CN212626511U - 一种中长波红外的拉曼激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种中长波红外的拉曼激光器，所述拉曼激光器包括：种子源发出波长>2.1μm范围的线性偏振泵浦光，泵浦光经光隔离器、光束整形器之后进入金刚石拉曼振荡器；通过受激拉曼散射产生波长>3μm的一阶Stokes光，并在金刚石拉曼振荡器处实现Stokes光的放大和输出。本实用新型提高了中长波红外激光的转换效率和输出功率。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光器领域，尤其涉及一种中长波红外的拉曼激光器。
背景技术
由于大气成分的吸收，红外辐射在大气中透过的3个“窗口”分别是：近红外(1-3μm)、中红外(3-5μm)、远红外(8-12.1μm)，其中3-5μm和8-12.1μm两个波段，具有较好的大气传播性，以及在海平面上较低的分子吸收系数和气悬物散射系数，因此该波段激光可以大大增加有效作用距离。上述波段的中长波红外相干光源，在军事领域(如红外制导、红外预警、红外对抗、红外通信等)和民用领域(如红外激光诊疗、遥感、红外光谱学等)都具有非常重要的应用价值一直受到各国政府和科研人员的广泛关注。
随着军事上红外追踪、制导武器的作用距离越来越长，以及红外自动制导导弹的持续装备，激光在定向红外对抗技术系统(directed infrared counter-measure,DIRCM)上的应用得以快速发展，并且逐渐成为光电对抗技术领域的研究热点。目前，用于红外成像制导的探测器大多数工作在3-5μm和8-12.1μm波段，因此对于发展机载激光DIRCM来说，当务之急是研制可靠的激光器。3-5μm和8-12.1μm激光及应用技术既给我们提供了重大机遇，同时又给我们带来了挑战。
中长波红外光的束腰半径通常不容易聚焦到很小尺寸，但是束腰半径尺寸越小，激光能量密度越大，泵浦阈值越低，光-光转换效率越高，输出中长波红外光的功率越大。申请人设计过一款中长波红外的拉曼激光器，不过没有考虑到这个问题，导致最终输出的中长波红外光的功率很低，经过测试实验发现：中红外光经过耦合输入镜汇聚到金刚石的光斑面积过大，导致了能量密度过小，泵浦阈值很高，光-光效率较低的问题。
实用新型内容
本实用新型提供了一种中长波红外的拉曼激光器，本实用新型提高了中长波红外激光的转换效率和输出功率，详见下文描述：
一种中长波红外的拉曼激光器，所述拉曼激光器包括：
种子源发出波长>2.1μm范围的线性偏振泵浦光，泵浦光经光隔离器、光束整形器后进入金刚石拉曼振荡器；
通过受激拉曼散射产生波长>3μm的一阶Stokes光，并在金刚石拉曼振荡器处实现Stokes光的放大和输出。
一种选择方式，所述种子源为连续光、准连续光或脉冲运转。
进一步地，所述光隔离器用于单向传输泵浦光。
一种选择方式，光束整形器由两个凸透镜组成，两个凸透镜的通光面均镀有对>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜。
其中，所述金刚石拉曼振荡器包括：
第一入射镜：平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质膜；
第一凸透镜：通光面镀有对波长>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜；
第一拉曼晶体：入射面镀有同时对泵浦光和Stokes光增透的宽带介质膜，输出面镀有对泵浦光高反射的宽带介质膜以及对Stokes光增透的宽带介质膜。
另一种选择方式，所述金刚石拉曼振荡器包括：
第二入射镜：平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质；
第二凸透镜：通光面镀有对波长>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜；
第二拉曼晶体：镀有同时对泵浦光和Stokes光增透的宽带介质膜；
第一输出镜：凹面镀有对Stokes光部分透射的宽带介质膜，平面镀有对Stokes光高透的宽带介质膜。
另一种选择方式，所述金刚石拉曼振荡器包括：
第三入射镜：平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质膜；
