CN115986533A - 一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生装置和方法，装置：高亮度激光泵浦源、反射式激光扩束‑聚焦装置、谐振腔输入镜、激光增益介质和谐振腔输出镜依次间隔的设置，并形成激光产生装置。方法：根据目标激光波长，由一阶和二阶的拉曼频移公式计算最佳泵浦波长；根据泵浦波长和金刚石晶体的拉曼增益关系，设计泵浦光斑和拉曼信号激光的模场直径和金刚石晶体长度的最佳数值；精密调节谐振腔输入镜和谐振腔输出镜获得输出所需的拉曼信号激光输出；通过谐振腔输出镜的介质膜的类型实现输出激光波长的切换；实现输出激光从2500nm到3780nm的任意波长的连续可调谐。该装置和方法可实现多波长输出，其可实现2μm～5μm波段的中红外激光的有效输出。

Description

一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生装置和方法

技术领域

本发明涉及一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生装置和方法，属于激光器技术领域。

背景技术

2～5μm波长的中红外激光受激光增益材料的限制，使得现有方法存在激光产生效率低、功率低，而且输出的激光波长范围有限等，这成为高功率中红外波段激光产生的难题。金刚石作为拉曼增益介质具有以下优点：透光范围宽(225nm～20μm)、拉曼频移大(1332cm^-1)、拉曼增益系数大(在1μm波长处的数值为10cm/GW)、热导率高(2000W/m·K)、热膨胀系数小(1.1×10^-6/K)，具体见图1。在金刚石拉曼激光产生领域，理论上采用2.1μm～2.5μm范围的激光直接泵浦金刚石可通过一阶受激拉曼过程实现2.5μm～3.8μm范围的中红外激光输出，但在该波段金刚石的三声子本征吸收效应显著，多声子吸收导致2.5μm～6.5μm波段激光损耗十分严重，不能在2.3μm～3.8μm之间的直接产生高功率激光。因而传统技术方案避开金刚石拉曼增益区域的高损耗区域，针对两个低损耗窗口力图获得中红外激光输出。2014年Alexander Sabella等人(Opt.Lett.,39(13):4037-4040(2014)，Proc SPIE8959(0B-1)2014)采用直接泵浦方式，用波长可调谐、脉冲输出的光参量振荡激光器作为泵浦源在金刚石的3.4μm～3.5μm的低损耗区内实现了3.5μm波长的激光输出，但该技术的输出波长只局限在3.5μm附近，并不能扩展到其他的广泛波段。2019年GIORGOS DEMETRIOU等人(Opt Express,27(7):10296-10303(2019))和复旦大学邵振华等人(Laser PhysicsLetters，2021，18(7)，075001)提出用1.89μm激光直接泵浦金刚石晶体在另一个低损耗区域2.5μm附近产生了2.52μm的一阶拉曼信号高激光，但该方法仅能产生2.5μm这个波长的拉曼信号激光，同样不能扩展到金刚石增益区域的其他广大范围的波段。总之现有的技术方案都只针对金刚石广大增益区域的两个低损耗窗口力图获得中红外激光，都不能解决中红外波段其他大范围激光高效、高功率直接产生难题，严重阻碍了中红外激光的技术发展及应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生装置和方法，该装置结构简单、损耗低、阈值低、稳定性好，可实现多波长输出，其可实现2μm～5μm波段的中红外激光的有效输出；该方法步骤简单，易于实施，能通过拉曼非线性过程稳定的产生2.55μm～3.80μm波段激光。

为了实现上述目的，本发明提供一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生装置，包括高亮度激光泵浦源和激光增益介质、反射式激光扩束-聚焦装置、谐振腔输入镜和谐振腔输出镜；

所述高亮度激光泵浦源、反射式激光扩束-聚焦装置、谐振腔输入镜、激光增益介质和谐振腔输出镜依次间隔的设置，并形成激光产生装置；

所述高亮度激光泵浦源为波长在1500nm～1880nm范围内任意波长或波长可调谐的泵浦源；

所述的激光扩束-聚焦装置包含光学镜片和光学镜片，其为几何曲面反射镜，具体面形为球面或离轴抛物面；光学镜片和光学镜片的曲率半径R1与R2之比为2:1，具体分别可为200mm和100mm或100mm和50mm，光学镜片和光学镜片的之间的距离L满足：L＝(R1+R2)/2，光学镜片和光学镜片的反射曲面中心切平面的空间角度位置为平行放置或垂直放置，光学镜片和光学镜片的表面都镀有宽带高反射膜，在1500nm～1880nm之间反射率在96％～99.6％之间；

