CN117578178B - 一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光技术领域，具体公开了一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，包括泵浦源、增益介质、单频控制元件、后端镜、波长调谐元件、分色镜、第一反射镜、拉曼晶体、第二反射镜和耦合输出镜。本发明利用增益介质在谐振腔的作用下，可产生高达数百瓦的腔内功率密度，从而激发拉曼晶体中的三阶非线性效应，实现拉曼激射。其次，由于增益介质采用宽带增益谱结构设计，在单频控制元件和波长调谐元件的协同作用下，易实现泵浦激光线宽的压缩和波长的大范围调谐，进而可实现单频、宽调谐腔内连续波拉曼激光输出。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器。
背景技术
受激拉曼散射作为一种三阶非线性频率变换技术，是拓宽激光波长的重要手段。单频、宽调谐内腔式拉曼激光器因具有窄的线宽和大的波长调谐范围，在钠导星、精密光谱学以及原子冷却等领域具有非常重要的应用价值，近年来一直处于激光频率变换研究领域的前沿。
由于拉曼激光器的泵浦方式采用腔内连续波泵浦，拉曼激光器的性能很大程度上依赖于泵浦激光。目前，该类型拉曼激光器主要采用固体激光泵浦，通过在谐振腔中放置标准具，起到对泵浦激光线宽压缩和波长调谐的作用，从而实现单频、可调谐拉曼激光输出。然而，单个标准具的线宽与自由光谱范围之间会相互制约，往往引起激光多纵模工作，不利于激光的模式选择。此外，固体激光泵浦的激射波长和调谐能力都非常有限，致使这种内腔式拉曼激光器很难实现大范围可调谐输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，以解决现有固体激光泵浦的内腔式拉曼激光器难以实现大范围波长调谐和单频控制难度大的问题。本技术方案中用于提供泵浦激光的增益介质在谐振腔的作用下，能产生高达数百瓦的腔内功率密度，该功率密度能激发拉曼晶体中的三阶非线性效应，可实现拉曼激射。此外，增益介质采用宽带增益谱结构，在单频控制元件和波长调谐元件的协同作用下，易实现泵浦激光线宽的压缩和波长的大范围调谐，进而实现单频宽调谐的内腔式拉曼激光器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，包括泵浦源、增益介质、单频控制元件、后端镜、波长调谐元件、分色镜、第一反射镜、拉曼晶体、第二反射镜和耦合输出镜；所述泵浦源、增益介质、单频控制元件、后端镜、波长调谐元件、第一反射镜和第二反射镜构成泵浦系统，所述分色镜、第一反射镜、拉曼晶体、第二反射镜和耦合输出镜构成拉曼系统；所述增益介质、后端镜、第一反射镜和第二反射镜之间形成泵浦谐振腔，泵浦辐射在所述泵浦谐振腔的作用下形成泵浦激光振荡；所述分色镜、第一反射镜、第二反射镜和耦合输出镜之间形成拉曼谐振腔，拉曼受激辐射在拉曼谐振腔的作用下形成拉曼激射；所述泵浦源用于向所述增益介质辐射初级泵浦光，所述增益介质用于吸收初级泵浦光的能量并对抽运光的波长产生用于激发拉曼晶体的泵浦辐射，所述增益介质采用宽带增益谱结构；所述增益介质能够将泵浦辐射反射给第一反射镜和后端镜；所述后端镜用于将增益介质反射来的泵浦辐射再次反射给所述增益介质；所述单频控制元件位于增益介质和后端镜之间，所述单频控制元件用于窄化泵浦激光的线宽；所述波长调谐元件和分色镜位于增益介质和第一反射镜之间，所述波长调谐元件位于靠近所述增益介质的一侧；所述波长调谐元件用于调谐泵浦激光的波长；所述分色镜用于实现泵浦辐射和拉曼辐射的分离，所述分色镜能够透射泵浦激光以及能够反射拉曼激光，所述分色镜能够将拉曼激光反射给第一反射镜和耦合输出镜；所述第一反射镜用于将增益介质发射的泵浦辐射和分色镜分离的拉曼辐射反射给第二反射镜；所述第二反射镜用于将拉曼辐射和泵浦辐射再次反射至第一反射镜；所述拉曼晶体位于第一反射镜和第二反射镜之间，所述拉曼晶体能够透过泵浦激光波长和拉曼激光波长，所述拉曼晶体用于吸收泵浦激光的能量并产生拉曼受激辐射；所述耦合输出镜用于输出拉曼激光。
进一步，所述增益介质包括依次设置的反射层和有源层，所述反射层用于对泵浦激光进行反射，所述有源层能够对泵浦辐射实现光放大，所述有源层为多量子阱结构。
进一步，所述增益介质还包括保护层，所述保护层用于防止所述增益介质发生氧化。
进一步，所述单频控制元件包括依次设置的多组控制层，多组控制层对线宽的窄化能力依次增强。
进一步，所述单频控制元件包括对线宽的窄化能力依次增强的第一控制层、第二控制层和第三控制层，所述第一控制层、第二控制层和第三控制层的厚度按比例增加。
进一步，所述波长调谐元件以布鲁斯特角放置。
进一步，所述波长调谐元件能够以其所在平面的法线为轴进行转动。
进一步，所述泵浦源为激光二极管。
进一步，所述泵浦源为波长小于泵浦系统激光波长的半导体激光二极管。
本技术方案的工作原理在于：增益介质中的有源层吸收泵浦源提供的能量，产生泵浦辐射。该泵浦辐射在增益介质、第一反射镜、第二反射镜和后端镜所构成的泵浦谐振腔的作用下，形成泵浦激光振荡。由于该泵浦激光的腔内功率密度高达数百瓦水平，可以激发拉曼晶体中的三阶非线性效应，产生拉曼辐射。
随后该拉曼辐射在分色镜、第一反射镜、第二反射镜和耦合输出镜所构成的拉曼谐振腔的作用下实现拉曼激射。利用泵浦激光易于线宽压缩和波长调谐的特性，通过在泵浦谐振腔内放置单频控制元件和波长调谐元件，可实现单频、宽调谐腔内连续波单频拉曼激光。
本技术方案的有益效果在于：利用泵浦激光具有大的增益带宽、高的腔内功率密度、易于线宽压缩和大范围波长调谐等特性，通过在泵浦谐振腔内放置单频控制元件和波长调谐元件，再结合拉曼晶体的三阶非线性效应，实现单频、宽调谐内腔式拉曼激射。本发明可以解决现有固体激光泵浦的腔内连续波拉曼激光器难以实现大范围波长调谐和单频控制难度大等问题，为钠导星、精密光谱学以及原子冷却等应用领域提供高性能光源。
附图说明
图1为本发明一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器的原理图；
图2为图1中增益介质的原理图；
图3为图1中单频控制元件的原理图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：热沉1、增益介质2、泵浦源3、准直聚焦系统4、单频控制元件5、后端镜6、波长调谐元件7、分色镜8、第一反射镜9、拉曼晶体10、第二反射镜11、耦合输出镜12、反射层13、有源层14、保护层15、第一控制层16、第二控制层17、第三控制层18。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例基本如附图1所示：一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，包括泵浦源3、准直聚焦系统4、增益介质2、单频控制元件5、后端镜6、波长调谐元件7、分色镜8、第一反射镜9、拉曼晶体10、第二反射镜11和耦合输出镜12；泵浦源3、准直聚焦系统4、增益介质2、单频控制元件5、后端镜6、波长调谐元件7、第一反射镜9和第二反射镜11构成泵浦系统，分色镜8、第一反射镜9、拉曼晶体10、第二反射镜11和耦合输出镜12构成拉曼系统。增益介质2、后端镜6、第一反射镜9和第二反射镜11之间形成泵浦谐振腔，泵浦辐射在泵浦谐振腔的作用下形成泵浦激光振荡；分色镜8、第一反射镜9、第二反射镜11和耦合输出镜12之间形成拉曼谐振腔，拉曼受激辐射在拉曼谐振腔的作用下形成拉曼激射。
泵浦源3为波长小于泵浦系统激光波长的半导体激光二极管；泵浦源3用于向增益介质2辐射初级泵浦光，为增益介质2中载流子的跃迁提供抽运能量。准直聚焦系统4用于将初级泵浦光准直聚焦到增益介质2上。
增益介质2固定在热沉1上，热沉1用于增益介质2的散热。增益介质2用于吸收初级泵浦光的能量并对抽运光的波长产生用于激发拉曼晶体10的泵浦辐射，增益介质2能够将泵浦辐射反射给第一反射镜9和后端镜6。增益介质2采用宽带增益谱结构，如图2所示，增益介质2包括依次设置的反射层13、有源层14和保护层15，反射层13用于对泵浦激光进行反射；有源层14能够对泵浦辐射实现光放大，有源层14为半导体材料且为多量子阱结构；保护层15用于防止增益介质2发生氧化。泵浦激光依次经过保护层15、有源层14在反射层13处发生反射，反射的泵浦激光再经过有源层14和保护层15后发射至第一反射镜9和后端镜6。
后端镜6用于将增益介质2反射来的泵浦辐射再次反射给增益介质2，后端镜6上镀有对泵浦激光波长具有高反射率的第一高反射膜层。
单频控制元件5位于增益介质2和后端镜6之间，单频控制元件5用于窄化泵浦激光的线宽。单频控制元件5包括依次设置的多组控制层，多组控制层对线宽的窄化能力依次增强且厚度按比例增加，窄化能力最强的窄化层靠近后端镜6。具体地如图3所示(主要是体现窄化能力越来越强，不体现厚度)，单频控制元件5包括对线宽的窄化能力依次增强的第一控制层16、第二控制层17和第三控制层18，第一控制层16、第二控制层17和第三控制层18的厚度按比例增加，例如比例为2:1，第一控制层16的厚度为0.25，第二控制层17的厚度为0.5，第三控制层18的厚度为1。
波长调谐元件7和分色镜8位于增益介质2和第一反射镜9之间，波长调谐元件7位于靠近增益介质2的一侧；波长调谐元件7用于调谐泵浦激光的波长，波长调谐元件7以布鲁斯特角放置，波长调谐元件7能够以其所在平面的法线为轴进行转动。
分色镜8用于实现泵浦辐射和拉曼辐射的分离，分色镜8能够透射泵浦激光以及能够反射拉曼激光，分色镜8能够将拉曼激光反射给第一反射镜9和耦合输出镜12。分色镜8的端面镀有对泵浦激光波长具有高透过率的第一高透射膜层和对拉曼激光波长具有高反射率的第二高反射膜层。
第一反射镜9用于将增益介质2发射的泵浦辐射和分色镜8分离的拉曼辐射反射给第二反射镜11；第二反射镜11用于将拉曼辐射和泵浦辐射再次反射至第一反射镜9。第一反射镜9和第二反射镜11上均镀有对泵浦激光波长和拉曼激光波长具有高反射率的第三高反射膜层。
拉曼晶体10位于第一反射镜9和第二反射镜11之间，拉曼晶体10能够透过泵浦激光波长和拉曼激光波长，拉曼晶体10用于吸收泵浦激光的能量并产生拉曼受激辐射。拉曼晶体10上镀有对泵浦激光波长和拉曼激光波长具有高透过率的第二高透射膜层。
耦合输出镜12用于输出拉曼激光，耦合输出镜12上镀有对拉曼激光波长具有一定透过率的透射膜层。
具体地：增益介质2中的反射层13为30对GaAs/AlAs层，每层GaAs和AlAs的光学厚度都等于1018nm/4(也即是四分之一波长)，这样，反射层13对波长为1018nm的泵浦激光提供高达99.99％的反射率。有源层14为In0.15GaAs/GaAs多量子阱，量子阱的荧光峰值波长为1018nm，因此，有源层14能够产生激射波长为1018nm的受激辐射。保护层15为GaAs层，该层可防止增益介质2被氧化。
泵浦源3为工作波长在808nm的半导体激光二极管。后端镜6为曲率半径为50mm的平凹反射镜，其凹反射面镀有波长为990-1050nm的第一高反射膜层。分色镜8为平镜，两端面都镀有波长为990-1050nm的第一高透射膜层，以及第二平面(右侧平面)处镀有波长为1140-1250nm的第二高反射膜层。第一反射镜9为曲率半径为300mm的平凹反射镜，凹反射面镀有波长为990-1250nm的第三高反射膜层。第二反射镜11为曲率半径为50mm的平凹反射镜，凹反射面也镀有波长为990-1250nm的第三高反射膜层。拉曼晶体10为金刚石晶体，晶体两端面镀有波长为990-1250nm的第二高透过膜层。耦合输出镜12为平镜，端面镀有1140nm-1250nm波长处透过率为1％的透射膜层，用于输出拉曼激光。
波长调谐元件7为厚度为4mm的双折射滤波片，为获得最大拉曼增益，其需要以布鲁斯特角放置，此时激光器的泵浦受激辐射为水平偏振态，且与拉曼晶体10的<111>方向平行。
单频控制元件5采用K9玻璃材料制成的组合标准具，其第一控制层16、第二控制层17和第三控制层18的厚度按照一定比例设计，通过三层控制层的共同作用，从而实现泵浦模式的选择，再结合拉曼晶体10的三阶非线性效应，实现单频拉曼激射。随后，以波长调谐元件7所在平面的法线为轴转动波长调谐元件7，将调谐泵浦激光的波长，进而实现单频拉曼激光输出波长的大范围调谐。
具体实施过程如下：
增益介质2中的有源层14吸收泵浦源3提供的能量，产生泵浦辐射。该泵浦辐射在增益介质2、第一反射镜9、第二反射镜11和后端镜6所构成的泵浦谐振腔的作用下，形成泵浦激光振荡。由于该泵浦激光的腔内功率密度高达数百瓦水平，可以激发拉曼晶体10中的三阶非线性效应，产生拉曼辐射。
随后该拉曼辐射在分色镜8、第一反射镜9、第二反射镜11和耦合输出镜12所构成的拉曼谐振腔的作用下实现拉曼激射。利用泵浦激光易于线宽压缩和波长调谐的特性，通过在泵浦谐振腔内放置单频控制元件5和波长调谐元件7，可实现单频、宽调谐腔内连续波单频拉曼激光。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (8)
