一种多波长拉曼激光器
阅读说明：本技术 一种多波长拉曼激光器 (Multi-wavelength Raman laser ) 是由 葛文琦 常慧 肖红 柯常军 张鸿博 樊仲维 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本公开的多波长拉曼激光器,包括基频激光光源1、半波片2、透镜组3、反射镜4和条形受激拉曼散射晶体5；基频激光光源1用于发射单一波长的基频激光；半波片2为激光偏振调节器件,用于将入射的基频激光的偏振方向调节至水平偏振方向；透镜组3用于缩放经半波片2调节为水平偏振的基频激光的光束口径与条形受激拉曼散射晶体5的口径相匹配,并透射到所述反射镜4；反射镜4用于将入射的基频激光进行反射,使基频激光垂直入射到条形受激拉曼散射晶体5；条形受激拉曼散射晶体5用于使垂直入射的基频激光发生一阶受激拉曼散射效应并进行折线型传输,得到多波长受激拉曼散射激光。本公开的多波长拉曼激光器具有一阶受激拉曼散射效率高,产生多波长激光偏振相同,稳定性好,实用性强等优点。(The multi-wavelength Raman laser comprises a fundamental frequency laser light source 1, a half-wave plate 2, a lens group 3, a reflector 4 and a strip-shaped stimulated Raman scattering crystal 5; the fundamental frequency laser light source 1 is used for emitting fundamental frequency laser with single wavelength; the half-wave plate 2 is a laser polarization adjusting device and is used for adjusting the polarization direction of the incident fundamental frequency laser to the horizontal polarization direction; the lens group 3 is used for zooming the beam caliber of the fundamental frequency laser which is adjusted to be horizontally polarized by the half-wave plate 2 to be matched with the caliber of the strip stimulated Raman scattering crystal 5 and transmitting the beam to the reflector 4; the reflector 4 is used for reflecting the incident fundamental laser to enable the fundamental laser to vertically enter the strip-shaped stimulated Raman scattering crystal 5; the strip-shaped stimulated Raman scattering crystal 5 is used for enabling the vertically incident fundamental frequency laser to generate a first-order stimulated Raman scattering effect and perform fold line type transmission to obtain multi-wavelength stimulated Raman scattering laser. The multi-wavelength Raman laser has the advantages of high first-order stimulated Raman scattering efficiency, same polarization of generated multi-wavelength laser, good stability, strong practicability and the like.)
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种多波长拉曼激光器，利用激光在条形受激拉曼散射晶体内折线型传输，实现多波长一阶受激拉曼散射激光的输出。
背景技术
激光技术已在基础科学研究、临床医学、信息通讯、工业技术等众多领域得到广泛应用，是尖端领域的探索和发展的有力工具。随着激光差分探测、激光通信、光谱分析、激光测距等领域的发展，单一波长的激光已不能满足应用需求，这就需要可以产生多个波长的激光器。激光器受到激光增益材料能级结构的限制，通常只能输出某些特定波段的激光，因此，结构简单、性能可靠的多波长激光产生技术就具有重要科学意义。
