CN214069078U

CN214069078U - 基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器

Info

Publication number: CN214069078U
Application number: CN202023299282.XU
Authority: CN
Inventors: 贾富强; 付泽楠; 赖林权; 张顺钦; 陈玥
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2030-12-31

Abstract

本实用新型属于激光技术领域，公开了基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，包括沿着光束传播方向依次同光轴设置的可调谐泵浦源、第一聚焦镜和金刚石拉曼转换系统，金刚石拉曼转换系统包括同光轴的输入镜、金刚石、输出镜和模式匹配镜；其将可调谐泵浦源输出的泵浦光通过第一聚焦镜进行准直；然后将准直后的所述泵浦光入射至由输入镜、金刚石、输出镜和模式匹配镜构成的金刚石拉曼转换系统，经过多阶级联拉曼散射实现波长的拓展，产生中红外可调谐拉曼激光；其功率高、转换效率高、光束质量优、输出光连续可调谐。

Description

基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，尤其涉及基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器。

背景技术

在波长为2-20μm的中红外波段，光子能量对应于分子振动能级的基频跃迁频率，因此，分子对入射光子产生强烈的吸收作用。根据应用范围，中红外光谱可分为波长在2-7.5μm的基团频率区和波长在7.5-15μm的分子指纹区两部分。其中，波长为2-7.5μm的激光波长覆盖了大气窗口和众多分子的振动光谱，在医疗、光谱探测、中红外对抗、特殊材料加工等领域具有重要的应用前景。另外，波长大于2.45μm的中红外激光在非金属加工领域中也有着极为重要的运用，例如焊接对可见光透明的塑料材料。

近年来，随着中红外不同波段激光应用需求的剧增，获取大功率、高光束质量的中红外可调谐激光器成为了新型激光技术的研究热点之一。目前产生中红外可调谐激光的主要方法和设备包括：(1)稀土或过渡金属离子掺杂的增益介质激光器；(2)半导体量子级联激光器；(3)光参量振荡器(OPO)。尽管激光器技术已经取得了极大的进展，但是，现有技术中基于金刚石受激拉曼散射效应的中红外可调谐激光器的输出功率普遍较小；激发的斯托克斯光阶数也未能突破二阶，导致最终的输出波长被限制在较窄的波段范围内，无法实现大于1W的高功率、和光谱带宽超过1μm的宽带宽、及光束质量高的中红外不同波段的激光器。

实用新型内容

针对现有技术存在的基于金刚石受激拉曼散射效应的中红外可调谐激光器的输出功率普遍较小；激发的斯托克斯光阶数也未能突破二阶，导致最终的输出波长被限制在较窄的波段范围内，无法实现大于1W的高功率、和光谱带宽超过1μm的宽带宽、及光束质量高的中红外不同波段的激光器等问题；本实用新型提出基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，解决上述问题的同时，使其具有功率高、转换效率高、光束质量优、输出光连续可调谐等突出优点。

本实用新型是这样实现的，本实用新型提供基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，包括沿着光束传播方向依次同光轴设置的可调谐泵浦源、第一聚焦镜和金刚石拉曼转换系统，金刚石拉曼转换系统包括同光轴的输入镜、金刚石、输出镜和模式匹配镜。

进一步的，金刚石拉曼转换系统为包括至少两个拉曼谐振腔的多金刚石受激拉曼散射结构。

进一步的，可调谐泵浦源与第一聚焦镜之间沿着光束传播方向依次同光轴地设置有相位调制器和由隔离器、激光二极管、耦合系统和增益介质构成的泵浦光放大器。

进一步的，增益介质为包括掺Nd³⁺、掺Er³⁺、掺Tm³⁺、掺Cr³⁺、掺Ho³⁺、掺Yb³⁺、掺Pr³⁺的单离子掺杂或多离子掺杂的光纤、玻璃、晶体或陶瓷。

进一步的，可调谐泵浦源为包括增益介质的可调谐固体激光器、或可调谐气体激光器、或可调谐染料激光器。

进一步的，模式匹配镜包括沿着光束传播方向同光轴设置的第二聚焦镜和半波片，所述第二聚焦镜用于调整可调谐泵浦源的泵浦光模式与金刚石拉曼转换系统的拉曼谐振腔模式相匹配，所述半波片用于调整泵浦光的偏振方向与所述金刚石的拉曼增益方向相匹配。

