一种输出732nm激光的窄线宽波长连续可调谐激光装置及方法

1.本发明涉及激光技术领域，具体而言，尤其涉及一种输出732nm激光的窄线宽波长连续可调谐激光装置及方法。


背景技术：

2.受激拉曼散射(srs)是一种十分有效的扩宽激光频谱范围的方法，可以实现从真空紫外到远红外波段的激光输出。以co2气体为拉曼活性介质，可实现输出276、287、299nm的三波长紫外拉曼激光；2011年也报道了266nm激光泵浦金刚石晶体产生275.5nm紫外拉曼激光器；以tea co2激光器泵浦h2可实现14.4μm和16.9μm的远红外拉曼激光输出。同时，受激拉曼散射激光还具有高转换效率、光束质量高、定标放大性好等一系列优点，可实现高峰值功率和高平均功率的激光能量输出。
3.然而，基于受激拉曼散射输出的变频激光仍具有一些局限性。当选定拉曼活性介质时，因为其拉曼频移是一个固定值，对于特定的泵浦激光器来说，输出的拉曼激光只能在特定波长下工作。同时，由于介质气体分子的振动转动能级结构，对于一些气体介质(比如co2和ch4)，拉曼激光的线宽可以达到几个波数之宽，这就限制了气体受激拉曼激光应用于原子吸收光谱、大气光谱检测等等需要更窄线宽的领域。
4.由此，亟待研究一种既能实现窄至0.5cm-1以下的线宽，又能提供足够大的输出功率和稳定的光束质量的激光装置，实现出光波长的连续可调谐。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种输出732nm激光的窄线宽波长连续可调谐激光装置及方法。将窄线宽种子光导入泵浦光与气体介质的拉曼散射过程中，实现输出光的频移和线宽压窄，并且通过对种子光的调控实现对输出光的线宽调控和一定范围内出光波长的连续可调谐。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一方面，本发明提供了一种输出732nm激光的窄线宽波长连续可调谐激光装置，主要包括：
8.泵浦源激光器，其用以通过倍频输出515nm激光；
9.第一拉曼池，其用以接收515nm激光光束并转换为具有一阶stokes光的第一激光光束；
10.泵浦光的光程调节装置，其用以接收一束一阶stokes光，并对其进行光程调节生成泵浦光；
11.窄线宽种子光的生成装置，其用以接收另一束一阶stokes光，并通过种子光生成器对其进行线宽变换生成初级种子光；
12.种子光的脉宽加宽装置，其用以接收一束所述第一种子光并对其进行光程调节后，与另一束第一种子光合成二级种子光；
13.第二拉曼池，其用以接收由所述泵浦光和第二种子光合成的光束并转换为具有732nm激光的第二激光光束；
14.分离输出系统，其用以对所述第二激光光束进行分离并选择输出732nm激光；
15.其中，泵浦源激光器二倍频输出515nm激光后，通过第一拉曼池产生窄线宽的一阶stokes光，再将其作为泵浦光聚焦入射到装有第二拉曼池中产生受激拉曼激光，同时利用种子光的脉宽加宽装置控制二级种子光在空间和时域上完全覆盖泵浦光，以充分利用种子光诱导拉曼效应，调控出光线宽和出光频率，然后输出多条谱线，最后经过分离输出系统进行分离。
16.进一步地，在所述第一拉曼池的出射激光光路上还设置有一阶stokes光分选装置，其用以从第一激光光束分选出一阶stokes光。
17.进一步地，在所述一阶stokes光分选装置的出射激光光路还设置有一阶stokes光分光装置，其用以将所述一阶stokes光分为由泵浦光的光程调节装置接收的第一一阶stokes光束和由所述窄线宽种子光的生成装置接收的第二一阶stokes光束。
18.进一步地，在所述第二拉曼池的入射激光光路上还设置有合束装置，其用以使泵浦光和第二种子光合为一束。
19.进一步地，所述合束装置的入射激光光路上设置有将所述泵浦光会聚到所述第二拉曼池中间位置的泵浦光会聚装置以及将所述第二种子光会聚到所述第二拉曼池中间位置的种子光会聚装置。