所述谐振腔输入镜镀膜为多色膜系，对1500～1880nm的泵浦激光高透，其透过率>98％，对1900～2500nm的激光高反射，反射率>99.6％，对2600～3780nm的激光高反射，反射率>99.6％；

所述谐振腔输出镜的镀膜满足对1500nm～1880nm的泵浦激光高反射，其反射率>99％，对1900nm～2500nm的一阶拉曼信号激光高反射或部分反射，反射率>99.6％，对2600nm～3780nm二阶拉曼信号激光高透过率，其输出透过率T的数值满足：95％<T<100％；

所述谐振腔输入镜和谐振腔输出镜组成1.91μm～2.51μm激光谐振腔；谐振腔输入镜和谐振腔输出镜的几何面形为球面，其曲率半径之比为1:1，具体分别为50mm和50mm或75mm和75mm，并且其位置处于共焦点位置，或其几何面形均为平面；

所述激光增益介质为金刚石晶体，其两个通光面为布儒斯特角切割或者垂直切割，且其设置在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间的光路上，并在接收1.91μm～2.51μm范围内的拉曼激光后产生2.55μm～3.80μm范围内的拉曼激光。

作为一种优选，所述金刚石晶体为b切，其长度在3～5mm之间，其拉曼增益系数在1500nm～1880nm波长范围之间的数值>10cm/GW。

作为一种优选，为了避免过大的材料本征吸收损耗，所述谐振腔输入镜的基质材料为1.5μm～1.88μm波段高透明的融石英或氟化钙材料，所述谐振腔输出镜的基质材料为中红外波段激光高透明的氟化钙或硒化锌，其通光中心的厚度应在1mm～2mm之间。

进一步，为了提高激光产生效率，所述高亮度激光泵浦源为高功率掺铒离子或掺铥离子单模光纤激光器，或为低声子能量的Er:Y₂O₃倍半氧化物陶瓷或Er:Lu₂O₃陶瓷或Er:YAG陶瓷固体激光器或高光束质量的量子势阱半导体激光器。

本发明中，利用谐振腔输入镜和谐振腔输出镜组成1.91μm～2.51μm激光谐振腔，该谐振腔对一阶拉曼光高反，对二阶拉曼部分输出，从而可形成一阶拉曼高功率密度腔内振荡，并利于激发二阶拉曼；将反射式激光扩束-聚焦装置设置在高亮度激光泵浦源和激光谐振腔之间，消除了传统透镜系统对不同波长的色散造成的焦距的变化，针对波长可调谐的泵浦激光源，可实现波长调谐下泵浦光与产生的拉曼信号激光的模式的自动精准匹配，显著提高了产生拉曼信号波长可调谐的稳定性，并方便的实现了可调谐中红外激光的高效输出；利用金刚石晶体作为激光增益介质，并采用1500nm～1880nm范围内的高亮度激光泵浦源泵浦源泵浦金刚石拉曼介质，可以利用金刚石无声子吸收损耗一阶拉曼腔内泵浦，进而能够产生2.55μm～3.80μm拉曼激光，这样可有效降低拉曼激光阈值，实现2μm～5μm波段的中红外激光的有效输出。该装置中，通过一阶拉曼腔内振荡，并配合无声子吸收损耗，可以确保二阶拉曼输出透过率更高，可接近100％，在二阶拉曼激光输出过程中，光子腔内往返次数少，目标波长(二阶拉曼，2.55μm～3.80μm)接近于单程通过金刚石拉曼增益介质，声子吸收损耗低，规避了输出镜反射导致的多声子吸收损耗大的问题，大大提升了2.5微米波长以上的中红外激光的功率。同时，作为泵浦光的一阶拉曼腔内功率密度高。因为谐振腔镜对一阶拉曼高反或输出透过率很低，腔内功率密度可高于入射泵浦光。一阶拉曼高腔内功率密度，可有效降低二阶拉曼(波段III)激光产生阈值、提高一阶拉曼信号激光到二阶拉曼信号激光的转化率，显著提升了金刚石高声子吸收区域的中红外激光的产生效率。该装置结构简单、损耗低、阈值低、稳定性好，可实现多波长输出，其可有效提高～3μm波段拉曼激光产生效率，同时，未增加系统设计的复杂性。

