CN112290359A - 一种双共振腔拉曼激光器 - Google Patents

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CN112290359A CN202011168952.6A CN202011168952A CN112290359A CN 112290359 A CN112290359 A CN 112290359A CN 202011168952 A CN202011168952 A CN 202011168952A CN 112290359 A CN112290359 A CN 112290359A
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卢华东
曹雪辰
靳丕铦
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Abstract

本发明涉及一种双共振腔拉曼激光器，包括泵浦源、耦合聚焦系统、分光镜、拉曼增益晶体、锁定系统及压电陶瓷。光学谐振腔的输入耦合镜腔内反射面镀有对泵浦光波长具有一定透射率的介质膜和对拉曼光波长的高反膜，输出耦合镜的腔内反射面镀有对拉曼光波长具有一定透射率的介质膜和对泵浦光波长的高反膜，其余腔镜反射面均镀有对泵浦光波长和拉曼光波长的高反膜。由输入耦合镜反射的泵浦光与光学谐振腔的部分透射泵浦光经分光镜反射后进入锁定系统产生锁定信号，该信号加载至粘连在光学谐振腔一腔镜后表面的压电陶瓷上，通过压电陶瓷长度的伸缩实现对光学谐振腔的实时锁定。利用本发明所述装置，在低阈值泵浦功率下，即可获得稳定单频运转的拉曼激光。

Description

一种双共振腔拉曼激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，更具体地说，涉及一种双共振腔拉曼激光器。
背景技术
自1960年世界上第一台红宝石激光器诞生以来，历经了半个多世纪的发展，人们对于激光的研究已突破了许多技术难题并取得了相当的成就。其中，利用增益介质和稳频技术对激光频率进行锁定以获得的单频激光已发展相对成熟，但现有的激光增益介质只能覆盖一些特定的波段，不能很好地满足各领域的应用要求。近年来，以受激拉曼散射非线性过程为基础的的固体拉曼激光器正在迅速发展。利用受激拉曼散射过程，可以将现有激光波长进行拉曼频移，对传统激光器尚未实现的激光波段进行补充。此外，已有研究证明受激拉曼散射过程对光束具有整形的作用，以此能够获得更高光束质量的激光。
由化学气相沉淀法生长的金刚石具有拉曼增益系数大（~10 cm/GW）和拉曼位移大（1332.2 cm-1）等优点，已被广泛应用于拉曼激光器的研究。2016年，Oliver Lux等人采用BDF激光器抽运由Yb光纤放大的40 W，1064 nm连续激光泵浦置于共心腔内的金刚石获得了1 W可长期稳定运行的单频1240 nm激光，由于泵浦光只是单次穿过拉曼增益介质，故阈值功率高达12 W，并且随着拉曼激光功率的提高，由于环境扰动和晶体的热效应等因素导致谐振腔的光学腔长产生浮动，使得Stokes光发生跳模，多模等现象。2019年，该实验小组采用偏振锁定系统对谐振腔进行主动稳定锁定，最终获得了可在2分钟内稳定运行的7.2W单频拉曼激光，该实验中，由于采用的金刚石的双折射率差很小且谐振腔的精细度低，导致偏振锁定法获得的锁定信号不够灵敏且强度较弱，所以不能实现稳定的腔长锁定，而且在他们的实验方案中，泵浦阈值高达23W。
