CN117293644A - 一种涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光变频技术领域，特别涉及一种涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器。包括沿着激光传输方向依次放置的激光泵浦模块、涡旋光转换模块、拉曼变频模块及分光探测模块；激光泵浦模块用于输出泵浦光且射入涡旋光转换模块中，涡旋光转换模块用于产生涡旋光并射入拉曼变频模块；拉曼变频模块用于输出多波长激光脉冲且射入分光探测模块中；分光探测模块用于记录且输出能量光。本发明是通过在光路中插入简单的涡旋光生成器件,改变泵浦光的波前特性，优化受激拉曼焦点处横向光强分布，实现多波长涡旋拉曼脉冲输出,有利于解决短焦透镜聚焦、高峰值功率激光泵浦时产生的激光诱导击穿现象，简单易行地实现气体拉曼激光器的小型化、轻量化。
Description
技术领域
本发明属于激光变频技术领域，特别涉及一种涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器。
背景技术
高能激光器为了保证大功率输出，通常系统体积较为庞大，相应的弊端包括：机械结构用料多，成本较高；空间利用率低，架设、装载和运行维护困难；对隔振减震要求严格，不稳定的结构会导致输出的光学质量难以保证。目前，一些商业应用乃至军事领域对激光系统的小型化和轻量化提出较高要求。
为了实现激光器的小型化，在固体激光器中常用的方式有：光路几何结构折叠、折叠腔、环形腔、垂直腔面发射、腔内非线性方法等。相较于固体激光器，气体拉曼激光器基于受激拉曼散射技术，依靠价格低廉、化学纯度高、光学透过范围广、击穿阈值高的气体介质，更有利于输出高功率、大能量的多波长脉冲激光。在气体拉曼激光器的设计中应当特别注意抑制“激光诱导击穿效应(LIB)”，即强激光泵浦时，焦点附近功率密度超过一定阈值而引起多光子吸收、逆轫致辐射和级联碰撞电离或雪崩电离现象，导致气体击穿。LIB产生的等离子体团簇会对泵浦光子造成屏蔽效应，同时吸收拉曼光子，导致能量耗散，打破光子数守恒，致使拉曼转换效率恶化。等离子体还会造成相位畸变，从而导致拉曼激光光束质量急剧恶化。
为解决LIB对输出激光能量限制的问题，通常可采取降低气压、使用长焦透镜等途径。然而，低压下气体介质浓度较低，拉曼增益系数较小，阈值较高，能量转换效率较低。在较高气压下抑制LIB，现多采用长焦透镜聚焦的方法，这是由于焦斑尺寸正比于焦距与发散角的乘积，适当增大焦距有利于降低强激光泵浦时焦点处的功率密度，达到抑制LIB的效果。如专利CN114552351A的实施例2中推荐使用2m长拉曼池搭配f＝1000mm的柱面镜聚焦；专利CN112186494A的实施例3中选用1m与1.8m的双拉曼池级联，搭配f＝1500mm的平凸透镜聚焦。综上，选择长焦透镜与长拉曼池的组合，意味着整个激光系统体积庞大。
为实现气体拉曼激光器的小型化方案，除了多程池方法,公开号为CN87214068U的专利提出一种将高压气体拉曼管置于共振腔内的内腔拉曼方案，但该方案要求高达几十个大气压的高压甲烷气体，在高能激光泵浦时极易出现激光诱导击穿，因此仅适用于低能量拉曼激光输出；公开号为CN212935130U的专利，则采用全光纤结构，以紧凑的结构确保拉曼增益气体与泵浦光的长程相互作用，然而气体填充的空芯光纤的孔径受限，泵浦激光耦合困难，严重地限制了其脉冲能量和峰值功率。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，以解决短焦透镜聚焦、高峰值功率泵浦时，在气体拉曼激光器内部产生的激光诱导击穿现象，及现有气体拉曼激光器体积庞大的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，包括沿着激光传输方向依次放置的激光泵浦模块、涡旋光转换模块、拉曼变频模块以及分光探测模块，其中激光泵浦模块用于输出泵浦光且射入涡旋光转换模块中，涡旋光转换模块用于产生涡旋光并射入拉曼变频模块；拉曼变频模块用于输出多波长激光脉冲且射入分光探测模块中；分光探测模块用于记录且输出能量光。
