题：SRS过程中能量由基频激光场向斯托克斯光场的耦合相当于对基频激光的非线性损耗，激光发射峰附近光强较强处SRS较强，因而损耗较大，而光强较弱处耦合较弱，即损耗较小，这样相当于基频激光的实际净增益线型相对于其本身受激发射截面线型发生了展宽，甚至于中心产生凹陷的情况，从而导致原本被增益竞争抑制的纵模开始起振，基频激光的光谱展宽，其激发的斯托克斯光也相应发生展宽的现象。在Opt.Express 15(11),7038–7046(2007)和Appl.Phys.B94(4),553–557(2009)等文献中均报道观察到了明显的基频光线宽展宽现象。
当基频光线宽加宽至可与拉曼增益线宽相比拟时，拉曼激光器实际的有效拉曼增益系数geff并不是拉曼增益介质本身的稳态拉曼增益系数gR，而是gR和介质的归一化自发拉曼散射线宽R(ν)、归一化基频激光线型F(ν)、归一化斯托克斯光线型S(ν)共同决定的。对于非线性增益对基频光产生等效损耗，导致基频光线宽展宽的情况，基频光的光谱线型F(ν)及其所激发的斯托克斯光的光谱线型S(ν)均不是理想的洛伦兹线型，此时的有效拉曼增益系数可表示为：
geff＝gR∫[R(ν)*F(ν)]S(ν)dν
从该公式可以看出基频光线宽的展宽会导致有效拉曼增益系数的geff的下降，从而影响拉曼激光器的转换效率。Opt.Express 22(7),7492–7502(2014)中，为克服这一问题，采用了基频光谐振腔和斯托克斯光谐振腔部分分离的复合腔结构，在基频光谐振腔内插入两块标准具以压窄基频光线宽，从而提高SRS转换效率的技术方法。
该方法尽管实现了激光器整体效率的提升，但由于腔内插入多个元件，插入损耗无可避免，且插入元件所需要的空间使得谐振腔的设计非常繁复。
发明内容
本发明提供了一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器，本发明解决了现有内腔拉曼激光器高功率下基频光线宽加宽导致有效拉曼增益系数geff下降，影响拉曼激光器转换效率的问题，详见下文描述：
一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器，包括：
激光增益介质吸收泵浦光，形成粒子数反转产生激光增益，在谐振腔反射镜、谐振腔折叠镜和输出镜构成的激光谐振腔正反馈作用下形成1064nm基频激光振荡；
基频激光种子源发射1064nm的单频种子光，通过隔离器并经过种子光耦合透镜聚焦、分束镜反射后耦合进入激光谐振腔；
输出镜置于压电陶瓷上，光电探测器和反馈控制电路为压电陶瓷提供放大后的误差信号，实现激光谐振腔光学长度锁定，使单频种子光能够高效耦合进入激光谐振腔，实现种子注入，从而压窄振荡基频激光的线宽；
1064nm基频激光经过激光增益介质和拉曼增益介质时产生拉曼增益，当拉曼增益大于谐振腔反射镜、谐振腔折叠镜和输出镜构成的斯托克斯光谐振腔损耗后，发生受激拉曼散射，在斯托克斯光谐振腔内形成稳定的1176nm斯托克斯光振荡，并经过输出镜输出，分束镜将1176nm斯托克斯光和漏出的少量1064nm基频激光分开，输出纯净的斯托克斯光。
所述激光增益介质具体为：
Nd:YVO4、Nd:GdVO4、或Nd:KGW具有拉曼活性的激光晶体，或，
不采取自拉曼形式时选用Nd:YAG、Nd:YLF、或Yb:YAG激光晶体。
所述拉曼增益介质具体为：
YVO4、GdVO4、KGW、BaNO3、或金刚石。
所述基频激光种子源具体为：
单频光纤激光器、单频的固体或半导体激光器，发射波长与所需基频激光波长对应。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明通过种子注入锁定的方式压窄内腔拉曼激光器的基频光线宽，克服现有技术中基频光线宽展宽，影响有效拉曼增益系数导致激光器效率下降的缺点；
2、本发明有利于改进拉曼激光器的转换效率获得纯净的窄线宽的斯托克斯光输出；
3、本发明中的激光谐振腔和斯托克斯光谐振腔共用一套结构，无需在腔内插入选频器件，避免了插入损耗。
附图说明
图1为本发明提供的一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：泵浦源； 2：传能光纤；
