一种波长连续可调谐拉曼激光振荡器的制作方法

1.本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种波长连续可调谐拉曼激光振荡器。


背景技术：

2.非线性光学的频率变换技术是光学领域的一个重要分支，是获得多波长和可调谐激光最有效的技术手段。受激拉曼散射(srs)是一种三阶非线性效应，srs的一个显著特点是自相位匹配，因此光
‑
光转化效率在很大程度上与温度和角度无关。自相位匹配的优势是将非相干光转化成高光束质量的输出光。其增益的空间分布是泵浦场与自身和stokes场的卷积，因此在空间上更为平滑，stokes光在谐振腔内多次往返后，其增益分布逐渐接近高斯型，进而得到近衍射极限的stokes光。基于srs的拉曼激光器具有光束净化、拉曼增益无空间烧孔效应等优点，结合性质优良的拉曼晶体如金刚石晶体等，srs技术在研制高输出功率、窄线宽、近衍射极限光束质量、结构集成紧凑的激光器方面有着巨大潜力。
3.光学参量振荡器(opo)作为一种二阶非线性效应，是一项非常有价值的非线性光学技术，opo技术可以利用非线性晶体的频率转换作用将激光波长扩展到中波红外以及长波红外波段，将高能量的短波激光转换为长波激光，实现具有连续可调谐光谱的长波激光输出。例如：3
‑
5μm中波和8
‑
12μm长波红外激光波长处于大气窗口波段，在激光医疗、激光雷达、环境监测和光电对抗等领域具有广阔的应用前景。
4.目前拉曼激光器中常用的拉曼晶体有光学级金刚石晶体、硝酸盐晶体、钨酸盐晶体和钒酸盐晶体等。性质优异如金刚石晶体，其拉曼频移系数为1332.3cm
‑1，多用于1.06μm的近红外波段泵浦至1.24μm或1.49μm处。相比于opo技术，srs的频率变换范围取决于拉曼晶体的频移系数，频率变换范围较小，且波长单一固定，不可调谐。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种波长连续可调谐拉曼激光振荡器，本发明在同一谐振腔内先实现opo，后利用opo产生波长激发srs，本发明结构简单、输出的拉曼光光束质量高、输出波长可调谐，详见下文描述：
6.泵浦源出射泵浦光，依次经过望远镜器件和光隔离器后进入谐振腔，泵浦光首先进入kta晶体(ktioaso4，砷酸钛氧钾)并激发非线性效应产生信号光和闲频光，通过对腔镜镀膜的设计使泵浦光和信号光离开谐振腔，使闲频光在腔内不断振荡；
7.闲频光通过聚焦透镜耦合进金刚石晶体中心，在腔内不断振荡并激发srs产生拉曼光，拉曼光通过输出镜输出。
8.第一方面，一种波长可调谐激光的产生装置，所述装置包括：泵浦源、望远镜器件、光隔离器、激光谐振腔、长通滤光片,
9.所述激光谐振腔包括：第一输入镜、第一kta晶体、第一聚焦透镜、第一金刚石晶体、第一输出镜；
10.所述第一输入镜和第一输出镜构成线形腔结构均镀有介质膜，波长1.06μm的泵浦
源单次通过谐振腔，进入所述第一kta晶体，与所述第一kta晶体相互作用产生信号光和闲频光，所述第一kta晶体进行温度调谐获得1.52
‑
1.54μm波段信号光和3.46
‑
3.48μm波段闲频光；
11.所述1.52
‑
1.54μm波段信号光经所述第一聚焦透镜、所述第一金刚石晶体和所述第一输出镜后离开谐振腔；3.46
‑
3.48μm波段闲频光经所述第一聚焦透镜耦合到所述第一金刚石晶体中心并激发srs，产生6.44
‑
6.48μm波段拉曼光；6.44
‑
6.48μm波段拉曼光经过所述第一输出镜和所述长通滤光片输出。
12.其中，所述第一输入镜为平凹镜，两面镀膜，凹面对3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的反射率>99.9％，两面对1.06μm泵浦光的透射率>99.5％；
13.所述第一输出镜为平凹镜，两面镀膜，凹面对3.46
‑
3.48μm波段闲频光的反射率>99.9％，两面对1.06μm泵浦光和1.52
‑
1.54μm波段信号光透射率>99.5％，两面对6.44
‑
6.48μm波段拉曼光部分透射；
14.所述第一聚焦透镜两面镀膜，对1.06μm泵浦光、1.52
‑
1.54μm波段信号光、3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的透射率>99.5％；
15.所述长通滤光片用于过滤1.06μm泵浦光、1.52
‑
1.54μm波段信号光和3.46
‑
3.48μm波段闲频光，对>6μm波段光的透射率>99.5％。
16.优选地，所述第一kta晶体以波长1.06μm泵浦光的相位匹配角度切割，切割角θ＝90
°
，为ii类相位匹配，晶体尺寸10
×
10
×
20mm3；所述第一kta晶体的调谐方式为温度调谐，通过温控炉调整晶体温度可获得1.52
‑
1.54μm波段信号光和3.46
‑
3.48μm波段闲频光；所述第一kta晶体两端镀膜，其两端对1.06μm泵浦光、1.52
‑
1.54μm波段信号光、3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的透射率>99.5％。
