CN108173115A - 一种可调谐拉曼激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明可以获得可调谐的拉曼激光，在该种设计中将染料激光器和拉曼激光器联用，通过拉曼激光器的变频，可以获得宽范围可调谐的激光。在本发明中采用了新型的拉曼变频装置，通过在拉曼池内部安置反射镜来增加泵浦激光与拉曼介质的有效作用长度，长光程拉曼池的有效作用长度为单程池的三倍以上，长光程拉曼池在受激拉曼变频中的使用可以有效的降低受激拉曼阈值，可以适应多种激光器的变频，而且其有利于高级拉曼光的输出；本发明中泵浦激光光源采用可调谐的染料激光器，将染料激光调谐功能与长光程受激拉曼变频功能相结合，最终可以获得能够在一定范围内连续可调的拉曼激光。

Description

一种可调谐拉曼激光器
技术领域
本发明是一种可调谐激光光源，可以应用在调谐激光领域；该发明采用了染料激光泵浦拉曼介质获得拉曼激光方法，本发明能够将染料激光器的光谱范围的整体平移，其拓展了染料激光的波长范围，该装置可以调谐的范围覆盖了整个红外波长；本发明可以应用在基础科学研究，光谱测量，激光通信等等一些领域，该发明是一种大范围可调谐激光器。
背景技术
染料激光器不足点的分析：
目前染料激光器输出波长覆盖了短波长到近红外区，遍布整个可见波长区；在可调谐光激光器中染料激光器被广泛使用，但是染料激光器也存在许多缺点，例如，不能覆盖所有红外波长，在其覆盖的光谱范围内的有些波段效率低，部分染料成本高昂，不实用等等，根据常用染料激光的波长覆盖情况分析如下：
355纳米泵浦染料可以实现370～560纳米波长调谐转换效率最高约17％；532纳米泵浦染料可以实现550～1000纳米波长调谐最高转换效率约30％而且在700～800纳米之间低于20％，在800纳米以后最大转换效率低于10％；1064纳米泵浦的光谱范围是1080～1850纳米，在1850纳米之后没有染料激光可以覆盖。
染料激光器波长虽然可以连续调谐，但是其不足点也非常的明显：其一，泵浦能量向目标波长能量的转换效率低，其二，波长覆盖范围窄，大多集中在可见波长范围内；虽然近红外波长也可以实现，但是在700～800纳米之间低于20％，在800～1000纳米最大转换效率低于10％，1040～1080纳米之间没有染料可以覆盖。
基于以上的问题，本发明将染料激光器和拉曼激光器联用，可以获得可调谐的拉曼激光。其优势在于，该发明可以拓展染料激光器波长覆盖范围，弥补染料激光器在1040～1080纳米波长之间的光谱缺失。另外，可以将高效率低成本的染料和拉曼激光器联用来代替低效率高成本染料的使用，不但提高某些波段的转换效率而且节约了成本。
受激拉曼散射的简介：
受激拉曼属于非线性效应，受激拉曼散射可以实现激光变频，其优点在于其装置设计简单，调节便捷；能实现受激拉曼的介质多样，目前常用的拉曼介质有晶体(如：金刚石，SrWO4)、液体(如：H2O，CS2，C6H6)、气体(如：H2，CH4)；不同的拉曼介质对泵浦激光波长移动的大小不相同，有些固体可以产生几十个波数的移动，而气体拉曼介质通常能产生上千个波数的频移。
长光程设计的简介：
在本发明中设计了新型的拉曼变频装置，通过在拉曼池内部安置反射镜来增加泵浦激光与拉曼介质的有效作用长度，将这种能延长激光光束与拉曼介质相互作用长度的装置称为长光程拉曼池，长光程拉曼池的拉曼作用长度为单程池的三倍以上；长光程拉曼池优点是：有效的降低受激拉曼阈值，适应多种激光器的变频，有利于高级拉曼光的输出。本发明中泵浦激光光源采用可调谐的的染料激光器，通过其与长光程受激拉曼技术的结合最终可以获得能够在一定范围内连续可调的拉曼激光。本发明拓展了染料激光器的使用领域，丰富了激光器的光谱覆盖范围。
发明内容
本发明实用性是通过染料激光器和拉曼激光器的联用来获得在一定范围内连续可调的拉曼激光；该发明的实现过程是：染料激光器产生的泵浦光从拉曼池的一端注入到拉曼池中，经过拉曼池中光学器件的对激光的多次反射以延长激光与拉曼介质的作用长度，实现了泵浦激光的充分转换，最后将产生的拉曼激光从拉曼池另外一端输出。
本发明的技术方案如下：
一种可调谐拉曼激光器，包括：染料激光器，聚焦透镜，反射镜一，拉曼池，反射镜二，分光元件；其中、反射镜一，拉曼池，反射镜二组成了长光程受激拉曼放大器；以染料激光器的输出激光为光轴依次设置长光程受激拉曼放大器，分光元件。
染料激光器为任意一种染料激光器。
拉曼池是一个两端分别带有激光入射窗和激光出射的窗口的中空密闭腔室，聚焦透镜、反射镜一和反射镜二安装在拉曼池内部。
拉曼池中充填气体(氢气，甲烷等)、固体(硫酸钡，金刚石等)或者流动性良好的液体(水，苯，硝基苯等)。
长光程反射镜一和长光程反射镜二可以是平面反射镜或者凹面反射镜，反射面镀有宽带波长高反射膜(其外形见附图中图2)。
拉曼池中通过控制拉曼介质的气压可以调控不同级别的拉曼激光波长输出，另外惰性气体的加入与否和加入量同样也可以调控输出波长。
将染料激光器换成OPO激光器做泵浦源同样适用于该发明.
