一种功率比例及脉冲间隔可调的激光器及方法

技术领域

本发明涉及全固态激光器及非线性光学频率变换领域，具体涉及一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长内腔拉曼激光器及倍频双波长黄光激光器。

背景技术

双波长激光在精密测量、光谱分析、遥感以及非线性频率变换等应用研究领域均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景，尤其是波长相近的可调谐双波长激光，可用于差频产生太赫兹波段的相干辐射源，是目前光电子学领域中的一个重要研究方向。

目前用于产生双波长激光输出的方法主要有：

1.利用两台独立的激光器经过合束成为双波长激光，但这种方法的实现成本高、体积重量大，如果两个波长相近且偏振方向相同则合束困难。此外，对于脉冲运转的激光器，需要加入复杂的脉冲同步系统来实现双波长激光的脉冲同步或时间间隔可调，整体结构极为复杂(J.Opt.Soc.Am.B,2007,24(9):2509-2516)。

2.利用单波长激光激发两块不同种类、不同切割角度或不同准相位匹配周期的非线性晶体，通过晶体的二阶非线性效应，在光参量振荡器中实现双波长激光输出，这种方式虽然结构简单、成本较低，但不能调谐输出双波长激光的功率比例及脉冲间隔(Appl.Phys.Lett.,2016,108(1):011104)。

3.利用单波长激光泵浦一块晶体构成的双谐振光参量振荡器，使光参量振荡器的信号光和闲频光能够同时起振并输出，但这种方式一般只能工作在相位匹配曲线的简并点附近，且不能实现对双波长激光功率比例及脉冲间隔的调谐(Opt.Express,2016,24(20):23368–23375)。

4.利用单一激光增益介质的复合能级结构同时输出双波长基频光作为光学参量振荡器中的双波长激发源，在一块非线性晶体中实现光参量振荡器的双波长信号光输出。这种方法由于两基频光波长之间存在增益竞争，导致激发光参量振荡器输出的双波长信号光稳定性较差，且不能实现双波长功率比例及脉冲间隔的调谐(J.Phys.D:Appl.Phys.,2015,49(6):065101)。

5.利用同一个泵浦源共轴泵浦两块激光晶体实现功率比例及脉冲间隔可调的双波长激光，结合内腔激发的光参量振荡器还可以将频率进行扩展，实现功率比例及脉冲间隔可调的双信号光输出(Opt.Express,2018,26(16):20768-20716)。该方法利用晶体的二阶非线性效应，虽然方案灵活，但受到二阶非线性增益的限制，难以实现与基频光接近的双波长信号光。

总体来说，现有双波长激光技术中存在的缺点和不足：多数双波长激光器的实现方案存在结构复杂、成本高、稳定性差等问题，且双波长信号光的功率比例和脉冲间隔一般无法调节。虽然共轴泵浦双波长激光器实现了功率比例及脉冲间隔的调谐，并结合光参量振荡器实现了激光频率的扩展，但这种扩展方式仅限于基于二阶非线性效应的光参量振荡技术。在Nd:YAG激光的激发下光参量振荡器产生的波长多位于1.5-1.6μm、2μm、3-5μm等波段。对于与Nd:YAG激光输出的1.06μm波长相近的波段(如1.1-1.2μm)，受到二阶非线性增益的限制，难以通过光参量振荡技术实现，从而也无法将该波段(1.1-1.2μm)的激光倍频产生功率比例和脉冲间隔可调的双波长倍频黄光。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长内腔拉曼激光器及倍频双波长黄光激光器及方法，本发明采用共轴泵浦结构，利用两块激光增益介质和一块拉曼晶体，通过两块激光增益介质产生的双波长基频光作为拉曼激光器的激发源，实现双波长拉曼光运转，在此基础上对双波长拉曼激光在级联式的准相位匹配倍频晶体中倍频，实现双波长黄光输出。通过改变泵浦光聚焦点在激光增益介质中的位置或改变泵浦光波长可以实现灵活地调节双波长基频光的功率比例及脉冲时间间隔，同时通过腔内激发拉曼激光器实现双波长拉曼激光的功率比例及脉冲时间间隔可调，进而通过腔外倍频，实现功率比例和脉冲间隔可调的双波长倍频黄光输出。本发明结构简单紧凑，双波长拉曼激光及倍频黄光的功率比例及脉冲间隔调谐方便，在精密测量、光谱分析、激光医疗、非线性光学频率变换等领域具有重要应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种功率比例及脉冲间隔可调的激光器，包括依次设置的泵浦源、泵浦耦合系统、基频光全反镜、第一激光增益介质、第二激光增益介质、调Q器件、拉曼激光全反镜、拉曼晶体、拉曼激光输出镜、拉曼激光聚焦镜、倍频晶体和低通滤波镜；