所述激光泵浦模块包括沿着激光传输方向依次排列的泵浦激光器、第一佩林布洛卡棱镜、半波片和偏振分光器件，且偏振分光器件一侧设有激光束流收集器，其中第一佩林布洛卡棱镜用以阻止后向布里渊光和后向拉曼光返回进激光器并损伤激光晶体，半波片和偏振分光器件的组合可以实现对进入拉曼变频模块的激光能量的连续调节
所述涡旋光转换模块包括沿着激光传输方向依次设置的平面反射镜和涡旋光生成元件，其中平面反射镜用于改变泵浦光的传播路线，且使泵浦光同轴共线地入射到涡旋光生成元件；涡旋光生成元件用于将泵浦光转换为涡旋光且输出；所述涡旋光生成元件的拓扑荷数l在1-10之间可调。
所述涡旋光生成元件采用柱面镜组合、螺旋相位板或q板。
所述柱面镜组合由两块焦距为f的柱面镜构成非轴对称光学系统；
两块柱面镜之间的间距为形成π/2转换器，能够在垂直方向上引入π/2的相位差，实现厄米-高斯模式向拉盖尔-高斯模式的涡旋光转换；
或者，两块柱面镜之间的间距为2f，形成π转换器，π转换器能够对拉盖尔-高斯涡旋光实现拓扑荷符号反转。
所述螺旋相位板是一块具有螺旋剖面厚度的透明薄板，其光学厚度与方位角成正比。
所述螺旋相位板的材质为熔融石英，并根据透射波长在表面镀增透膜。
所述q板由具有各向异性双折射特性的液晶分子材料制成，根据所需的拓扑荷数l，液晶主轴方位在空间中呈现不同的旋转分布。
所述拉曼变频模块包括沿着激光传输方向依次布置的短焦透镜、拉曼池和准直透镜，涡旋光经过短焦透镜聚焦后射入拉曼池中，涡旋光在拉曼池内经过受激拉曼散射过程后产生包括斯托克斯光、反斯托克斯光和剩余泵浦光在内的多波长激光脉冲输出，多波长激光脉冲经过准直透镜准直后射入所述分光探测模块中。
所述分光探测单元包括沿着激光传输方向依次布置第二佩林布洛卡棱镜、分光光阑、扩束透镜和能量计。
本发明的优点及有益效果是：本发明不同于现有其他压缩气体拉曼激光器体积的技术，不是通过调整光学元件的相对位置缩短光程，也无需外加复杂的硬件结构，不涉及精密的光腔参数调控，而是单纯改变泵浦光的波前特性，优化其焦点处横向光强分布。通过在光路中插入简单的涡旋光生成器件，即可实现高斯型实心泵浦光向拉盖尔-高斯涡旋泵浦光的转换，其原理简单，结构简易，对环境条件要求不高。
本发明利用涡旋光的相位奇点以及螺旋状波前，使得泵浦光在焦平面呈现出空心环形强度分布，可以同时实现聚焦位置处横向光强的重新分布以及束腰尺寸的增大，特殊的光强中央凹陷使得焦点处的光功率密度降低，可以有效地抑制采用短焦透镜聚焦、高峰值功率泵浦时的LIB现象，进一步提高输出激光能量，同时缩小激光器体积至1m3以内。
本发明通过灵活设计涡旋光转换元件的结构，可以调节拓扑荷数大小，拓扑荷数决定了涡旋光焦点位置处中央暗斑的尺寸、内外环的比例和光斑的总直径，因此可以根据实际所需聚焦情况，成倍地降低焦点处的光功率密度。
本发明将泵浦光转换为涡旋光模式，在增大束腰尺寸的同时，可以增长泵浦激光束的有效焦深，使得泵浦光与拉曼增益气体的有效相互作用变长，从而提高拉曼转化效率。在相同实验条件下，与非涡旋光泵浦相比，本发明可以实现将受激拉曼散射的能量转换效率翻倍。
本发明可以有效规避激光诱导击穿情况下等离子体造成相位畸变，防止拉曼激光光束质量急剧恶化。从而在高峰值功率、短焦聚焦条件下，获得更好光束质量的拉曼激光。