一种新型可调谐拉曼激光器，其主要组成部分有三部分：染料激光器、长光程拉曼池以及分光棱镜构成。
泵浦激光器采用可调谐的染料激光器，其波长可以在一定的范围内连续可调。在该发明中，在实际的应用中要根据需要选择染料激光器中所添加的染料种类和拉曼介质。
拉曼池是一个可充高压气体的高压容器，拉曼池两端安装有通光窗口，拉曼池内置两个镀有泵浦激光和拉曼激光宽带高反膜的反射镜，泵浦激光经过拉曼池窗口，透过平凸透镜，照射到反射镜二上，反射光到达反射镜一上，就这样在两个高反射镜之间来回反射,最后再由反射镜一反射由拉曼池的另一个窗口输出，这样激光与拉曼介质的作用长度得到延长，即称之为长光程受激拉曼散射过程。
长光程反射镜一和长光程反射镜二可以是平面反射镜或者凹面反射镜，反射面镀有宽带高反射膜(其外形见附图中图2)。
拉曼池中适用拉曼介质有：气体(氢气，甲烷等)、固体(硫酸钡，金刚石等)或者流动性良好的液体(水，苯，硝基苯等)。
拉曼池中常用的气体介质主要有纯氢气、甲烷、氘气等，还可以根据需要向拉曼池中增加缓冲气体，如氦气或者氩气等。
输出光包含多级拉曼激光以及剩余泵浦激光，使用三棱镜对其进行分光。
在该发明中，将染料激光器换成OPO激光器做泵浦源同样适用。
本发明优点是：(1)通过使用可调谐染料激光器与长光程拉曼池相结合，获得可调谐的拉曼激光；(2)长光程拉曼池可以降低受激拉曼阈值，实现了低能量的染料激光器的拉曼变频，长光程技术的使用可以使泵浦激光向拉曼激光的高效率转换；(3)气体相比于固体不容易损伤，使用气体作为拉曼介质可以承受更高的泵浦能量；(4)长光程相比单光程拉曼光输出脉冲能量的稳定性更好；(5)折叠光路的长光程与单次通过拉曼池的方案相比，优点是输出脉冲能量的稳定性更好，光斑的空间能量分布更有规律。
附图说明
图1为长光程拉曼激光器结构示意图，
图2为长光程腔镜一和二的结构示意图，
图3为染料激光参照表1，
图4为染料激光参照表2，
图1中的器件名称如下：1-染料激光器；2-平凸透镜；3-反射镜一；4-拉曼池；5-反射镜二；6-分光元件；其中2、3、4、5组成了长光程受激拉曼激光器。
图2中a，b，c为分别为腔镜三种形状示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，
该发明在实际中的操作过程如下
使用的装置和器件参数是：
采用Spectra-Physics公司Quanta-Ray Nd:YAG激光器二倍频532纳米激光泵浦Radiant Dyes公司Narrow Scank染料激光器，在操作中，该染料激光器作为拉曼装置的泵浦激光器；Radiant Dyes料激光器中添加的染料溶液为DCM的乙醇溶液；该激光器波长调节范围在602～660纳米、输出脉冲宽度是7纳秒、线宽小于一个波数、光斑直径4毫米左右，能量在0～80毫焦范围可变。
该拉曼池的结构是管状，管长度为120厘米，内径为80毫米，两端安装有窗口，其通光孔径为40毫米；在拉曼池内部设置平凸透镜、反射镜一、反射镜二，两个反射镜之间的间距为100厘米左右，平凸透镜距反射镜一的通光孔的距离为1厘米。具体的布局可以参照附图中的图1。
透镜的焦距为50厘米，反射镜一和反射镜二的凹面曲率为50厘米并且凹面上镀有600～910纳米的高反介质膜，在该实施例中采用的反射镜一和反射镜二为打孔镜，具体如附图2中的b所示。
棱镜是常用的分光装置，该发明中未做特殊设计，在此不具体详述。
实现过程是：
