本發(fā)明涉及激光器領(lǐng)域，尤其涉及一種基頻光種子注入的窄線寬內(nèi)腔拉曼激光器。
背景技術(shù)：
受激拉曼散射(srs)是重要的非線性光學(xué)頻率變換技術(shù)之一，基于srs的拉曼激光器具有自動(dòng)相位匹配(automaticphasematched)特性和光束凈化(beamcleanup)特性，易于獲得高光束質(zhì)量的穩(wěn)定輸出，在紫外、可見光、近紅外至中紅外波段光源中均有應(yīng)用。特別是內(nèi)腔拉曼激光器，包括：自拉曼激光器，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，是近年來激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，應(yīng)用也較為廣泛。
現(xiàn)有技術(shù)中的內(nèi)腔拉曼激光器在高功率運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下存在基頻光光譜展寬、影響srs轉(zhuǎn)換效率的問題：srs過程中能量由基頻激光場向斯托克斯光場的耦合相當(dāng)于對基頻激光的非線性損耗，激光發(fā)射峰附近光強(qiáng)較強(qiáng)處srs較強(qiáng)，因而損耗較大，而光強(qiáng)較弱處耦合較弱，即損耗較小，這樣相當(dāng)于基頻激光的實(shí)際凈增益線型相對于其本身受激發(fā)射截面線型發(fā)生了展寬，甚至于中心產(chǎn)生凹陷的情況，從而導(dǎo)致原本被增益競爭抑制的縱模開始起振，基頻激光的光譜展寬，其激發(fā)的斯托克斯光也相應(yīng)發(fā)生展寬的現(xiàn)象。在opt.express15(11),7038–7046(2007)和appl.phys.b94(4),553–557(2009)等文獻(xiàn)中均報(bào)道觀察到了明顯的基頻光線寬展寬現(xiàn)象。
當(dāng)基頻光線寬加寬至可與拉曼增益線寬相比擬時(shí)，拉曼激光器實(shí)際的有效拉曼增益系數(shù)geff并不是拉曼增益介質(zhì)本身的穩(wěn)態(tài)拉曼增益系數(shù)gr，而是gr和介質(zhì)的歸一化自發(fā)拉曼散射線寬r(ν)、歸一化基頻激光線型f(ν)、歸一化斯托克斯光線型s(ν)共同決定的。對于非線性增益對基頻光產(chǎn)生等效損耗，導(dǎo)致基頻光線寬展寬的情況，基頻光的光譜線型f(ν)及其所激發(fā)的斯托克斯光的光譜線型s(ν)均不是理想的洛倫茲線型，此時(shí)的有效拉曼增益系數(shù)可表示為：
geff＝gr∫[r(ν)*f(ν)]s(ν)dν
從該公式可以看出基頻光線寬的展寬會導(dǎo)致有效拉曼增益系數(shù)的geff的下降，從而影響拉曼激光器的轉(zhuǎn)換效率。opt.express22(7),7492–7502(2014)中，為克服這一問題，采用了基頻光諧振腔和斯托克斯光諧振腔部分分離的復(fù)合腔結(jié)構(gòu)，在基頻光諧振腔內(nèi)插入兩塊標(biāo)準(zhǔn)具以壓窄基頻光線寬，從而提高srs轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)方法。
該方法盡管實(shí)現(xiàn)了激光器整體效率的提升，但由于腔內(nèi)插入多個(gè)元件，插入損耗無可避免，且插入元件所需要的空間使得諧振腔的設(shè)計(jì)非常繁復(fù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種基頻光種子注入的窄線寬內(nèi)腔拉曼激光器，本發(fā)明解決了現(xiàn)有內(nèi)腔拉曼激光器高功率下基頻光線寬加寬導(dǎo)致有效拉曼增益系數(shù)geff下降，影響拉曼激光器轉(zhuǎn)換效率的問題，詳見下文描述：
一種基頻光種子注入的窄線寬內(nèi)腔拉曼激光器，包括：
激光增益介質(zhì)吸收泵浦光，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光增益，在諧振腔反射鏡、諧振腔折疊鏡和輸出鏡構(gòu)成的激光諧振腔正反饋?zhàn)饔孟滦纬?064nm基頻激光振蕩；
基頻激光種子源發(fā)射1064nm的單頻種子光，通過隔離器并經(jīng)過種子光耦合透鏡聚焦、分束鏡反射后耦合進(jìn)入激光諧振腔；
輸出鏡置于壓電陶瓷上，光電探測器和反饋控制電路為壓電陶瓷提供放大后的誤差信號，實(shí)現(xiàn)激光諧振腔光學(xué)長度鎖定，使單頻種子光能夠高效耦合進(jìn)入激光諧振腔，實(shí)現(xiàn)種子注入，從而壓窄振蕩基頻激光的線寬；
