CN114336248A

CN114336248A - 一种通过控制气体密度实现波长精密调谐的拉曼激光器

Info

Publication number: CN114336248A
Application number: CN202011079989.1A
Authority: CN
Inventors: 蔡向龙; 郭敬为; 李仲慧; 郑天成; 沈陈诚; 刘金波
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2020-10-10
Filing date: 2020-10-10
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明提供了一种通过气体密度调节实现输出波长精细调谐的拉曼变频激光器，拉曼激光器包括：泵浦激光器，用于输出光束平行的泵浦激光；聚焦透镜和波长变换器，所述聚焦透镜用于将泵浦激光聚焦到波长变换器中，所述波长变换器用于产生拉曼激光输出；气体供应源，用于向波长变换器内供应拉曼活性气体；气压调节装置，用于控制波长变换器内部拉曼活性气体的密度。本发明通过改变拉曼介质的密度实现对拉曼转换波长的精确调谐。

Description

一种通过控制气体密度实现波长精密调谐的拉曼激光器

技术领域

本发明属于激光器领域，具体涉及一种通过气体密度调节实现输出波长精细调谐的拉曼变频激光器。

技术背景

激光是一种特殊光源，其具有单色性(输出波长单一)，但是目前单一类别的激光器并不能产生所有的波长，为了丰富波长种类，满足不同的波长需求，就需要对目前现有的激光波长加以转换，通过波长的转换来产生需要的波长。

受激拉曼是一种重要的激光变频方法，国内外对受激拉曼激光变频技术都做了大量的研究和应用。实现的拉曼变频的大范围调节，通常都在几百个波数以上，例如气体的振动拉曼频移能够达到几千个波数，转动拉曼频移至少也有几百个波数，晶体拉曼频移通常也有几百波数。目前的研究主要集中的对波长的大跨度调节，而在有些应用中需要对输出激光的波长进行微小和精细的调节。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种激光变频装置，通过气体介质的气体密度变化实现拉曼激光波长的精细调节。

本发明的技术方案如下：

一种通过气体密度调节实现输出波长精细调谐的拉曼激光器，其主要组成有两大部分：泵浦激光源、波长变换器。

具体地，所述拉曼激光器包括：

泵浦激光器，用于输出光束平行的泵浦激光；

波长变换器，用于将所述泵浦激光转化为拉曼激光输出；

聚焦透镜，用于将所述泵浦激光聚焦到波长变换器中；

气体供应源，用于向波长变换器内供应拉曼活性气体；

气压调节装置，用于控制波长变换器内部拉曼活性气体的密度。

基于上述方案，优选地，所述气体供应源包括气瓶，所述气瓶与所述波长变换器通过气路相连通；所述气压调节装置包括气体压力表、充气阀门和气压释放阀门；所述气体压力表用于读取所述波长变换器内的气体压强；所述充气阀门安装于所述气路上，所述充气阀门和气压释放阀门用于控制所述波长变换器内部气体的充放。

所述气压调节装置还包括真空泵，所述真空泵用于降低所述波长变换器内部的气体密度。所述真空泵可以外接于所述气压释放阀门处，可以将波长变换器内部的气体密度降至更低的范围，拓宽拉曼激光的调谐范围。

基于上述方案，优选地，如附图中的图1所示：所述波长变换器包括拉曼池，所述拉曼池沿长度方向的中心轴线与所述泵浦激光光束的中心轴线相重合；所述拉曼池沿光束传输方向的两端分别安装有拉曼池窗口一和拉曼池窗口二。拉曼池窗口一和拉曼池窗口二的中轴线要保证与泵浦激光光束的中心轴线重合；拉曼池两侧焊接有两根与外界相连接的管路，分别连接着气压表、气体充放阀门。

其中，聚焦透镜的焦距长度要与拉曼池长度相互匹配，例如，一米长的拉曼池要采用半米长的聚焦透镜。

基于上述方案，优选地，所述拉曼池为中空的管状容器；所述拉曼池可承受高压，所述压力范围为0.01～5.00MPa；所述拉曼池窗口一的表面镀有泵浦激光增透膜；所述拉曼池窗口二的表面镀有泵浦激光和拉曼激光增透膜。

基于上述方案，优选地，如附图中的图2所示：所述拉曼池内部设有石英毛细管和毛细管固定件；所述石英毛细管沿长度方向的中心轴线与所述拉曼池的中心轴线相重合；所述聚焦透镜将泵浦激光聚集到石英毛细管中，于石英毛细管内产生拉曼激光输出。

基于上述方案，优选地，所述拉曼活性气体包括氮气、氧气、甲烷中的任意一种；所述泵浦激光包括紫外光、可见光、红外光中的任意一种。

基于上述方案，优选地，如附图中的图3所示：所述拉曼池分为两部分，记为拉曼池输入端和拉曼池输出端；所述拉曼池输入端和拉曼池输出端之间设有光子晶体光纤；所述光子晶体光纤的两端各连有一个固定管；所述两个固定管分别与拉曼池输入端和拉曼池输出端相连通并固定；所述两个固定管沿长度方向的中心轴线与所述泵浦激光光束的中心轴线相重合；

