CN107565361A - 一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器 - Google Patents
一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，包括：1.06μm基频光种子源、1.06μm基频光多级放大系统、1178nm拉曼种子光系统、1178nm拉曼放大系统、高效倍频系统和电学控制系统。该激光器，采用Nd:GGG晶体或Nd:YAG晶体作为激光晶体及激光放大晶体，BaWO4晶体或CaWO4晶体为拉曼晶体及拉曼放大晶体。利用晶体拉曼放大的原理，获得波长为589nm的高能量，单频激光输出。该激光器可作为“钠导星”激光器，在国防和天文领域的有着广阔的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，属于固态激光的技术领域。
背景技术
589nm波长的激光有着许多重要的应用。在医疗，激光雷达，显示等领域有着广泛的应用。尤其是在天文和国防领域，高能量、窄线宽的589nm激光可以激发大气层中的钠元素，产生共振荧光，形成“钠导星”。通过处理“钠导星”的回波信号，可以补偿大气湍流导致的相位误差，获得更加清晰的大气图像，这引起了全球各国研究者的广泛关注。
目前，应用较为广泛的钠导星激光器主要有两种：1064nm和1319nm固体激光器和频激光器以及1178nm光纤拉曼放大倍频激光器。但是由于固体和频激光器要分别对1064nm和1319两套激光系统进行精密的线宽控制、光束质量控制等，还要解决两套系统的时间同步问题，使得该方案的系统结构复杂。而对于光纤拉曼放大激光器，其增益介质是常规单模光纤，抗激光损伤的能力有限，使得其仅适用于连续或准连续状态下运转，难以产生高峰值功率的激光脉冲。晶体拉曼放大器由于其结构更加简单，紧凑，增益介质损伤阈值高，可以获得较高的能量和峰值功率，在钠导星激光器领域上获得了越来越多的关注。
晶体拉曼放大器将低功率、高光束质量的种子光和基频光同时注入拉曼晶体中，通过受激拉曼散射，将基频光的能量向种子光转化，从而获得高功率、高光束质量的拉曼光输出。相较于中国专利文献CN104821482A与中国专利文件CN105552709A所采用的基于晶体拉曼技术获得589nm波长激光器的方法，本发明采用晶体拉曼放大技术的方法，将通过拉曼技术获得的拉曼光，再次通过拉曼晶体，将拉曼光进行进一步放大，可以极大地提高激光输出的功率与能量。
中国专利文献CN106558829A与中国专利文献CN106785881A提出一种通过同时获得两种拉曼光，再将两种拉曼光和频的方法获得589nm波长激光的方法。这种方案需要两种不同的拉曼晶体，且需要对两束拉曼光分别进行控制。本发明提出的方案只需要一种拉曼晶体，只需要对一种拉曼光进行控制，结构更为简单，整体系统便于调节。
更为重要的是，由于受激拉曼散射的过程具有级联效应，本发明通过被动调Q方式，经过过特殊的结构设计，限制受激拉曼散射级联效应的产生，减少不必要能量的损失。频率为ωp的基频光被拉曼介质散射后，会产生频率为ωS1的一阶斯托克斯光；当一阶斯托克斯光强度足够大时，会产生频率为ωS2二阶斯托克斯光；以此类推，高阶斯托克斯光也会相继产生。高阶斯托克斯光会消耗一阶斯托克斯光能量，导致一阶斯托克斯光转化效率低。同时也会产生不必要的杂散光，影响激光器整体输出。为此，相较于主动调Q方式，本发明1.06μm基频光种子源采用被动调Q方式，可以通过选取、放置不同的被动调Q晶体，控制基频光脉宽在百纳秒量级，从而将其峰值功率控制在合理范围内，在获得高能量一阶斯托克斯光的同时，限制其峰值功率，使高阶斯托克斯光无法产生。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器。
本发明所述的激光器具有波长准确、线宽窄、脉冲能量大、峰值功率高、结构简单等优点，在天文观测及国防军工等领域有极其重要的应用价值。
本发明的技术方案如下：
一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，包括：1.06μm基频光种子源、1.06μm基频光多级放大系统、1178nm拉曼种子光系统、1178nm拉曼放大系统、高效倍频系统和电学控制系统。