17.进一步地，所述第一金刚石晶体以布儒斯特角θ＝67.3
°
切割，晶体尺寸为5
×4×
1.2mm3。
18.第二方面，一种波长可调谐激光的产生装置，包括：泵浦源、望远镜器件、光隔离器、激光谐振腔和长通滤光片，
19.所述激光谐振腔包括：第二输入镜、第二kta晶体、平面镜、第二聚焦透镜、第二金刚石晶体、第二输出镜；所述第二输入镜、所述平面镜和所述第二输出镜构成v型腔结构，且镀有介质膜；波长1.06μm泵浦光经所述第二输入镜进入所述第二kta晶体，与所述第二kta晶体相互作用产生信号光和闲频光，对所述第一kta晶体进行温度调谐获得1.52
‑
1.54μm波段信号光和3.46
‑
3.48μm波段闲频光；1.06μm泵浦光和1.52
‑
1.54μm波段信号光经所述平面镜离开谐振腔；3.46
‑
3.48μm波段闲频光经所述平面镜反射后，经所述第二聚焦透镜耦合到所述第二金刚石晶体中心并激发srs，产生6.44
‑
6.48μm波段拉曼光；6.44
‑
6.48μm波段拉曼光经所述第二输出镜和所述长通滤光片后输出。
20.优选地，所述第二输入镜为平凹镜，两面镀膜，两面对1.06μm泵浦光的透射率>99.5％，凹面对3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的反射率>99.9％；
21.所述第二输出镜为平凹镜，两面镀膜，凹面对3.46
‑
3.48μm波段闲频光的反射率>99.9％，两面对6.44
‑
6.48μm波段拉曼光部分透射；
22.所述平面镜两面镀膜，对1.06μm泵浦光和1.52
‑
1.54μm波段信号光透射率>99.5％，对3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的反射率＞99.9％，所述平
面镜用于调整v型腔的折叠角度；
23.所述第二聚焦透镜两面镀膜，对3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的透射率>99.5％；
24.所述长通滤光片用于过滤3.46
‑
3.48μm波段闲频光，对>6μm波段光的透射率>99.5％。
25.进一步地，所述第二kta晶体以1.06μm泵浦光的相位匹配角度切割，切割角θ＝90
°
，为ii类相位匹配，晶体尺寸10
×
10
×
20mm3；所述第一kta晶体的调谐方式为温度调谐，在波长1.06μm泵浦光下，通过温控炉调整晶体温度可获得1.52
‑
1.54μm波段信号光和3.46
‑
3.48μm波段闲频光；所述第一kta晶体两端镀膜，对1.06μm泵浦光、1.52
‑
1.54μm波段信号光、3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的透射率>99.5％。
26.优选地，所述第二金刚石晶体以布儒斯特角θ＝67.3
°
切割，晶体尺寸为5
×4×
1.2mm3；所述泵浦源发出波长1.06μm的脉冲线偏振泵浦光。
27.其中，所述光隔离器由第一二分之一波片、第一偏振器、法拉第旋光器、第二二分之一波片和第二偏振器组成；
28.所述望远镜器件用于对泵浦光束的整形和准直，所述望远镜器件由两个凸透镜组成，凸透镜的通光面均镀有介质膜，对波长1.06μm泵浦光的透射率>99.5％。
29.本发明提供的技术方案的有益效果是：
30.1、本发明在激光谐振腔内先后完成opo和srs两种非线性效应。两种非线性频率变换技术的结合大大增加了波长变换的尺度，同时结合opo的温度调谐性质，可从波长1.06μm的泵浦光获得3.46
‑
3.48μm波段闲频光，进而获得6.44
‑
6.48μm波段的可调谐拉曼光输出，且拉曼光光束质量高，光谱线宽窄；
31.2、本发明通过对激光谐振腔输入镜、输出镜和两个晶体镀膜的设计，仅用两个腔镜就可实现opo与srs两种非线性效应，谐振腔既是opo腔，又是拉曼腔，且有线形腔和v型腔两种结构；这种设计不仅简化了谐振腔结构，减少了腔镜带来的损耗，还有望得到结构紧凑、调整方便的新型激光器。
附图说明
32.图1为一种波长连续可调谐拉曼激光振荡器的结构示意图；
33.图2为光隔离器的结构示意图；
34.图3为一种线形激光谐振腔结构的示意图；
35.图4为一种v型激光谐振腔结构的示意图。
36.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
37.1：泵浦源；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2：望远镜器件；
38.3：光隔离器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4：激光谐振腔；
39.5：长通滤光片；
40.其中
[0041]3‑
1：第一二分之一波片；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ3‑
2：第一偏振器；
[0042]3‑