第三凸透镜：通光面镀有对波长>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜；
第三拉曼晶体：两端切割角度θ＝arctan(n0)，n0为折射率，输出面镀有对泵浦光高反射的宽带介质膜。
另一种选择方式，所述金刚石拉曼振荡器包括：
第四入射镜：平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质膜；
第四凸透镜：通光面镀有对波长>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜；
第四拉曼晶体：两端切割角度θ＝arctan(n0)，n0为折射率；
第二输出镜：凹面镀有对Stokes光部分透射的宽带介质膜，平面镀有对Stokes光高透的宽带介质膜。
进一步地，所述拉曼激光器还包括：二向色镜，所述二向色镜为带通二向色镜、或长通二向色镜。
本实用新型提供的技术方案的有益效果是：
1、该激光器首次提出用>2.1μm中红外种子源作为泵浦源对金刚石拉曼振荡器进行泵浦，获得波长为>3μm中长波红外激光输出；
2、利用金刚石作为拉曼增益介质可以有效克服传统材料拉曼增益系数低、光谱透过范围窄、低性能差的问题，进而实现高功率的长波红外激光输出；
3、该金刚石拉曼振荡器结构简单且紧凑，可以实现小型化并应用于工业和军事装备，在红外光电对抗、差分雷达、激光主动成像雷达等领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1为小型化中长波红外激光器的结构示意图；
图2为光束整形器的结构示意图；
图3为金刚石拉曼振荡器的第一结构示意图；
图4为金刚石拉曼振荡器的第二结构示意图；
图5为金刚石拉曼振荡器的第三结构示意图；
图6为金刚石拉曼振荡器的第四结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：种子源； 2：光隔离器；
3：光束整形器； 4：金刚石拉曼振荡器；
5：二向色镜。
其中，
3-1：第一凸透镜； 3-2：第二凸透镜；
4-1：第一入射镜； 4-2：第一聚焦透镜；
4-3：第一拉曼晶体； 4-4：第二入射镜；
4-5：第二聚焦透镜； 4-6：第二拉曼晶体；
4-7：第一输出镜； 4-8：第三入射镜；
4-9：第三聚焦透镜； 4-10：第三拉曼晶体；
4-11：第四入射镜； 4-12：第四聚焦透镜；
4-13：第四拉曼晶体； 4-14：第二输出镜。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型采取的改进措施如下：
谐振腔当中，在泵浦光入射到激光晶体之前，加入凸透镜，用来缩小入射的中红外光的光束束腰尺寸，使得汇聚到金刚石的光斑面积缩小，降低了泵浦阈值，进而可以提高输出光的功率。
受激拉曼散射无需相位匹配，具有光束净化效应，且拉曼激光具有结构紧凑，覆盖特殊波长等优点，在交通、信息、医疗、工农业和国防等领域都有广泛的应用。固体拉曼激光器相比于气体或液体拉曼激光器，具有体积小，良好的机械性能，无毒性等优势。拉曼晶体作为固态拉曼激光器最重要的组成部分，已经成为拉曼激光器的研究热点。金刚石作为一种出色的拉曼晶体，具有非常高的拉曼增益系数、很高的拉曼频移和极宽的光谱透过范围(完全覆盖长波红外波段)，同时也拥有极低的热膨胀系数和极高的热导率，使得金刚石拉曼激光器成为一种不受热影响的高功率和波长变换拉曼激光输出的新兴技术手段。另外，得益于拉曼过程中产生的Stokes光的空间和相位等特性并不受泵浦光光束特征的影响，因此金刚石拉曼激光器能够有效率地改善输入光束的空间相干性。
为了获得中长波红外高功率激光，本实用新型提出了一种基于中红外波段的光参量振荡器作为泵浦源，通过调整光参量振荡器中晶体角度实现了>2.1μm可调谐的窄线宽激光的输出并将其用于泵浦金刚石拉曼激光器，最终得到了波长为>3μm范围的Stokes光。
参见图1，中长波红外拉曼激光器包括：种子源1、光隔离器2、光束整形器3、金刚石拉曼振荡器4、以及二向色镜5。
种子源1为连续、准连续或脉冲运转，发出波长为>2.1μm范围的线性偏振泵浦光，泵浦光经过光隔离器2进入光束整形器3，经过光束准直和整形之后，进入金刚石拉曼振荡器4，通过受激拉曼散射产生波长为>3μm的一阶Stokes光，并在金刚石拉曼振荡器4处实现Stokes光的放大和输出。