发明内容
本发明提供了一种双共振腔拉曼激光器和装置，能够降低拉曼激光器的泵浦阈值功率，并且产生稳定单频运转的拉曼激光。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种双共振腔拉曼激光器，包括泵浦源、耦合聚焦系统、分光镜、光学谐振腔、拉曼增益晶体、锁定系统及压电陶瓷；
泵浦源产生的泵浦激光经耦合聚焦系统后，空间传输模式与光学谐振腔的腔模进行精确匹配，射入光学谐振腔内，所述拉曼增益晶体设置于所述光学谐振腔内腔膜的最小腰斑处，使泵浦激光进行拉曼频移；光学谐振腔的输入耦合镜反射的泵浦光与光学谐振腔的部分透射泵浦光经分光镜反射后，射入锁定系统；锁定系统产生并输出锁定信号，加载至粘连在光学谐振腔一腔镜后表面的压电陶瓷上，实现对光学谐振腔的实时锁定，使得泵浦光在谐振腔内实现放大，从而获得稳定高效的拉曼激光输出。
其中，泵浦源为连续波单频激光器。
其中，耦合聚焦系统为单个透镜或多个透镜，所有镜片通光面均镀有对泵浦光波长的减反膜。
其中，光学谐振腔为环形腔结构，折叠腔结构或者线性腔结构。
其中，光学谐振腔为环形腔结构时，包括输入耦合镜、第二腔镜、第三腔镜、输出耦合镜和导光镜；其中，输入耦合镜、第二腔镜和导光镜为平面镜，第三腔镜和输出耦合镜为凹面镜；拉曼增益晶体放置于第三腔镜和输出耦合镜之间；输出耦合镜后的其中一路光路垂直放置导光镜，用于保证拉曼谐振腔单向稳定运转，其中导光镜的反射面镀有对拉曼光波长的高反膜；在输入耦合镜的反射方向放置分光镜，使得输入耦合镜反射的泵浦光与光学谐振腔的部分透射泵浦光进入锁定系统，在其反射面镀有对泵浦光波长的高反膜。
其中，光学谐振腔为折叠腔结构时，包括输入耦合镜、第二腔镜和输出耦合镜；分光镜倾斜放置于耦合聚焦系统和光学谐振腔之间，且朝向耦合聚焦系统的一侧镀设减反膜，远离耦合聚焦系统一侧镀有对泵浦光波长有一定反射率的介质膜；输入耦合镜和输出耦合镜为平面镜，第二腔镜为凹面镜；拉曼增益晶体设置于输入耦合镜和第二腔镜之间，且紧贴输入耦合镜设置；激光从分光镜射入光学谐振腔后，经过输入耦合镜和拉曼增益晶体后，经第二腔镜的反射作用，发射至输出耦合镜；输入耦合镜反射的泵浦光与光学谐振腔的部分透射泵浦光进入锁定系统。
其中，光学谐振腔为线性腔结构时，包括输入耦合镜和输出耦合镜；分光镜倾斜放置于耦合聚焦系统和光学谐振腔之间，且朝向耦合聚焦系统的一侧镀设减反膜，远离耦合聚焦系统一侧镀有对泵浦光波长有一定反射率的介质膜；输入耦合镜为平面镜，输出耦合镜为凹面镜；拉曼增益晶体设置于输入耦合镜和输出耦合镜之间，且紧贴输入耦合镜设置；激光从分光镜射入光学谐振腔后，经过输入耦合镜和拉曼增益晶体后，发射至输出耦合镜；输入耦合镜反射的泵浦光与光学谐振腔的部分透射泵浦光进入锁定系统。
其中，输入耦合镜腔内反射面镀有对泵浦光波长具有一定透射率的介质膜和对拉曼光波长的高反膜，输出耦合镜的腔内反射面镀有对拉曼光波长具有一定透射率的介质膜和对泵浦光波长的高反膜，其余腔镜反射面镀有对泵浦光波长和拉曼光波长的高反膜。
其中，拉曼增益晶体为金刚石晶体、碘酸锂晶体、硝酸钡晶体、钨酸钾钆晶体、钨酸钡晶体或者钒酸钇晶体，晶体两通光均镀有泵浦光与产生拉曼光波长的减反膜；锁定系统为H-C偏振锁定系统、P-D-H锁定系统或者锁模系统。