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做以简单地介绍，显而易见地,下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器的结构示意图；
图2为本发明中涡旋光生成元件采用柱面透镜组合形式的结构示意图之一；
图3为本发明中涡旋光生成元件采用柱面透镜组合形式的结构示意图之二；
图4为本发明中涡旋光生成元件采用螺旋相位板的结构示意图；
图5为本发明中螺旋相位板的工作原理示意图；
图6为本发明中涡旋光生成元件采用q板的液晶分布图；
图中：1为激光泵浦模块，101为泵浦激光器，102为第一佩林·布洛卡棱镜，103为半波片，104为偏振分光器件，105为激光束流收集器，2为涡旋光转换模块，201为平面反射镜，202为涡旋光生成元件，2-1为柱面透镜组合，2-2为螺旋相位板，2-3为q板，3为拉曼变频模块，301为短焦透镜，302为拉曼池，303为准直透镜，4为分光探测模块，401为第二佩林·布洛卡棱镜，402为分光光阑，403为扩束透镜，404为能量计。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供一种涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，包括沿着激光传输方向依次放置的激光泵浦模块1、涡旋光转换模块2、拉曼变频模块3以及分光探测模块4，其中激光泵浦模块1用于输出泵浦光且射入涡旋光转换模块2中，涡旋光转换模块2用于产生涡旋光并射入拉曼变频模块3；拉曼变频模块3用于输出多波长激光脉冲且射入分光探测模块4中；分光探测模块4用于记录且输出能量光。
如图1所示，本发明的实施例中，激光泵浦模块1包括沿着激光传输方向依次排列的泵浦激光器101、第一佩林布洛卡棱镜102、半波片103和偏振分光器件104，且偏振分光器件一侧设有激光束流收集器105。
进一步地，泵浦激光器101可选用钇铝石榴石(YAG)激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器等高能固体激光器；泵浦光可以为紫外光、可见光或者红外光；优选的，本发明采用Nd:YAG固体激光器的倍频输出百毫焦532nm脉冲光泵浦。
进一步地，偏振分光器件104可选择偏振分光棱镜、分束立方体或者偏振分光片，用以确保线偏振光泵浦。优选的，本发明选择适用于高功率激光的K9材质56°偏振分光片，当泵浦光以布儒斯特角入射时，对p偏振光的透过率高于95％。
如图1所示，本发明的实施例中，涡旋光转换模块2包括沿着激光传输方向依次设置的平面反射镜201和涡旋光生成元件202，其中平面反射镜201用于改变泵浦光的传播路线，且使高斯型泵浦光同轴共线地入射到涡旋光生成元件202；涡旋光生成元件202用于将高斯型泵浦光转换为涡旋光且输出。具体地，涡旋光生成元件202可以为高斯型泵浦光附加一个相位因子，使其转换为携带有特殊轨道角动量的涡旋光，并射入拉曼变频模块3内。
如图1所示，本发明的实施例中，拉曼变频模块3包括沿着激光传输方向依次布置的短焦透镜301、拉曼池302和准直透镜303，涡旋光经过短焦透镜301聚焦后射入拉曼池302中，涡旋光在拉曼池302内经过受激拉曼散射过程后产生包括斯托克斯光、反斯托克斯光和剩余泵浦光在内的多波长激光脉冲输出，多波长激光脉冲经过准直透镜303准直后射入分光探测模块4中。
具体地，短焦透镜301的焦距应与小型的拉曼池302的长度相匹配，以满足涡旋泵浦光尽可能地聚焦在拉曼池302正中间，并确保有效的拉曼增益长度。进一步的，短焦透镜301的焦距可变，优选的，本发明选用焦距为200mm、300mm和400mm的短焦透镜。