1.一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：包括泵浦源(3)、增益介质(2)、单频控制元件(5)、后端镜(6)、波长调谐元件(7)、分色镜(8)、第一反射镜(9)、拉曼晶体(10)、第二反射镜(11)和耦合输出镜(12)；所述泵浦源(3)、增益介质(2)、单频控制元件(5)、后端镜(6)、波长调谐元件(7)、第一反射镜(9)和第二反射镜(11)构成泵浦系统，所述分色镜(8)、第一反射镜(9)、拉曼晶体(10)、第二反射镜(11)和耦合输出镜(12)构成拉曼系统；所述增益介质(2)、后端镜(6)、第一反射镜(9)和第二反射镜(11)之间形成泵浦谐振腔，泵浦辐射在所述泵浦谐振腔的作用下形成泵浦激光振荡；所述分色镜(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(11)和耦合输出镜(12)之间形成拉曼谐振腔，拉曼受激辐射在拉曼谐振腔的作用下形成拉曼激射；所述泵浦源(3)用于向所述增益介质(2)辐射初级泵浦光，所述增益介质(2)用于吸收初级泵浦光的能量并对抽运光的波长产生用于激发拉曼晶体(10)的泵浦辐射，所述增益介质(2)采用宽带增益谱结构，所述增益介质(2)包括依次设置的反射层(13)和有源层(14)，所述反射层(13)用于对泵浦激光进行反射，所述有源层(14)能够对泵浦辐射实现光放大，所述有源层(14)为多量子阱结构；所述增益介质(2)能够将泵浦辐射反射给第一反射镜(9)和后端镜(6)；所述后端镜(6)用于将增益介质(2)反射来的泵浦辐射再次反射给所述增益介质(2)；所述单频控制元件(5)位于增益介质(2)和后端镜(6)之间，所述单频控制元件(5)用于窄化泵浦激光的线宽；所述波长调谐元件(7)和分色镜(8)位于增益介质(2)和第一反射镜(9)之间，所述波长调谐元件(7)位于靠近所述增益介质(2)的一侧；所述波长调谐元件(7)用于调谐泵浦激光的波长；所述分色镜(8)用于实现泵浦辐射和拉曼辐射的分离，所述分色镜(8)能够透射泵浦激光以及能够反射拉曼激光，所述分色镜(8)能够将拉曼激光反射给第一反射镜(9)和耦合输出镜(12)；所述第一反射镜(9)用于将增益介质(2)发射的泵浦辐射和分色镜(8)分离的拉曼辐射反射给第二反射镜(11)；所述第二反射镜(11)用于将拉曼辐射和泵浦辐射再次反射至第一反射镜(9)；所述拉曼晶体(10)位于第一反射镜(9)和第二反射镜(11)之间，所述拉曼晶体(10)能够透过泵浦激光波长和拉曼激光波长，所述拉曼晶体(10)用于吸收泵浦激光的能量并产生拉曼受激辐射；所述耦合输出镜(12)用于输出拉曼激光。
2.根据权利要求1所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述增益介质(2)还包括保护层(15)，所述保护层(15)用于防止所述增益介质(2)发生氧化。
3.根据权利要求1所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述单频控制元件(5)包括依次设置的多组控制层，多组控制层对线宽的窄化能力依次增强。
4.根据权利要求3所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述单频控制元件(5)包括对线宽的窄化能力依次增强的第一控制层(16)、第二控制层(17)和第三控制层(18)，所述第一控制层(16)、第二控制层(17)和第三控制层(18)的厚度按比例增加。
5.根据权利要求1所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述波长调谐元件(7)以布鲁斯特角放置。
6.根据权利要求5所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述波长调谐元件(7)能够以其所在平面的法线为轴进行转动。
7.根据权利要求1所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述泵浦源(3)为激光二极管。
8.根据权利要求7所述的一种单频宽调谐内腔式拉曼激光器，其特征在于：所述泵浦源(3)为波长小于泵浦系统激光波长的半导体激光二极管。
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