所述聚焦透镜将泵浦激光收集到光子晶体光纤中，通过光子晶体光纤后产生拉曼激光输出；

所述气体供应源通过拉曼池输入端向光子晶体光纤内供应拉曼活性气体；所述气压调节装置通过拉曼池输入端和拉曼池输出端控制光子晶体光纤内部拉曼活性气体的密度。

其中，光子晶体光纤通过带隙设计要满足泵浦激光波长与拉曼激光波长在其中低损耗传输。

上述拉曼激光器实现的过程如下：如图1所示，泵浦激光从泵浦激光器输出，通过聚焦透镜后将泵浦激光聚焦到拉曼池中，直接产生拉曼激光输出；或者如图2所示，将泵浦激光聚焦于拉曼池的石英毛细管中，穿过毛细管后产生拉曼激光从拉曼池的另外一端输出到拉曼管外；或者如图3所示，泵浦激光通过聚焦透镜后被收集于拉曼池一端的空芯光子晶体光纤中，通过空芯光子晶体光纤后从拉曼池的另外一端输出到拉曼池外。

本发明的气体密度通过气压控制而改变，具体的实现过程如下：通过控制气瓶和充气阀门来实现气压的上升，气压上升即实现了拉曼介质密度的提升；通过气体释放阀门以控制拉曼池、空心光子晶体光纤、石英毛细管中的气体压强，压强的释放就可以控制气体密度的变化。图1-3中的装置同时适用上述的气体密度的调节方法。

本发明通过受激拉曼散射效应实现激光波长转换，通过现有成品激光器，例如：固体Nd:YAG及其倍频、合频、参量振荡等方法产生的各种波长的激光作为泵浦光源，通过拉曼介质后产生一种不同于泵浦激光的激光源。其中的关键是通过改变拉曼介质的密度实现对拉曼转换波长的精确调谐，原理是分子的能级布居会随着介质密度的变化而改变，例如甲烷气体同一气体温100℃条件下，密度从0.02973g/cm³变化到0.11278g/cm³对应的拉曼频移可以从2917.62cm^-1变化到2915.53cm^-1，因此通过拉曼介质的密度可以对拉曼激光的输出波长实现精密的调谐。

有益效果

1、本发明优点在于(1)可以实现激光器的波长变换；(2)在激光波长大幅度变换的基础上可以对拉曼激光的波长做精细的调节；(3)设计中使用了石英毛细管与光子晶体光纤等方法提高变频激光的光转换效率。

2、本发明首次提出关于拉曼激光变频中频移微调节的方法，即通过改变拉曼介质密度的方法以实现拉曼激光波长的精细调节，通常调节精度可以达到10^-2cm^-1，调节范围在十几个波数范围内。本发明可以实现对激光波长大幅度调节的同时，通过介质的密度控制实现拉曼频移的微调节，最终实现拉曼激光波长的精确调节。

3、本发明的拉曼激光器可以应用在激光波长大范围转换和特定激光波长精密调谐领域，该设计是将现有的成品激光器输出波长通过拉曼池后实现波长在上千个波数的大范围移动，与此同时通过气体密度的控制可以实现激光波长在几个波数内微小的范围内精细调谐。该技术可以应用在激光变频领域，可以应用在一些对波长微小移动比较敏感的应用中，例如一些物质的光谱探测，激光在大气中传输中通过波长精细调谐可以通过有效的避开大气中的水吸收峰等等。

附图说明

图1通过气体密度调节实现输出波长精细调谐的拉曼激光器结构示意图；

图2拉曼池内部加装石英毛细管的结构示意图(方案一)；

图3拉曼池内部加装空芯光子晶体光纤的结构示意图(方案二)；

图中的器件名称如下：

1、泵浦激光器；2、聚焦透镜；3、拉曼池窗口一；4、拉曼池窗口二；5、拉曼池；6、气体压力表；7、气压释放阀门；8、充气阀门；9、气瓶；10、固定管一；11、固定管二；12、空芯光子晶体光纤；13、石英毛细管；14、毛细管固定件。

具体实施方式

为详细描述本发明的具体工作过程及使用方法，结合实际应用情况，举例说明本发明的具体实施方式。

实施例1

如图1所示，一种通过气体密度调节实现输出波长精细调谐的拉曼激光器，产生一级斯托克斯激光。采用输出波长在1064nm的固体Nd:YAG激光器泵浦甲烷产生1543nm左右可以精细调谐的拉曼激光。