20.进一步地，所述窄线宽种子光的生成装置的出射激光光路上还设置有种子光分光装置，其用以将初级种子光分为由种子光的脉宽加宽装置接收的第一初级种子光和由种子光合束装置接收的第二初级种子光。
21.进一步地，所述分离输出系统包括设置在所述第二拉曼池出射光路上的分光镜和分离挡板。
22.进一步地，所述第一拉曼池内充入拉曼活性气体氘气，所述第二拉曼池内充入拉曼活性气体co2，气体压强均大于1mpa。
23.进一步地，所述第一拉曼池、第二拉曼池内还充入惰性气体，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氙气中的一种或几种。
24.另一方面，本发明还提供了一种输出732nm激光的方法，包括：
25.s1、利用泵浦源激光器通过倍频输出515nm激光；
26.s2、利用第一拉曼池接收515nm激光光束并转换为具有一阶stokes光的第一激光光束；
27.s3、利用泵浦光的光程调节装置接收一束一阶stokes光，并对其进行光程调节生成泵浦光；
28.s4、利用窄线宽种子光的生成装置接收另一束一阶stokes光，并通过种子光生成器对其进行线宽变换生成初级种子光；
29.s5、利用种子光的脉宽加宽装置接收一束所述第一种子光并对其进行光程调节后，与另一束第一种子光合成二级种子光；
30.s7、利用第二拉曼池接收由所述泵浦光和第二种子光合成的光束并转换为具有732nm激光的第二激光光束；
31.s8、利用分离输出系统对所述第二激光光束进行分离并选择输出732nm激光。
32.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
33.1、本发明选用一定泵浦光频率和拉曼介质输出了732nm的目标波长。同时用种子光诱导来调节受激拉曼散射过程，压窄出射光的线宽并且实现了出光波长的连续可调谐。
34.2、相比于单纯的可连续调谐的染料激光器，本发明具有更高的输出功率，更稳定的光束质量。相比于非线性光学晶体的变频，拉曼气体介质能产生更大的输出光功率。相比于光纤拉曼激光器，本发明可以实现种子光对泵浦光在空间和时域上完全覆盖，使窄线宽的种子光充分诱导泵浦光，容易得到更窄的输出光线宽。
35.3、本发明操作方便，装置简单，调试便捷。
36.4、本发明通过改变泵浦光波长、拉曼介质种类，和使用分离系统选择输出频率，可以产生不同波长范围的可调谐激光。
附图说明
37.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。
38.图1为本发明实施例中提供的输出732nm激光的窄线宽波长连续可调谐激光装置结构示意图。
39.图中：1、泵浦激光器；2、平凸透镜ⅰ；3、第一拉曼池；4、平凸透镜ⅱ；5、二向色镜ⅰ；6、高反镜ⅰ；7、λ/2片ⅰ；8、偏振分光棱镜；9、λ/2片ⅱ；10、高反镜ⅱ；11、高反镜ⅲ；12、高反镜ⅳ；13、高反镜
ⅴ
；14、平凸透镜ⅲ；15、二向色镜ⅱ；16、种子光生成器；17、半透半反镜ⅰ；18、高反镜ⅵ；19、高反镜ⅶ；20、高反镜
ⅷ
；21、高反镜
ⅸ
；22、半透半反镜ⅱ；23、平凹透镜；24、平凸透镜ⅳ；25、第二拉曼池；26、平凸透镜
ⅴ
；27、分光棱镜；28、分离挡板。
具体实施方式
40.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
42.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
43.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表
达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
45.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
