CN109346915B

CN109346915B - 一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器

Info

Publication number: CN109346915B
Application number: CN201811138307.2A
Authority: CN
Inventors: 盛泉; 刘璐; 马汉超; 丁欣; 史伟; 姚建铨
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: CN109346915A

Abstract

本发明公开了一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器，激光器基于受激拉曼散射增益无空间烧孔的特性实现激光器的单纵模运转，包括：基频激光谐振腔和斯托克斯光谐振腔；基频激光谐振腔和斯托克斯光谐振腔为复合腔结构，选频器件置于所述基频激光谐振腔内，且不包含在斯托克斯光谐振腔中；选频器件用于限制基频激光的线宽，使得基频激光的线宽小于拉曼增益介质的增益线宽，因而基频激光的全部纵模均能够与单一斯托克斯光纵模进行高效耦合，基频激光全部光谱成分中的能量均能被单一斯托克斯光纵模有效提取；由于受激拉曼散射过程的拉曼增益不存在空间烧孔效应，在模式竞争的作用下，所产生的斯托克斯光场只包含单一纵模，从而获得单纵模激光输出。

Description

一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器。

背景技术

单频(基横模、单纵模)激光器光谱线宽窄、相干性好，且由于没有多纵模之间的竞争，其稳定性也比普通多纵模激光器更佳。由于激光增益介质的空间烧孔效应，一般的驻波腔激光器往往运转在多纵模状态，实现固体激光器的单纵模运转往往需采用单向行波腔结构，参见申请号：201510040593.9，高功率内腔倍频单频激光器，其文中介绍的系统较为复杂，且设计中要考虑热透镜和谐振腔稳区的匹配，功率动态范围受限。

若要在驻波腔中实现单纵模激光运转，往往需采取超短腔以增大纵模间隔并结合窄带宽的谐振腔反馈器件，对于增益介质、反馈器件和谐振腔的选择限制较多；或采用多个选频器件同时使用，在增大选频的自由光谱范围并同时压窄透射峰宽度，参见申请号：201610125285.0，一种单频固体拉曼激光器，该专利的主要缺点在于引入插损较大，系统复杂，不利于效率优化。

发明内容

本发明提供了一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器，本发明基于受激拉曼散射增益无空间烧孔的特性获得单纵模激光输出，解决了现有单纵模激光器系统复杂，插损较大影响效率的问题，详见下文描述：

一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器，所述激光器基于受激拉曼散射增益无空间烧孔的特性实现激光器的单纵模运转，所述激光器包括：基频激光谐振腔和斯托克斯光谐振腔；

所述基频激光谐振腔和斯托克斯光谐振腔为复合腔结构，选频器件置于所述基频激光谐振腔内，且不包含在斯托克斯光谐振腔中；

所述选频器件用于限制基频激光的线宽，使得基频激光的线宽小于拉曼增益介质的增益线宽，因而基频激光的全部纵模均能够与单一斯托克斯光纵模进行高效耦合，基频激光全部光谱成分中的能量均能被单一斯托克斯光纵模有效提取；

由于受激拉曼散射过程的拉曼增益不存在空间烧孔效应，在模式竞争的作用下，所产生的斯托克斯光场只包含单一纵模，从而获得单纵模激光输出。

进一步地，所述基频激光谐振腔由激光高反镜和斯托克斯光输出镜构成。

其中，所述基频激光谐振腔由激光高反镜、谐振腔折叠镜和斯托克斯光输出镜构成。

具体实现时，所述斯托克斯光谐振腔由二向色镜和斯托克斯光输出镜构成。

其中，所述选频器件为标准具、双折射滤光片。

进一步地，所述拉曼增益介质为：BaWO₄、vanadate、金刚石。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明基于受激拉曼散射增益无空间烧孔的特性，只需将基频激光线宽控制在小于拉曼增益线宽的水平(几十GHz)即可实现单纵模激光输出，易于实现；

2、本发明只需单一选频器件即可，与现有的单频固体激光器方案相比，结构简单，插入损耗小，成本经济；

3、本发明将选频器件置于增益较强的基频激光谐振腔而非增益相对较弱的斯托克斯光谐振腔内，能够有效降低插入损耗对激光器效率的负面影响；

4、本发明通过不同激光增益介质和拉曼增益介质的组合，可以灵活地选择输出激光波长；

5、由于受激拉曼散射过程的有效拉曼增益是基频光线宽和斯托克斯光线宽的减函数，在使用选频器件压缩基频光线宽的过程中，还能够提高有效拉曼增益系数，从而提高激光器的转换效率。