本发明的实施例中，拉曼池302为一个小型的密闭空腔室，入射窗口为熔融石英材质，出射窗口为氟化钙材质。进一步地，拉曼池302的长度应于短焦透镜301的焦距匹配，使泵浦光尽可能聚焦在拉曼池302的正中央位置，必要时可以设计为多程池结构。优选地，本发明可选用长度为L＝30cm、60cm和88cm的小型拉曼池。
进一步地，拉曼池302中充入H2、D2、CH4、CO2和SF6等一种或多种高纯拉曼增益气体；
进一步地，可以向拉曼池302中充入氦气、氖气、氩气等惰性气体，进一步改善短焦透镜301聚焦、高峰值功率涡旋光泵浦时产生的热效应。
进一步地，准直透镜303焦距可变，可选焦距为0.2m、0.3m和0.4m。
如图1所示，本发明的实施例中，分光探测单元4包括沿着激光传输方向依次布置第二佩林布洛卡棱镜401、分光光阑402、扩束镜403和能量计404。
本发明的实施例中，涡旋光生成元件202的拓扑荷数l应根据实际泵浦激光器101的输出能量、短焦透镜301的焦距和拉曼池302的长度，在l＝1至l＝10之间可调。
进一步地，分光光阑402可在垂直于光束传播的方向上左右移动，以筛选所需阶数的涡旋拉曼光。
如图2-5所示，本发明的实施例中，涡旋光生成元件202采用柱面镜组合2-1、螺旋相位板2-2或q板2-3。
本发明的实施例中，柱面镜组合2-1由两块焦距为f的柱面镜构成非轴对称光学系统；两块柱面镜之间的间距为形成π/2转换器，能够在垂直方向上引入π/2的相位差，实现厄米-高斯模式向拉盖尔-高斯模式的涡旋光转换，如图2所示；
或者，两块柱面镜之间的间距为2f，形成π转换器，π转换器能够对拉盖尔-高斯涡旋光实现拓扑荷符号反转，如图3所示。
如图4所示，本发明的实施例中，螺旋相位板2-2是一块具有螺旋剖面厚度的透明薄板。具体地，螺旋相位板2-2的材质为熔融石英，并根据透射波长在表面镀增透膜，其光学高度d与方位角成正比，具体的厚度梯度根据转换器透射波长和所需拓扑荷数设计。例如，当选用532nm泵浦源，使用涡旋光转换模块产生拓扑荷数l＝1的涡旋光时，所对应的熔融石英材质螺旋相位板的光学厚度约为1.154μm。
如图5所示，螺旋相位板2-2在拓扑荷数为：l＝1、l＝2和l＝3三种情况下，螺旋相位板2-2的相位分布、对应产生的涡旋光焦点处的光强分布，以及经过螺旋相位板2-2，激光波前的螺旋变化。入射激光通过拓扑荷数为l＝1、l＝2和l＝3的螺旋相位板后，光相位在绕衍射表面360°旋转过程中分别有1个、2个和3个2π的改变。此外，拓扑荷数l越大，产生的涡旋光光强分布的横向尺寸越大。
进一步的，螺旋相位板2-2的拓扑荷数l、一圈的螺旋相位光学高度d之间的关系应满足/>其中r表示围绕奇点闭合积分路径的切向增量，λ为入射激光的波长，n为介质折射率。优选的，当本发明选用532nm泵浦源，使用涡旋光转换模块产生拓扑荷数l＝1的涡旋光时，所对应的熔融石英材质螺旋相位板的光学厚度约为1.154μm。
如图6所示，本发明的实施例中，q板2-3由具有各向异性双折射特性的液晶分子材料制成，根据所需的拓扑荷数l，液晶主轴方位在空间中呈现不同的旋转分布，通过控制驱动电压改变通过液晶的双折射延迟。图6为拓扑荷数l＝3、l＝4时的液晶结构。
进一步的，q板2-3内液晶的局域光轴相对于x轴以夹角a绕中心旋转，液晶的双折射延迟δ通过改变驱动电压控制，将初始x轴方向定为α0，则有α(r，φ)＝qφ+α0，其中r和Φ分别表示径向和角向极坐标，q板的拓扑荷数q为所需转换涡旋光拓扑荷数l的一半，即q＝l/2。