本发明还提供了一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生方法，包括以下步骤：

步骤一：根据目标激光波长，由一阶和二阶的拉曼频移公式计算最佳泵浦波长；

步骤二：根据泵浦波长和金刚石晶体的拉曼增益关系，依据公式(1)获得泵浦光斑和拉曼信号激光的模场直径和金刚石晶体长度的最佳数值；

式中，I_i是泵浦及各阶斯托克斯光强，i＝p,1,2,3，β_i为各阶Stokes光的吸收系数，g_i＝g₀ω_i/ω_p是i阶斯托克斯光的拉曼增益系数，ω_i和ω_p分别是各阶斯托克斯光和泵浦光的角频率，g₀是泵浦波长的拉曼增益系数；

步骤三：精密调节谐振腔输入镜和谐振腔输出镜获得输出所需的拉曼信号激光输出；

步骤四：通过谐振腔输出镜的介质膜的类型实现输出激光波长的切换；

S1：使采用的谐振腔输出镜的介质膜在1500nm～1880nm范围和1900nm～2500nm范围之间均为高反射，且反射率大于99.6％，输出2600nm～3780波长之间的单波长拉曼二阶激光；；

S2：使采用的谐振腔输出镜的介质膜在1500nm～1880nm范围之间为高反射，且在1900nm～2500nm为反射率在96％～99.6％之间的部分反射，输出一阶和二阶拉曼信号的双波长激光，且其波长分别在1900nm～2500nm和2600nm～3780nm波长之间；

S3：使采用的谐振腔输出镜的介质膜在1500nm～1880nm范围和1900nm～2500nm范围之间都呈现部分高反射，且反射率在96％～99.6％，输出泵浦光、一阶拉曼信号激光和二阶拉曼信号激光的三波长激光，且其波长分别在1500nm～1880nm、1900nm～2500nm和2600nm～3780nm波长之间；

步骤五：通过调谐高亮度激光泵浦源的波长为1500nm到1880nm波长范围任意波长或连续变化，保持原装置的泵浦耦合系统，激光增益介质、谐振腔输入镜和谐振腔输出镜不变，实现输出激光从2500nm到3780nm的任意波长的连续可调谐，其调谐范围和波长移动方向与泵浦激光的调谐方式一致。

本方法步骤简单，易于实施，通过1.52μm～1.88μm泵浦源泵浦金刚石拉曼增益介质，并利用金刚石无声子吸收损耗一阶拉曼腔内泵浦，从而通过拉曼非线性过程稳定的产生2.55μm～3.80μm波段激光。同时，该方法仅通过简单的不同色系的输出腔镜的切换便可实现位于波段I的泵浦光、波段II的一阶拉曼、位于波段III的二阶拉曼双波长或三波长同时输出，大大丰富中红外区域激光的波长种类。

附图说明

图1为金刚石晶体的声子吸收带及现有拉曼激光发射波长曲线图；

图2为本发明所提出的腔内级联泵浦产生拉曼信号激光的装置示意图；

图3为本发明所采用的金刚石晶体的偏振化拉曼增益曲线图；

图4为经计算得到的本发明所用的金刚石晶体的拉曼频移关系图；

图5为经计算得到的现有直接泵浦方案产生一阶拉曼信号激光和本发明的腔内级联泵浦方案产生金刚石拉曼泵浦激光和一阶和二阶信号激光的腔内功率密度分布和对比效果图：(a)腔内级联泵浦方案效果、(b)现有的直接泵浦方案；

图6为本发明中实施例所用的级联腔内泵浦金刚石晶体产生宽波长范围拉曼信号激光方案的装置示意图；

图7为本发明腔内级联泵浦方案产生的二阶拉曼信号激光的输出波长曲线图；

图8为直接泵浦和本发明提出的级联腔内泵浦的阈值效果对比图；

图9为级联泵浦方案对应的二阶拉曼信号激光的输出脉冲能量图；

图10为本发明所得的二阶拉曼信号2.9μm波长激光的光束质量及分布示意图。

图中：1、高亮度激光泵浦源，2、反射式激光扩束-聚焦装置，3、谐振腔输入镜，4、激光增益介质，5、谐振腔输出镜。

具体实施方式

下面结合实施例以及附图1至图10对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明提供了一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生装置，包括高亮度激光泵浦源1和激光增益介质4、反射式激光扩束-聚焦装置2、谐振腔输入镜3和谐振腔输出镜5；