根据附图中的图1，拉曼激光器工作过程如下：

第一步：泵浦激光聚焦输入到拉曼池中；

第二步：通过充气阀门、气瓶、气压释放阀门的配合控制可以调节拉曼池中的甲烷气体密度；

第三步：对输出的拉曼激光采用波长计进行检测，并根据波长的需要设置合理的甲烷气体密度。

在一定的温度条件下，甲烷气体的密度与温度的关系如下表所示：

密度g/cm<sup>3</sup>	频移cm<sup>-1</sup>	温度℃
			0.000271	2918.21	22
0.000768	2918.23	22
			0.002816	2918.15	22
0.006561	2918.07	22
			0.011912	2917.89	22
0.025568	2917.60	22
			0.063877	2916.54	22
0.11304	2915.28	22
			0.14488	2914.49	22
0.18719	2913.49	22
			0.21551	2912.84	22
0.23923	2912.36	22
			0.25775	2912.00	22
0.28123	2911.60	22
			0.2883	2911.49	22
0.29595	2911.39	22

实施例2

按照图2的装置，可以将石英毛细管加装到拉曼池中，以降低受激拉曼的阈值，实现泵浦激光的高效率转换。

上述装置的实施过程可以为，将532nm的激光作为泵浦激光，在拉曼池中充装高纯度的氮气，气压范围可以从0.01～8.00MPa，通过聚焦透镜将532nm的泵浦激光收集到石英毛细管中，通过气体压力的控制可以实现拉曼激光波长在607.16～607.28nm左右精细的调谐。

实施例3

采用IPG商业化的光纤激光作为泵浦激光源，其波长为1070nm，通过图3的装置，可以将IPG光纤激光聚焦收集到空芯光子晶体光纤中，在拉曼池中充入高纯度甲烷，可以将1064nm波长激光转换到2800nm，再通过甲烷气体密度的调节就可以实现拉曼波长在2800nm附近精细的调谐，气压范围为0.000271～0.29595g/cm³，通过气体压力的控制可以实现拉曼激光波长在2807.35～2796.64nm左右精细的调谐。

Claims

1.一种拉曼激光器，其特征在于，所述拉曼激光器包括：

泵浦激光器(1)，用于输出光束平行的泵浦激光；

波长变换器，用于将所述泵浦激光转化为拉曼激光输出；

聚焦透镜(2)，用于将所述泵浦激光聚焦到波长变换器中；

气体供应源，用于向波长变换器内供应拉曼活性气体；

2.根据权利要求1所述的拉曼激光器，其特征在于，

所述气体供应源包括气瓶(9)，所述气瓶(9)与所述波长变换器通过气路相连通；

所述气压调节装置包括气体压力表(6)、充气阀门(8)和气压释放阀门(7)；所述气体压力表(6)用于读取所述波长变换器内的气体压强；所述充气阀门(8)和气压释放阀门用于控制所述波长变换器内部气体的充放。

3.根据权利要求1所述的拉曼激光器，其特征在于，所述波长变换器包括拉曼池(5)，所述拉曼池(5)沿长度方向的中心轴线与所述泵浦激光光束的中心轴线相重合；所述拉曼池(5)沿光束传输方向的两端分别安装有拉曼池窗口一(3)和拉曼池窗口二(4)。

4.根据权利要求3所述的拉曼激光器，其特征在于：所述拉曼池(5)为中空的管状容器；所述拉曼池(5)可承受的高压范围为0.01～5MPa；

所述拉曼池窗口一(3)的表面镀有泵浦激光增透膜；所述拉曼池窗口二(4)的表面镀有泵浦激光和拉曼激光增透膜。

5.根据权利要求3所述的拉曼激光器，其特征在于：所述拉曼池(5)内部设有石英毛细管(10)和毛细管固定件(14)；所述石英毛细管(10)沿长度方向的中心轴线与所述拉曼池的中心轴线相重合；所述聚焦透镜(2)将泵浦激光聚集到石英毛细管(10)中，穿过石英毛细管(10)后产生拉曼激光输出。

6.根据权利要求3所述的拉曼激光器，其特征在于：所述拉曼池分为两部分，记为拉曼池输入端和拉曼池输出端；所述拉曼池输入端和拉曼池输出端之间设有光子晶体光纤(12)；所述光子晶体光纤的两端各连有一个固定管；所述两个固定管分别与拉曼池输入端和拉曼池输出端相连通并固定；所述两个固定管沿长度方向的中心轴线与所述泵浦激光光束的中心轴线相重合；

所述聚焦透镜(2)将泵浦激光收集到光子晶体光纤(12)中，通过光子晶体光纤(12)后产生拉曼激光输出；

7.根据权利要求1所述的拉曼激光器，其特征在于，所述拉曼活性气体包括氮气、氧气、甲烷中的任意一种；所述泵浦激光包括紫外光、可见光、红外光中的任意一种。

8.根据权利要求2所述的拉曼激光器，其特征在于，所述气压调节装置还包括真空泵，所述真空泵用于降低所述波长变换器内部的气体密度。