进一步的，激光二极管为光纤耦合输出的激光二极管单管，或激光二极管由至少两个光纤耦合输出的激光二极管单管阵列构成。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的基于多阶金刚石拉曼的中红外激光发生方法和可调谐中红外激光器，其具有如下优势：(1)整体系统具有功率高、转换效率高、光束质量优、输出中红外波段光连续可调谐等突出优点；(2)其采用的金刚石具有高的温度负载、稳定的拉曼波长转换的特点，因而输出的中红外拉曼激光光束质量更加优异；(3)其采用可调谐泵浦源，可以结合高功率、高光束质量的所述激光二极管进行合束泵浦，输出可调谐中红外拉曼激光，对于所述金刚石拉曼激光器在不同领域的应用具有重要意义；其在医疗、光谱探测、红外对抗、特殊材料加工等领域具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器的一个实施例的结构示意图；

图2为本实用新型的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器的另一个实施例的结构示意图；

图3为本实用新型的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器中泵浦光放大器的具体结构示意图；

图4为本实用新型的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器中金刚石拉曼转换系统的结构示意图。

图中，1为可调谐泵浦源，2为聚焦镜，3为金刚石拉曼转换系统，301为输入镜，302为金刚石，303为输出镜，304为模式匹配镜，4为相位调制器，5为泵浦光放大器，501为隔离器，502为激光二极管，503为耦合系统，504为增益介质。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本实用新型具体实施方式：

实施例1

基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，如图1和图2，包括沿着光束传播方向依次同光轴设置的可调谐泵浦源1、第一聚焦镜2和金刚石拉曼转换系统3，金刚石拉曼转换系统3包括同光轴的输入镜301、金刚石302、输出镜303和模式匹配镜304。

需要说明的是，金刚石拉曼转换系统3可以为一级的金刚石拉曼转换系统3，如图1所示；也可以如实施例4所述，金刚石拉曼转换系统3为包括至少两个拉曼谐振腔的多金刚石受激拉曼散射结构，如图2所示。

还需要说明的是，当可调谐泵浦源1输出的泵浦光的功率不能满足需要时，可以如实施例4所述，将可调谐泵浦源1输出的泵浦光先经过相位调制器4和泵浦光放大器5进行功率放大，如图3所示。

实施例2

实施例1的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，进一步的，如图3和图4，可调谐泵浦源1与第一聚焦镜2之间沿着光束传播方向依次同光轴地设置有相位调制器4和由隔离器501、激光二极管502、耦合系统503和增益介质504构成的泵浦光放大器5。

进一步的，增益介质504为包括掺Nd³⁺(钕离子)、掺Er³⁺(铒离子)、掺Tm³⁺(铥离子)、掺Cr³⁺(铬离子)、掺Ho³⁺(钬离子)、掺Yb³⁺(镱离子)、掺Pr³⁺(镨离子)的单离子掺杂或多离子掺杂的光纤、玻璃、晶体或陶瓷。

进一步的，可调谐泵浦源1为包括增益介质504的可调谐固体激光器、或可调谐气体激光器、或可调谐染料激光器。

进一步的，模式匹配镜304包括沿着光束传播方向同光轴设置的第二聚焦镜和半波片，所述第二聚焦镜用于调整可调谐泵浦源1的泵浦光模式与金刚石拉曼转换系统3的拉曼谐振腔模式相匹配，所述半波片用于调整泵浦光的偏振方向与所述金刚石的拉曼增益方向相匹配。

进一步的，激光二极管502为光纤耦合输出的激光二极管单管，或激光二极管502由至少两个光纤耦合输出的激光二极管单管阵列构成。

上述实施例的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，可以通过定量分析来得到不同入射波长散射至另一波长的数值，如1064nm的输入光，入射至金刚石302，通过一阶受激拉曼散射，得到1240nm的输出拉曼光；通过二阶受激拉曼散射，得到1485nm的输出拉曼光；通过三阶受激拉曼散射，得到1851nm的输出拉曼光。由于金刚石302的拉曼频移量为1332cm^-1，因此，可以通过式(1)，得到输出光波长的具体数值。