3：泵浦光耦合透镜组； 4：谐振腔反射镜；
5：谐振腔折叠镜； 6：激光增益介质；
7：拉曼增益介质 8：输出镜；
9：压电陶瓷； 10：分束镜；
11：基频激光种子源； 12：隔离器；
13：种子光耦合透镜； 14：光电探测器；
15：反馈控制电路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
为了解决现有内腔拉曼激光器中基频光线宽展宽，对有效拉曼增益系数和受激拉曼散射效率的不利影响，获得高效率的窄线宽斯托克斯光输出，提高内腔拉曼激光器性能，本发明实施例提供了一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器，参见图1，详见下文描述：
激光增益介质吸收泵浦光，形成粒子数反转产生激光增益，在谐振腔反射镜、谐振腔折叠镜和输出镜构成的激光谐振腔正反馈作用下形成1064nm基频激光振荡；
基频激光种子源发射1064nm的单频种子光，通过隔离器并经过种子光耦合透镜聚焦、分束镜反射后耦合进入激光谐振腔；单频种子光能够高效耦合进入激光谐振腔，实现种子注入，从而压窄振荡基频激光的线宽；
1064nm基频激光经过激光增益介质和拉曼增益介质时产生拉曼增益，当拉曼增益大于谐振腔反射镜、谐振腔折叠镜和输出镜构成的斯托克斯光谐振腔损耗后，发生受激拉曼散射，在斯托克斯光谐振腔内形成稳定的1176nm斯托克斯光振荡，并经过输出镜输出，分束镜将1176nm斯托克斯光和漏出的少量1064nm基频激光分开，输出纯净的斯托克斯光。
综上所述，本发明实施例通过种子注入锁定的方式使基频激光保持窄线宽运转，起到提高拉曼增益，优化激光器转换效率的有益效果，并能够产生窄线宽的斯托克斯光输出；同时通过激光谐振腔和斯托克斯光谐振腔共用一套结构避免了使用腔内选频元件压窄线宽引入插损较大的问题。
实施例2
下面结合图1、具体的实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器，包括：泵浦源1、传能光纤2、泵浦耦合透镜组3、谐振腔反射镜4、谐振腔折叠镜5、激光增益介质6、拉曼增益介质7、输出镜8、压电陶瓷9、分束镜10、基频激光种子源11、隔离器12、种子光耦合透镜13、光电探测器14、反馈控制电路15，
其中，激光增益介质6选用a轴切割Nd:YVO4晶体，其基频激光波长为1064nm，对应890cm-1拉曼谱线的一阶斯托克斯光波长为1176nm，晶体规格为3×3×10mm3，掺杂浓度0.3％，两端镀有覆盖泵浦光、基频光和一阶斯托克斯光的800-1200nm增透膜系；相应地泵浦源1发射波长可选择808nm、880nm、888nm或914nm；拉曼增益介质7为纯YVO4晶体，镀1064nm、1176nm增透膜；谐振腔折叠镜5为平镜，镀800-1200nm增透膜系；谐振腔反射镜4镀1064nm和1176nm高反膜系；输出镜8镀1064nm高反、1176nm部分透过膜系，分束镜10镀1064nm高反、1176nm增透膜系；基频激光种子源11为单频光纤激光器，波长1064nm；种子光耦合透镜13镀1064nm增透膜。
激光二极管泵浦源1发射的泵浦光通过传能光纤2和泵浦光耦合透镜组3聚焦于激光增益介质6内部，激光增益介质6吸收泵浦光，形成粒子数反转，产生激光增益，在谐振腔反射镜5、谐振腔折叠镜4和输出镜8构成的激光谐振腔正反馈作用下形成1064nm基频激光振荡；基频激光种子源11发射1064nm的单频种子光，通过隔离器12并经过种子光耦合透镜13聚焦、分束镜10反射后耦合进入基频激光谐振腔；输出镜8置于压电陶瓷9上，光电探测器14和反馈控制电路15为压电陶瓷9提供放大后的误差信号，实现谐振腔光学长度锁定，使单频种子光能够高效耦合进入谐振腔，实现种子注入，从而压窄振荡基频激光的线宽；