附图说明

图1为一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器的结构示意图；

图2为一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器的另一结构示意图。

图3为激光器功率曲线示意图；

图4为干涉仪波形示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：激光二极管泵浦源； 2：传能光纤；

3：耦合透镜组； 4：激光高反镜；

5：激光增益介质； 6：选频器件；

7：二向色镜； 8：拉曼增益介质；

9：斯托克斯光输出镜； 10：谐振腔折叠镜；

A：基频激光谐振腔； B：斯托克斯光谐振腔。

其中，在图1中，激光增益介质5为Yb:KGW晶体，拉曼增益介质8为金刚石晶体，选频器件6为选频双折射滤光片。

在图2中，激光增益介质5为Nd:GdVO₄晶体，拉曼增益介质8为BaWO₄晶体，选频器件6为选频标准具，还包括：设置在选频标准具6和二向色镜7之间的谐振腔折叠镜10。

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

一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器，参见图1，包括：激光二极管泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、激光高反镜4、激光增益介质Yb:KGW晶体5、选频双折射滤光片6、二向色镜7、金刚石晶体8和斯托克斯光输出镜9；

其中，激光二极管泵浦源1的发射波长为980nm，传能光纤2的芯径为200μm，耦合透镜组3的聚焦比例为1:2，激光高反镜4为平镜，镀980nm高透(T>95％，T为透过率)， 1050nm高反膜(R>99.9％，R为反射率)系，激光增益介质Yb:KGW晶体5为Ng切割，其基频激光波长为1050nm，晶体规格为2×4×10mm³，掺杂浓度为1.5％，两端镀有 900-1100nm增透膜系(T>99.5％)；选频双折射滤光片6为石英基底，采用双片设计，厚度分别为1mm和2mm。

二向色镜7双面镀1050nm增透(T>99.5％)膜，单面镀1220nm高反(R>99.9％)膜；拉曼增益介质金刚石晶体8长10mm，其1332cm^-1的拉曼主峰对应1050nm基频光的斯托克斯光波长为1220nm，晶体两面镀1050nm、1220nm增透(T>99.9％)膜系；斯托克斯光输出镜9为曲率半径100mm，镀1050nm高反(R>99.9％)，1220nm透过率T＝0.45％的膜系。

激光高反镜4和斯托克斯光输出镜9构成基频激光谐振腔，长80mm，其中激光高反镜4到激光增益介质Yb:KGW晶体5的距离为1mm。二向色镜7和斯托克斯光输出镜9 构成斯托克斯光谐振腔，长为12mm。选频双折射滤光片6靠近激光增益介质Yb:KGW晶体5放置，激光增益介质Yb:KGW晶体5中泵浦光光斑半径为200μm。

在此单纵模固体激光器下，将多纵模1050nm基频光线宽压缩至小于拉曼增益介质金刚石晶体8的45GHz的增益线宽后，可实现单纵模斯托克斯光的输出。

综上所述，本发明实施例的优势在于，基频光采用直腔设计，结构简单紧凑，易于实现，满足了实际应用中的多种需要。

实施例2

一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器，参见图2，该激光器包括：激光二极管泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、激光高反镜4、激光增益介质Nd:GdVO₄晶体 5、选频标准具6、二向色镜7、拉曼增益介质BaWO₄晶体8、斯托克斯光输出镜9、以及谐振腔折叠镜10；

其中，激光二极管泵浦源1的发射波长为878.6nm，传能光纤2的芯径为200μm，耦合透镜组3的聚焦比例1:2，激光高反镜4为平镜，镀880nm高透(T>95％)，1063nm高反(R>99.9％)膜系，激光增益介质Nd:GdVO₄晶体5为a切割，其基频激光波长为1063nm，晶体规格为4×4×10mm³，掺杂浓度为0.3％，两端镀有800-1100nm增透(T>99.5％)膜系。

其中，选频标准具6为熔融石英基底，厚度为50μm、100μm、300μm三种可选，镀1063nm R＝30％膜，即精细度为2.5；谐振腔折叠镜10的曲率半径100mm，镀1063nm高反膜。