式(1)中，λ_F表示输入光波长(单位：cm)，也即基频光波长，λ_S表示输出光波长(单位：cm)，也即斯托克斯光波长。n表示受激拉曼散射的阶数，1332为金刚石拉曼频移量，单位为cm^-1。通过式(1)，能得到不同光波长对应的金刚石302拉曼输出波长。

另外，通过式(2)可以近似得到在外腔拉曼激光器中，每阶斯托克斯光所需的泵浦光功率以及所需泵浦光的总功率(单位：GW或W)。

式(2)中，T表示拉曼谐振腔内相应斯托克斯光的输出耦合率，α表示斯托克斯光在拉曼谐振腔的往返线性损耗，L表示拉曼介质的长度，g_s表示拉曼增益系数，w_p表示泵浦光斑半径。通过1064nm基频光得到1240nm的一阶拉曼散射光，需要基频光功率12.44W；得到1485nm的二阶斯托克斯光，需要基频光总功率34.02W；得到1851nm的三阶斯托克斯光，需要基频光总功率197.02W。若需要得到更加高阶的拉曼散射光，直至中红外波段，那么需要的基频光功率也会相应的提高。

可以具体的，可调谐泵浦源1依次与所述相位调制器4、隔离器501、耦合系统503相连，激光二极管502通过耦合系统503耦合入光路；耦合系统503依次与增益介质504、聚焦镜2、输入镜301、金刚石302、输出镜303、模式匹配镜304相连。可调谐泵浦源1的泵浦光，经过相位调制器4后，由所述隔离器501、激光二极管502、耦合系统503、增益介质504构成的泵浦光放大器5进行功率放大，放大后通过第一聚焦镜2入射至由输入镜301、金刚石302、输出镜303、模式匹配镜304构成的金刚石拉曼转换系统5，通过多阶级联受激拉曼散射，或多金刚石302级联受激拉曼散射，实现波长的拓展，产生中红外可调谐拉曼激光。通过调谐所述可调谐泵浦源1的泵浦波长，使输出的泵浦光波长在一定的范围内进行变化，最后输出的中红外拉曼激光的波长也会相应的进行变化。即金刚石拉曼转换系统3级联可设置为至少两级的拉曼转换系统，其第二级以后的拉曼转换系统，如第二级拉曼转换系统、第三级拉曼转换系统等为由输入镜301、金刚石302、输出镜303、模式匹配镜304构成的金刚石拉曼转换系统3组成。

更为具体的，所述半波片用于调整泵浦光的偏振方向与所述金刚石的最佳拉曼增益方向相匹配。激光二极管502包括单个或多个光纤耦合输出的激光二极管单管或阵列构成。

需要说明的是，金刚石拉曼转换系统3可以为沿着光线传播方向同光轴依次设置的模式匹配镜304、输入镜301、单个金刚石302和输出镜303；也可以为多套沿着光线传播方向同光轴依次设置的输入镜301、金刚石302、输出镜303和模式匹配镜304的组合结构。

更为具体的，上述实施例的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，相位调制器4用于抑制可调谐泵浦源1在进行功率放大过程中，产生的受激布里渊散射(SBS)现象。泵浦光放大器5在进行种子光的功率放大过程时，可进行多阶级联功率放大，以使种子光功率得到有效放大。隔离器501用于有效隔离光路中的后向反射光，保证整个系统的安全稳定运行。激光二极管502可以由多个自由空间或光纤耦合输出的大功率激光二极管单管或阵列构成，各激光二极管502可以通过耦合系统将激光二极管502中的泵浦光耦合进入光路中，实现有效泵浦。增益介质504用于种子光的功率放大。金刚石拉曼转换系统3进行级联设置，即包括第一级拉曼转换系统、第二级拉曼转换系统、第三级拉曼转换系统等，以实现波长的有效拓展，产生中红外拉曼激光。金刚石302可以包括自然界金刚石，如CVD(化学气相沉积)技术和HTHP(高温高压)技术所得的人造单晶金刚石、人造多晶金刚石、人造纳米金刚石等不同种类的金刚石302。