本实施例中，涡旋光具有一定拓扑电荷的相位奇点以及螺旋状波前，从而在焦平面呈现出空心环形强度分布。在依靠涡旋光的特殊螺旋状波前、相位奇点和“面包圈”结构焦平面光强分布，实现聚焦位置处中间弱、四周强的光强分布，同时增大束腰尺寸，有效降低焦深附近光功率密度，从而抑制LIB。拓扑荷数l的高低决定了涡旋光焦点位置处中央暗斑的尺寸、内外环的比例和光斑的总直径。以涡旋光作为拉曼激光器的泵浦源，可以同时实现聚焦位置处横向光强的重新分布以及束腰尺寸的增大，特殊的光强中央凹陷使得焦点处的光功率密度降低，可以有效地抑制采用短焦透镜聚焦、高峰值功率泵浦时的LIB现象，进一步提高输出激光能量，同时缩小激光器体积。
实施例一
泵浦光源选用一款型号为Nimma 900的Nd:YAG调Q脉冲激光器，输出光斑直径8mm，波长为1064nm，输出最大能量600mJ，脉宽为10ns，激光为水平方向线偏振光。通过BBO倍频晶体的角度调谐和温度调谐，实现倍频输出532nm水平偏振脉冲激光，当BBO晶体的温度为145.6℃时，达到最佳温度相位匹配条件，输出高能量高斯型脉冲激光。依次通过第一佩林·布洛卡棱镜102、半波片103、56°偏振分光片、平面反射镜201，经拓扑荷数l＝1、通光口径为15mm×15mm的螺旋相位板2-2转换成为携带有轨道角动量的涡旋光，再通过焦距为300mm短焦透镜301聚焦后，入射到长度为60cm的拉曼池302中。当半波片103角度为102°时，出射的涡旋泵浦光总能量最大约为289mJ。拉曼池302入射窗口为未镀膜JGS2石英材质(透过率为93％)，出射窗口为CaF2材质(透过率为93％)，拉曼池302的内部充有纯度99.999％的高纯CO2气体，气压范围为0.12-4MPa。在拉曼池302的中心焦点处经受激拉曼散射效应产生各阶拉曼光，其中一阶反斯托克斯光为495nm、一阶斯托克斯光574nm、二阶斯托克斯光624nm、三阶斯托克斯光683nm和四阶斯托克斯光755nm，所述各阶拉曼光满足角动量守恒定律，拓扑荷数均为l＝1，偏振保持为水平偏振。从拉曼池302的出射窗口射出的各阶涡旋拉曼光，经焦距为200mm的准直透镜303变为平行光。经过第二佩林·布洛卡棱镜401，使用分光光阑402分离出波长为574nm黄色涡旋脉冲激光。经焦距为50mm扩束透镜403扩束后，通过能量计404(Gentec-EO QE50LP-H-MB-D0)记录输出光能量。
实施例二
泵浦光源选用一款型号为Nimma 600的Nd:YAG调Q脉冲激光器，输出光斑直径10mm，波长为532nm，输出最大能量305mJ，脉宽为8ns，激光为水平方向线偏振光。输出高能的高斯型脉冲激光首先经过通光口径为Φ＝5mm的小孔，选取中央位置处光强分布最均匀的区域，并实现将光束质量优化到M2＝1.8左右。高斯型泵浦激光依次通过第一佩林·布洛卡棱镜102、半波片103、分束立方体、平面反射镜201，使用拓扑荷数q＝2的q板，将泵浦光转换为拓扑荷数l＝4的涡旋光，再通过焦距为400mm短焦透镜301聚焦后，入射到长度为88cm的拉曼池302中。当半波片103角度为96°时，出射的涡旋泵浦光总能量最大约为68mJ。拉曼池302入射窗口为石英窗口，镀有532nm高透膜(透过率大于96％)，出射窗口为氟化钙窗口，对可见光波段透过率高于95％。拉曼池302内部充有高纯H2气体，气压范围为60kPa-1.8MPa。在拉曼池302的中心焦点处经受激拉曼散射效应产生各阶拉曼光，其中一阶反斯托克斯光为436nm、一阶斯托克斯光683nm、二阶斯托克斯光954nm，所述各阶拉曼光满足总角动量守恒定律，拓扑荷数均为l＝4，偏振保持为水平偏振。从拉曼池302的出射窗口射出的各阶涡旋拉曼光，经焦距为300mm的准直透镜303变为平行光。经过第二佩林·布洛卡棱镜401，使用分光光阑402分离出波长为683nm的红色涡旋脉冲激光。经焦距为50mm扩束透镜403扩束后，通过能量计404(Gentec-EO QE50LP-H-MB-D0)记录输出光能量。
实施例三