46.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
47.本发明实施例提供了一种输出732nm激光的窄线宽波长连续可调谐激光装置，通过受激拉曼散射实现窄线宽大功率732nm激光输出的同时，通过将窄线宽种子光导入泵浦光与气体介质的拉曼散射过程中，实现输出光的频移和线宽压窄，并且通过对种子光的调控实现对输出光的线宽调控和一定范围内出光波长的连续可调谐。装置主要包括：泵浦源激光器、第一拉曼池、泵浦光的光程调节装置、窄线宽种子光的生成装置、种子光的脉宽加宽装置、第二拉曼池以及分离输出系统。
48.如图1所示为本发明一个较佳的实施方式，在本实施例中，装置具体包括泵浦激光器1和沿着泵浦激光器1激光输出的方向上依次设置的平凸透镜2，拉曼池3，平凸透镜ⅱ4，二向色镜ⅰ5，高反镜ⅰ6，λ/2片ⅰ7，偏振分光棱镜8，λ/2片ⅰ9，高反镜10-13，平凸透镜ⅲ14，二向色镜ⅱ15以及拉曼池25。其中泵浦激光器1是yb:yag固体激光器并带有倍频晶体，输出515nm波长。平凸透镜2将激光会聚到拉曼池3内中间位置，拉曼池3内填充拉曼增益气体。
49.平凸透镜ⅱ4对激光光束进行准直，二向色镜ⅰ5对一阶stokes光有高反射率，对其它出光波长有高透过率，从而选择性地只使用拉曼池3产生的一阶stokes光。高反镜10-13用于调节泵浦光光程，以便与种子光的脉冲相重合。
50.平凸透镜ⅲ14将激光会聚到拉曼池25内中间位置。二向色镜ⅱ15对泵浦光所在波长有高透过率，所述拉曼池25内填充拉曼增益气体。
51.同时在偏振分光棱镜8上分出一束泵浦光，进入种子光生成器16后产生窄线宽的种子光，种子光经过半透半反镜17时被分成两束，一束反射光被半透半反镜17反射后直接到达半透半反镜22，另一束透过光经过高反镜18-21后再到达半透半反镜22；然后在半透半反镜22上合成的种子光再依次通过平凹透镜23，平凸透镜ⅳ24，二向色镜ⅱ15，拉曼池25，平凸透镜
ⅴ
26，分光棱镜27以及分离挡板28。
52.优选地，二向色镜ⅱ15对种子光所在波长有高反射率，从而使泵浦光和种子光从两束合为一束。平凹透镜23将种子光的光束直径扩大，所述平凸透镜ⅳ24将扩束后的种子光会聚到拉曼池25内中间位置，并且与平凸透镜9的聚焦位置重合，从而使种子光的脉冲在空间上可以完全覆盖泵浦光的脉冲。
53.优选地，高反镜18-21用于调节种子光的光程，以便将半透半反镜17分出的两束种子光脉冲拉开一定光程差，从而使两束种子光在半透半反镜22上合成一束后，能合在一起形成脉宽更长的单个脉冲，从而在二向色镜ⅱ15将泵浦光与种子光合束后，种子光的脉冲在时域上完全覆盖泵浦光的脉冲。
54.优选地，平凸透镜
ⅴ
26对拉曼池25输出光进行准直输出，后通过分光棱镜27，分离挡板28进行分离并选择输出所需要的拉曼谱线。
55.优选地，种子光生成器16输出的种子光应当是窄线宽波长可精细调谐激光，可以选用染料激光器，然后通过调谐种子光波长实现对输出拉曼谱线波长的精细调谐。
56.优选地，拉曼池3内充入拉曼活性气体氘气，所述拉曼池25内充入拉曼活性气体co2，气体压强大于1mpa。
57.优选地，调节氘气拉曼池3或co2拉曼池25中的拉曼活性气体的气压，可以实现对输出谱线数目和拉曼光转换效率的调节。
58.优选地，额外往氘气拉曼池3或co2拉曼池25中充入惰性气体，以提高气体介质散热系数，便于在大功率下运行；所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气。
59.优选地，泵浦激光器1的泵浦光可以选用不同脉冲重复频率，可以调节输出功率。
60.优选地，调节λ/2片一7的角度，控制从偏振分光棱镜8分出的两束泵浦光能量大小，从而调节输出的拉曼激光能量。同时调节λ/2片二9的角度保证两束泵浦光相位相同。