所述拉曼激光输出镜同时对基频光全反，其中基频光的波长位于1040—1080nm范围；在所述基频光全反镜和拉曼激光输出镜构成的基频光谐振腔的反馈作用下，两块共轴的第一激光增益介质、第二激光增益介质产生双波长基频光；在拉曼激光全反镜和拉曼激光输出镜构成的拉曼激光谐振腔作用下产生三阶非线性效应即受激拉曼散射，在拉曼晶体内将双波长基频光转换为双波长拉曼激光，拉曼激光的波长位于1150—1200nm波段，并经由拉曼激光输出镜输出；双波长拉曼激光经过拉曼激光聚焦镜聚焦在倍频晶体中，转换为双波长黄光，黄光波长位于575—600nm波段，通过低通滤波镜滤波后输出。

进一步的，所述第一激光增益介质和第二激光增益介质是由两块不同种类的激光晶体或两块同种类但不同切割方向的激光晶体组成，所述激光晶体的激活离子为三价钕离子(Nd

进一步的，所述调Q器件为声光调Q器件或电光调Q器件，调Q器件两端镀有基频光增透膜，用于实现基频光的脉冲运转，通过提高峰值功率来提高受激拉曼散射过程的转换效率。

进一步的，所述基频光全反镜的镜片为平面镜或平凹镜，镀有基频光全反膜和泵浦光增透膜；所述拉曼激光全反镜为凹镜或平镜，镀有基频光增透膜和拉曼激光高反膜；所述的拉曼晶体两端面镀有基频光增透膜和拉曼激光增透膜；所述拉曼激光输出镜为凹镜或平镜，镀有拉曼激光部分透过膜；所述拉曼激光聚焦镜为凸透镜，镀有拉曼激光增透膜；所述倍频晶体镀有拉曼激光和倍频黄光的增透膜；所述低通滤波镜镀有拉曼激光高反膜和倍频黄光增透膜。

本发明还提供另一种技术方案：一种功率比例及脉冲间隔可调的激光器的调节方法，包括以下步骤：

泵浦源发出的泵浦光通过泵浦耦合系统对第一激光增益介质、第二激光增益介质进行泵浦，第一激光增益介质和第二激光增益介质内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转，在调Q器件打开后，经基频光谐振腔的反馈产生双波长基频光脉冲振荡；

通过改变泵浦耦合系统的前后位置调节泵浦光聚焦点在第一激光增益介质、第二激光增益介质中的位置，使得第一激光增益介质、第二激光增益介质内的泵浦光体积发生变化，导致第一激光增益介质、第二激光增益介质内反转粒子数密度发生改变；或者通过调节泵浦源的温度改变泵浦光波长，导致第一激光增益介质、第二激光增益介质吸收的泵浦光功率发生变化，使得第一激光增益介质、第二激光增益介质内反转粒子数密度发生改变；

第一激光增益介质、第二激光增益介质内反转粒子数密度的变化影响基频光谐振腔中双波长基频光的光子数密度和脉冲建立时间，从而在基频光谐振腔内实现功率比例及脉冲间隔可调的双波长基频光脉冲；拉曼晶体和拉曼激光谐振腔位于基频光谐振腔内，双波长基频光振荡的同时，在拉曼晶体内分别激发受激拉曼散射效应，产生两个波长的拉曼光及斯托克斯光，经过拉曼激光谐振腔的反馈作用不断往返传输实现放大，最终超过拉曼激光器的阈值，经拉曼激光输出镜输出；

由于每个拉曼激光波长的光子数密度和脉冲建立时间与相应基频光在腔内的光子数密度和脉冲建立时间相关，通过调节泵浦耦合系统的前后位置或改变泵浦源的温度能够调节双波长拉曼激光中两个波长的功率比例及脉冲间隔；输出的双波长拉曼激光经拉曼激光聚焦镜聚焦后入射倍频晶体，倍频晶体为级联周期极化铌酸锂(PPLN)晶体，分成两段分别极化为不同周期的反转畴，能够对两个波长的拉曼激光分别实现准相位匹配倍频，产生的双波长黄光经过低通滤波镜滤掉剩余拉曼激光后输出；由于双波长拉曼激光的两个波长功率比例及脉冲间隔可调，倍频后双波长黄光的两个波长的功率比例及脉冲间隔也是可调的，实现途径为调节泵浦耦合系统的前后位置或改变泵浦源的温度。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明实现一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长内腔拉曼激光器及倍频双波长黄光激光器，仅需要一个泵浦源、两块激光增益介质、一块拉曼晶体和一块倍频晶体，利用共轴放置的两块激光增益介质在同一个泵浦源的端面泵浦下，可以产生双波长基频光，基频光波长在1040—1080nm范围，通过调节泵浦光聚焦点在激光增益介质中的位置或泵浦光波长可实现灵活地控制腔内振荡的双波长基频光功率比例及脉冲时间间隔；

2.拉曼激光谐振腔在基频光谐振腔内，能够充分利用基频光腔内的高功率密度，基于拉曼晶体的三阶非线性效应实现高效率的频率变换，产生1150—1200nm波段的双波长拉曼激光并输出；双波长拉曼激光聚焦后入射倍频晶体，在相位匹配条件下倍频转换为575—600nm波段的双波长黄光。由于激发双波长拉曼激光的双波长基频光功率比例及脉冲间隔可调，产生的双波长拉曼激光和倍频后产生的双波长黄光的功率比例和脉冲间隔都是可调的。