以808nm红外半导体激光器(CME-L 808)作为抽运光，对1at.％掺杂Nd:YAG晶体进行离轴端面泵浦，晶体吸收长度为1.5mm且端面镀有1064nm高反膜，与输出耦合镜构成谐振腔，谐振腔长度为16cm，输出镜曲率半径为210mm，对应抽运端面的HG00厄米高斯模式的振荡光半径为0.18mm。当抽运光功率为0.25W，离轴量为0.113mm时，实现单一HG10模式的1064nm脉冲激光输出。HG10模泵浦激光依次通过第一佩林·布洛卡棱镜102、半波片103、偏振分光棱镜、平面反射镜201，入射放置在f距离处的柱面透镜组合2-1，该柱面透镜组合2-1作为π/2转换器，对HG10模激光在垂直方向上引入π/2的相位差，实现厄米-高斯模式向拉盖尔-高斯模式的转换，生成拓扑荷数为l＝1的涡旋泵浦光，如图3所示。再通过焦距为200mm短焦透镜301聚焦后，入射到长度为45cm的拉曼池302中。当半波片103角度为136°时，出射的涡旋泵浦光总能量最大约为78mJ。拉曼池302的入射窗口为镀有1064nm增透膜的JGS1石英窗口片(透过率大于97.5％)，出射窗口为未镀膜JGS1窗口片(透过率为93％)，拉曼池302内部充有纯度99.999％的高纯CO2气体，气压范围为0.1-3.5MPa。在拉曼池302的中心焦点处经受激拉曼散射效应产生各阶拉曼光，其中一阶反斯托克斯光为927nm、一阶斯托克斯光为1248nm、二阶斯托克斯光为1510nm、三阶斯托克斯光为1910nm，所述各阶拉曼光子满足总角动量守恒定律，拓扑荷数均为l＝1。从拉曼池302的出射窗口射出的各阶涡旋拉曼光，经焦距为150mm的准直透镜303变为平行光。经过第二佩林·布洛卡棱镜401，使用分光光阑402分离出波长为1510nm的红外涡旋脉冲激光。经焦距为80mm扩束透镜403扩束后，通过能量计404(Gentec-EO QE50LP-H-MB-D0)记录输出光能量。
本发明提供的一种涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，其中，激光泵浦模块输出高斯型泵浦激光，经由一系列光学元件，同轴共线地入射到涡旋光转换模块中，涡旋光生成元件可以为高斯型泵浦光附加一个相位因子，使其转换为携带有特殊轨道角动量的拉盖尔-高斯涡旋光，并射入拉曼变频模块。拉曼变频模块包括短焦透镜、小型拉曼池和准直透镜。涡旋泵浦光经过短焦透镜聚焦在小型拉曼池中央位置处，经过受激拉曼散射过程产生多波长涡旋拉曼脉冲输出。通过调节涡旋光的拓扑荷数l，可以改变涡旋光焦平面处中央暗斑的范围、内外环的比例和光斑的总尺寸，实现光功率密度不同程度上地降低，使得采用短焦透镜聚焦成为可能。
本发明利用转换后的涡旋光作为泵浦源实现拉曼转换，产生具有涡旋特性的拉曼光；涡旋光在焦平面处独特的“面包圈”型光强分布有利于解决短焦透镜聚焦、高峰值功率激光泵浦时，气体拉曼激光器内产生的激光诱导击穿现象。通过灵活调节涡旋光生成元件的拓扑荷数，可以将气体拉曼激光器的体积压缩到先前的1/4以下，可简单易行地实现气体拉曼激光器的小型化、轻量化。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，其特征在于，包括沿着激光传输方向依次放置的激光泵浦模块(1)、涡旋光转换模块(2)、拉曼变频模块(3)以及分光探测模块(4)，其中激光泵浦模块(1)用于输出泵浦光且射入涡旋光转换模块(2)中，涡旋光转换模块(2)用于产生涡旋光并射入拉曼变频模块(3)；拉曼变频模块(3)用于输出多波长激光脉冲且射入分光探测模块(4)中；分光探测模块(4)用于记录且输出能量光。