二向色镜7双面镀1063nm增透(T>99.9％)膜，单面镀1179nm高反(R>99.9％)膜；拉曼增益介质BaWO₄晶体8为a切割，长16mm，其925cm^-1的拉曼主峰对应1063nm基频光的斯托克斯光波长为1179nm，晶体两面镀1063nm、1179nm增透(T>99.9％)膜系；斯托克斯光输出镜9的曲率半径为100mm，镀1063nm高反(R>99.9％)，1179nm透过率 T＝0.45％膜系。

激光高反镜4、谐振腔折叠镜10和斯托克斯光输出镜9构成了基频激光谐振腔，基频激光谐振腔的折叠角为20°(全角)，基频激光谐振腔的物理长度为175mm，其中激光高反镜4到激光增益介质Nd:GdVO₄晶体5的距离为5mm，激光增益介质Nd:GdVO₄晶体5 到谐振腔折叠镜10的距离为90mm，谐振腔折叠镜10到斯托克斯光输出镜9的距离为 70mm。二向色镜7和斯托克斯光输出镜9构成斯托克斯光谐振腔，长29mm，拉曼增益介质BaWO₄晶体8靠近二向色镜7放置。

选频标准具6靠近激光增益介质Nd:GdVO₄晶体5放置，激光增益介质Nd:GdVO₄晶体5中泵浦光光斑半径为200μm。

在此单纵模固体激光器下下，由于标准具的选频作用，使用100μm和300μm厚度的选频标准具6时，1063nm多纵模基频激光光谱线宽为～0.05nm(即～13GHz)，使用50μm 厚度的选频标准具6时，多纵模基频激光光谱线宽为～0.15nm(即～39GHz)，均小于拉曼增益介质BaWO₄晶体8的48GHz的拉曼线宽(即，对应1063nm波长处线宽为0.18nm)。

由于受激拉曼散射增益的无烧孔特性，上述实验中得到的1179nm斯托克斯光输出均为单纵模激光，光谱仪采集的激光光谱和扫描干涉仪波形均验证了这一结果。其中使用100μm厚标准具时，实验得到的激光器功率曲线如图3所示，激光器阈值为2.2W入射泵浦功率，在18.7W入射泵浦功率下连续波1179nm单纵模激光输出功率达到2.9W，本发明实现的单纵模激光器在很大的功率动态范围内均能实现高效的激光输出；图4给出使用 100μm厚的选频标准具6，最高输出功率为2.9W时的扫描法珀干涉仪波形，扫描干涉仪的自由光谱范围为1.5GHz，分辨率为7.5MHz，测得单纵模斯托克斯光输出的线宽为 30-35MHz，边模抑制比大于50:1，单纵模激光可在不施加主动稳腔措施的条件下稳定运转。

综上所述，本发明实施例的优势在于，基频光采用折叠腔设计，优化了谐振腔稳区和模式匹配，因此有利于转换效率的优化。

实施例3

上述实施例1和2中的增益介质5可以为Nd:GdVO₄(掺钕钒酸钆)Nd:YVO₄(掺钕钒酸钇)、Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)、Yb:YAG(掺镱钇铝石榴石)或钛宝石等常用激光增益介质。

拉曼增益介质8可以是：BaWO₄(钨酸钡)、vanadate(钒酸盐)、金刚石等常用拉曼晶体。

上述选频器件6可以是标准具、双折射滤光片等常用选频器件。基频激光可以是连续波、调制、调Q脉冲等方式运转。

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

1.一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器，其特征在于，所述激光器基于受激拉曼散射增益无空间烧孔的特性实现激光器的单纵模运转，所述激光器包括：基频激光谐振腔和斯托克斯光谐振腔；

由于受激拉曼散射过程的拉曼增益不存在空间烧孔效应，在模式竞争的作用下，所产生的斯托克斯光场只包含单一纵模，只需将基频激光线宽控制在小于拉曼增益线宽的水平从而获得单纵模激光输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器，其特征在于，所述基频激光谐振腔由激光高反镜和斯托克斯光输出镜构成。

3.根据权利要求1所述的一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器，其特征在于，所述基频激光谐振腔由激光高反镜、谐振腔折叠镜和斯托克斯光输出镜构成。

4.根据权利要求1所述的一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器，其特征在于，所述斯托克斯光谐振腔由二向色镜和斯托克斯光输出镜构成。

5.根据权利要求1所述的一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器，其特征在于，所述选频器件为标准具、双折射滤光片。

6.根据权利要求1所述的一种基于内腔受激拉曼散射的单纵模固体激光器，其特征在于，所述拉曼增益介质为：BaWO₄、vanadate、金刚石。