CN113363798B - 一种可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器，包括沿光路依序设置的泵浦源、准直透镜、聚焦透镜和激光谐振腔；其中，所述泵浦源、准直透镜、聚焦透镜和激光谐振腔均位于同一水平光轴上且垂直设置；另外，经泵浦源发出的泵浦光经过准直透镜准直后，入射至聚焦透镜，由聚焦透镜进行聚焦于激光谐振腔，且聚焦形成的泵浦光斑经过激光谐振腔后，输出高光学效率的宽带多纵模激光；本方案的激光器腔长极短无需特殊设计、结构简单、成本低，有利于实现激光器的小型化、集成化，与如今多波长激光器的发展趋势一致，且本方案没有在激光腔内外插入额外的光学元件就能得到宽带多纵模的激光输出且输出激光的光学转换效率高。

Description

一种可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器

技术领域

本发明涉及多波长激光器技术领域，尤其涉及一种可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器。

背景技术

多波长激光器如今被频繁的使用在激光医疗^[1]、光学传感^[2]、光通信^[3]、非线性频率转换^[4]、激光雷达^[5]、产生太赫兹波^[6]等领域。产生多波长激光的方法主要是在激光腔内插入额外的光学元件，利用不同激光晶体的发射截面，通过调整腔长和腔镜的镀膜曲线实现。额外插入的光学元件、特殊设计的镀膜和激光谐振腔腔长度增加了激光器的成本且设计复杂不利于推广。然而利用激光晶体自身的发射谱线产生多纵模激光受到带宽的限制，无法展宽很多，所以利用受激拉曼散射效应来弥补这一缺点。受激拉曼散射效应作为一种三阶非线性效应，不仅可以拓宽激光的波长，且是一种无需相位匹配的变频技术，而且具有光束净化和脉宽压缩的效果，在产生多波长激光方面具有独特的优势。而自拉曼晶体同时充当增益介质和拉曼介质产生的热效应无法避免，限制了输出功率，很难实现高光学效率输出。

参考文献：

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发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种结构简单、高效且能够获得高光学效率的宽带多纵模激光输出的可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器。

为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：

一种可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器，包括沿光路依序设置的泵浦源、准直透镜、聚焦透镜和激光谐振腔；

其中，所述泵浦源、准直透镜、聚焦透镜和激光谐振腔均位于同一水平光轴上且垂直设置；

另外，经泵浦源发出的泵浦光经过准直透镜准直后，入射至聚焦透镜，由聚焦透镜进行聚焦于激光谐振腔，且聚焦形成的泵浦光斑经过激光谐振腔后，输出高光学效率的宽带多纵模激光。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述聚焦透镜和激光谐振腔均固定于同一三维调准架上且可同时在水平光轴方向移动；聚焦透镜和准直透镜间的距离可以通过三维调准架调控，使得泵浦在激光谐振腔上的泵浦光光斑半径不同，可以获得光学效率和光谱覆盖范围不同的宽带多纵模激光，同时优化拉曼晶体的长度获得不同的拉曼增益，产生高阶拉曼光，还能进一步拓宽光谱覆盖范围。本发明通过该激光器获得了光谱覆盖范围最大为66.4nm的宽带多纵模激光。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述泵浦光经聚焦透镜进行聚焦于激光谐振腔接近聚焦透镜的一侧表面。

在实际应用中，考虑到激光器小型化、集成化的要求，作为一种较优的实施选择，优选的，所述准直透镜和聚焦透镜的焦距为8～15mm；且准直透镜和聚焦透镜之间的间距为95～115mm。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述泵浦源为中心波长为940nm的光纤耦合的准连续发光二极管，其光纤的芯径为200μm，数值孔径NA为0.22，该泵浦源的最大输出功率为100W，且泵源脉宽设置为0.9ms，重复频率为10 Hz，该泵浦源的输出模式为斩波方式实现；激光二极管的波长选择与所选激光晶体的吸收峰波长有关，都是由所需的激光波长决定，可通过理论计算得到。