1064nm基頻激光經(jīng)過激光增益介質(zhì)和拉曼增益介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生拉曼增益，當(dāng)拉曼增益大于諧振腔反射鏡、諧振腔折疊鏡和輸出鏡構(gòu)成的斯托克斯光諧振腔損耗后，發(fā)生受激拉曼散射，在斯托克斯光諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的1176nm斯托克斯光振蕩，并經(jīng)過輸出鏡輸出，分束鏡將1176nm斯托克斯光和漏出的少量1064nm基頻激光分開，輸出純凈的斯托克斯光。
所述激光增益介質(zhì)具體為：
nd:yvo4、nd:gdvo4、或nd:kgw具有拉曼活性的激光晶體，或，
不采取自拉曼形式時(shí)選用nd:yag、nd:ylf、或yb:yag激光晶體。
所述拉曼增益介質(zhì)具體為：
yvo4、gdvo4、kgw、bano3、或金剛石。
所述基頻激光種子源具體為：
單頻光纖激光器、單頻的固體或半導(dǎo)體激光器，發(fā)射波長與所需基頻激光波長對應(yīng)。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：
1、本發(fā)明通過種子注入鎖定的方式壓窄內(nèi)腔拉曼激光器的基頻光線寬，克服現(xiàn)有技術(shù)中基頻光線寬展寬，影響有效拉曼增益系數(shù)導(dǎo)致激光器效率下降的缺點(diǎn)；
2、本發(fā)明有利于改進(jìn)拉曼激光器的轉(zhuǎn)換效率獲得純凈的窄線寬的斯托克斯光輸出；
3、本發(fā)明中的激光諧振腔和斯托克斯光諧振腔共用一套結(jié)構(gòu)，無需在腔內(nèi)插入選頻器件，避免了插入損耗。
附圖說明
圖1為本發(fā)明提供的一種基頻光種子注入的窄線寬內(nèi)腔拉曼激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下：
1：泵浦源；2：傳能光纖；
3：泵浦光耦合透鏡組；4：諧振腔反射鏡；
5：諧振腔折疊鏡；6：激光增益介質(zhì)；
7：拉曼增益介質(zhì)8：輸出鏡；
9：壓電陶瓷；10：分束鏡；
11：基頻激光種子源；12：隔離器；
13：種子光耦合透鏡；14：光電探測器；
15：反饋控制電路。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
實(shí)施例1
為了解決現(xiàn)有內(nèi)腔拉曼激光器中基頻光線寬展寬，對有效拉曼增益系數(shù)和受激拉曼散射效率的不利影響，獲得高效率的窄線寬斯托克斯光輸出，提高內(nèi)腔拉曼激光器性能，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基頻光種子注入的窄線寬內(nèi)腔拉曼激光器，參見圖1，詳見下文描述：
激光增益介質(zhì)吸收泵浦光，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光增益，在諧振腔反射鏡、諧振腔折疊鏡和輸出鏡構(gòu)成的激光諧振腔正反饋?zhàn)饔孟滦纬?064nm基頻激光振蕩；
基頻激光種子源發(fā)射1064nm的單頻種子光，通過隔離器并經(jīng)過種子光耦合透鏡聚焦、分束鏡反射后耦合進(jìn)入激光諧振腔；單頻種子光能夠高效耦合進(jìn)入激光諧振腔，實(shí)現(xiàn)種子注入，從而壓窄振蕩基頻激光的線寬；
1064nm基頻激光經(jīng)過激光增益介質(zhì)和拉曼增益介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生拉曼增益，當(dāng)拉曼增益大于諧振腔反射鏡、諧振腔折疊鏡和輸出鏡構(gòu)成的斯托克斯光諧振腔損耗后，發(fā)生受激拉曼散射，在斯托克斯光諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的1176nm斯托克斯光振蕩，并經(jīng)過輸出鏡輸出，分束鏡將1176nm斯托克斯光和漏出的少量1064nm基頻激光分開，輸出純凈的斯托克斯光。
綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例通過種子注入鎖定的方式使基頻激光保持窄線寬運(yùn)轉(zhuǎn)，起到提高拉曼增益，優(yōu)化激光器轉(zhuǎn)換效率的有益效果，并能夠產(chǎn)生窄線寬的斯托克斯光輸出；同時(shí)通過激光諧振腔和斯托克斯光諧振腔共用一套結(jié)構(gòu)避免了使用腔內(nèi)選頻元件壓窄線寬引入插損較大的問題。
實(shí)施例2
下面結(jié)合圖1、具體的實(shí)例對實(shí)施例1中的方案進(jìn)行進(jìn)一步地介紹，詳見下文描述：
一種基頻光種子注入的窄線寬內(nèi)腔拉曼激光器，包括：泵浦源1、傳能光纖2、泵浦耦合透鏡組3、諧振腔反射鏡4、諧振腔折疊鏡5、激光增益介質(zhì)6、拉曼增益介質(zhì)7、輸出鏡8、壓電陶瓷9、分束鏡10、基頻激光種子源11、隔離器12、種子光耦合透鏡13、光電探測器14、反饋控制電路15，