所述高亮度激光泵浦源1、反射式激光扩束-聚焦装置2、谐振腔输入镜3、激光增益介质4和谐振腔输出镜5依次间隔的设置，并形成激光产生装置；

所述高亮度激光泵浦源1为波长在1500nm～1880nm范围内任意波长或波长可调谐的泵浦源；

所述的激光扩束-聚焦装置2包含光学镜片2-1和光学镜片2-2，其为几何曲面反射镜，具体面形为球面或离轴抛物面；光学镜片2-1和光学镜片2-2的曲率半径R1与R2之比为2:1，具体分别可为200mm和100mm或100mm和50mm，光学镜片2-1和光学镜片2-2的之间的距离L满足：L＝(R1+R2)/2，光学镜片2-1和光学镜片2-2的反射曲面中心切平面的空间角度位置为平行放置或垂直放置，光学镜片2-1和光学镜片2-2的表面都镀有宽带高反射膜，在1500nm～1880nm之间反射率在96％～99.6％之间；

所述谐振腔输入镜3镀膜为多色膜系，对1500～1880nm的泵浦激光高透，其透过率>98％，对1900～2500nm(一阶拉曼)的激光高反射，反射率>99.6％，对2600～3780nm(二阶拉曼)的激光高反射，反射率>99.6％；

所述谐振腔输出镜5的镀膜满足对1500nm～1880nm的泵浦激光高反射，其反射率>99％，对1900nm～2500nm的一阶拉曼信号激光高反射或部分反射，反射率>99.6％，对2600nm～3780nm二阶拉曼信号激光高透过率，其输出透过率T的数值满足：95％<T<100％；

所述谐振腔输入镜3和谐振腔输出镜5组成1.91μm～2.51μm激光谐振腔；谐振腔输入镜3和谐振腔输出镜5的几何面形为球面，其曲率半径之比为1:1，具体分别为50mm和50mm或75mm和75mm，并且其位置处于共焦点位置，或其几何面形均为平面；

所述激光增益介质4为金刚石晶体，其两个通光面为布儒斯特角切割(具体角度为54.7度，如图3所示)或者垂直切割(0度)，且其设置在谐振腔输入镜3和谐振腔输出镜5之间的光路上，并在接收1.91μm～2.51μm范围内的拉曼激光后产生2.55μm～3.80μm范围内的拉曼激光。

作为一种优选，所述金刚石晶体为b切，其长度在3～5mm之间，其拉曼增益系数在1500nm～1880nm波长范围之间的数值>10cm/GW。

为了避免过大的材料本征吸收损耗，所述谐振腔输入镜3的基质材料为1.5μm～1.88μm波段高透明的融石英或氟化钙材料，所述谐振腔输出镜5的基质材料为中红外波段激光高透明的氟化钙或硒化锌，其通光中心的厚度应在1mm～2mm之间。

为了提高激光产生效率，，所述高亮度激光泵浦源1为高功率掺铒离子(Er³⁺)或掺铥离子(Tm³⁺)单模光纤激光器，或为低声子能量的Er:Y₂O₃倍半氧化物陶瓷或Er:Lu₂O₃陶瓷或Er:YAG陶瓷固体激光器或高光束质量的量子势阱半导体激光器。

