一種近共心穩(wěn)定腔氣體拉曼激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種采用氣體拉曼介質(zhì)的內(nèi)腔式拉曼激光器，由左凹面腔鏡（對基頻激光高反射），基頻激光介質(zhì)，基頻激光調(diào)Q單元，基頻激光介質(zhì)泵浦源，二相色鏡（對基頻激光高透射，對拉曼激光高反射），拉曼池，右凹面腔鏡（對基頻激光高反射，對拉曼激光透射率為T）和拉曼激光全反鏡共八部分組成。本發(fā)明中基頻激光的束腰位置在拉曼池內(nèi)，因此拉曼池內(nèi)的基頻激光光束小，功率密度大，有利于提高拉曼轉(zhuǎn)化效率；激光介質(zhì)處基頻光的光束半徑大，可以充分利用基頻激光介質(zhì)；另外兩個凹面腔鏡之間的距離L稍小于兩腔鏡曲率半徑R1、R2之和，因此該諧振腔滿足穩(wěn)定腔條件，且其束腰半徑非常小,功率密度大，可以有效降低拉曼轉(zhuǎn)化閾值。
【專利說明】一種近共心穩(wěn)定腔氣體拉曼激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明為一種采用氣體拉曼介質(zhì)的內(nèi)腔式拉曼激光器，與實(shí)現(xiàn)拉曼激光變頻的腔內(nèi)拉曼激光器有關(guān)，本發(fā)明采用近共心穩(wěn)定腔作為基頻激光諧振腔，可以降低拉曼激光器閾值。
【背景技術(shù)】
[0002]拉曼散射技術(shù)是實(shí)現(xiàn)激光波長變換的重要技術(shù)手段，采用拉曼介質(zhì)的受激拉曼散射可以實(shí)現(xiàn)對激光波長的改變。依據(jù)拉曼介質(zhì)的物質(zhì)形態(tài)可分為固體拉曼介質(zhì)、液體拉曼介質(zhì)和氣體拉曼介質(zhì)。固體拉曼介質(zhì)一般體積小，拉曼介質(zhì)濃度高，增益和轉(zhuǎn)化率高，而且人們已研制出多種固體拉曼介質(zhì)，應(yīng)用十分廣泛，但固體拉曼介質(zhì)損傷閾值低，不易實(shí)現(xiàn)高能量輸出。液體拉曼介質(zhì)則由于液體介質(zhì)的揮發(fā)性，毒性或不穩(wěn)定性等缺陷，應(yīng)用范圍受到很大限制。比較而言，氣體拉曼介質(zhì)具有產(chǎn)生的拉曼光均勻度高、損傷閾值高更可能實(shí)現(xiàn)大能量拉曼激光輸出，高拉曼振動模(大拉曼頻移)和窄拉曼線寬等優(yōu)點(diǎn)，也得到了充分的重視；常用的氣體拉曼介質(zhì)有N2, H2, O2和CH4等，但由于氣體介質(zhì)的離子濃度太小，因此必須增大入射光和增大拉曼介質(zhì)作用距離，這就造成氣體拉曼介質(zhì)的閾值高，轉(zhuǎn)化效率低等不足。
[0003]目前采用氣體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)激光拉曼頻移的方法主要包含兩種，第一種是采用外腔法，即將拉曼介質(zhì)放置于激光腔外，激光器輸出的基頻激光經(jīng)過透鏡聚焦，在單程通過拉曼介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，產(chǎn)生斯托克斯光或者反斯托克斯光，在此過程中，只有在聚焦透鏡的焦點(diǎn)位置附近的一小段區(qū)域內(nèi)激光功率密度可以達(dá)到受激拉曼散射閾值，在此區(qū)域內(nèi)可以發(fā)生受激拉曼散射實(shí)現(xiàn)對基頻激光的頻率轉(zhuǎn)換，因此激光與拉曼介質(zhì)的有效作用區(qū)域短，拉曼轉(zhuǎn)化效率不高，同時(shí)對基頻激光的功率閾值要求也較高。