其中，高反膜的反射率＞99.9%，一定透射率的透射率在0.5% - 25%；减反膜的反射率＜0.01%。
与现有技术相比，本发明的双共振腔拉曼激光器包括泵浦源、耦合聚焦系统、分光镜、光学谐振腔、拉曼增益晶体、锁定系统及压电陶瓷；泵浦源产生的泵浦激光经耦合聚焦系统后，空间传输模式与光学谐振腔的腔模进行精确匹配，射入光学谐振腔内，拉曼增益晶体设置于光学谐振腔内腔膜的最小腰斑处，使泵浦激光进行拉曼频移；光学谐振腔的输入耦合镜反射的泵浦光与光学谐振腔的部分透射泵浦光经分光镜反射后，射入锁定系统；锁定系统产生并输出锁定信号，加载至粘连在光学谐振腔内一腔镜后表面的压电陶瓷上，实现对光学谐振腔的实时锁定，使得泵浦光在谐振腔内实现放大，从而获得稳定高效的拉曼激光输出。本发明基于双共振腔结构实现拉曼激光，结构简单；可以有效地降低拉曼激光阈值，提高拉曼转化效率；由于采用锁定系统对光学谐振腔进行实时锁定，所以可产生稳定单频运转的拉曼激光。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明提供的一种双共振腔拉曼激光器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种双共振腔拉曼激光器输出激光的稳定性功率示意图；
图3为本发明提供的一种双共振腔拉曼激光器输出激光的单频特性曲线示意图；
图4为本发明提供的一种双共振腔拉曼激光器的另一实施方式的结构示意图；
图5为本发明提供的一种双共振腔拉曼激光器的又一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种双共振腔拉曼激光器，包括泵浦源1、耦合聚焦系统2、分光镜3、光学谐振腔4、拉曼增益晶体5、锁定系统6及压电陶瓷7；
泵浦源1产生的泵浦激光经耦合聚焦系统2后，空间传输模式与光学谐振腔的腔模进行精确匹配，射入光学谐振腔4内，拉曼增益晶体5设置于光学谐振腔4内腔膜的最小腰斑处，使泵浦激光进行拉曼频移；光学谐振腔4的输入耦合镜10反射的泵浦光与光学谐振腔4的部分透射泵浦光经分光镜3反射后，射入锁定系统6；锁定系统6产生并输出锁定信号，加载至粘连在光学谐振腔4内第二腔镜11后表面的压电陶瓷7上，实现对光学谐振腔4的实时锁定，使得泵浦光在谐振腔内实现放大，从而获得稳定高效的拉曼激光输出。
其中，泵浦源1为连续波单频激光器。
其中，耦合聚焦系统2为单个透镜或多个透镜，所有镜片通光面均镀有对泵浦光波长的减反膜。
其中，光学谐振腔4为环形腔结构，折叠腔结构或者线性腔结构。
实施例1
参阅图1，本发明提供了一种双共振腔拉曼激光器，包括泵浦源1、耦合聚焦系统2、分光镜3、光学谐振腔4、拉曼增益晶体5、锁定系统6及压电陶瓷7；其中耦合聚焦系统2由第一透镜8和第二透镜9组成，光学谐振腔4包括输入耦合镜10、第二腔镜11、第三腔镜12、输出耦合镜13和反射镜14，锁定系统6包括泵浦光波长的四分之一波片15、泵浦光波长的偏振分束棱镜16、第一光电探测器17、第二光电探测器18、减法器19、比例-积分-微分控制器20和高压放大器21。分光镜3反射的激光射入锁定系统6后，经过泵浦光波长的四分之一波片15和泵浦光波长的偏振分束棱镜16，经过偏振分束棱镜16射出两束光束，分别通过第一光电探测器17和第二光电探测器18接收，第一光电探测器17和第二光电探测器18输出的电信号经过减法器19后依次输入比例-积分-微分控制器20和高压放大器21，输出的锁定信号传输至压电陶瓷7。