而泵浦源的选择方案基于如下几点进行考量：

1.准连续LD具有较高的泵浦强度，使得激光腔内的基频光强度比连续光泵浦时的腔内强度要高许多，因此更容易达到拉曼光产生的阈值；

2.准连续LD散热效果好，能减轻激光器的热效应；

3.由于Yb:YAG晶体的荧光寿命是0.9ms，故设置泵浦脉宽为0.9ms，即保证了Yb³⁺离子有足够的时间累积反转粒子数，又降低了泵浦脉宽避免热效应；

4.泵浦重复频率设置为10Hz考虑到了适当的降低准连续泵浦源的重复频率有助于减轻热效应提高光光转换效率。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述激光谐振腔由激光晶体和拉曼晶体贴合组成；

其中，激光晶体位于激光谐振腔接近聚焦透镜的一侧，且激光晶体朝向聚焦透镜的一面镀有对第一波长入射的增透膜和对第二波长反射的高反膜；所述拉曼晶体面向激光晶体一面镀有对第三波长入射的增透膜，其远离激光晶体的一面作为输出腔镜且镀有对第四波长反射的高反膜；

另外，所述第一波长与泵浦源发出泵浦光的工作波长相适应。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述的拉曼晶体为a-cut YVO₄晶体，所述的激光晶体为20at.％掺杂的Yb:YAG晶体，其厚度优选为1mm。

激光晶体的选择方案主要基于如下几点进行考量：

1.Yb:YAG晶体能实现高掺杂浓度(20％)，不会有浓度淬灭现象，高掺杂浓度有利于泵浦光的吸收，同时能加强1030nm处的自吸收损耗，得到更多1050 nm基频光输出；

2.Yb:YAG晶体具有宽吸收线宽，对泵浦源的温控要求低；

3.发射线宽较宽，有利于产生多波长激光。

拉曼晶体选用a-切割的YVO₄晶体，其厚度优选为1.5mm和2mm。

拉曼晶体的选择方案主要基于如下几点进行考量：

1.YVO₄晶体损伤阈值较高；

2.物化性质稳定，空气中不易潮解；

3.拉曼增益系数较高；

4.具有较宽的透光范围；

5.具有多条拉曼频移谱线(其中包括161cm^-1和259cm^-1这样的小拉曼频移谱线，有利于基频光和拉曼光连在一起)；

6.受激拉曼散射转换过程中产生拉曼激光输出对基频光的波长进行调制，使得远离光谱中心的低增益光谱发生振荡，从而进一步拓宽基频光的光谱范围。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述第一波长为940nm，所述第二波长、第三波长和第四波长均为1030～1100nm。

作为一种较优的实施选择，优选的，所述激光晶体和拉曼晶体上镀设的高反膜的反射率均大于99.5％，拉曼晶体上反射膜的对不同波长透过率为T≈ 0.6％@1030nm，T≈0.5％@1050nm，T≈0.3％@1060-1110nm。

基于上述装置方案，本发明还提供一种输出高光学效率宽带多纵模激光的方法，其包括上述所述的可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器，所述方法包括如下步骤：

S01、保持泵浦源和准直透镜位置不变；

S02、沿光轴方向移动聚焦透镜，令激光谐振腔同步移动，使经聚焦透镜聚焦于激光谐振腔表面的泵浦光斑的半径变化，同时标记准直透镜与聚焦透镜之间的间距；

S03、根据高斯光束的ABCD矩阵计算，获得聚焦在激光谐振腔表面的泵浦光斑半径；

S04、启动泵浦源，从泵浦源发出的泵浦光先经过准直透镜进行准直，再通过聚焦透镜聚焦于激光谐振腔，聚焦后的泵浦光斑经过激光谐振腔后，输出对应光学效率的宽带多纵模激光；

S05、调整泵浦源的输出功率或调整准直透镜和聚焦透镜的间距，令激光谐振腔输出激光的纵模数和光谱宽度跟随变化；

S06、记录工作参数。

采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：

1、本发明方案的激光器腔长极短无需特殊设计、结构简单、成本低，有利于实现激光器的小型化、集成化，与如今多波长激光器的发展趋势一致。

2、本发明方案没有在激光腔内外插入额外的光学元件就能得到宽带多纵模的激光输出且输出激光的光学转换效率高。

3、本发明方案在选择好拉曼晶体的长度后，只需要移动聚焦透镜在水平方向的位置和升高泵浦功率就能获得宽带多纵模激光输出，操作简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明激光器的简要结构示意图；