2.根据权利要求1所述的涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，其特征在于，所述激光泵浦模块(1)包括沿着激光传输方向依次排列的泵浦激光器(101)、第一佩林布洛卡棱镜(102)、半波片(103)和偏振分光器件(104)，且偏振分光器件一侧设有激光束流收集器(105)，其中第一佩林布洛卡棱镜(102)用以阻止后向布里渊光和后向拉曼光返回进激光器并损伤激光晶体，半波片(103)和偏振分光器件(104)的组合可以实现对进入拉曼变频模块(3)的激光能量的连续调节。
3.根据权利要求1所述的涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，其特征在于，所述涡旋光转换模块(2)包括沿着激光传输方向依次设置的平面反射镜(201)和涡旋光生成元件(202)，其中平面反射镜(201)用于改变泵浦光的传播路线，且使泵浦光同轴共线地入射到涡旋光生成元件(202)；涡旋光生成元件(202)用于将泵浦光转换为涡旋光且输出；所述涡旋光生成元件(202)的拓扑荷数l在1-10之间可调。
4.根据权利要求3所述的涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，其特征在于，所述涡旋光生成元件(202)采用柱面镜组合(2-1)、螺旋相位板(2-2)或q板(2-3)。
5.根据权利要求4所述的涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，其特征在于，所述柱面镜组合(2-1)由两块焦距为f的柱面镜构成非轴对称光学系统；
两块柱面镜之间的间距为形成π/2转换器，能够在垂直方向上引入π/2的相位差，实现厄米-高斯模式向拉盖尔-高斯模式的涡旋光转换；
或者，两块柱面镜之间的间距为2f，形成π转换器，π转换器能够对拉盖尔-高斯涡旋光实现拓扑荷符号反转。
6.根据权利要求4所述的涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，其特征在于，所述螺旋相位板(2-2)是一块具有螺旋剖面厚度的透明薄板，其光学厚度与方位角成正比。
7.根据权利要求6所述的涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，其特征在于，所述螺旋相位板(2-2)的材质为熔融石英，并根据透射波长在表面镀增透膜。
8.根据权利要求4所述的涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，其特征在于，所述q板(2-3)由具有各向异性双折射特性的液晶分子材料制成，根据所需的拓扑荷数l，液晶主轴方位在空间中呈现不同的旋转分布。
9.根据权利要求1所述的涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，其特征在于，所述拉曼变频模块(3)包括沿着激光传输方向依次布置的短焦透镜(301)、拉曼池(302)和准直透镜(303)，涡旋光经过短焦透镜(301)聚焦后射入拉曼池(302)中，涡旋光在拉曼池(302)内经过受激拉曼散射过程后产生包括斯托克斯光、反斯托克斯光和剩余泵浦光在内的多波长激光脉冲输出，多波长激光脉冲经过准直透镜(303)准直后射入所述分光探测模块(4)中。
10.根据权利要求1所述的涡旋光泵浦的小型化高能气体拉曼激光器，其特征在于，所述分光探测单元(4)包括沿着激光传输方向依次布置第二佩林布洛卡棱镜(401)、分光光阑(402)、扩束透镜(403)和能量计(404)。
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2023
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