[0004]另外一種方法是采用拉曼諧振腔，該方法包括將拉曼介質(zhì)放置于激光諧振腔內(nèi)(內(nèi)腔式)和將拉曼介質(zhì)單獨(dú)放置于一個諧振腔內(nèi)(外腔式)兩種形式，其中內(nèi)腔式是將激光介質(zhì)和拉曼介質(zhì)都放在激光腔內(nèi)，采用二相色鏡作為輸出耦合鏡，使基頻激光只在腔內(nèi)震蕩而不對外輸出，只有拉曼光對外輸出；這樣基頻光和Stokes光多次通過拉曼介質(zhì),相當(dāng)于增長了基頻激光與拉曼介質(zhì)的有效作用長度，因此可以提高基頻激光的拉曼轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)降低對基頻激光的功率要求，相當(dāng)于降低了受激拉曼閾值。內(nèi)腔式拉曼由于利用了諧振腔內(nèi)基頻光功率密度非常高的優(yōu)點(diǎn)，更容易產(chǎn)生受激拉曼散射，形成拉曼激光輸出。采用拉曼諧振腔的拉曼頻移器也成為拉曼激光器。
[0005]在拉曼激光器的研制中，拉曼激光諧振腔的腔型設(shè)計(jì)是其中的重要問題。目前采用固體拉曼介質(zhì)的拉曼激光器的研究比較活躍，相關(guān)的拉曼激光腔型也比較多，但采用氣體拉曼介質(zhì)的內(nèi)腔式拉曼激光器種類還很少。另外，已有的氣體拉曼激光器諧振腔中，或者是為了追求較大的激光介質(zhì)模體積而增大腔內(nèi)光束半徑，因而犧牲了拉曼介質(zhì)處的激光功率密度；或者是為保證拉曼介質(zhì)處的激光功率密度而減小腔內(nèi)光束半徑，因而減小了激光模體積，不利于激光介質(zhì)的充分利用。另外，激光諧振腔的穩(wěn)定性也會影響拉曼激光輸出效果O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對采用氣體拉曼介質(zhì)的拉曼激光器的上述問題，為降低氣體拉曼轉(zhuǎn)化閾值，提出了一種可以既保證基頻激光介質(zhì)模體積，同時(shí)又能在拉曼介質(zhì)處獲得小光斑半徑的近共心雙凹穩(wěn)定腔氣體拉曼激光器。
[0007]一種近共心穩(wěn)定腔氣體拉曼激光器，包括光腔，光腔包括兩個左右相向設(shè)置的基頻激光的凹面全反鏡，兩個基頻全反鏡之間依次設(shè)置有基頻激光介質(zhì)，基頻激光調(diào)Q單元，對基頻光高透射、拉曼光全反射的二相色鏡和氣體拉曼池；右側(cè)凹面基頻激光全反鏡對拉曼光透過率為T，基頻激光介質(zhì)的上下兩端對稱設(shè)置有兩個基頻激光泵浦源，二相色鏡上端置有拉曼光全反射鏡。
[0008]基頻激光介質(zhì)、基頻激光調(diào)Q單元、二相色鏡、氣體拉曼池都在兩個凹面全反鏡中心的連線上排布。
[0009]該拉曼激光器采用的氣體拉曼介質(zhì)置于密閉拉曼池中，拉曼池的兩端置有鍍制基頻光和拉曼光高透膜的光窗，光窗中心處于兩個凹面全反鏡中心的連線上；氣體拉曼介質(zhì)的激光損傷閾值大固體或液體拉曼介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)大能量，高光學(xué)均勻度的拉曼激光輸出。
[0010]基頻激光的束腰位置在拉曼池內(nèi)，因此拉曼池內(nèi)的基頻激光束腰小，功率密度大，有利于提高拉曼轉(zhuǎn)化效率；激光介質(zhì)處基頻光的光束半徑大，可以充分利用激光介質(zhì)。
[0011]兩個凹面腔鏡之間的距離L稍小于兩腔鏡曲率半徑Rl、R2之和，因此該諧振腔滿足穩(wěn)定腔條件，且其束腰半徑非常小，功率密度大，可以有效降低拉曼轉(zhuǎn)化閾值。
[0012]在基頻激光介質(zhì)和拉曼池之間還放置有一個對基頻光高透射、拉曼光全反射的二相色鏡，該二相色鏡與其上端拉曼全反射鏡和右側(cè)凹面全反鏡又組成了拉曼諧振腔，使拉曼光在此腔內(nèi)振蕩，有利于拉曼光的放大。
[0013]本發(fā)明采用的近共心穩(wěn)定腔還可以降低該激光器對失調(diào)損耗的敏感度，減小實(shí)驗(yàn)中由于腔鏡失調(diào)造成的光斑畸變，降低激光腔的調(diào)整難度，提高氣體拉曼激光器的穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]附圖1為本發(fā)明涉及的近共心穩(wěn)定腔氣體拉曼激光器的結(jié)構(gòu)圖。圖中:1 一凹面腔鏡(對基頻激光高反射)，2—基頻激光介質(zhì)，3—基頻激光泵浦源，4一基頻激光調(diào)Q單元，5—二相色鏡(對基頻激光高透射，對拉曼激光高反射)，6—拉曼池，7—凹面腔鏡(對基頻激光高反射，對拉曼激光透射率為T)，8—拉曼激光全反射鏡。