图2为拉曼晶体厚度为1.5mm，准直透镜与聚焦透镜间距离为100mm时获得的宽带多纵模激光光谱图；

图3为拉曼晶体厚度为1.5mm，准直透镜与聚焦透镜间距离为105mm时获得的宽带多纵模激光光谱图；

图4为拉曼晶体厚度为1.5mm，准直透镜与聚焦透镜间距离为110mm时获得的宽带多纵模激光光谱图；

图5为拉曼晶体厚度为2mm，准直透镜与聚焦透镜间距离为100mm时获得的宽带多纵模激光光谱图；

图6为拉曼晶体厚度为2mm，准直透镜与聚焦透镜间距离为105mm时获得的宽带多纵模激光光谱图；

图7为拉曼晶体厚度为2mm，准直透镜与聚焦透镜间距离为110mm时获得的宽带多纵模激光光谱图；

附图标记：泵浦源1，准直透镜2，聚焦透镜3，激光晶体4，拉曼晶体5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明激光器包括沿光路依次设置的泵浦源1、准直透镜2、聚焦透镜3、激光晶体4、拉曼晶体5，其中激光晶体4和拉曼晶体5形成激光谐振腔。

所述泵浦源1、准直透镜2、聚焦透镜3、激光晶体4、拉曼晶体5固定在同一水平光轴上(即X轴)垂直放置；所述聚焦透镜3、激光晶体4和拉曼晶体5安装于同一三维调准架上，使得聚焦透镜3在水平方向移动时，激光晶体 4和拉曼晶体5也随着聚焦透镜3而水平移动，保证只需移动聚焦透镜3便可改变泵浦在激光晶体4表面上的泵浦光光斑半径。

准直透镜2和聚焦透镜3的焦距均为8mm，准直透镜2和聚焦透镜3的间距在95mm～115mm可调。

所述激光晶体4和拉曼晶体5通过紫铜夹具紧密贴合在一起构成激光谐振腔，且激光晶体4朝向聚焦透镜3；所述激光腔位于聚焦透镜3焦点处。

以下结合两个具体实例对本发明激光器进行输出高光学效率的宽带多纵模激光进行阐述：

实施例1

结合图1所示，本实施例中，所述激光晶体4选用1mm厚20at％掺杂的 Yb:YAG晶体；所述拉曼晶体5选择厚度为1.5mm的a-cut YVO₄晶体。

所述激光晶体4朝向聚焦透镜3的一面镀有对940nm泵浦光的增透膜和对波长1030～1100nm的高反膜，作为激光谐振腔的入射腔镜。所述拉曼晶体5 面向激光晶体4的一面镀有对1030～1100nm的增透膜，另一面镀有对1030～ 1100nm的高反膜，作为激光谐振腔的输出腔镜。所述反射膜对1030～1100nm 激光的反射率均大于99.5％。

所述泵浦源1选用中心波长为940nm的光纤耦合的准连续发光二极管，光纤芯径为200μm，数值孔径(NA)为0.22，泵浦源最大输出功为100W，设置泵浦脉宽为0.9ms，重复频率为10Hz，准连续泵浦的输出模式是以斩波的方式实现的。

本实施例的光路如下：从泵浦源1发出的泵浦光先经过准直透镜2进行准直，在通过聚焦透镜3聚焦，聚焦后的泵浦光斑经过激光谐振腔后输出高光学效率的宽带多纵模激光。

本实施例的实验方法如下：

固定泵浦源1和准直透镜2的位置不变，沿水平方向(X轴方向)移动聚焦透镜3，将准直透镜2与聚焦透镜3之间的距离记为Δx，聚焦在激光晶体表面的泵浦光斑半径可由高斯光束的ABCD矩阵计算得到。

当Δx＝100mm时，经过准直透镜和聚焦透镜整形的泵浦光斑半径为97μm。随着泵浦功率升高，输出激光的纵模数和光谱宽度都随之增加。在泵浦功率Pin＝35.6W时，获得的宽带多纵模激光光谱如图2所示。该激光光谱中1050nm 基频光和1079nm一阶拉曼光(这里将1068nm和1079nm一阶拉曼光当作整体)均呈多纵模形式，二者连在了一起。光谱覆盖范围从1046.89nm到1079.6 nm，宽度约为32.71nm，多纵模的个数为165。