其中，光隔离器2用于单向传输泵浦光，反向传输的光无法返回种子源1，实现对种子源1的保护。
参见图2，一种选择方式是，上述光束整形器3由第一凸透镜3-1、第二凸透镜3-2组成，两个凸透镜的通光面均镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，用于实现光束的准直和光束尺寸的调节。
具体实现时，金刚石拉曼振荡器4有四种腔型可供选择，如图3-图6所示。它们的共同点在于：在中红外光束入射到金刚石之前加入了凸透镜，用来缩小入射的中红外光的光束束腰尺寸，使得汇聚到金刚石的光斑面积缩小，降低了泵浦阈值，提高了输出的中长波红外光的功率。它们的不同点在于：金刚石有无切割角度、金刚石两端镀膜以及有无耦合输出镜。
第一种选择方式：图3的拉曼腔，其中包括了第一入射镜4-1，平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质膜，从种子源1出射的泵浦光由第一输入镜4-1入射进入金刚石拉曼振荡器中；第一凸透镜4-2，其通光面镀有对波长为>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜，用于实现缩小光束束腰尺寸的目的；第一拉曼晶体4-3，入射面镀有同时对泵浦光和Stokes光增透的宽带介质膜，输出面镀有对泵浦光高反射的宽带介质膜以及对Stokes光增透的宽带介质膜，使得泵浦光为双通泵浦。
第二种选择方式：图4的拉曼腔，其中包括了第二入射镜4-4，平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质膜，从种子源1出射的泵浦光由第二输入镜4-4入射进入金刚石拉曼振荡器中；第二凸透镜4-5，其通光面镀有对波长为>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜，用于实现缩小光束束腰尺寸的目的；第二拉曼晶体4-6，镀有同时对泵浦光和Stokes光增透的宽带介质膜；第一输出镜4-7，凹面镀有对Stokes光部分透射的宽带介质膜，平面镀有对Stokes光高透的宽带介质膜。凹面也可以选择性镀对泵浦光高反射的宽带介质膜，例如：当凹面镀有对泵浦光高反射的宽带介质膜时，泵浦光为双通泵浦；当凹面未镀有对泵浦光高反射的宽带介质膜时，泵浦光为单通泵浦。
第三种选择方式：图5的拉曼腔，其中包括了第三入射镜4-8，平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质膜，从种子源1出射的泵浦光由第三输入镜4-8入射进入金刚石拉曼振荡器中；第三凸透镜4-9，其通光面镀有对波长为>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜，用于实现缩小光束束腰尺寸的目的；第三拉曼晶体4-10，两端切割角度θ＝arctan(n0)，n0为第三拉曼晶体的折射率，且入射端面可以不镀膜，输出面镀有对泵浦光高反射的宽带介质膜，使得泵浦光为双通泵浦。
第四种选择方式：图6的拉曼腔，其中包括了第四入射镜4-11，平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质膜，从种子源1出射的泵浦光由第四输入镜4-11入射进入金刚石拉曼振荡器中；第四凸透镜4-12其通光面镀有对波长为>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜，用于实现缩小光束束腰尺寸的目的；第四拉曼晶体4-13，两端切割角度θ＝arctan(n0)，n0为第四拉曼晶体的折射率，其两端面不镀膜；第二输出镜4-14，凹面镀有对Stokes光部分透射的宽带介质膜，平面镀有对Stokes光高透的宽带介质膜。凹面也可以选择性镀对泵浦光高反射的宽带介质膜，例如：当凹面镀有对泵浦光高反射的宽带介质膜时，泵浦光为双通泵浦；当凹面未镀有对泵浦光高反射的宽带介质膜时，泵浦光为单通泵浦。
具体实现时，该拉曼激光器还可以包括：二向色镜5，该二向色镜5可以为带通二向色镜或长通二向色镜，用于过滤残余的泵浦光，通过选择不同的透过光谱范围，可以实现>3μm波长范围内不同特定波长或波长范围的纯净激光输出。
