一种16微米波长激光的产生装置及方法与流程

本发明属于激光与光谱，涉及一种16微米波长激光的产生装置及方法。

背景技术：

1、激光是一种自然界原本不存在的，通过处于高能级的粒子受到外界光子激励向低能级进行跃迁后，释放出与激励光子光学特性高度一致的光子束，不同波长的激光光束可以用于加工材料、测量控制、医学诊断和治疗等，在工业、医疗、商业、科研、信息和军事等领域中具有广泛的应用。例如，16微米波长的激光可以应用在中远红外分子光谱测量技术中，其根据激光的频率可调谐、线宽的可压缩以及功率密度较高等优势，在激光光谱系统能够获得较高光谱分辨率和测量灵敏度。

2、目前，高功率可调谐16微米激光获得比较困难，常见的获取手段是采用二氧化碳激光器产生10微米激光泵浦仲氢分子气体，通过受激拉曼散射以获得16微米波长的激光。但是，上述方法要求二氧化碳激光模式为单模、具有很高的峰值功率且波长可连续调谐，使得工程上实现异常困难，不能取得理想的效果。

技术实现思路

1、本发明提供了一种16微米波长激光的产生装置及方法，以解决通过现有二氧化碳激光与受激拉曼变频的组合方案产生16微米波长激光存在的工程上难易实现和16微米波长激光效果不理想的技术问题。

2、实现发明目的的技术方案如下：

3、本发明第一方面提供了一种16微米波长激光的产生装置，包括：

4、固体激光器，所述固体激光器包括依次设置的后腔镜、调q晶体、布儒斯特窗、铬铥钬共掺激光介质和输出耦合镜，所述铬铥钬共掺激光介质的外侧设有氙灯泵浦源，所述固体激光器用于产生预设波长的激光束；

5、拉曼激光波长变换器，所述拉曼激光波长变换器包括拉曼池，所述拉曼池为填充有氢气介质的密闭腔体，且所述拉曼池上相对的一侧分别设有第一窗口片和第二窗口片；所述拉曼池内设有滤波片和一组平凹反射镜，所述一组平凹反射镜用于对通过所述第一窗口片进入所述拉曼池内的激光束进行多次反射以在16微米波长处获得激光增益后输出至所述滤波片，经所述滤波片滤波后通过所述第二窗口片输出所述拉曼池外得到16微米波长激光。

6、进一步地，所述铬铥钬共掺激光介质为棒状结构晶体，且所述铬铥钬共掺激光介质两端机械抛光后镀有高增透介质膜；

7、所述铬铥钬共掺激光介质中铬离子、铥离子和钬离子的掺杂浓度分别为1.5％、5.8％和0.35％，使所述固体激光器输出的激光束的激光波长为2.1微米。

8、进一步地，所述固体激光器还包括聚光腔，所述聚光腔位于所述氙灯泵浦源和所述铬铥钬共掺激光介质的外侧，所述聚光腔用于将所述氙灯泵浦源发出的光能聚拢至所述铬铥钬共掺激光介质上。

9、进一步地，所述后腔镜为凸面高反射镜，所述凸面高反射镜上镀有激光波长高反射膜；所述输出耦合镜为平凹结构，所述凹面镜的凹面镀有高斯膜，所述凹面镜的平面镀有激光增透膜；所述后腔镜与所述输出耦合镜组成所述固体激光器的激光谐振腔。

10、进一步地，所述固体激光器还包括第一f-p标准具和第二f-p标准具，所述第一f-p标准具和所述第二f-p标准具均位于所述铬铥钬共掺激光介质与所述输出耦合镜之间；

11、所述第一f-p标准具与所述第二f-p标准具的宽度不同，所述第一f-p标准具与所述第二f-p标准具的激光束的入射角度不同。

12、进一步地，所述一组平凹反射镜包括第一平凹反射镜和第二平凹反射镜；

13、所述第一平凹反射镜的凹面朝向所述第一窗口片，且所述第一平凹反射镜位于靠近所述第二窗口片，所述第一平凹反射镜对经所述第一窗口片进入所述拉曼池内的激光束进行第一次反射；

14、所述第二平凹反射镜的凹面朝向所述第二窗口片，且所述第二平凹反射镜位于靠近所述第一窗口片，所述第二平凹反射镜对所述第一平凹反射镜反射的激光束进行第二次反射以在16微米波长处获得激光增益后输入滤波片。

15、进一步地，所述拉曼激光波长变换器还包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜；

16、所述第一聚焦透镜设置在所述拉曼池外部靠近所述第一窗口片的位置，所述第一聚焦透镜采用石英材料制成；

17、所述第二聚焦透镜设置在所述拉曼池内，位于靠近所述第二窗口片的位置，所述第二聚焦透镜采用硒化锌材料制成。

18、进一步地，所述拉曼激光波长变换器还包括分别与所述平凹反射镜组件和所述滤波片一一对应的激光回收器。

19、在上述16微米波长激光的产生装置的一个改进的实施例中，所述产生装置还包括：

20、光路变换组件，所述光路变换组件位于所述固体激光器与所述拉曼激光波长变换器之间，用于对所述固体激光器输出的激光束的方向进行变换，使输入所述拉曼激光波长变换器的激光束的方向与所述固体激光器输出的激光束的方向相反。