3：法拉第旋光器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ3‑
4：第二二分之一波片；
[0043]3‑
5：第二偏振器；
[0044]4‑
1：第一输入镜；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4‑
2：第一kta晶体；
[0045]4‑
3：第一聚焦透镜；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4‑
4：第一金刚石晶体；
[0046]4‑
5：第一输出镜；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4‑
6：第二输入镜；
[0047]4‑
7：第二kta晶体；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4‑
8：平面镜；
[0048]4‑
9：第二聚焦透镜；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4‑
10：第二金刚石晶体；
[0049]4‑
11：第二输出镜。
具体实施方式
[0050]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0051]
本发明实施例提出了一种波长可调谐激光的产生装置，本装置结合opo与srs两种非线性效应，可得到波长可调谐拉曼光输出。opo和srs都是常用的非线性频率变换技术，opo的原理是泵浦光入射到opo晶体中引起噪声光子，从而得到信号光和闲频光的相干输出，且可以通过温度调谐手段得到可调谐的波长输出。srs是入射强光光子与晶体内部原子相互作用产生具有一定频移的stokes光子的过程，其频移量取决于拉曼晶体固有的频移系数。本发明实施例通过对腔镜镀膜的设计，使谐振腔既是opo腔又是拉曼腔，能在谐振腔内先实现opo，后实现srs，在波长1.06μm的泵浦光下可得到3.46
‑
3.48μm波段闲频光，进而得到6.44
‑
6.48μm波段的可调谐拉曼光输出，且拉曼光具有高光束质量，窄光谱线宽。
[0052]
实施例1
[0053]
参见图1和图3，一种波长可调谐激光的产生装置包括：泵浦源1、望远镜器件2、光隔离器3、激光谐振腔4和长通滤光片5。
[0054]
其中，泵浦源1发出波长1.06μm的脉冲线偏振泵浦光，依次经过望远镜器件2、光隔离器3后进入激光谐振腔4；激光谐振腔4包括：第一输入镜4
‑
1、第一kta晶体4
‑
2、第一聚焦透镜4
‑
3、第一金刚石晶体4
‑
4、第一输出镜4
‑
5；第一输入镜4
‑
1和第一输出镜4
‑
5组成线形腔结构且都镀有介质膜；波长1.06μm泵浦光经过第一输入镜4
‑
1后入射到第一kta晶体4
‑
2中激发opo，对第一kta晶体4
‑
2进行温度调谐可获得1.52
‑
1.54μm波段信号光和3.46
‑
3.48μm波段闲频光；产生的1.52
‑
1.54μm波段信号光经过第一聚焦透镜4
‑
3、第一金刚石晶体4
‑
4和第一输出镜4
‑
5后离开激光谐振腔，3.46
‑
3.48μm波段闲频光经过第一聚焦透镜4
‑
3耦合到第一金刚石晶体4
‑
4中心，并在谐振腔内振荡，激发srs产生6.44
‑
6.48μm波段拉曼光；6.44
‑
6.48μm波段拉曼光经过第一输出镜4
‑
5和长通滤光片5后输出。
[0055]
第一输入镜4
‑
1为平凹镜，其两面镀膜，两面对1.06μm泵浦光的透射率>99.5％，凹面对3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的反射率>99.9％；第一输出镜4
‑
5为平凹镜，其两面镀膜，凹面对3.46
‑
3.48μm波段闲频光的反射率>99.9％，两面对1.06μm泵浦光和1.52
‑
1.54μm波段信号光透射率>99.5％，对6.44
‑
6.48μm波段拉曼光部分透射，透射率可根据具体情况确定，以获得最佳输出功率。
[0056]
第一kta晶体4
‑
2以1.06μm泵浦光的相位匹配角度切割，切割角θ＝90
°
，为ii类相位匹配，晶体尺寸10
×
10
×
20mm3；第一kta晶体4
‑
2的调谐方式为温度调谐，通过温控炉调整晶体温度可获得1.52
‑
1.54μm波段信号光和3.46
‑
3.48μm波段闲频光；第一kta晶体4
‑
2两端镀膜，对1.06μm泵浦光、1.52
‑
1.54μm波段信号光、3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的透射率>99.5％。
[0057]
第一金刚石晶体4
‑
4为以布儒斯特角α＝67.3
°
切割，晶体尺寸为5
×4×
1.2mm3，其两端可以不镀膜。
[0058]
望远镜器件2由两个凸透镜组成，凸透镜两面镀膜，对波长1.06μm泵浦光的透射率>99.5％，望远镜器件2的束口径调整和准直为本领域技术人员所公知的技术，本发明实施例对此不做赘述。