61.装置的工作过程如下：平凸透镜2将激光聚焦到氘气拉曼池3的中心，后通过平凸透镜ⅱ4准直输出，并由二向色镜ⅰ5选择反射一阶stokes光，高反镜10-13作为时间延迟系统用于调节泵浦光光程，以便与种子光的脉冲相重合，平凸透镜ⅲ14将激光聚焦到拉曼池25的中心，后通过平凸透镜21准直输出，并由分光棱镜22和分离挡板23分离选择输出。同时由偏振分光棱镜8分出的另一束532nm泵浦激光入射到染料激光16中，使用dcm作为染料，输出602-660nm波长范围内、可精细调节的窄脉宽激光，用作于种子光。该种子光经过半透半反镜17时被分成两束，一束反射光被半透半反镜17反射后直接到达半透半反镜22，另一束透过光经过高反镜18-21后再到达半透半反镜22；高反镜18-21用于调节种子光透过光的光程，以便两束种子光的脉冲拉开一定光程差，从而使两束种子光在半透半反镜22上合成一束后，能让两个有一定时间差的脉冲合在一起形成脉宽更长的一个脉冲，从而使种子光的脉冲在时域上可以完全覆盖泵浦光的脉冲。然后在半透半反镜22上合成的种子光再依次通过平凹透镜23，平凸透镜ⅳ24和二向色镜ⅱ15聚焦到拉曼池25中心处。平凹透镜23将激光光束扩束，平凸透镜ⅳ24将激光会聚到拉曼池25内中间位置，并且与平凸透镜ⅲ14的聚焦
位置重合，从而使种子光的脉冲在空间上可以完全覆盖泵浦光的脉冲。
62.另一方面，本发明还提供了一种输出732nm激光的方法，包括：
63.s1、利用泵浦源激光器通过倍频输出515nm激光；
64.s2、利用第一拉曼池接收515nm激光光束并转换为具有一阶stokes光的第一激光光束；
65.s3、利用泵浦光的光程调节装置接收一束一阶stokes光，并对其进行光程调节生成泵浦光；
66.s4、利用窄线宽种子光的生成装置接收另一束一阶stokes光，并通过种子光生成器对其进行线宽变换生成初级种子光；
67.s5、利用种子光的脉宽加宽装置接收一束所述第一种子光并对其进行光程调节后，与另一束第一种子光合成二级种子光；
68.s7、利用第二拉曼池接收由所述泵浦光和第二种子光合成的光束并转换为具有732nm激光的第二激光光束；
69.s8、利用分离输出系统对所述第二激光光束进行分离并选择输出732nm激光。
70.下面通过不同的应用实例对本发明的方案和效果做进一步说明。
71.实施例1
72.拉曼池3内装有2.0mpa的纯度为99.99％的氘气，拉曼池25内装有1.5mpa的纯度为99.9％的co2气体，515nm的泵浦激光泵浦氘气产生609nm的一阶stokes拉曼光，609nm激光在种子光注入的情况下泵浦co2产生732nm的二阶stokes拉曼光。通过调节染料激光16输出的种子光波长，使其在732nm左右1cm-1范围内精细调谐，调谐步长为0.005nm，达到压窄拉曼光线宽的效果，同时实现精细调节输出波长。
73.实施例2
74.拉曼池3内装有2.0mpa的纯度为99.99％的氘气，拉曼池25内装有3.0mpa的纯度为99.9％的co2气体，515nm的泵浦激光泵浦氘气产生609nm的一阶stokes拉曼光，609nm激光在种子光注入的情况下泵浦co2产生732nm的二阶stokes拉曼光。通过调节染料激光16输出的种子光波长，使其在732nm左右1.5cm-1范围内精细调谐，调谐步长为0.005nm，达到压窄拉曼光线宽的效果，同时实现精细调节输出波长。
75.实施例3
76.拉曼池3内装有2.0mpa的纯度为99.99％的氘气，拉曼池25内装有1.5mpa的纯度为99.9％的co2气体和1.5mpa的纯度为99.99％的氩气，515nm的泵浦激光泵浦氘气产生609nm的一阶stokes拉曼光，609nm激光在种子光注入的情况下泵浦co2产生732nm的二阶stokes拉曼光。通过调节染料激光16输出的种子光波长，使其在732nm左右1cm-1范围内精细调谐，调谐步长为0.005nm，达到压窄拉曼光线宽的效果，同时实现精细调节输出波长。
77.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。