泵浦源1为1064 nm连续波单频激光器，耦合聚焦系统2由焦距为200 mm和400 mm的凸透镜组成，光学谐振腔4为四镜8字环形谐振腔结构，拉曼增益晶体5为金刚石晶体。泵浦源1的输出端后放置有耦合聚焦系统2。光学谐振腔4中输入耦合镜10、第二腔镜11和导光镜14为平面镜，第三腔镜12和输出耦合镜13为凹面镜。泵浦激光通过耦合聚焦系统2后的空间传输模式与光学谐振腔4的腔模进行精确匹配，拉曼增益晶体5放置与第三腔镜12与输出耦合镜13之间。在输出耦合镜13后的其中一路光路中垂直放置导光镜14构成的腔外反射装置，用于保证拉曼谐振腔单向稳定运转，其中导光镜14的反射面镀有对拉曼光1240 nm的高反膜。在输入耦合镜10的反射方向放置分光镜3，使得输入耦合镜10反射的泵浦光进入锁定系统6，在其反射面镀有对泵浦光波长的高反膜。
为保证泵浦光与拉曼光在光学谐振腔4内双共振，输入耦合镜10的腔内反射面镀有对泵浦光1064 nm具有3.5%透射率的介质膜和对拉曼光1240 nm波长的高反膜，输出耦合镜13的凹面镀有对拉曼光1240 nm具有0.5%透射率的介质膜和对泵浦光1064 nm的高反膜，第二腔镜11和第三腔镜12的内表面镀有对泵浦光1064 nm和拉曼光1240 nm的高反膜。
光学谐振腔4的输入耦合镜10反射的泵浦光与光学谐振腔4的部分透射泵浦光经分光镜3反射后，通过1064 nm四分之一波片15和1064 nm偏振分束棱镜16分成两部分，利用第一光电探测器17和第二光电探测器18对其光强进行探测，生成的电信号经减法器19做减法处理后输入至比例-积分-微分控制器20生成锁定信号，然后通过高压放大器21对锁定信号做放大处理后加载至粘连在第二腔镜11后表面的压电陶瓷7上，通过压电陶瓷7长度的伸缩实现对光学谐振腔4的实时锁定。
当注入泵浦功率9.17 W时，利用锁定系统6对光学谐振腔4进行锁定，最高获得了1.48 W 的1240 nm拉曼激光。并且对其长期稳定性进行测试，如图2所示，30分钟内功率稳定性优于1.10%（RMS）。同时利用共焦型F-P干涉仪对其输出光束的纵模特性进行监测，由图3可知，激光器在最大输出功率状态运转时，可以保持稳定单频运转。
实施例2
如图4所示，本发明提供了一种双共振腔拉曼激光器，包括泵浦源1、耦合聚焦系统2、分光镜3、光学谐振腔4、拉曼增益晶体5、锁定系统6及压电陶瓷7，其中耦合聚焦系统2由第一透镜8和第二透镜9组成，光学谐振腔4包括输入耦合镜10、第二腔镜11和输出耦合镜13，锁定系统6包括泵浦光波长的四分之一波片15、泵浦光波长的偏振分束棱镜16、第一光电探测器17、第二光电探测器18、减法器19、比例-积分-微分控制器20和高压放大器21。
光学谐振腔4为折叠腔结构。泵浦源1的输出端后放置有耦合聚焦系统2和分光镜3。分光镜3在光路中倾斜放置，将光学谐振腔4的输入耦合镜10反射的泵浦光与光学谐振腔4的部分透射泵浦光从主光路中分离并使光束进入锁定系统6，在靠近泵浦源1一侧镀有对泵浦光波长的减反膜，远离泵浦源1一侧镀有对泵浦光波长有一定反射率的介质膜。光学谐振腔4中输入耦合镜10和输出耦合镜13为平面镜，第二腔镜11为凹面镜。泵浦激光通过耦合聚焦系统2后的空间传输模式与光学谐振腔4的腔模进行精确匹配，拉曼增益晶体5紧贴输入耦合镜10放置。
