一种基于受激拉曼散射产生放大结构的超短脉冲激光器

1.本发明涉及短脉冲激光技术领域，尤其涉及一种基于受激拉曼散射产生放大结构的超短脉冲激光器。


背景技术：

2.超短脉冲激光在实际生活中应用十分广泛，在激光雷达、微纳加工、激光医疗等领域都需要超短脉冲激光，且有些领域需要具有大能量的超短脉冲激光。目前获得短脉冲的方案有三种，(1)调q技术；(2)锁模技术；(3)受激散射技术。
3.(1)调q技术通过调节q值获得峰值功率高、宽度窄的脉冲，但调q技术受限于腔长，仅能产生亚纳秒量级的激光脉冲[如发明专利公开号：cn109004507a，专利名称：可控的被动调q红外激光器]；(2)锁模技术受限于锁模器件的损伤阈值，不能够实现大能量输出，最高仅为微焦量级，经再生放大后也仅能达到毫焦量级，并且其结构较为复杂、成本较高，不能满足某些领域的需求[如发明专利公开号：cn105186270b，专利名称：一种皮秒脉冲光纤激光器]；(3)受激散射技术，受激布里渊散射(stimulatedbrillouinscattering，sbs)与受激拉曼散射(stimulatedramanscattering，srs)都属于受激散射，sbs脉宽压缩技术受限于长声子寿命和窄增益带宽，难以实现皮秒脉冲的获取；而srs一般都用于波长转换，由于srs一般是单池聚焦，能量转化效率低且不可控，实验效果不理想，很少用来做脉宽压缩。本发明创造性地采用产生放大结构利用srs实现了脉宽压缩，由于拉曼活性介质具有声子寿命低的特点，有着更短的压缩极限，利用srs脉宽压缩技术可以有效地获得皮秒级的超短脉冲激光。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是，提供了一种基于受激拉曼散射产生放大结构的超短脉冲激光器，解决了调q技术的压缩极限较高以及锁模技术的低能量、结构复杂、成本高昂等问题，并且相较于sbs脉宽压缩技术，获得了更窄的超短脉冲。
[0005]
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0006]
一种基于受激拉曼散射产生放大结构的超短脉冲激光器，所述超短脉冲激光器包括：泵浦源1；分束镜2；反射镜3；凸透镜4；srs产生池5；第一二向色镜6；srs放大池7；第二二向色镜8；
[0007]
单纵模激光器作为泵浦源1，泵浦源1发出单纵模泵浦光被分束镜2分为两束；第一束光经凸透镜4和第一二向色镜6聚焦反射进入srs产生池5中发生后向受激拉曼散射，产生反向的stokes种子光并透过第一二向色镜6进入srs放大池7；第二束光经反射镜3和第二二向色镜8反射后进入srs放大池7中与反向的stokes种子光对向相遇，反向stokes种子光提取第二束光的能量进行放大；被压缩放大后的超短脉冲stokes种子光透过第二二向色镜8输出。
[0008]
该超短脉冲激光器还包括测量系统，在第一二向色镜6与srs产生池5之间加入测
量系统9，测量系统9能测量泵浦光和经srs产生池5产生的stokes种子光的能量和时域波形，分束镜2为45
°
角放置，通过更换不同分束镜2将光束分为能量比值不同的两束光，使srs产生池5产生的stokes光与第二束光的峰值功率相当，峰值功率由测量系统获得，此时最终输出的stokes种子光具有最优的能量转化效率。
[0009]
所述测量系统9包括楔形板9-1、第一能量计9-2、第一光电探测器9-3、第二能量计9-4和第二光电探测器9-5；楔形板9-1为两个面呈一定夹角的光学板，光透过该楔形板时会被反射出两束能量，这两束能量均为入射光能量4％的反射光；泵浦光被楔形板9-1反射进入第一能量计9-2和第一光电探测器9-3；stokes种子光在通过楔形板9-1时被反射进入第二能量计9-4和第二光电探测器9-5。
[0010]
泵浦源1选择的单纵模激光器波长在200nm～1500nm之间，脉宽为0.1ns～10ns，凸透镜4的焦点在srs产生池5内，srs产生池5与srs放大池7池长均需要满足：l》f'；srs产生池5的焦点入射处到焦点处的光路f'为脉宽对应光长的一半，表示为：其中c为真空中的光速，τ
p
为泵浦源1的脉宽，n为srs产生池5池中介质折射率；
[0011]
凸透镜4的焦距f＝d+f'，d为凸透镜4到srs产生池焦点入射处的距离。
[0012]
该超短脉冲激光器将一阶stokes光放大，高阶stokes不会透过第一二向色镜6进入srs放大池7，有效地防止高阶stokes对放大压缩造成影响，利用二向色镜进行反射、滤波作用；在srs产生池5中为背向拉曼stokes光后向传输，与泵浦光传输方向相反，在srs产生池5中stokes光会先与泵浦光对向相遇进行一次压缩，同时经第一二向色镜6后的反向stokes种子光再与第二束光对向相遇，进行二次压缩并提取第二束光的能量进行放大，实现超短脉冲输出。
[0013]
通过控制srs放大池的位置从而改变stokes光与第二束光的相遇情况，进而对输出的波形和脉宽发生改变，最佳情况为stokes光与第二束光在srs放大池中心相遇；控制前沿放大后沿不进行放大，能产生特殊需要波形；由于stokes光在srs产生池放大过，能通过改变srs放大池的长度产生更长、更宽的波形。
[0014]
本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0015]
1、本发明提供的基于受激拉曼散射产生放大结构的超短脉冲激光器，泵浦光经过基于受激拉曼散射产生放大结构的压缩放大，可以获得较高的能量输出，相比于锁模激光器，可直接产生数十毫焦的皮秒激光。
[0016]
2、本发明提供的超短脉冲激光器，仅使用一种光源，通过分束镜分为两束，两束光只有能量不同，再通过采用双池结构(仅对一阶种子光进行放大，产生池为后向拉曼散射)，srs产生池和srs放大池中的拉曼活性介质具有较宽的增益带宽和较短的声子寿命，可以产生亚纳秒、皮秒甚至亚皮秒的脉冲激光，远低于调q技术的压缩极限，解决了现有技术中由于受激拉曼散射受到高阶stokes和前向以及后向散射的特点，而导致能量转化效率低，实验效果不理想的问题，实现了利用受激拉曼散射来作脉宽压缩的目的，能满足实验效果，脉冲宽度相比sbs脉宽压缩技术更窄，效率高且可以通过控制放大池的位置从而改变stokes光与第二束光的相遇情况从而对输出的波形和脉宽发生改变，最佳情况为stokes光与第二束光在放大池中心相遇，(效率高、压缩效果好，波形好、脉宽窄)，改变相遇位置可能会对一些需要产生特殊波形等情况有帮助(如控制前沿放大后沿不进行放大，产生特殊需要波形；改变放大池的长度相对单池，可以产生更长、更宽的波形等)，可以根据实际需要进行调整。
本发明可以直接产生十几毫焦的皮秒激光，相对传统脉宽压缩转化效率(低于10％)可以提高到15％以上，而现有调q激光效率最高为1％，因此，本技术效果显著。
[0017]
3、本发明提供的超短脉冲激光器，由于具有相位共轭的特点，反向的stokes种子光呈现出与泵浦光波前反转的复制光波，这种相位共轭可以弥补拉曼放大过程中的热畸变，同时反向stokes光比泵浦光具有更好的空间相干性，并且线宽要小于泵浦光的线宽。
[0018]
4、本发明提供的超短脉冲激光器，仅在srs产生池处具有高功率，更有利于晶体的安全，可以提高稳定性，规避了整体工作器件的损伤风险。
[0019]
5、本发明提供的超短脉冲激光器，由于基于受激拉曼散射效应，其波长频移较大(不同介质频移不同，或者改变输入波长改变输出波长)，在进行脉宽压缩的同时还可以产生其他激光器难以产生的特殊波长，输出为单纵模，即仅一个输出一个波长的脉冲。
[0020]
6、本发明提供的超短脉冲激光器，srs产生池和srs放大池的拉曼活性介质可以根据实际需要进行选择，可以满足不同的实际需求。
附图说明
[0021]
图1为一种基于受激拉曼散射产生放大结构的超短脉冲激光器的结构示意图。
[0022]
图2为加入测量系统后的受激拉曼散射产生放大结构的超短脉冲激光器的结构示意图。
[0023]
图3为本发明实施例二中的装置的激光脉冲输出数值模拟图。
[0024]
图4为本发明实施例三中的装置在不同拉曼增益系数下的激光脉冲输出数值模拟图。
[0025]
图5为本发明的实例三中的装置在不同声子寿命下的激光脉冲输出数值模拟图。
[0026]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0027]
1：泵浦源；2：分束镜；3：反射镜；4：凸透镜；5：srs产生池；6：第一二向色镜；7：srs放大池；8：第二二向色镜；9：测量系统；9-1：楔形板；9-2：第一能量计；9-3：第一光电探测器；9-4：第二能量计；9-5：第二光电探测器。
具体实施方式
[0028]
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本技术保护范围的限定。
[0029]
在拉曼产生过程中会有高阶stokes产生，本发明将一阶stokes光放大，高阶stokes不会透过第一二向色镜6进入srs放大池7，可以有效地防止高阶stokes对放大压缩造成影响，利用二向色镜(二向色镜特点为：对某一波长有反射效果，对另一波长有透射效果)一方面起到反射作用，另一方面起到了滤波的作用。
[0030]
受激拉曼散射既有正向拉曼也有背向拉曼，正向拉曼为产生的stokes光与泵浦光的方向相同，背向拉曼产生的stokes光与泵浦光方向相反，如本发明在srs产生池5中为背向拉曼stokes光后向传输，与泵浦光传输方向相反。在srs产生池5中stokes光会先与泵浦光对向相遇进行一次压缩，体现出压缩效果，同时经第一二向色镜6后的反向stokes种子光再与第二束光对向相遇，进行二次压缩并提取第二束光的能量进行放大，两次压缩过程，压缩效率更高。因此，本发明的srs脉宽压缩具有更宽的增益带宽和更短的压缩极限，更有可
能实现皮秒脉冲的获取。
[0031]
本发明一种基于受激拉曼产生放大结构的超短脉冲激光器，该激光器采用了srs脉宽压缩技术，获得大能量的超短脉冲激光。
[0032]
参见图1，一种基于受激拉曼散射产生放大结构的超短脉冲激光器包括：泵浦源1、分束镜2、反射镜3、凸透镜4、srs产生池5、第一二向色镜6、srs放大池7和第二二向色镜8。
[0033]
其中，单纵模激光器作为泵浦源1发出泵浦光，经过分束镜2分为两束；第一束光被凸透镜4和第一二向色镜6聚焦和反射进入srs产生池5中，泵浦光在srs产生池5中发生后向srs，产生反向的stokes种子光，该stokes种子光背向传输，透过第一二向色镜6进入srs放大池7中；第二束光被反射镜3和第二二向色镜8反射进入srs放大池7中，一阶stokes种子光与第二束光在srs放大池7中对向相遇并提取泵浦光能量，最终透过第二二向色镜8输出。
[0034]
其中，所述凸透镜4焦点在srs产生池5中心。
[0035]
其中，所述第一二向色镜6与第二二向色镜8均对反向的stokes种子光高透，对泵浦光高反。第一二向色镜6与第二二向色镜8平行等高度设置，优选倾斜角度为45
°