[0015]附圖2是本發(fā)明所涉及的近共心穩(wěn)定腔工作狀態(tài)下基頻激光和拉曼激光在腔內(nèi)的光路圖。圖中:1 一凹面腔鏡(對基頻激光高反射)，2—基頻激光介質(zhì)，3—基頻激光泵浦源，4一基頻激光調(diào)Q單元，5—二相色鏡(對基頻激光高透射，對拉曼激光高反射)，6—拉曼池，7—凹面腔鏡(對基頻激光高反射，對拉曼激光透射率為T)，8—拉曼激光全反射鏡。圖中實(shí)曲線代表基頻激光的光場分布，粗虛線代表拉曼激光束在腔內(nèi)振蕩及輸出情況。
【具體實(shí)施方式】
[0016]詳見附圖1所示。本發(fā)明中除基頻激光泵浦源3和拉曼激光全反鏡8之外的所有的元件都在兩個腔鏡中心的連線上排布，該氣體拉曼激光器的最左側(cè)為鍍有基頻光高反膜的全反凹面鏡I，全反凹面鏡I的右側(cè)放置基頻激光介質(zhì)2 (如YAG晶體)，基頻激光介質(zhì)2的上下兩側(cè)放置有兩個基頻激光泵浦源3 (可以是脈沖氙燈或半導(dǎo)體激光管陣列)，基頻激光介質(zhì)2的右側(cè)為基頻激光調(diào)Q單兀4,調(diào)Q單兀4的右側(cè)為對基頻激光聞透過、拉曼激光高反射的二相色鏡5，二相色鏡5的右側(cè)放置充滿拉曼氣體介質(zhì)的拉曼池6，最右側(cè)為鍍有對基頻激光全反射、拉曼激光透射率為T的凹面腔鏡7，二相色鏡5的上方為拉曼激光全反射鏡8。
[0017]本發(fā)明中，前后兩個凹面鏡I和7之間的距離(即諧振腔腔長)略小于這兩個凹面鏡曲率半徑Rl (左側(cè))和R2 (外側(cè))之和。最左側(cè)和最右側(cè)腔鏡對基頻激光高反射，形成基頻激光的諧振腔；二相色鏡與右端凹面鏡形成拉曼激光的子諧振腔。基頻激光在雙凹鏡組成的近共心穩(wěn)定腔內(nèi)振蕩，拉曼激光在二相色鏡與凹面端鏡組成的子諧振腔內(nèi)振蕩。拉曼池的中心位于基頻激光的束腰處，這樣在拉曼池的中心處基頻光的功率最大，可降低拉曼轉(zhuǎn)化功率閾值?；l激光介質(zhì)位于雙凹穩(wěn)定腔的左側(cè)，此處基頻激光的光束半徑較大，因此可以更好的利用基頻激光介質(zhì)，提高腔內(nèi)基頻激光的能量密度，有利于拉曼激光輸出。
[0018]本發(fā)明具體實(shí)施例，當(dāng)本發(fā)明采用氙燈泵浦的YAG激光介質(zhì)產(chǎn)生基頻光，以CH4作為拉曼介質(zhì)實(shí)現(xiàn)拉曼激光輸出:采用CH4作為拉曼介質(zhì)時(shí)，期望輸出的拉曼激光的波長為1543nm,因此此時(shí)采用的凹面鏡I為對1064nm波長的高反鏡，二相色鏡5鍍有對1064nm高透射、對1543nm高反射的膜系，CH4拉曼池6的兩端窗口鏡片上都鍍有對1064nm和1543nm高透的增透膜系，凹面腔鏡7鍍有對1064nm波長高反射，對1543nm透過率為T的膜系，這樣YAG激光介質(zhì)產(chǎn)生的1064nm的激光經(jīng)過YAG晶體2、基頻激光調(diào)Q單元4、二相色鏡5和拉曼池6，在凹面腔鏡I和凹面腔鏡7之間振蕩，氣體拉曼介質(zhì)CH4在1064nm基頻激光的作用下產(chǎn)生的1543nm拉曼激光經(jīng)拉曼池6和二相色鏡5在拉曼全反鏡8和凹面腔鏡7之間振蕩，并經(jīng)凹面腔鏡7輸出。由于該激光腔的腔長L稍小于兩腔鏡曲率半徑Rl，R2之和，記為L=R1+R2-S，其中δ為受腔鏡調(diào)節(jié)誤差影響的小量，本實(shí)施例中δ約為2cm，即R1，R2`分別為50cm和150cm，L為198cm。由共焦參數(shù)f的計(jì)算公式(3)可知，共焦參數(shù)f非常小，因此可由公式(4)得出1064nm激光在腔內(nèi)的束腰半徑《O極小，式(4)中λ為基頻激光波長。本實(shí)施例中凹面腔鏡I和凹面腔鏡7相對于束腰的位置zl，z2`分別由(1)，(2)給出，其中正號表不該腔鏡位于束腰的右側(cè)，負(fù)號表不該腔鏡位于束腰的左側(cè)。