1064nm基频激光经过激光增益介质6和拉曼增益介质7时产生拉曼增益，基频激光的强度随着泵浦功率的增加而升高，拉曼增益也随之升高，当拉曼增益大于谐振腔反射镜5、谐振腔折叠镜4和输出镜8构成的斯托克斯光谐振腔(即激光谐振腔和斯托克斯光谐振腔共用一套结构)损耗后，发生受激拉曼散射，在斯托克斯光谐振腔内形成稳定的1176nm斯托克斯光振荡，并经过输出镜8输出后，分束镜10将1176nm斯托克斯光和漏出的少量1064nm基频激光分开，输出纯净的斯托克斯光。
其中，激光增益介质6可以为Nd:YVO4，也可以选用Nd:GdVO4、Nd:KGW等其它具有拉曼活性的常用激光晶体，不采取自拉曼形式时也可选用Nd:YAG、Nd:YLF、Yb:YAG等其他常用激光晶体，相应基频光波长可选择发射峰或其他跃迁，分别对应不同的基频激光和斯托克斯光波长，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
其中，拉曼增益介质7可以为YVO4，也可以选用钒酸钆(GdVO4)、钨酸钾钆(KGW)、硝酸钡(BaNO3)、金刚石等其他常用拉曼晶体，分别对应不同的斯托克斯光波长，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
其中，基频激光种子源11可采用单频光纤激光器，也可采用单频的固体或半导体等激光器，其发射波长与所需基频激光波长对应即可，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
其中，反馈控制电路15实现种子光的注入锁定可采用直接调制方法，可也采取Pound Drever Hall或–Couillaud等常用反馈锁定方法，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
具体实现时，本发明实施例对反馈电路15的具体电路结构不做限制，只要能实现上述功能的反馈器件均可。
综上所述，本发明实施例的目的在于解决现有内腔拉曼激光器基频光线宽展宽，导致有效拉曼增益系数下降，影响拉曼激光器转换效率的问题。通过种子注入锁定的方式使基频激光保持窄线宽运转，起到提高拉曼增益，优化激光器转换效率的有益效果，并能够产生窄线宽的斯托克斯光输出，同时也避免了使用腔内选频元件压窄线宽引入插损较大的问题。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器，其特征在于，包括：
激光增益介质吸收泵浦光，形成粒子数反转产生激光增益，在谐振腔反射镜、谐振腔折叠镜和输出镜构成的激光谐振腔正反馈作用下形成1064nm基频激光振荡；
基频激光种子源发射1064nm的单频种子光，通过隔离器并经过种子光耦合透镜聚焦、分束镜反射后耦合进入激光谐振腔；
输出镜置于压电陶瓷上，光电探测器和反馈控制电路为压电陶瓷提供放大后的误差信号，实现激光谐振腔光学长度锁定，使单频种子光能够高效耦合进入激光谐振腔，实现种子注入，从而压窄振荡基频激光的线宽；
1064nm基频激光经过激光增益介质和拉曼增益介质时产生拉曼增益，当拉曼增益大于谐振腔反射镜、谐振腔折叠镜和输出镜构成的斯托克斯光谐振腔损耗后，发生受激拉曼散射，在斯托克斯光谐振腔内形成稳定的1176nm斯托克斯光振荡，并经过输出镜输出，分束镜将1176nm斯托克斯光和漏出的少量1064nm基频激光分开，输出纯净的斯托克斯光。
2.根据权利要求1所述的一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器，其特征在于，所述激光增益介质具体为：
Nd:YVO4、Nd:GdVO4、或Nd:KGW具有拉曼活性的激光晶体，或，
不采取自拉曼形式时选用Nd:YAG、Nd:YLF、或Yb:YAG激光晶体。
3.根据权利要求1所述的一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器，其特征在于，所述拉曼增益介质具体为：
YVO4、GdVO4、KGW、BaNO3、或金刚石。
4.根据权利要求1所述的一种基频光种子注入的窄线宽内腔拉曼激光器，其特征在于，所述基频激光种子源具体为：
单频光纤激光器、单频的固体或半导体激光器，发射波长与所需基频激光波长对应。
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