根据本发明优选的，所述的1.06μm基频光种子源通过被动调Q和纵模选取获得单纵模百纳秒量级脉宽的脉冲输出。所述的1.06μm基频光种子源将进入10.6μm基频光多级放大系统进行能量放大。
根据本发明优选的，所述1.06μm基频光种子源采用LD端面泵浦方式，以掺钕晶体为增益介质。
根据本发明优选的，所述电学控制系统用于：控制1.06μm基频光多级放大系统电源的开关，使所述1.06μm基频光种子源与1.06μm基频光多级放大系统在时序上同步工作。
根据本发明优选的，所述电学控制系统通过光电探测器探测1.06μm基频光种子源发出种子光信号，并将种子光信号进行延时、波形转换处理后，输出给1.06μm基频光多级放大系统。
根据本发明优选的，所述1.06μm基频光多级放大系统包括一个或多个双程放大装置,用于接收并放大1.06μm基频光种子源发出的种子光。
根据本发明优选的，所述双程放大装置包括：沿种子光依次设置的二分之一玻片、光隔离器、偏振分光镜、激光晶体、四分之一玻片和全反镜；所述偏振分光镜透射放大光的水平偏振分量,反射放大光的竖直偏振分量至下一个双程放大装置。第n级放大系统与第一级放大系统相同，用于将上一级放大后的脉冲激光进行进一步能量放大，其中n为放大级系统的级数。
根据本发明优选的，所述1178nm拉曼种子光系统通过所述的1.06μm基频光多级放大系统得到的1.06μm高能脉冲激光作为1.06μm基频光，以BaWO4晶体或CaWO4晶体作为拉曼晶体，将1.06μm基频光通过受激拉曼散射效应转换为1178nm拉曼光；采用纵模选取实现单纵模的1178nm晶体激光器运转。
根据本发明优选的，所述1178nm拉曼放大系统将所述1178nm拉曼种子光系统得到的种子光和所述1.06μm基频光多级放大系统得到的基频光同时注入BaWO4晶体或CaWO4晶体中，通过受激拉曼散射，1.06μm基频光的能量向1178nm拉曼光转化；再将拉曼放大后的1178nm拉曼光输入到下一级BaWO4晶体或CaWO4晶体进行依次放大。所述1178nm拉曼放大系统包括一级或多级放大装置，可实现一级或多级放大。
根据本发明优选的，所述高效倍频系统通过将1178nm波长的光输入到倍频晶体中，通过非线性倍频效应，将1178nm波长的光转化为589nm波长的光。
本发明的优点如下：
1.本发明成功将晶体拉曼放大技术应用于“钠导星”激光器中，相比较于现有的技术，本发明可以获得更高的能量输出，更紧凑的激光器结构。
2.1.06μm基频光种子源系统采用被动调Q方式，通过选取合适小信号透过率的饱和吸收体，获得百纳秒量级脉宽较宽，能量较大的调Q脉冲种子光源。再通过1.06μm基频光多级放大系统获得脉宽较宽，高能基频光，从而获得较为合适的峰值功率，在保证获得高能拉曼光的情况下，可以抑制高阶拉曼光的产生，减少对基频光不必要的损耗。
3.本发明在1.06μm基频光种子源系统和1178nm拉曼光种子源系统都采用纵模选择技术，分别获得单频1.06μm和1178nm激光输出，最终得到单频589nm激光输出。
附图说明
图1为本发明所述激光器的结构示意图；
在图1中，1、电学控制系统；2、光电探测器；3、1.06μm基频光种子源；4、光隔离器；5、一级双程放大装置；6、激光扩束镜；7、二级双程放大装置；8、三级双程放大装置；9、第一1.06μm 45度反射镜；10、第一1.06μm分光镜；11、1178nm拉曼种子光系统；12、第二1.06μm45度反射镜；13、一级1178nm拉曼放大装置；14、第三1.06μm 45度反射镜；15、二级1178nm拉曼放大装置；16、第四1.06μm 45度反射镜；17、三级1178nm拉曼放大装置；18、倍频晶体；19、第五1.06μm 45度反射镜；20、第二1.06μm分光镜；21、第三1.06μm分光镜；22、第六1.06μm45度反射镜；
图2为本发明应用例1基于二极管端面泵浦环形腔被动调Q的1.06μm基频种子源系统；