当Δx＝105mm时，经过准直透镜和聚焦透镜整形的泵浦光斑半径为90μm。随着泵浦功率升高，输出激光的纵模数和光谱宽度都随之增加。在泵浦功率 Pin＝35.6W时，获得的宽带多纵模激光光谱如图3所示。1050nm基频光和1079 nm一阶拉曼光更好的连接在一起。该激光光谱覆盖范围从1046.85nm到 1080.83nm，宽度约为33.98nm，多纵模的个数为164。

当Δx＝110mm时，经过准直透镜和聚焦透镜整形的泵浦光斑半径为84μm。随着泵浦功率升高，输出激光的纵模数和光谱宽度也都随之增加。在泵浦功率 Pin＝35.6W时，获得的宽带多纵模激光光谱如图4所示。1050nm基频光和1079 nm一阶拉曼光连接在一起，后者占了大多数的能量。该激光光谱覆盖范围从 1047.8nm到1083.22nm，宽度约为35.42nm，多纵模的个数为140。

经上述图2、3、4所示，本实施例通过调节Δx的值能获得基频光和一阶拉曼光占比不同的宽带多纵模激光输出。此外，调节Δx的值在更精确的位置，可以获得基频光和拉曼光连接更好，激光光谱更加平坦的宽带多纵模激光。

通过本实施例获得的宽带多纵模激光还具有可观的输出能量和光学效率。

Δx＝100mm时，激光器获得最大输出能量为11.36mJ，相应的光学效率为 35.4％。

Δx＝105mm时，激光器获得最大输出能量为10.13mJ，相应的光学效率为 32.4％。

Δx＝110mm时，激光器获得最大输出能量为8.97mJ，相应的光学效率为 29.1％。

因此，利用本实施例可以获得具有高光学效率的宽带多纵模激光。

实施例2

结合图1所示，本实施例与实施例1大致相同，本实施例与实施例1不同之处是，本实施例将拉曼晶体5换成了厚度为2mm的a-cut YVO₄晶体。泵浦源1、准直透镜2、聚焦透镜3、激光晶体4、光路和实验方法均与实施例1相同。

本实施例在实施例1的基础上产生了1110nm的二阶拉曼光，扩大了输出激光光谱范围。

当Δx＝100mm时，经过准直透镜和聚焦透镜整形的泵浦光斑半径为97μm。随着泵浦功率升高，输出激光的纵模数和光谱宽度都随之增加。在泵浦功率 P_in＝35.6W时，获得的宽带多纵模激光光谱如图5所示。该激光光谱中1050nm 基频光、1079nm一阶拉曼光和1110nm二阶拉曼光均呈多纵模形式，三者没有连在一起。其中1050nm基频光的光谱覆盖范围分别是从1047.22nm到 1063.78nm，宽度约为16.56nm，多纵模的个数为99。1079nm一阶拉曼光的光谱范围从1065.11nm到1091.21nm，宽度约为26.1nm，多纵模的个数为134。 1110nm二阶拉曼光的光谱范围从1103.05nm到1113.91nm，宽度约为10.86nm，多纵模的个数为67。

当Δx＝105mm时，经过准直透镜和聚焦透镜整形的泵浦光斑半径为90μm。随着泵浦功率升高，输出激光的纵模数和光谱宽度都随之增加。在泵浦功率 Pin＝35.6W时，获得的宽带多纵模激光光谱如图6所示。该激光光谱中1050nm 基频光、1079nm一阶拉曼光和1110nm二阶拉曼光连在一起，激光光谱覆盖范围从1046.21nm到1112.61nm，宽度约为66.4nm，该范围内共计324根纵模。

当Δx＝110mm时，经过准直透镜和聚焦透镜整形的泵浦光斑半径为84μm。随着泵浦功率升高，输出激光的纵模数和光谱宽度都随之增加。在泵浦功率 Pin＝35.6W时，获得的宽带多纵模激光光谱如图7所示。其中1050nm基频光的光谱覆盖范围分别是从1047.18nm到1059.54nm，宽度约为12.36nm，多纵模的个数为62。1079nm一阶拉曼光的光谱范围从1067.12nm到1086.29nm，宽度约为19.17nm，多纵模的个数为100。1110nm二阶拉曼光的光谱范围从1103.64nm到1112.47nm，宽度约为8.83nm，多纵模的个数为17。