为保证泵浦光与拉曼光在光学谐振腔4内双共振，输入耦合镜10的腔内反射面镀有对泵浦光波长具有一定透射率的介质膜和对拉曼光波长的高反膜，输出耦合镜13的凹面镀有对拉曼光波长具有一定透射率的介质膜和对泵浦光波长的高反膜，第二腔镜11反射表面镀有对泵浦光波长和拉曼光波长的高反膜。
光学谐振腔4的输入耦合镜10反射的泵浦光与光学谐振腔4的部分透射泵浦光经分光镜3反射后，通过泵浦光波长的四分之一波片15和泵浦光波长的偏振分束棱镜16分成两部分，利用第一光电探测器17和第二光电探测器18对其光强进行探测，生成的电信号经减法器19做减法处理后输入至比例-积分-微分控制器20生成锁定信号，然后通过高压放大器21对锁定信号做放大处理后加载至粘连在第二腔镜11后表面的压电陶瓷7上，通过压电陶瓷7长度的伸缩实现对光学谐振腔4的实时锁定。
实施例3
如图5所示，本发明提供了一种双共振腔拉曼激光器，包括泵浦源1、耦合聚焦系统2、分光镜3、光学谐振腔4、拉曼增益晶体5、锁定系统6及压电陶瓷7，其中耦合聚焦系统2由第一透镜8和第二透镜9组成，光学谐振腔4包括输入耦合镜10和输出耦合镜13，锁定系统6包括泵浦光波长的四分之一波片15、泵浦光波长的偏振分束棱镜16、第一光电探测器17、第二光电探测器18、减法器19、比例-积分-微分控制器20和高压放大器21。
光学谐振腔4为线性腔结构。泵浦源1的输出端后放置有耦合聚焦系统2和分光镜3。分光镜3在光路中倾斜放置，将光学谐振腔4的输入耦合镜10反射的泵浦光与光学谐振腔4的部分透射泵浦光从主光路中分离并使光束进入锁定系统6，在靠近泵浦源1一侧镀有对泵浦光波长的减反膜，远离泵浦源1一侧镀有对泵浦光波长有一定反射率的介质膜。光学谐振腔4中输入耦合镜10为平面镜，输出耦合镜13为凹面镜。泵浦激光通过耦合聚焦系统2后的空间传输模式与光学谐振腔4的腔模进行精确匹配，拉曼增益晶体5紧贴输入耦合镜10放置。
为保证泵浦光与拉曼光在光学谐振腔4内双共振，输入耦合镜10的腔内反射面镀有对泵浦光波长具有一定透射率的介质膜和对拉曼光波长的高反膜，输出耦合镜13的凹面镀有对拉曼光波长具有一定透射率的介质膜和对泵浦光波长的高反膜。
光学谐振腔4的输入耦合镜10反射的泵浦光与光学谐振腔4的部分透射泵浦光经分光镜3反射后，通过泵浦光波长的四分之一波片15和泵浦光波长的偏振分束棱镜16分成两部分，利用第一光电探测器17和第二光电探测器18对其光强进行探测，生成的电信号经减法器19做减法处理后输入至比例-积分-微分控制器20生成锁定信号，然后通过高压放大器21对锁定信号做放大处理后加载至粘连在输出耦合镜13后表面的压电陶瓷7上，通过压电陶瓷7长度的伸缩实现对光学谐振腔4的实时锁定。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种双共振腔拉曼激光器，其特征在于，包括泵浦源、耦合聚焦系统、分光镜、光学谐振腔、拉曼增益晶体、锁定系统及压电陶瓷；
所述泵浦源产生的泵浦激光经耦合聚焦系统后，空间传输模式与光学谐振腔的腔模进行精确匹配，射入光学谐振腔内，所述拉曼增益晶体设置于所述光学谐振腔内腔膜的最小腰斑处，使泵浦激光进行拉曼频移；由所述光学谐振腔的输入耦合镜反射的泵浦光与光学谐振腔的部分透射泵浦光经分光镜反射后，射入锁定系统；锁定系统产生并输出锁定信号，加载至粘连在光学谐振腔一腔镜后表面的压电陶瓷上，实现对光学谐振腔的实时锁定，使得泵浦光在谐振腔内实现放大，从而获得稳定高效的拉曼激光输出。