3.本发明利用共轴泵浦结构结合基于三阶非线性效应受激拉曼散射的频率变换，能够实现结构紧凑、输出稳定的双波长拉曼激光，克服了基于二阶非线性效应的光参量振荡技术难以将1040—1080nm范围的基频光直接转换到1150—1200nm波段的缺点，且双波长拉曼激光的功率比例和脉冲间隔灵活可调，拉曼激光倍频后产生双波长黄光能够覆盖钠黄光波段，在在精密测量、光谱分析、非线性频率变换及钠导星等应用中具有重要价值。

附图说明

图1为本发明激光器的结构示意图。

附图标记：1-泵浦源、2-泵浦耦合系统、3-基频光全反镜、4-第一激光增益介质、5-第二激光增益介质、6-调Q器件、7-拉曼激光全反镜、8-拉曼晶体、9-拉曼激光输出镜、10-拉曼激光聚焦镜、11-倍频晶体，12-低通滤波镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，双波长内腔拉曼激光器及倍频双波长黄光激光器包括依次设置的泵浦源1、泵浦耦合系统2、基频光全反镜3、第一激光增益介质4、第二激光增益介质5、调Q器件6、拉曼激光全反镜7，拉曼晶体8，拉曼激光输出镜9，拉曼激光聚焦镜10，倍频晶体11，低通滤波镜12。泵浦源1为光纤耦合输出的半导体激光器，输出激光的中心波长为808nm，光纤的芯径为400微米，数值孔径为0.22，泵浦源1输出的激光经传能光纤导入泵浦耦合系统2。泵浦耦合系统2为1:2的耦合透镜组，能够将泵浦光聚焦入射到第一激光增益介质4和第二激光增益介质5中。第一激光增益介质4为Nd:YAG晶体，Nd

第一激光增益介质4Nd:YAG和第二激光增益介质5Nd:YAP吸收泵浦光，激活粒子的能态由基态跃迁到激发态，使泵浦光能量储存在激光上能级，当调Q器件6处于关闭状态时，上能级粒子数不断积累并产生大量反转粒子数，当调Q器件6打开时，增益超过损耗，满足激光振荡条件，通过基频光谐振腔的反馈迅速实现剧烈的受激辐射放大，在谐振腔内建立巨脉冲基频光振荡，基频激光的波长为1064nm和1079nm，脉冲重复频率与调Q频率一致为10kHz。同时，通过拉曼晶体8YVO

第一激光增益介质4Nd:YAG和第二激光增益介质5Nd:YLF内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转，通过改变泵浦耦合系统2中1:2耦合透镜的前后位置调节泵浦光聚焦点在第一激光增益介质4、第二激光增益介质5中的位置，可以使得第一激光增益介质4、第二激光增益介质5内的泵浦光体积发生变化，导致第一激光增益介质4、第二激光增益介质5内反转粒子数密度发生改变，或者通过调节泵浦源1的温度改变泵浦光波长，使得第一激光增益介质4、第二激光增益介质5的吸收系数发生变化，导致第一激光增益介质4、第二激光增益介质5吸收的泵浦光功率发生变化，使得第一激光增益介质4、第二激光增益介质5内反转粒子数密度发生改变。第一激光增益介质4、第二激光增益介质5内反转粒子数密度的变化会影响由基频光全反镜3和拉曼激光输出镜9组成的基频光谐振腔中1064nm和1079nm双波长基频光的光子密度和脉冲建立时间。同时，由于拉曼晶体8YVO

综上，本发明实施例提供的一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长内腔拉曼激光器及倍频双波长黄光激光器，采用共轴泵浦结构利用两块激光增益介质、一块拉曼晶体和一块倍频晶体，通过两块激光增益介质产生的双波长基频光作为拉曼晶体的双激发源，在基频光腔内激发拉曼晶体的三阶非线性效应，通过受激拉曼散射实现双波长拉曼激光高效产生。通过调节泵浦光聚焦点在激光增益介质中的位置或泵浦光波长可灵活地控制双波长拉曼激光的功率比例及脉冲间隔，进而通过倍频实现功率比例及脉冲间隔可调的双波长黄光激光器。本发明解决了现有技术中存在的双波长激光的功率比及脉冲间隔不可调谐、结构复杂，系统稳定性较差的问题，并实现了基于三阶非线性效应——受激拉曼散射的双波长拉曼激光输出，以及基于级联PPLN晶体的高效率双波长倍频黄光输出。

在本发明实施例中，可以根据实际需要选择激光增益介质、拉曼晶体和倍频晶体的种类、掺杂浓度或尺寸，以及基频光全反镜、拉曼激光全反镜、拉曼激光输出镜和拉曼激光聚焦镜的规格尺寸、曲率半径、镀膜指标等参数。

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，只要能完成上述功能的器件均可。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。