本发明中，利用谐振腔输入镜和谐振腔输出镜组成1.91μm～2.51μm激光谐振腔，该谐振腔对一阶拉曼光高反，对二阶拉曼部分输出，从而可形成一阶拉曼高功率密度腔内振荡，并利于激发二阶拉曼；将反射式激光扩束-聚焦装置设置在高亮度激光泵浦源和激光谐振腔之间，消除了传统透镜系统对不同波长的色散造成的焦距的变化，针对波长可调谐的泵浦激光源，可实现波长调谐下泵浦光与产生的拉曼信号激光的模式的自动精准匹配，显著提高了产生拉曼信号波长可调谐的稳定性，并方便的实现了可调谐中红外激光的高效输出；利用金刚石晶体作为激光增益介质，并采用1500nm～1880nm范围内的高亮度激光泵浦源泵浦源泵浦金刚石拉曼介质，可以利用金刚石无声子吸收损耗一阶拉曼腔内泵浦，进而能够产生2.55μm～3.80μm拉曼激光，这样可有效降低拉曼激光阈值，实现2μm～5μm波段的中红外激光的有效输出。该装置中，通过一阶拉曼腔内振荡，并配合无声子吸收损耗，可以确保二阶拉曼输出透过率更高，可接近100％，在二阶拉曼激光输出过程中，光子腔内往返次数少，目标波长(二阶拉曼，2.55μm～3.80μm)接近于单程通过金刚石拉曼增益介质，声子吸收损耗低，规避了输出镜反射导致的多声子吸收损耗大的问题，大大提升了2.5微米波长以上的中红外激光的功率。同时，作为泵浦光的一阶拉曼腔内功率密度高。因为谐振腔镜对一阶拉曼高反或输出透过率很低，腔内功率密度可高于入射泵浦光。一阶拉曼高腔内功率密度，可有效降低二阶拉曼(波段III)激光产生阈值、提高一阶拉曼信号激光到二阶拉曼信号激光的转化率，显著提升了金刚石高声子吸收区域的中红外激光的产生效率。该装置结构简单、损耗低、阈值低、稳定性好，可实现多波长输出，其可有效提高～3μm波段拉曼激光产生效率，同时，未增加系统设计的复杂性。

本发明还提供了一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生方法，包括以下步骤：

步骤一：根据目标激光波长，由一阶和二阶的拉曼频移公式计算最佳泵浦波长，如图4所示；

步骤二：根据泵浦波长和金刚石晶体的拉曼增益关系，设计泵浦光斑和拉曼信号激光的模场直径和金刚石晶体长度的最佳数值；

具体地，基于速率方程对腔内泵浦金刚石产生二阶拉曼信号激光的腔内功率分布进行计算，所用的数值模型如公式(1)所示：

式中，I_i是泵浦及各阶斯托克斯光强，i＝p,1,2,3，β_i为各阶Stokes光的吸收系数，g_i＝g₀ω_i/ω_p是i阶斯托克斯光的拉曼增益系数，ω_i和ω_p分别是各阶斯托克斯光和泵浦光的角频率，g₀是泵浦波长的拉曼增益系数；

计算得到的结果显示，1.6μm激光泵浦金刚石晶体产生的2.1μm波长(一阶拉曼信号激光)的腔内激光功率密度远远高于传统方案采用2μm激光直接外腔泵浦的功率密度，因而获得的2.9μm信号激光(目标波长的激光)的阈值泵浦功率可有效降低，输出的2.9μm波长的拉曼信号功率也远大于传统方案直接泵浦产生的2.9μm信号激光(具体如图5所示，腔内泵浦获得的2微米激光功率密度达到300MW/cm²，而同等功率直接泵浦所能达到的2微米激光功率密度只有200MW/cm²，说明本发明方案使得产生2.9μm拉曼信号激光的阈值降低了40％，产生的目标拉曼信号激光的输出功率提升了1倍)。

步骤三：精密调节谐振腔输入镜3和谐振腔输出镜5获得输出所需的拉曼信号激光输出；

步骤四：通过谐振腔输出镜5的介质膜的类型实现输出激光波长的切换；

S1：使采用的谐振腔输出镜5的介质膜在1500nm～1880nm范围和1900nm～2500nm范围之间均为高反射，且反射率大于99.6％，输出2600nm～3780波长之间的单波长拉曼二阶激光；；

S2：使采用的谐振腔输出镜5的介质膜在1500nm～1880nm范围之间为高反射，且在1900nm～2500nm为反射率在96％～99.6％之间的部分反射，输出一阶和二阶拉曼信号的双波长激光，且其波长分别在1900nm～2500nm和2600nm～3780nm波长之间；

S3：使采用的谐振腔输出镜5的介质膜在1500nm～1880nm范围和1900nm～2500nm范围之间都呈现部分高反射，且反射率在96％～99.6％，输出泵浦光、一阶拉曼信号激光和二阶拉曼信号激光的三波长激光，且其波长分别在1500nm～1880nm、1900nm～2500nm和2600nm～3780nm波长之间；

步骤五：通过调谐高亮度激光泵浦源1的波长为1500nm到1880nm波长范围任意波长或连续变化，保持原装置的泵浦耦合系统，激光增益介质4、谐振腔输入镜3和谐振腔输出镜5不变，实现输出激光从2500nm到3780nm的任意波长的连续可调谐，其调谐范围和波长移动方向与泵浦激光的调谐方式一致。