经上述图5、6、7所示，本实施例通过调节Δx的值能获得基频光、一阶拉曼光和二阶拉曼占比不同的宽带多纵模激光输出。此外，调节Δx的值在更精确的位置，可以获得基频光、一阶拉曼光和二阶拉曼光连接更好，激光光谱更加平坦的宽带多纵模激光。

通过本实施例获得的宽带多纵模激光还具有可观的输出能量和光学效率。

Δx＝100mm时，激光器获得最大输出能量为9.65mJ，相应的光学效率为 30.1％。

Δx＝105mm时，激光器获得最大输出能量为8.99mJ，相应的光学效率为 28.7％。

Δx＝110mm时，激光器获得最大输出能量为7.47mJ，相应的光学效率为 24.2％。

因此，利用本发明可以获得具有高光学效率的宽带多纵模激光。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器，其特征在于，包括沿光路依序设置的泵浦源、准直透镜、聚焦透镜和激光谐振腔；

其中，所述泵浦源、准直透镜、聚焦透镜和激光谐振腔均位于同一水平光轴上且垂直设置；

另外，经泵浦源发出的泵浦光经过准直透镜准直后，入射至聚焦透镜，由聚焦透镜进行聚焦于激光谐振腔，且聚焦形成的泵浦光斑经过激光谐振腔后，输出高光学效率的宽带多纵模激光；

所述激光谐振腔由激光晶体和拉曼晶体贴合组成；

所述聚焦透镜和激光谐振腔均固定于同一三维调准架上且可同时在水平光轴方向移动；

所述泵浦光经聚焦透镜进行聚焦于激光谐振腔接近聚焦透镜的一侧表面，通过调节准直透镜与聚焦透镜之间的距离Δx以获得基频光和拉曼光占比不同的宽带多纵模激光输出。

2.如权利要求1所述的可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器，其特征在于，所述准直透镜和聚焦透镜的焦距为8～15 mm；且准直透镜和聚焦透镜之间的间距为95～115mm。

3.如权利要求1所述的可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器，其特征在于，所述泵浦源为中心波长为940 nm的光纤耦合的准连续发光二极管，其光纤的芯径为200 µm，数值孔径NA为0.22，该泵浦源的最大输出功率为100 W，且泵源脉宽设置为0.9 ms，重复频率为10 Hz，该泵浦源的输出模式为斩波方式实现。

4.如权利要求1至3之一所述的可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器，其特征在于，其中，激光晶体位于激光谐振腔接近聚焦透镜的一侧，且激光晶体朝向聚焦透镜的一面镀有对第一波长入射的增透膜和对第二波长反射的高反膜；所述拉曼晶体面向激光晶体一面镀有对第三波长入射的增透膜，其远离激光晶体的一面作为输出腔镜且镀有对第四波长反射的高反膜；

另外，所述第一波长与泵浦源发出泵浦光的工作波长相适应。

5.如权利要求4所述的可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器，其特征在于，所述的拉曼晶体为a-cut YVO₄晶体，所述的激光晶体为20 at.%掺杂的Yb:YAG晶体。

6.如权利要求4所述的可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器，其特征在于，所述第一波长为940 nm，所述第二波长、第三波长和第四波长均为1030～1100 nm。

7.如权利要求4所述的可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器，其特征在于，所述激光晶体和拉曼晶体上镀设的高反膜的反射率均大于99.5%。

8.一种输出高光学效率宽带多纵模激光的方法，其特征在于：其包括如权利要求1至7之一所述的可调控高光学效率宽带多纵模拉曼微片激光器，所述方法包括如下步骤：

S01、保持泵浦源和准直透镜位置不变；

S02、沿光轴方向移动聚焦透镜，令激光谐振腔同步移动，使经聚焦透镜聚焦于激光谐振腔表面的泵浦光斑的半径变化，同时标记准直透镜与聚焦透镜之间的间距；

S03、根据高斯光束的ABCD矩阵计算，获得聚焦在激光谐振腔表面的泵浦光斑半径；

S04、启动泵浦源，从泵浦源发出的泵浦光先经过准直透镜进行准直，再通过聚焦透镜聚焦于激光谐振腔，聚焦后的泵浦光斑经过激光谐振腔后，输出对应光学效率的宽带多纵模激光；

S05、调整泵浦源的输出功率或调整准直透镜和聚焦透镜的间距，令激光谐振腔输出激光的纵模数和光谱宽度跟随变化；

S06、记录工作参数。

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