实施例1或实施例2的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器的中红外激光发生方法，如图1和图2，包括以下步骤，

将可调谐泵浦源1输出的泵浦光通过第一聚焦镜2进行准直；

然后将准直后的所述泵浦光入射至由输入镜301、金刚石302、输出镜303和模式匹配镜304构成的金刚石拉曼转换系统3，经过多阶级联拉曼散射实现波长的拓展，产生中红外可调谐拉曼激光。

需要说明的是，将准直后的所述泵浦光可以通过一级金刚石拉曼转换系统3，如图1所示；或可以如实施例2所述，将准直后的所述泵浦光通过两级或两级以上的金刚石拉曼转换系统3，如图2所示。

还需要说明的是，当可调谐泵浦源1输出的泵浦光的功率不能满足需要时，可以如实施例2所述，将可调谐泵浦源1输出的泵浦光先经过相位调制器4和泵浦光放大器5进行功率放大，如图3所示。

进一步的，如图3和图4，将可调谐泵浦源1输出的泵浦光先依次经过相位调制器4，经过由隔离器501、激光二极管502、耦合系统503和增益介质504构成的泵浦光放大器5进行功率放大后，再通过第一聚焦镜2进行准直。

进一步的，将金刚石拉曼转换系统3设置为包括至少两个拉曼谐振腔的多金刚石受激拉曼散射结构，然后将准直后的所述泵浦光入射至所述金刚石拉曼转换系统3，经过多金刚石级联受激拉曼散射或多阶级联受激拉曼散射，实现波长的拓展，产生中红外可调谐拉曼激光。

进一步的，调谐可调谐泵浦源1的泵浦波长，使得输出的泵浦光波长变化，实现输出的中红外拉曼激光的波长变化。即实现输出中红外可调谐拉曼激光的可调谐。

上面结合附图对本实用新型优选实施方式作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本实用新型的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本实用新型不限于特定的实施方式，本实用新型的范围由所附权利要求限定。

Claims

1.基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，包括沿着光束传播方向依次同光轴设置的可调谐泵浦源(1)、第一聚焦镜(2)和金刚石拉曼转换系统(3)，其特征在于，金刚石拉曼转换系统(3)包括同光轴的输入镜(301)、金刚石(302)、输出镜(303)和模式匹配镜(304)。

2.如权利要求1所述的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，其特征在于，金刚石拉曼转换系统(3)为包括至少两个拉曼谐振腔的多金刚石受激拉曼散射结构。

3.如权利要求1或2所述的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，其特征在于，可调谐泵浦源(1)与第一聚焦镜(2)之间沿着光束传播方向依次同光轴地设置有相位调制器(4)和由隔离器(501)、激光二极管(502)、耦合系统(503)和增益介质(504)构成的泵浦光放大器(5)。

4.如权利要求1或2所述的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，其特征在于，增益介质(504)为包括掺Nd³⁺、掺Er³⁺、掺Tm³⁺、掺Cr³⁺、掺Ho³⁺、掺Yb³⁺、掺Pr³⁺的单离子掺杂或多离子掺杂的光纤、玻璃、晶体或陶瓷。

5.如权利要求4所述的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，其特征在于，可调谐泵浦源(1)为包括增益介质(504)的可调谐固体激光器、或可调谐气体激光器、或可调谐染料激光器。

6.如权利要求1或2所述的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，其特征在于，模式匹配镜(304)包括沿着光束传播方向同光轴设置的第二聚焦镜和半波片，所述第二聚焦镜用于调整可调谐泵浦源(1)的泵浦光模式与金刚石拉曼转换系统(3)的拉曼谐振腔模式相匹配，所述半波片用于调整泵浦光的偏振方向与所述金刚石的拉曼增益方向相匹配。

7.如权利要求3所述的基于多阶金刚石拉曼的可调谐中红外激光器，其特征在于，激光二极管(502)为光纤耦合输出的激光二极管单管，或激光二极管(502)由至少两个光纤耦合输出的激光二极管单管阵列构成。