在图2中，23、LD泵浦源；24、耦合透镜组；25、第一1.06μm全反镜；26、Nd:GGG晶体；27、被动调Q晶体；28、1.06μm输出镜；29、第二1.06μm全反镜；30、第一光隔离器；31、第一标准具；32、第三1.06μm全反镜；
图3为本发明应用例1输出光谱图，其中横坐标为波长，纵坐标为光强度；
图4为本发明应用例2基于二极管端面泵浦扭摆腔被动调Q的1.06μm基频种子源系统；
在图4中，33、LD泵浦源；34、耦合透镜组；35、后腔镜；36、1/4λ玻片；37、Nd:GGG晶体；38、1/4λ玻片；39、布鲁斯特片；40、被动调Q晶体；41、1.06μm输出镜。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1、
一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，包括：1.06μm基频光种子源、1.06μm基频光多级放大系统、1178nm拉曼种子光系统、1178nm拉曼放大系统、高效倍频系统和电学控制系统。
所述的1.06μm基频光种子源通过被动调Q和纵模选取获得单纵模百纳秒量级脉宽的脉冲输出。所述的1.06μm基频光种子源将进入10.6μm基频光多级放大系统进行能量放大。
所述1.06μm基频光种子源采用LD端面泵浦方式，以掺钕晶体为增益介质。
所述1.06μm基频光多级放大系统包括一个或多个双程放大装置,用于接收并放大1.06μm基频光种子源发出的种子光。
实施例2、
如实施例1所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其区别在于，所述电学控制系统用于：控制1.06μm基频光多级放大系统电源的开关，使所述1.06μm基频光种子源与1.06μm基频光多级放大系统在时序上同步工作。
如实施例1所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其区别在于，所述电学控制系统通过光电探测器探测1.06μm基频光种子源发出种子光信号，并将种子光信号进行延时、波形转换处理后，输出给1.06μm基频光多级放大系统。
实施例3、
如实施例1所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其区别在于，所述双程放大装置包括：沿种子光依次设置的二分之一玻片、光隔离器、偏振分光镜、激光晶体、四分之一玻片和全反镜；所述偏振分光镜透射放大光的水平偏振分量,反射放大光的竖直偏振分量至下一个双程放大装置。第n级放大系统与第一级放大系统相同，用于将上一级放大后的脉冲激光进行进一步能量放大，其中n为放大级系统的级数。
实施例4、
如实施例1所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其区别在于，所述1178nm拉曼种子光系统通过所述的1.06μm基频光多级放大系统得到的1.06μm高能脉冲激光作为1.06μm基频光，以BaWO4晶体或CaWO4晶体作为拉曼晶体，将1.06μm基频光通过受激拉曼散射效应转换为1178nm拉曼光；采用纵模选取实现单纵模的1178nm晶体激光器运转。
实施例5、
如实施例4所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，所述1178nm拉曼放大系统将所述1178nm拉曼种子光系统得到的种子光和所述1.06μm基频光多级放大系统得到的基频光同时注入BaWO4晶体或CaWO4晶体中，通过受激拉曼散射，1.06μm基频光的能量向1178nm拉曼光转化；再将拉曼放大后的1178nm拉曼光输入到下一级BaWO4晶体或CaWO4晶体进行依次放大。
实施例6、
如实施例5所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，所述高效倍频系统通过将1178nm波长的光输入到倍频晶体中，通过非线性倍频效应，将1178nm波长的光转化为589nm波长的光。
应用例1、
如图1所示。
如实施例1-6所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，包括1.06μm基频光种子源，1.06μm基频光多级放大系统，1178nm拉曼种子光系统，1178nm拉曼放大系统，高效倍频系统和电学控制系统。