本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种中长波红外的拉曼激光器，其特征在于，所述拉曼激光器包括：
种子源发出波长>2.1μm范围的线性偏振泵浦光，泵浦光经光隔离器、光束整形器后进入金刚石拉曼振荡器；
通过受激拉曼散射产生波长>3μm的一阶Stokes光，并在金刚石拉曼振荡器处实现Stokes光的放大和输出。
2.根据权利要求1所述的一种中长波红外的拉曼激光器，其特征在于，所述种子源为连续光、准连续光或脉冲运转。
3.根据权利要求1所述的一种中长波红外的拉曼激光器，其特征在于，所述光隔离器用于单向传输泵浦光。
4.根据权利要求1所述的一种中长波红外的拉曼激光器，其特征在于，所述光束整形器由两个凸透镜组成，
两个凸透镜的通光面均镀有对>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜。
5.根据权利要求1所述的一种中长波红外的拉曼激光器，其特征在于，所述金刚石拉曼振荡器包括：
第一入射镜：平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质膜；
第一凸透镜：通光面镀有对波长>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜；
第一拉曼晶体：入射面镀有同时对泵浦光和Stokes光增透的宽带介质膜，输出面镀有对泵浦光高反射的宽带介质膜以及对Stokes光增透的宽带介质膜。
6.根据权利要求1所述的一种中长波红外的拉曼激光器，其特征在于，所述金刚石拉曼振荡器包括：
第二入射镜：平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质；
第二凸透镜：通光面镀有对波长>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜；
第二拉曼晶体：镀有同时对泵浦光和Stokes光增透的宽带介质膜；
第一输出镜：凹面镀有对Stokes光部分透射的宽带介质膜，平面镀有对Stokes光高透的宽带介质膜。
7.根据权利要求1所述的一种中长波红外的拉曼激光器，其特征在于，所述金刚石拉曼振荡器包括：
第三入射镜：平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质膜；
第三凸透镜：通光面镀有对波长>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜；
第三拉曼晶体：两端切割角度θ＝arctan(n0)，n0为折射率，输出面镀有对泵浦光高反射的宽带介质膜。
8.根据权利要求1所述的一种中长波红外的拉曼激光器，其特征在于，所述金刚石拉曼振荡器包括：
第四入射镜：平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对泵浦光增透、对Stokes光高反射的宽带介质膜；
第四凸透镜：通光面镀有对波长>2.1μm范围的线性偏振泵浦光增透的宽带介质膜；
第四拉曼晶体：两端切割角度θ＝arctan(n0)，n0为折射率；
第二输出镜：凹面镀有对Stokes光部分透射的宽带介质膜，平面镀有对Stokes光高透的宽带介质膜。
9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的一种中长波红外的拉曼激光器，其特征在于，所述拉曼激光器还包括：二向色镜，
所述二向色镜为带通二向色镜、或长通二向色镜。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113725703A (zh) * | 2021-09-02 | 2021-11-30 | 河北工业大学 | 一种波长连续可调谐拉曼激光振荡器 |
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2020
- 2020-07-16 CN CN202021405165.4U patent/CN212626511U/zh active Active
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |