CN116722430A - 一种高效kyw二阶斯托克斯拉曼激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，利用第二半波片旋转调整使泵浦光对准KYW晶体的不同光轴，利用KYW晶体的不同光轴的拉曼频移，得到丰富的拉曼波长，如1270nm、1285nm、1294nm、1318nm等二阶拉曼波长，而且利用KYW晶体能够实现高能量的拉曼激光脉冲输出。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
1.3μm波段激光处于大气透过窗口和光纤传输窗口区，在激光雷达、激光通讯、气体探测和钠激光导星等领域具有广泛应用前景。传统的技术手段是利用Nd离子掺杂的激光晶体直接获取，但是这种类型的激光器存在发射截面小、激光谱线单一、光束质量差等问题。近年来拉曼激光技术在特殊波长扩展、光束净化、脉冲压缩等方面具有独特的优势，成为目前激光领域的研究热点。拉曼激光器的工作原理是基于受激拉曼散射效应，当高强度的泵浦光入射到拉曼晶体中会发生非弹性散射，泵浦光波长会产生一个特定的频移，从而产生一阶斯托克斯(Stokes)激光，而这个频移量的大小就是拉曼晶体的频移。当一阶Stokes光能量足够强的时候会激发二阶Stokes光，依次类推，产生更高阶次的拉曼激光。而现有的拉曼晶体频移峰大都只有一个，在一台拉曼激光器中无法产生多个拉曼频移波长，造成所输出的拉曼波长受限，无法产生丰富的拉曼波长。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，利用KYW晶体具有多个拉曼频移峰的特性，基于级联及交叉级联机制，旋转泵浦波的偏振方向，得到丰富的二阶拉曼波长。
为实现上述目的，本发明提供一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，包括：沿光束方向依次设置的泵浦源、第一半波片、光隔离器、第二半波片、聚焦透镜、输入镜、KYW晶体和输出镜；
所述泵浦源，用于发射泵浦光；
所述第一半波片和所述光隔离器，用于调整泵浦源所发射的泵浦光的功率大小；
根据KYW晶体光轴方向旋转调整所述第二半波片，使KYW晶体光轴与泵浦光偏振的方向进行对准；
将调整后的偏振泵浦光通过所述KYW晶体的不同晶体光轴，输出对应的拉曼波长；
所述输入镜和所述输出镜构成拉曼谐振腔。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
在本发明中，旋转第二半波片使泵浦光偏振方向对准KYW晶体的不同光轴，利用KYW晶体不同光轴的拉曼频移特性，得到多种不同的拉曼波长，如1270nm、1285nm、1294nm、1318nm等拉曼波长，而且利用KYW晶体高抗损伤阈值特性(10GW/cm2)能够实现高能量的拉曼激光脉冲输出。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例一中KYW二阶斯托克斯拉曼激光器结构图；
图2为本发明实施例一中KYW晶体光轴示意图；
图3为本发明实施例一在最高输出功率下泵浦偏振方向与Nm轴对齐的KYW拉曼激光器的光谱；
图4为本发明实施例一中泵浦偏振方向与Ng轴对齐的KYW拉曼激光器的光谱；
图5为本发明实施例一中泵浦偏振方向在Ng轴和Nm轴之间KYW拉曼激光器的光谱；
图6为本发明实施例一中泵浦光和拉曼光脉冲形状对比图；
图7为本发明实施例一中输出镜透过率图。
附图标记说明
1、泵浦源，2、第一半波片，3、光隔离器，4、第二半波片，5、聚焦透镜，6、输入镜，7、KYW晶体，8、输出镜。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，包括：沿光束方向依次设置的泵浦源、第一半波片、光隔离器、第二半波片、聚焦透镜、输入镜、KYW晶体和输出镜；
泵浦源，用于发射泵浦光；
第一半波片和光隔离器，用于调整泵浦源所发射的泵浦光的功率大小；
根据KYW晶体光轴方向旋转调整第二半波片，使KYW晶体光轴与泵浦光偏振方向对准；
将调整后的偏振泵浦光通过KYW晶体的不同晶体光轴，输出对应的拉曼波长；
输入镜和输出镜构成拉曼谐振腔。
拉曼激光器可以分为外腔型和内腔型两种。内腔型设计可以充分利用腔内的功率密度，降低出光阈值，目前使用较多，但是泵浦腔和拉曼腔复合在一起，互相影响，不容易产生高功率输出。外腔拉曼激光器设计，泵浦腔和拉曼腔相互独立，容易单独优化泵浦光束和拉曼光束光斑质量，并且可通过改变膜系结构获得不同Stokes光输出，因此本实施例设计了外腔拉曼腔型结构。
二阶斯托克斯KYW外腔拉曼激光器的实验装置如图1所示，1064nm的泵浦源1是一种二极管侧面泵浦Nd:YAG激光器，在重复频率10kHz下产生超过30W的线偏振激光输出。
第一半波片2设置在光学隔离器3之前，泵浦功率通过旋转放置在光隔离器3前面的第一半波片2来调节。光学隔离器3可防止反射的光进入泵浦源。
具体的，第一半波片2为1064nm半波片。
泵浦光束通过聚焦透镜5聚焦到KYW晶体中心，光斑尺寸为280μm。放置在耦合透镜前面的第二半波片4用于旋转泵浦偏振方向，对准Nm或Ng晶体光轴方向。
具体的，第二半波片4为1064nm半波片。
拉曼介质为未掺杂未镀膜的KYW晶体，尺寸为5×5×45mm3。KYW晶体具有中等的拉曼增益系数(3.6cm/GW@1064nm)和热导率(3.3W/m/K)。
钨酸钇钾(KY(WO4)2，KYW)作为一种典型的双金属钨酸盐拉曼介质，具有极高的光学损伤阈值，良好的热导率。此外，它们具有两个大的拉曼频移(765cm-1和905cm-1)和一个小的拉曼频移(87cm-1)，可以通过改变泵浦波的偏振取向产生丰富的拉曼波长。
如图2所示，KYW晶体有三个晶体光轴Np、Nm和Ng。泵浦光沿着KYW晶体Np轴传播，从而为765cm-1和905cm-1模式提供高增益。当泵浦偏振方向与Ng轴对齐时，拉曼激光器进入765cm-1声子模式。当泵浦偏振方向与Nm轴对齐时，拉曼激光器进入905cm-1声子模式。
晶体包裹在铟箔中，安装在铜散热器中，通过循环水冷却至20℃。
拉曼激光器的输入镜6和输出镜8组成的平凹谐振腔的长度为50mm-60mm，优选可为55mm。
输入镜6是平面镜，输入镜6内腔面镀有反射率>99.5％的高反膜，波长为1150-1350nm的斯托克斯光入射到反射率>99.5％的高反膜上发生全反射。输入镜6内腔面和外腔面还同时镀有反射率<1％的抗反膜，波长1064nm的泵浦光入射到反射率<1％的抗反膜上发生高透。
可以理解的是，本实施例中“内腔面”为输入镜或输出镜靠近KYW晶体的一面，“外腔面”为输入镜或输出镜远离KYW晶体的一面。
图7为输出镜透过率图，输出镜8是平凹镜，曲率半径为100mm-500mm，优选为200mm。
输出镜8的内腔面镀有反射率＝95％的部分反射膜，波长在1064nm-1240nm一阶斯托克斯光入射到反射率＝95％的部分反射膜上有5％的光透射。在输出镜8的内腔面还镀有反射率＝80％的部分反射膜，波长1318nm的二阶斯托克斯光入射到反射率＝80％的部分反射膜上有20％的光透射出去。这种特殊的镀膜设计可以使得腔内一阶Stokes光能量足够强激发出二阶Stokes光。为了滤除残留的泵浦光，在输出镜后面放置滤光镜。
如图3所示，将泵浦偏振方向与Nm轴对齐，利用905cm-1的声子模式，产生的二阶斯托克斯光的中心波长位于1318nm，光谱带宽为0.33nm。泵浦光和拉曼光脉冲形状对比图如图6所示，展现出较强的脉宽压缩效应。
如图4所示，将泵浦偏振方向与Ng轴对齐，利用765cm-1的声子模式，产生的二阶斯托克斯光的中心波长位于1270nm，同时激发87cm-1的声子模式，产生1285nm波长。
如图5所示，将泵浦偏振方向在Ng轴和Nm轴之间，将激发一阶斯托克斯光1158nm(765cm-1)和1178nm(905cm-1)，同时通过交叉级联，产生二阶斯托克斯光1271nm和1294nm波长。
本实施例提出了一种输出波长为1318nm的脉冲KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，最大输出功率为1.06W，脉冲宽度为23ns。通过改变泵浦光的偏振，还可以实现1270nm、1285nm、1294nm等丰富的拉曼波长。这是第一次展示具有瓦级输出功率的外腔脉冲KYW拉曼激光器。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，其特征在于，包括：沿光束方向依次设置的泵浦源、第一半波片、光隔离器、第二半波片、聚焦透镜、输入镜、KYW晶体和输出镜；
所述泵浦源，用于发射泵浦光；
所述第一半波片和所述光隔离器，用于调整泵浦源所发射的泵浦光的功率大小；
根据KYW晶体光轴方向旋转调整所述第二半波片，使KYW晶体光轴与泵浦光偏振的方向进行对准；
将调整后的偏振泵浦光通过所述KYW晶体的不同晶体光轴，输出对应的拉曼波长；
所述输入镜和所述输出镜构成拉曼谐振腔。
2.如权利要求1所述的一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，其特征在于，所述泵浦偏振方向与所述KYW晶体的Nm轴对齐，利用KYW晶体的905cm-1的声子模式，产生中心波长位于1318nm的二阶斯托克斯光。
3.如权利要求1所述的一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，其特征在于，所述泵浦偏振方向与所述KYW晶体的Ng轴对齐，利用765cm-1的声子模式，产生中心波长位于1270nm的二阶斯托克斯光，同时激发87cm-1的声子模式，产生波长1285nm的斯托克斯光。
4.如权利要求1所述的一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，其特征在于，所述泵浦偏振方向位于所述KYW晶体的Nm轴与Ng轴之间，激发波长1158nm和1178nm的一阶斯托克斯光，同时通过交叉级联，产生波长1271nm和1294nm的二阶斯托克斯光。
5.如权利要求1所述的一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，其特征在于，所述输入镜为平面镜，所述输入镜内腔面镀反射率>99.5％的高反膜，所述输入镜内腔面和外腔面均镀有反射率<1％的抗反膜。
6.权利要求5所述的一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，其特征在于，波长1150nm-1350nm的斯托克斯光入射到反射率>99.5％的高反膜上发生全反射，波长1064nm泵浦光入射到反射率<1％的抗反膜上发生高透。
7.如权利要求1所述的一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，其特征在于，所述输出镜是平凹镜，曲率半径为100mm-500mm；所述输出镜内腔面镀有反射率95％的部分反射膜和反射率80％的部分反射膜。
8.如权利要求7所述的一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，其特征在于，波长1064nm-1240nm的一阶斯托克斯光入射到反射率95％的部分反射膜上有5％的光透射，波长1318nm的二阶斯托克斯光入射到反射率80％的部分反射膜上有20％的光透射。
9.如权利要求1所述的一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，其特征在于，还包括滤光镜，所述输出镜输出的斯托克斯光经所述滤光镜进行过滤。
10.如权利要求1所述的一种高效KYW二阶斯托克斯拉曼激光器，其特征在于，所述输入镜和所述输出镜构成拉曼谐振腔为外腔型。
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