所述电学控制系统通过光电探测器2探测1.06μm基频光种子信号，并将种子光信号进行延时，波形转换等处理后，输出给1.06μm基频光多级放大系统，用于控制1.06μm基频光多级放大系统电源的开关，使1.06μm基频光种子源与1.06μm基频光多级放大系统在时序上同步工作。
所述1.06μm基频光种子源3输出的单频激光进入1.06μm基频光多级放大系统；
其中,如图2所述1.06μm基频光种子源3为二极管端面泵浦环形腔被动调Q单频晶体激光器,包括LD泵浦源23、耦合透镜组24、第一1.06μm全反镜25、Nd:GGG晶体26、被动调Q晶体27、输出镜28、第二1.06μm全反镜29、第一光隔离器30、第一标准具31、第三1.06μm全反镜32。LD泵浦源23发出的光(808nm)经耦合透镜组24输出；第一1.06μm全反镜25向泵浦源的一面镀808nm增透膜,另一面镀808nm增透膜和的1.06μm增反膜；Nd:GGG晶体26两面镀808nm和的1.06μm增透膜,制冷方式为水冷，水温设置为20度；被动调Q晶体27为对1.06μm小信号透过率为69％的Cr4+:YAG晶体；1.06μm输出镜28镀对1.06μm透过率为20％的膜；第二1.06μm全反镜29镀1.06μm增反膜；第一光隔离器30对1.06μm激光透过率为95％；第一标准具31镀对1.06μm反射率为50％的膜；第三1.06μm全反镜32镀1.06μm增反膜。
所述1.06μm基频光多级放大系统为3个,其中第一级放大级系统包括沿放大光路依次设置的二分之一玻片、光隔离器、偏振分光镜、Nd:GGG晶体、四分之一玻片、1.06μm全反镜；所述偏振分光镜透射放大光的水平偏振分量,反射放大光的竖直偏振分量至第二级放大级系统。第n级放大系统结构与第一级放大系统结构相同，用于将上一级放大后的脉冲激光进行进一步能量放大，其中n为放大级系统的级数；
所述1178nm拉曼种子光系统以BaWO4晶体为拉曼介质，以所述1.06μm基频光激多级放大系统产生的1.06μm激光作为基频光，采用Littrow光栅选纵模架构，同时在腔内放置标准具进一步限制纵模，实现单纵模的1178nm晶体拉曼激光器运转。
所述1178nm拉曼放大系统分为3级，每一级分别以三个分光镜反射的1.06μm激光作为拉曼基频光，并且每一路激光分别经过望远镜系统进行光束整形来实现1.06μm基频光与1178nm种子光的光束匹配。1178nm种子光由所述1178nm拉曼种子光系统产生，依次经过1178nm全反镜，BaWO4晶体进行一级拉曼放大，再经过1178nm全反镜反射到二级拉曼放大的BaWO4晶体中进行二级拉曼放大，在经过1178nm全反镜反射到三级拉曼放大的BaWO4晶体中进行三级拉曼放大。
所述高效倍频系统采用外腔倍频方式，将所述1178nm拉曼放大系统获得的1178nm单频激光通过凸透镜会聚到KTP晶体中，通过非线性倍频效应，得到589nm单频。
如图3所知，所述激光器的输出波长为589nm，且激光线宽小于0.05nm。
当所述1.06μm基频种子光的重频为10Hz时,单脉冲能量为120μJ,脉宽为200ns。经第一级放大系统放大后,单脉冲能量为5mJ,经第二级放大系统放大后,单脉冲能量为200mJ，经三级放大后，单脉冲能量为2J。
应用例2、
如应用例1所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，所不同的是，1.06μm基频光种子源采用扭摆腔方法获得单纵模种子光。其中,如图4所述1.06μm基频种子源系统为为二极管端面泵浦扭摆腔被动调Q单频晶体激光器,包括LD泵浦源33、耦合透镜组34、后腔镜35、1/4λ玻片36、Nd:GGG晶体37、1/4λ玻片38、布鲁斯特片39、被动调Q晶体40、输出镜41。LD泵浦源33发出的光(808nm)经耦合透镜组34输出；后腔镜35向泵浦源的一面镀808nm增透膜,另一面镀808nm增透膜和的1.06μm增反膜；Nd:GGG晶体37两面镀808nm和的1.06μm增透膜,制冷方式为水冷，水温设置为20度；1.06μm输出镜41镀对1.06μm透过率为30％的膜；布鲁斯特片39镀有1.06μm增透膜，以布鲁斯特角放置在腔内。