21、本发明第二方面提供了一种16微米波长激光的产生方法，采用第一方面中所述的16微米波长激光的产生装置产生16微米波长激光，所述产生方法包括：

22、依据预设波长的激光束，选择氙灯泵浦源作为泵浦源，选择铬铥钬共掺激光介质中铬离子、铥离子和钬离子的掺杂浓度，选择布儒斯特窗的激光束入射角度，以获取产生2.1微米波长的激光的固体激光器；

23、依据预设目标波长的激光束，对拉曼池内填充氢气介质达到设定压力，获取产生16微米波长激光的拉曼激光波长变换器；

24、启动氙灯泵浦源产生光能，经所述固体激光器产生2.1微米波长激光束；

25、所述2.1微米波长激光束输入至所述拉曼激光波长变换器的拉曼池内，所述2.1微米波长激光束在所述拉曼池内进行转换后输出16微米波长激光。与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

26、本发明公开的16微米波长激光的产生装置，通过采用铬铥钬共掺激光介质可以得到设定波长例如2.1微米波长的激光束，同时通过调q晶体可以获得更加高的峰值功率密度，使得近红外波段的激光可以采用的激光材料更加丰富，避免了中红外波段受到激光材料的限制而无法获得高功率密度，因此材料选择更加丰富，在技术实现方面具有明显的优势。同时，采用近红外激光泵浦氢气介质转动拉曼转化实现16微米波长激光的输出，氢分子的振动模式受激拉曼比转动模式增益高，使得近红外波长的泵浦激光要比中红外波长激光具有更高的增益系数。

27、本发明的装置及方法相对于二氧化碳激光泵浦氢气的技术路线具有明显的优势，第一，由于2.1微米附近的光学材料选择种类多，该波段的膜系可以承受比较高的脉冲峰值功率，2.1微米的激光通过调q技术可以获得比较高的脉冲峰值功率；第二，从2.1微米到16微米的拉曼转化利用了氢气的振动拉曼，而现有的二氧化碳激光泵浦氢气的技术路线从10.6μm到16μm的激光转化利用了氢气的转动拉曼，氢气介质振动拉曼活性要比转动拉曼活性强。

技术特征：

1.一种16微米波长激光的产生装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的16微米波长激光的产生装置，其特征在于，所述铬铥钬共掺激光介质(15)为棒状结构晶体，且所述铬铥钬共掺激光介质(15)两端机械抛光后镀有高增透介质膜；

3.根据权利要求1所述的16微米波长激光的产生装置，其特征在于，所述固体激光器(1)还包括聚光腔(142)，所述聚光腔(142)位于所述氙灯泵浦源(141)和所述铬铥钬共掺激光介质(15)的外侧，所述聚光腔(142)用于将所述氙灯泵浦源(141)发出的光能聚拢至所述铬铥钬共掺激光介质(15)上。

4.根据权利要求1所述的16微米波长激光的产生装置，其特征在于，所述后腔镜(11)为凸面高反射镜，所述凸面高反射镜上镀有激光波长高反射膜；所述输出耦合镜(18)为平凹结构，所述凹面镜的凹面镀有高斯膜，所述凹面镜的平面镀有激光增透膜；所述后腔镜(11)与所述输出耦合镜(18)组成所述固体激光器(1)的激光谐振腔。

5.根据权利要求1所述的16微米波长激光的产生装置，其特征在于，所述固体激光器(1)还包括第一f-p标准具(16)和第二f-p标准具(17)，所述第一f-p标准具(16)和所述第二f-p标准具(17)均位于所述铬铥钬共掺激光介质(15)与所述输出耦合镜(18)之间；

6.根据权利要求1所述的16微米波长激光的产生装置，其特征在于：所述一组平凹反射镜包括第一平凹反射镜(61)和第二平凹反射镜(62)；

7.根据权利要求1所述的16微米波长激光的产生装置，其特征在于，所述拉曼激光波长变换器(4)还包括第一聚焦透镜(41)和第二聚焦透镜(42)；

8.根据权利要求1所述的16微米波长激光的产生装置，其特征在于，所述拉曼激光波长变换器(4)还包括分别与所述平凹反射镜组件(6)和所述滤波片(9)一一对应的激光回收器。

9.根据权利要求1～8任一项所述的16微米波长激光的产生装置，其特征在于，还包括：

10.一种16微米波长激光的产生方法，其特征在于，采用权利要求1～9中任意一项所述的16微米波长激光的产生装置产生16微米波长激光，所述产生方法包括：

技术总结
本发明提供了一种16微米波长激光的产生装置及方法，产生装置包括固体激光器和拉曼激光波长变换器，固体激光器包括依次设置的后腔镜、调Q晶体、布儒斯特窗、铬铥钬共掺激光介质和输出耦合镜，铬铥钬共掺激光介质的外侧设有氙灯泵浦源，固体激光器用于产生预设波长的激光束。拉曼激光波长变换器包括拉曼池，拉曼池上相对的一侧分别设有第一窗口片和第二窗口片；拉曼池内设有滤波片和一组平凹反射镜，一组平凹反射镜用于对通过第一窗口片进入拉曼池内的激光束进行多次反射以在16微米波长处获得激光增益后输出至滤波片，经滤波片滤波后通过第二窗口片输出拉曼池外得到16微米波长激光，通过该装置可以较高效率获得16微波波长激光。

技术研发人员：苏新军,郭敬为,蔡向龙,袁洪瑞,胡云雷
受保护的技术使用者：核工业理化工程研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22