2.根据权利要求1所述的双共振腔拉曼激光器，其特征在于，所述泵浦源为连续波单频激光器。
3.根据权利要求1所述的双共振腔拉曼激光器，其特征在于，所述耦合聚焦系统为单个透镜或多个透镜，所有镜片通光面均镀有对泵浦光波长的减反膜。
4.根据权利要求1所述的双共振腔拉曼激光器，其特征在于，所述光学谐振腔为环形腔结构，折叠腔结构或者线性腔结构。
5.根据权利要求4所述的双共振腔拉曼激光器，其特征在于，光学谐振腔为环形腔结构时，包括输入耦合镜、第二腔镜、第三腔镜、输出耦合镜和导光镜；其中，输入耦合镜、第二腔镜和导光镜为平面镜，第三腔镜和输出耦合镜为凹面镜；拉曼增益晶体放置于第三腔镜和输出耦合镜之间；输出耦合镜后的其中一路光路垂直放置导光镜，用于保证拉曼谐振腔单向稳定运转，其中导光镜的反射面镀有对拉曼光波长的高反膜；在输入耦合镜的反射方向放置分光镜，使得输入耦合镜反射的泵浦光与光学谐振腔的部分透射泵浦光进入锁定系统，在其反射面镀有对泵浦光波长的高反膜。
6.根据权利要求4所述的双共振腔拉曼激光器，其特征在于，光学谐振腔为折叠腔结构时，包括输入耦合镜、第二腔镜和输出耦合镜；所述分光镜倾斜放置于耦合聚焦系统和光学谐振腔之间，且朝向耦合聚焦系统的一侧镀设减反膜，远离耦合聚焦系统一侧镀有对泵浦光波长有一定反射率的介质膜；输入耦合镜和输出耦合镜为平面镜，第二腔镜为凹面镜；拉曼增益晶体设置于输入耦合镜和第二腔镜之间，且紧贴输入耦合镜设置；激光从分光镜射入光学谐振腔后，经过输入耦合镜和拉曼增益晶体后，经第二腔镜的反射作用，发射至输出耦合镜；输入耦合镜反射的泵浦光与光学谐振腔的部分透射泵浦光进入锁定系统。
7.根据权利要求4所述的双共振腔拉曼激光器，其特征在于，光学谐振腔为线性腔结构时，包括输入耦合镜和输出耦合镜；分光镜倾斜放置于耦合聚焦系统和光学谐振腔之间，且朝向耦合聚焦系统的一侧镀设减反膜，远离耦合聚焦系统一侧镀有对泵浦光波长有一定反射率的介质膜；输入耦合镜为平面镜，输出耦合镜为凹面镜；拉曼增益晶体设置于输入耦合镜和输出耦合镜之间，且紧贴输入耦合镜设置；激光从分光镜射入光学谐振腔后，经过输入耦合镜和拉曼增益晶体后，发射至输出耦合镜；输入耦合镜反射的泵浦光与光学谐振腔的部分透射泵浦光进入锁定系统。
8.根据权利要求1-7任一所述的双共振腔拉曼激光器，其特征在于，所述输入耦合镜腔内反射面镀有对泵浦光波长具有一定透射率的介质膜和对拉曼光波长的高反膜，输出耦合镜的腔内反射面镀有对拉曼光波长具有一定透射率的介质膜和对泵浦光波长的高反膜，其余腔镜反射面镀有对泵浦光波长和拉曼光波长的高反膜。
9.根据权利要求1所述的双共振腔拉曼激光器，其特征在于，所述拉曼增益晶体为金刚石晶体、碘酸锂晶体、硝酸钡晶体、钨酸钾钆晶体、钨酸钡晶体或者钒酸钇晶体，晶体两通光均镀有泵浦光与产生拉曼光波长的减反膜；所述锁定系统为H-C偏振锁定系统、P-D-H锁定系统或者锁模系统。
10.根据权利要求8所述的双共振腔拉曼激光器，其特征在于，所述高反膜的反射率＞99.9%，一定透射率的透射率在0.5% - 25%；减反膜的反射率＜0.01%。
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