【權(quán)利要求】
1.一種近共心穩(wěn)定腔氣體拉曼激光器，包括光腔，其特征是光腔包括兩個左右相向設(shè)置的基頻激光的凹面全反鏡，兩個基頻全反鏡之間依次設(shè)置有基頻激光介質(zhì)，基頻激光調(diào)Q單元，對基頻光高透射、拉曼光全反射的二相色鏡，拉曼池，右側(cè)凹面基頻激光全反鏡對拉曼光透過率為T，基頻激光介質(zhì)的上下兩端對稱設(shè)置有兩個基頻激光泵浦源，二相色鏡上端置有拉曼光全反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體拉曼激光器，其特征是:基頻激光介質(zhì)、基頻激光調(diào)Q單元、二相色鏡、氣體拉曼池都在兩個凹面全反鏡中心的連線上排布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體拉曼激光器，其特征是:該拉曼激光器采用的氣體拉曼介質(zhì)置于密閉拉曼池中，拉曼池的兩端置有鍍制基頻光和拉曼光高透膜的光窗，光窗中心處于兩個凹面全反鏡中心的連線上；氣體拉曼介質(zhì)的激光損傷閾值大于液體或固體拉曼介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)大能量、高光學(xué)均勻度的拉曼激光輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近共心穩(wěn)定腔，其特征是:基頻激光的束腰位置在拉曼池內(nèi)，因此拉曼池內(nèi)的基頻激光光束小，功率密度大，有利于提高拉曼轉(zhuǎn)化效率；激光介質(zhì)處基頻光的光束半徑大，可以充分利用激光介質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近共心穩(wěn)定腔，其特征是:兩個凹面腔鏡之間的距離L稍小于兩腔鏡曲率半徑R1、R2之和，因此該諧振腔滿足穩(wěn)定腔條件，且其束腰半徑非常小，功率密度大，可以有效降低拉曼轉(zhuǎn)化閾值。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近共心穩(wěn)定腔，其特征是:在基頻激光介質(zhì)和拉曼池之間還放置有一個對基頻光高透射、拉曼光全反射的二相色鏡，該二相色鏡與其上端拉曼全反射鏡和右側(cè)凹面全反鏡又組成了拉曼諧振腔，使拉曼光在此腔內(nèi)振蕩，有利于拉曼光的放大。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近共心穩(wěn)定腔，其特征是:該穩(wěn)定腔可以降低該激光器對失調(diào)損耗的敏感度，減小實(shí)驗(yàn)中由于腔鏡失調(diào)造成的光斑畸變，降低激光腔的調(diào)整難度，提高氣體拉曼激光器的穩(wěn)定性。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近共心穩(wěn)定腔，該穩(wěn)定腔中基頻激光經(jīng)基頻激光介質(zhì)，基頻激光調(diào)Q單元，拉曼池，經(jīng)二相色鏡透射，在左右側(cè)凹面基頻激光全反鏡組成的諧振腔中振蕩；拉曼光經(jīng)過拉曼池，經(jīng)二相色鏡反射在上方拉曼光全反射鏡和右側(cè)對基頻激光全反、拉曼激光透過率為T的凹面腔鏡之間振蕩，最后由右側(cè)凹面腔鏡輸出。
【文檔編號】H01S3/08GK103872576SQ201210535678
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月10日
【發(fā)明者】劉金波, 郭敬為, 周冬建, 周燦華, 孟慶琨, 金玉奇 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所