本方法步骤简单，易于实施，通过1.52μm～1.88μm泵浦源泵浦金刚石拉曼增益介质，并利用金刚石无声子吸收损耗一阶拉曼腔内泵浦，从而通过拉曼非线性过程稳定的产生2.55μm～3.80μm波段激光。同时，该方法仅通过简单的不同色系的输出腔镜的切换便可实现位于波段I的泵浦光、波段II的一阶拉曼、位于波段III的二阶拉曼双波长或三波长同时输出，大大丰富中红外区域激光的波长种类。

实施例1:基于1645nm腔内级联泵浦金刚石产生2.9μm信号激光；

针对目标激光波长2.9μm，按照一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生方法的具体步骤，设计金刚石、谐振腔镜、泵浦耦合系统的具体参数，搭建如图6所示的激光装置：采用泵浦源为1645nm脉冲激光泵浦金刚石拉曼增益介质产生高功率密度的腔内2.1μm II区区域的一阶拉曼信号，进而级联泵浦产生2.9μm波段的III阶段拉曼信号。其1645nm脉冲激光通过实验室自制的1532nm高功率Er:Yb共掺的单模光纤激光器泵浦Er:YAG晶体和声光调制器产生1645nm波长的调Q脉冲产生。所用的金刚石晶体的长度为51mm，其两端通光面均匀布儒斯特角度切割。输入的泵浦脉冲的能量为4mJ，泵浦脉宽为30ns，输入耦合系统采用反射是的扩束-聚焦系统，泵浦光和一阶和二阶拉曼信号的激光的光斑直径都为100μm，输出耦合镜T_oc＝95％，通过级联泵浦可高效产生2.9μm激光产生，其证明为二阶拉曼信号(图7)。对比方案为2μm直接泵浦方案：泵浦激光为2.1μm，系统的其他参数如光斑直径、晶体长度和切割方式等都与级联泵浦方式相同。实验结果显示，如图8和9所示，本发明的腔内级联泵浦方案的阈值更低和输出功率大幅提升，同时保证输出拉曼信号激光的光束质量良好(图10)，因此本发明方案都比传统的直接泵浦方案有十分显著的技术进步。

实施例2:基于1550nm～1880nm的波长可调谐腔激光腔内级联泵浦金刚石产生2.55～3.8微米波段任意波长的信号激光；

具体方法与实施例1相同，把实施例1中的泵浦源换成波长从1550nm-1880nm范围的波长可调谐的激光器，其他具体结构和调节方法都与实施例1相同，就可以获得2.55μm-3.8μm范围的任意波长的信号激光或波长连续可调谐的状态，具体方法和细节不再赘述。

本发明涉及的两个实施例展示了利用金刚石拉曼增益介质产生2.55μm～3.8μm拉曼激光的的可行方案，实际使用时，腔型可根据实际需要进行设计。本发明绝不应当仅限于在上文中描述的具体实施方式。

Claims (5)

1.一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生装置，包括高亮度激光泵浦源(1)和激光增益介质(4)，其特征在于，还包括反射式激光扩束-聚焦装置(2)、谐振腔输入镜(3)和谐振腔输出镜(5)；

所述高亮度激光泵浦源(1)、反射式激光扩束-聚焦装置(2)、谐振腔输入镜(3)、激光增益介质(4)和谐振腔输出镜(5)依次间隔的设置，并形成激光产生装置；

所述高亮度激光泵浦源(1)为波长在1500nm～1880nm范围内任意波长或波长可调谐的泵浦源；

所述的激光扩束-聚焦装置(2)包含光学镜片(2-1)和光学镜片(2-2)，其为几何曲面反射镜，具体面形为球面或离轴抛物面；光学镜片(2-1)和光学镜片(2-2)的曲率半径R1与R2之比为2:1，具体分别可为200mm和100mm或100mm和50mm，光学镜片(2-1)和光学镜片(2-2)的之间的距离L满足：L＝(R1+R2)/2，光学镜片(2-1)和光学镜片(2-2)的反射曲面中心切平面的空间角度位置为平行放置或垂直放置，光学镜片(2-1)和光学镜片(2-2)的表面都镀有宽带高反射膜，在1500nm～1880nm之间反射率在96％～99.6％之间；

所述谐振腔输入镜(3)镀膜为多色膜系，对1500～1880nm的泵浦激光高透，其透过率>98％，对1900～2500nm的激光高反射，反射率>99.6％，对2600～3780nm的激光高反射，反射率>99.6％；