，保证了反射和透射的效果。
[0036]
泵浦源1选择的单纵模激光器在波长在200nm～1500nm之间，凸透镜4的焦距范围为10cm～70cm，srs产生池5池长为0.5cm～120cm，srs放大池7池长为0.5cm～150cm，且srs产生池5和srs放大池7这两个介质池的介质为受激拉曼频移量为500cm-1
～4500cm-1
,光学声子寿命在皮秒量级的ba(no3)2、nh3、h2、cs2和甲苯等符合条件的固体、气体以及液体拉曼活性介质。可以根据实际情况选择不同的波长，介质，介质长度等。
[0037]
参见图2，图2所示的结构与图1相比的不同点为，图2在第一二向色镜6与srs产生池5之间加入了测量系统9；测量系统9由楔形板9-1、第一能量计9-2、第一光电探测器9-3、第二能量计9-4和第二光电探测器9-5组成；测量系统9可以测量泵浦光和经srs产生池5产生的stokes种子光的能量和时域波形；楔形板9-1为两个面呈一定夹角的光学板，光透过该楔形板时会被反射出两束能量均为入射光能量4％的反射光；泵浦光被楔形板9-1反射进入第一能量计9-2和第一光电探测器9-3；stokes种子光在通过楔形板9-1时被反射进入第二能量计9-4和第二光电探测器9-5。
[0038]
分束镜2的分束情况可根据下述方法选取：分束镜2为45
°
角放置，通过更换不同分束镜2将光束分为能量比值不同的两束光，使srs产生池5产生的stokes光与第二束光的峰值功率相当；此时最终输出的stokes种子光具有相对较高的能量转化效率。峰值功率由相应的能量计和光电探测器获得。
[0039]
泵浦源1选择的单纵模激光器波长在200nm～1500nm之间，脉宽为0.1ns～10ns，srs产生池5焦点入射处到焦点处的光路f'为脉宽对应光长的一半，可表示为：其中c为真空中的光速，τ
p
为泵浦源1的脉宽，n为srs产生池5池中介质折射率。焦点为凸透镜4在srs产生池5形成的焦点，焦点入射处指的是srs产生池5的右边界，光从产生池5右边界入射进入srs产生池5的内部。
[0040]
凸透镜4的焦距f＝d+f'，d为凸透镜4中心点到srs产生池焦点入射处的距离，即池镜间距。
[0041]
为了保证凸透镜4焦点在池内，srs产生池5与srs放大池7池长均需要满足：l》f'。
[0042]
设η为能量转化效率，可以表示为：e
p
为泵浦光能量即泵浦源1的输出，es为第二二向色镜8最终输出的stokes光能量。
[0043]
声子寿命越低，增益系数越大，结果越好，这个是与介质有关的，有的介质寿命可达到2ps左右(一般介质的声子寿命都在1-几百皮秒之间)，不同的波长下，其增益系数也是不一样的(ba(no3)2晶体在532nm下增益系数高达47cm/gw，1064nm下为11cm/gw)(介质的增益系数一般都在1-20cm/gw之间)输入的脉宽为较短(1ns)，可选择固体介质，如果输入的脉宽较长(10ns左右)，产生池和放大池尺寸增大些，可选择液体介质(如去离子水)。选择声子寿命较低的介质，同时增益系数较大，此时能达到亚皮秒的输出。
[0044]
下述实施例中超短脉冲激光器的结构同上述描述，具体参数见下述具体实施例。
[0045]
实施例一：泵浦源1选择波长为1064nm、脉宽为1ns的单纵模激光器，凸透镜4的焦距为10cm，srs产生池5与srs放大池7池长均为10cm，且两个介质池选择受拉曼频移量为1047.3cm-1
,声子寿命为80ps的ba(no3)2晶体，最终输出波长1197nm的stokes种子光(一阶输出)，通过调整激光器的输出能量与分束镜2的分数情况从而获得最佳的脉冲输出，此时测得能量转化效率为15％。
[0046]