[0059]
参见图2，光隔离器3由第一二分之一波片3
‑
1、第一偏振器3
‑
2、法拉第旋光器3
‑
3、第二二分之一波片3
‑
4和第二偏振器3
‑
5组成，用于波长1.06μm泵浦光的单向传播，防止返回光损坏泵浦源1。
[0060]
第一聚焦透镜4
‑
3两面镀膜，对1.06μm泵浦光、1.52
‑
1.54μm信号光、3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的透射率>99.5％；长通滤光片5用于过滤1.06μm泵浦光、1.52
‑
1.54μm波段信号光和3.46
‑
3.48μm波段闲频光，对>6μm波段光的透射率>99.5％。
[0061]
实施例2
[0062]
参见图1和图4，一种波长可调谐激光的产生装置包括：泵浦源1、望远镜器件2、光隔离器3、激光谐振腔4和长通滤光片5。
[0063]
其中，泵浦源1发出波长1.06μm的脉冲线偏振泵浦光，依次经过望远镜器件2、光隔离器3后进入激光谐振腔4；激光谐振腔4包括：第二输入镜4
‑
6、第二kta晶体4
‑
7、平面镜4
‑
8、第二聚焦透镜4
‑
9、第二金刚石晶体4
‑
10和第二输出镜4
‑
11；第二输入镜4
‑
6、平面镜4
‑
8和第二输出镜4
‑
11构成v型腔结构；1.06μm泵浦光经过第二输入镜4
‑
6后入射到第二kta晶体4
‑
7中激发opo，对第二kta晶体4
‑
7进行温度调谐可获得1.52
‑
1.54μm波段信号光和3.46
‑
3.48μm波段闲频光；1.06μm泵浦光和1.52
‑
1.54μm波段信号光经过平面镜4
‑
8离开谐振腔，3.46
‑
3.48μm波段闲频光经过平面镜4
‑
8反射，再经过第二聚焦透镜4
‑
9耦合到第二金刚石晶体4
‑
10中心，并在谐振腔内振荡，激发srs产生的6.44
‑
6.48μm波段拉曼光；6.44
‑
6.48μm波段拉曼光经过第二输出镜4
‑
11和长通滤光片5后输出。
[0064]
第二输入镜4
‑
6为平凹镜，其两面镀膜，两面对1.06μm泵浦光的透射率>99.5％，凹面对3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的反射率>99.9％；第二输出镜4
‑
11为平凹镜，其两面镀膜，凹面对3.46
‑
3.48μm波段闲频光的反射率>99.9％，两面对6.44
‑
6.48μm波段拉曼光部分透射，透射率可根据具体情况确定，以获得最佳输出功率；平面镜4
‑
8两面镀膜，对1.06μm泵浦光和1.52
‑
1.54μm波段信号光透射率>99.5％，对3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的反射率＞99.9％，平面镜4
‑
8用于调整v型腔的折叠角度，以获得最佳输出功率。
[0065]
第二kta晶体4
‑
7以1.06μm泵浦光的相位匹配角度切割，切割角θ＝90
°
，为ii类相位匹配，晶体尺寸10
×
10
×
20mm3；第二kta晶体4
‑
7的调谐方式为温度调谐，通过温控炉调整晶体温度可获得波长1.52
‑
1.54μm信号光和波长3.46
‑
3.48μm波段闲频光；第二kta晶体4
‑
7两端镀膜，对1.06μm泵浦光、1.52
‑
1.54μm波段信号光、3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的透射率>99.5％。
[0066]
第二金刚石晶体4
‑
10为布儒斯特角α＝67.3
°
切割，晶体尺寸为5
×4×
1.2mm3，晶体两端可以不镀膜。
[0067]
望远镜器件2由两个凸透镜组成，凸透镜两面镀膜，对波长1.06μm泵浦光的透射率>99.5％，望远镜器件2的束口径调整和准直为本领域技术人员所公知的技术，本发明实施例对此不做赘述。
[0068]
参见图2，光隔离器3由第一二分之一波片3
‑
1、第一偏振器3
‑
2、法拉第旋光器3
‑
3、第二二分之一波片3
‑
4和第二偏振器3
‑
5组成，用于波长1.06μm泵浦光的单向传播，防止返回光损坏泵浦源1。
[0069]
第二聚焦透镜4
‑
9两面镀膜，对3.46
‑
3.48μm波段闲频光和6.44
‑
6.48μm波段拉曼光的透射率>99.5％；长通滤光片5用于过滤3.46
‑
3.48μm波段闲频光，对>6μm波段光的透射率>99.5％。
[0070]
本发明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，
[0071]
只要能完成上述功能的器件均可。
[0072]
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，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0073]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。