所述谐振腔输出镜(5)的镀膜满足对1500nm～1880nm的泵浦激光高反射，其反射率>99％，对1900nm～2500nm的一阶拉曼信号激光高反射或部分反射，反射率>99.6％，对2600nm～3780nm二阶拉曼信号激光高透过率，其输出透过率T的数值满足：95％<T<100％；

所述谐振腔输入镜(3)和谐振腔输出镜(5)组成1.91μm～2.51μm激光谐振腔；谐振腔输入镜(3)和谐振腔输出镜(5)的几何面形为球面，其曲率半径之比为1:1，具体分别为50mm和50mm或75mm和75mm，并且其位置处于共焦点位置，或其几何面形均为平面；

所述激光增益介质(4)为金刚石晶体，其两个通光面为布儒斯特角切割或者垂直切割，且其设置在谐振腔输入镜(3)和谐振腔输出镜(5)之间的光路上，并在接收1.91μm～2.51μm范围内的拉曼激光后产生2.55μm～3.80μm范围内的拉曼激光。

2.根据权利要求1所述的一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生装置，其特征在于，所述金刚石晶体为b切，其长度在3～5mm之间，其拉曼增益系数在1500nm～1880nm波长范围之间的数值>10cm/GW。

3.根据权利要求1或2所述的一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生装置，其特征在于，所述谐振腔输入镜(3)的基质材料为1.5μm～1.88μm波段高透明的融石英或氟化钙材料，所述谐振腔输出镜(5)的基质材料为中红外波段激光高透明的氟化钙或硒化锌，其通光中心的厚度应在1mm～2mm之间。

4.根据权利要求3所述的一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生装置，其特征在于，所述高亮度激光泵浦源(1)为高功率掺铒离子或掺铥离子单模光纤激光器，或为低声子能量的Er:Y₂O₃倍半氧化物陶瓷或Er:Lu₂O₃陶瓷或Er:YAG陶瓷固体激光器或高光束质量的量子势阱半导体激光器。

5.一种腔内泵浦金刚石中红外拉曼激光产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据目标激光波长，由一阶和二阶的拉曼频移公式计算最佳泵浦波长；

步骤二：根据泵浦波长和金刚石晶体的拉曼增益关系，依据公式(1)获得泵浦光斑和拉曼信号激光的模场直径和金刚石晶体长度的最佳数值；

式中，I_i是泵浦及各阶斯托克斯光强，i＝p,1,2,3，β_i为各阶Stokes光的吸收系数，g_i＝g₀ω_i/ω_p是i阶斯托克斯光的拉曼增益系数，ω_i和ω_p分别是各阶斯托克斯光和泵浦光的角频率，g₀是泵浦波长的拉曼增益系数；

步骤三：精密调节谐振腔输入镜(3)和谐振腔输出镜(5)获得输出所需的拉曼信号激光输出；

步骤四：通过谐振腔输出镜(5)的介质膜的类型实现输出激光波长的切换；

S1：使采用的谐振腔输出镜(5)的介质膜在1500nm～1880nm范围和1900nm～2500nm范围之间均为高反射，且反射率大于99.6％，输出2600nm～3780波长之间的单波长拉曼二阶激光；；

S2：使采用的谐振腔输出镜(5)的介质膜在1500nm～1880nm范围之间为高反射，且在1900nm～2500nm为反射率在96％～99.6％之间的部分反射，输出一阶和二阶拉曼信号的双波长激光，且其波长分别在1900nm～2500nm和2600nm～3780nm波长之间；

S3：使采用的谐振腔输出镜(5)的介质膜在1500nm～1880nm范围和1900nm～2500nm范围之间都呈现部分高反射，且反射率在96％～99.6％，输出泵浦光、一阶拉曼信号激光和二阶拉曼信号激光的三波长激光，且其波长分别在1500nm～1880nm、1900nm～2500nm和2600nm～3780nm波长之间；

步骤五：通过调谐高亮度激光泵浦源(1)的波长为1500nm到1880nm波长范围任意波长或连续变化，保持原装置的泵浦耦合系统，激光增益介质(4)、谐振腔输入镜(3)和谐振腔输出镜(5)不变，实现输出激光从2500nm到3780nm的任意波长的连续可调谐，其调谐范围和波长移动方向与泵浦激光的调谐方式一致。

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