应用例3、
如应用例1所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，所不同的是，1.06μm基频光种子源和1.06μm基频光多级放大系统采用Nd:YAG作为其激光增益介质获得1064nm基频光输出。1178nm拉曼种子光系统，1178nm拉曼放大系统采用CaWO4晶体作为拉曼晶体，将1064nm基频光转换为1178nm拉曼光。
Claims (10)
1.一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其特征在于，所述激光器包括：1.06μm基频光种子源、1.06μm基频光多级放大系统、1178nm拉曼种子光系统、1178nm拉曼放大系统、高效倍频系统和电学控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其特征在于，所述的1.06μm基频光种子源通过被动调Q和纵模选取获得单纵模百纳秒量级脉宽的脉冲输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其特征在于，所述1.06μm基频光种子源采用LD端面泵浦方式，以掺钕晶体为增益介质。
4.根据权利要求1所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其特征在于，所述电学控制系统用于：控制1.06μm基频光多级放大系统电源的开关，使所述1.06μm基频光种子源与1.06μm基频光多级放大系统在时序上同步工作。
5.根据权利要求4所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其特征在于，所述电学控制系统通过光电探测器探测1.06μm基频光种子源发出种子光信号，并将种子光信号进行延时、波形转换处理后，输出给1.06μm基频光多级放大系统。
6.根据权利要求1所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其特征在于，所述1.06μm基频光多级放大系统包括一个或多个双程放大装置,用于接收并放大1.06μm基频光种子源发出的种子光。
7.根据权利要求6所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其特征在于，所述双程放大装置包括：沿种子光依次设置的二分之一玻片、光隔离器、偏振分光镜、激光晶体、四分之一玻片和全反镜；所述偏振分光镜透射放大光的水平偏振分量,反射放大光的竖直偏振分量至下一个双程放大装置。
8.根据权利要求1所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其特征在于，所述1178nm拉曼种子光系统通过所述的1.06μm基频光多级放大系统得到的1.06μm高能脉冲激光作为1.06μm基频光，以BaWO4晶体或CaWO4晶体作为拉曼晶体，将1.06μm基频光通过受激拉曼散射效应转换为1178nm拉曼光；采用纵模选取实现单纵模的1178nm晶体激光器运转。
9.根据权利要求8所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其特征在于，所述1178nm拉曼放大系统将所述1178nm拉曼种子光系统得到的种子光和所述1.06μm基频光多级放大系统得到的基频光同时注入BaWO4晶体或CaWO4晶体中，通过受激拉曼散射，1.06μm基频光的能量向1178nm拉曼光转化；再将拉曼放大后的1178nm拉曼光输入到下一级BaWO4晶体或CaWO4晶体进行依次放大。
10.根据权利要求9所述的一种基于晶体拉曼放大技术的脉冲式高能量单频589nm激光器，其特征在于，所述高效倍频系统通过将1178nm波长的光输入到倍频晶体中，通过非线性倍频效应，将1178nm波长的光转化为589nm波长的光。
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