实施例二：泵浦源1采用的波长为1064nm，发散角为0.45mrad，峰值功率为2.1mw，脉宽为1ns；srs产生池5、srs放大池7的池中介质选择拉曼频移为1047.3cm-1
，声子寿命为80ps，1064nm下拉曼增益系数为11cm/gw的ba(no3)2晶体，srs产生池5池长与srs放大池7池长均为10cm，凸透镜4的焦距为16.2cm，凸透镜4距srs产生池5的池镜间距为10cm，其他器件型号不做限制。本实施例的数值模拟结果如图3所示，最终获得了波长1198nm，脉宽为47.5ps的激光脉冲输出。
[0047]
实施例三：本实施例中的参数与实施例二中的不同点是，通过改变不同的介质的拉曼增益系数和介质声子寿命的数值模拟；图4为声子寿命80ps，1064nm下增益系数分别在3cm/gw、7cm/gw、11cm/gw、15cm/gw和19cm/gw下的数值模拟图，对应的激光脉冲输出的脉宽分别为78ps、56ps、47.5ps、45.5ps和43ps；图5为1064nm下增益系数11cm/gw，声子寿命分别为0.02ns、0.05ns、0.08ns、0.11ns和0.14ns下的数值模拟图，对应的激光脉冲输出的脉宽分别为40ps、44.5ps、47.5ps、53ps和56.5ps。
[0048]
从图中可以看出，增益系数越大，声子寿命越短的拉曼活性介质越有助于获得窄脉宽的脉冲输出。
[0049]
实施例四：泵浦源1采用的波长为1064nm，发散角为0.5mrad，峰值功率为2.1mw，脉宽为1ns；srs产生池、srs放大池的池中介质选择拉曼频移为1047.3cm-1
，声子寿命为80ps，1064nm下拉曼增益系数为11cm/gw的ba(no3)2晶体，srs产生池5池长为30mm，srs放大池7池长为75mm，凸透镜4距srs产生池5的距离为29cm。
[0050]
分别在凸透镜4焦距分别为28cm、29cm、30cm、31cm和32cm时进行数值模拟，结果表明凸透镜焦距对脉宽和波形具有影响，输出脉冲宽度(几十ps)相对于输入光脉宽(1ns)相比有明显降低。
[0051]
实施例五：本实施例中所述凸透镜4的焦距为固定值30cm，在介质增益系数和种类相同的情况下，对不同srs放大池7池长下进行数值模拟；srs放大池7池长分别为2.5cm、5.0cm、7.5cm、10.0cm和12.5cm，结果表明不同池长对脉宽和波形的具有影响。
[0052]
实施例六：本实施例中所述凸透镜4的焦距为固定值30cm，在其他条件不变时，对不同的泵浦源1峰值功率下的输出脉宽与输出峰值功率进行数值模拟，泵浦源1的峰值功率应介于固体介质的拉曼阈值、晶体的损伤阈值之间，能产生拉曼效应，输出脉宽为数十皮秒到百皮秒级，在满足上述池长和焦距计算就能产生特别好的输出波形，在不同的峰值功率下找到当前最窄的输出脉宽。若输出的能量有要求较高，在输入能量固定的情况下(峰值功率一定)通过计算的池长、分束镜的分配比、焦距、调节放大池的位置找到最窄脉宽，表明不同的焦距和池长以及输入的能量都对输出结果有影响。
[0053]
本发明中通过控制srs放大池的位置，能调节对向相遇时间，提高效率，由分束镜分束进入srs产生池5中的光较少，几乎10％左右进入，走向反射镜3的第二束光的泵浦光能量较大，经过第一二向色镜6的反向stokes种子光再与第二束光对向相遇时，能够提取的能量较大，让前沿上升的更快；经过产生放大结构(srs产生池5和srs放大池7)能使得输入纳秒级，输出达到几十皮秒量级的压缩效果，输入的脉宽不同池长也相应的调整。
[0054]
上述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。