首先将染料激光调节至比较弱的能量，然后激光引入拉曼池中，参照可见的染料激光对拉曼池以及平凸透镜、反射镜一、反射镜二的位置做微调，以实现激光在两个反射镜间多次折返并且从反射镜二的通光孔中输出，最后透过拉曼池窗口，调节完毕后，在拉曼池中充装4兆帕左右的纯氢气。最后根据输出激光的方向安置棱镜分光。
调节完毕后调节染料激光器使其工作在最佳状态，利用该种实施例可以获得800～900纳米波长之间连续可调节的拉曼激光。
根据染料激光的波长覆盖范围可知，利用以上设计产生拉曼激光可以覆盖800～900纳米范围，可代替LDS 821的乙醇溶液、LD S821的DMSO溶液和LDS 867的乙醇溶液的使用；优点为：避免了更换染料的麻烦和浪费(染料属于消耗品，重复利用率低)；DCM的转换效率高达30％，拉曼转换效率可以达到70％，所以DCM和拉曼的组合效率可以达到20％，而LDS821和LDS 867的转换效率只有10％，所以使用拉曼变频输出激光能量要比直接使用以上三种染料的输出高；另外DCM是一种廉价的染料，节约成本。
实施例二
该发明在实际中的操作过程如下
将染料激光器换成PHOTONICS公司DS系列激光参量振荡器(OPO)，OPO的波长在1500～2000纳米之间可调，利用上述方案可以获得4000～11800纳米范围可调谐激光。

Claims (9)

1.一种可调谐拉曼激光器，包括：染料激光器(1)，聚焦透镜(2)，反射镜一(3)，拉曼池(4)，反射镜二(5)；其特征在于：其中聚焦透镜(2)、反射镜一(3)、拉曼池(4)、反射镜二(5)组成了长光程受激拉曼放大器；以染料激光器(1)的输出激光为光轴设置长光程受激拉曼放大器。
2.根据权利要求1所述的可调谐拉曼激光器，其特征在于：拉曼池(4)是一个两端分别带有透明窗口或一端带有透明窗口的中空密闭腔室，聚焦透镜(2)、反射镜一(3)和反射镜二(5)依次安装在拉曼池(4)内部，染料激光器(1)发出的激光经拉曼池(4)一端的透明窗口、透过聚焦透镜(2)于反射镜一(3)和反射镜二(5)之间往复反射后输出。
3.根据权利要求2所述的可调谐拉曼激光器，其特征在于：
透过聚焦透镜(2)由反射镜一(3)边缘开设的第一通孔、或沿反射镜一(3)外侧进入反射镜一(3)和反射镜二(5)之间往复反射；
激光于反射镜一(3)和反射镜二(5)之间往复反射后由反射镜一(3)边缘开设的第二通孔、或反射镜一(3)边缘开设的第一通孔、或反射镜二(5)边缘开设的第三通孔、或沿反射镜一(3)外侧、或沿反射镜二(5)外侧输出。
4.根据权利要求1所述的可调谐拉曼激光器，其特征在于：拉曼池(4)中充填气体(氢气，甲烷等中的一种)、固体(硫酸钡晶体，金刚石晶体等中的一种)或者流动性良好的液体(水，苯，硝基苯等中的一种)中的一种。
5.根据权利要求1所述的可调谐拉曼激光器，其特征在于：反射镜一(3)和反射镜二(5)分别可以是平面反射镜或者凹面反射镜，反射面镀有宽带高反射膜。
6.根据权利要求5所述的一种可调谐拉曼激光器，其特征在于：当反射镜一(3)和反射镜二(5)均为平面反射镜时，激光光轴与反射面间成60-89.9度夹角。
7.根据权利要求4所述的可调谐拉曼激光器，其特征在于：拉曼池(4)中充填拉曼介质气体,拉曼池(4)中通过控制拉曼介质的气压可以调控不同级别的拉曼激光波长输出，另外其中不加入或可加入惰性气体,惰性气体加入量同样也可以调控输出波长。
8.根据权利要求1所述的可调谐拉曼激光器，其特征在于：将染料激光器(1)可用OPO激光器替换做泵浦源同样适用于该可调谐拉曼激光器。
9.根据权利要求1所述的可调谐拉曼激光器，其特征在于：输出的激光经分光元件(6)分光。
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