其中，激光增益介質(zhì)6選用a軸切割nd:yvo4晶體，其基頻激光波長為1064nm，對應(yīng)890cm-1拉曼譜線的一階斯托克斯光波長為1176nm，晶體規(guī)格為3×3×10mm3，摻雜濃度0.3％，兩端鍍有覆蓋泵浦光、基頻光和一階斯托克斯光的800-1200nm增透膜系；相應(yīng)地泵浦源1發(fā)射波長可選擇808nm、880nm、888nm或914nm；拉曼增益介質(zhì)7為純yvo4晶體，鍍1064nm、1176nm增透膜；諧振腔折疊鏡5為平鏡，鍍800-1200nm增透膜系；諧振腔反射鏡4鍍1064nm和1176nm高反膜系；輸出鏡8鍍1064nm高反、1176nm部分透過膜系，分束鏡10鍍1064nm高反、1176nm增透膜系；基頻激光種子源11為單頻光纖激光器，波長1064nm；種子光耦合透鏡13鍍1064nm增透膜。
激光二極管泵浦源1發(fā)射的泵浦光通過傳能光纖2和泵浦光耦合透鏡組3聚焦于激光增益介質(zhì)6內(nèi)部，激光增益介質(zhì)6吸收泵浦光，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光增益，在諧振腔反射鏡5、諧振腔折疊鏡4和輸出鏡8構(gòu)成的激光諧振腔正反饋?zhàn)饔孟滦纬?064nm基頻激光振蕩；基頻激光種子源11發(fā)射1064nm的單頻種子光，通過隔離器12并經(jīng)過種子光耦合透鏡13聚焦、分束鏡10反射后耦合進(jìn)入基頻激光諧振腔；輸出鏡8置于壓電陶瓷9上，光電探測器14和反饋控制電路15為壓電陶瓷9提供放大后的誤差信號，實(shí)現(xiàn)諧振腔光學(xué)長度鎖定，使單頻種子光能夠高效耦合進(jìn)入諧振腔，實(shí)現(xiàn)種子注入，從而壓窄振蕩基頻激光的線寬；
1064nm基頻激光經(jīng)過激光增益介質(zhì)6和拉曼增益介質(zhì)7時(shí)產(chǎn)生拉曼增益，基頻激光的強(qiáng)度隨著泵浦功率的增加而升高，拉曼增益也隨之升高，當(dāng)拉曼增益大于諧振腔反射鏡5、諧振腔折疊鏡4和輸出鏡8構(gòu)成的斯托克斯光諧振腔(即激光諧振腔和斯托克斯光諧振腔共用一套結(jié)構(gòu))損耗后，發(fā)生受激拉曼散射，在斯托克斯光諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的1176nm斯托克斯光振蕩，并經(jīng)過輸出鏡8輸出后，分束鏡10將1176nm斯托克斯光和漏出的少量1064nm基頻激光分開，輸出純凈的斯托克斯光。
其中，激光增益介質(zhì)6可以為nd:yvo4，也可以選用nd:gdvo4、nd:kgw等其它具有拉曼活性的常用激光晶體，不采取自拉曼形式時(shí)也可選用nd:yag、nd:ylf、yb:yag等其他常用激光晶體，相應(yīng)基頻光波長可選擇發(fā)射峰或其他躍遷，分別對應(yīng)不同的基頻激光和斯托克斯光波長，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對此不做限制。
其中，拉曼增益介質(zhì)7可以為yvo4，也可以選用釩酸釓(gdvo4)、鎢酸鉀釓(kgw)、硝酸鋇(bano3)、金剛石等其他常用拉曼晶體，分別對應(yīng)不同的斯托克斯光波長，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對此不做限制。
其中，基頻激光種子源11可采用單頻光纖激光器，也可采用單頻的固體或半導(dǎo)體等激光器，其發(fā)射波長與所需基頻激光波長對應(yīng)即可，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對此不做限制。
其中，反饋控制電路15實(shí)現(xiàn)種子光的注入鎖定可采用直接調(diào)制方法，可也采取pounddreverhall或
具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對反饋電路15的具體電路結(jié)構(gòu)不做限制，只要能實(shí)現(xiàn)上述功能的反饋器件均可。
綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例的目的在于解決現(xiàn)有內(nèi)腔拉曼激光器基頻光線寬展寬，導(dǎo)致有效拉曼增益系數(shù)下降，影響拉曼激光器轉(zhuǎn)換效率的問題。通過種子注入鎖定的方式使基頻激光保持窄線寬運(yùn)轉(zhuǎn)，起到提高拉曼增益，優(yōu)化激光器轉(zhuǎn)換效率的有益效果，并能夠產(chǎn)生窄線寬的斯托克斯光輸出，同時(shí)也避免了使用腔內(nèi)選頻元件壓窄線寬引入插損較大的問題。
本發(fā)明實(shí)施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。