目前获得多波长激光的手段很多，主要有：非线性和频、非线性倍频、光参量振荡、受激拉曼散射、激光直接调制等方法。其中，受激拉曼散射(SRS)是三阶非线性效应，是实现激光频率变换有效手段。当基频激发激光的光子与非线性拉曼晶体相互作用时，产生受激拉曼散射激光光子的同时放出或者吸收一个声子。受激拉曼散射激光的频率与基频激发激光有一个频率差，称为非线性频移。受激拉曼散射激光的频率由入射的基频激光频率和拉曼介质决定，每次非线性频率变换的频移量取决于非线性拉曼晶体的拉曼特征谱线。通过一次或者多次受激拉曼散射频率变换，可以得到一系列新的激光波长。相比于非线性倍频、光参量振荡等技术手段，受激拉曼散射相位匹配条件不严格，可以获得参量振荡受限于相位匹配而无法获得的激光波长。
目前，常用的拉曼激光器实现多波长输出的方案，主要有：利用多阶受激拉曼散射过程或级联受激拉曼散射过程得到多波长输出的方案[R.P.Mildren,et al.Efficient,all-solid-state,Raman laser in the yellow,orange and red.Optics.Express,2004,12,785-790]。，但是该方案存在高阶受激拉曼散射的非线性转换效率较低，且各阶非线性变换过程相互影响，输出受激拉曼散射激光的稳定性差，不利于实际应用的确定。
利用多个拉曼特征谱线的一阶频率变换，获得多波长输出的方案[Duan,Y.,etal.RbTiOPO4 cascaded Raman operation with multiple Raman frequency shiftsderived by Q-switched Nd:YAlO3 laser.Sci Rep,2016,6,33852]。该方案的入射激光的偏振方向沿拉曼晶体的一个主轴方向，该主轴方向存在多个的拉曼频移特征谱线。此方案缺点是：对应于不同拉曼频移特征谱线的各个波长受激拉曼散射激光之间存在相互竞争，每个波长的受激拉曼散射激光功率稳定性差，实用性差。
利用多种激光非线性晶体获得多波长输出的方案[Hongbin Shen,etal.Simultaneous dual-wavelength operation of Nd:YVO4 self-Raman laser at1524nm and undoped GdVO4 Raman laser at 1522nm.Optics.Letters,2012,37,4113-4115]。该方案缺点是：增加非线性受激拉曼散射晶体的数量，会增加系统的复杂性和成本。
利用各向异性晶体不同偏振方向上的受激拉曼散射特征谱线不同，获得多波长输出的方案[Shuanghong Ding,.et al.Theoretical and experimental research on themulti-frequency Raman converter with KGd(WO4)2crystal,Optics.Express,2005,13,10120-10128]。将入射基频激光的电场偏振方向设置在非线性拉曼晶体两个相互垂直的主轴方向之间，入射激光在拉曼晶体两个主轴方向上形成两个独立的偏振分量，在这两个偏振主轴方向分别产生受激拉曼散射，散射激光的波长由晶体两个偏振主轴方向的拉曼频移特征谱线决定。由于不同偏振方向的拉曼频移特征谱线不同，所以产生两个不同波长的受激拉曼散射激光，从而形成多波长运转。此方案缺点是：入射激光在非线性拉曼晶体两个主轴方向上形成两个独立的偏振分量，分别产生受激拉曼散射，减弱了单个偏振方向的激光强度，降低了非线性频率转换的效率；同时，各个新波长激光的偏振方向不同，在与激光偏振相关的应用中使用存在不便。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足之一，提供了一种多波长拉曼激光器，具有一阶受激拉曼散射效率高，稳定性好，实用性强等优点。
根据本公开的一方面，本发明提供一种多波长拉曼激光器，所述激光器包括：基频激光光源1、半波片2、透镜组3、反射镜4和条形受激拉曼散射晶体5；
其中，所述基频激光光源1，用于发射单一波长的基频激光；
所述半波片2为激光偏振调节器件，用于将入射的基频激光的偏振方向调节至水平偏振方向；
所述透镜组3，用于缩放经半波片2调节为水平偏振的基频激光的光束口径与所述条形受激拉曼散射晶体5的口径相匹配，并透射到所述反射镜4；
所述反射镜4，用于将入射的基频激光进行反射，使所述基频激光垂直入射到所述条形受激拉曼散射晶体5；
所述条形受激拉曼散射晶体5，用于使垂直入射的基频激光发生一阶受激拉曼散射效应并进行折线型传输，得到多波长受激拉曼散射激光。
在一种可能的实现方式中，所述透镜组3镀制基频激光增透膜，包括一个或多个凹凸透镜。
在一种可能的实现方式中，所述反射镜4镀制基频激光高反射膜。
在一种可能的实现方式中，所述条形受激拉曼散射晶体5为各向异性双轴晶体，材料为非线性的钨酸钆钾晶体。
在一种可能的实现方式中，所述条形受激拉曼散射晶体5为六面体，其中两个侧面为平行四边形或等腰梯形，其余四个表面为光学表面，所述四个光学表面与所述两个侧面垂直。
在一种可能的实现方式中，当两个侧面为平行四边形时，所述平行四边形的锐角为45°；当两个侧面为等腰梯形时，所述等腰梯形的底角为45°。
在一种可能的实现方式中，所述四个光学表面的一相对的两个光学表面为基频激光透射面，镀制为基频激光和一阶受激拉曼散射激光增透膜；另一相对的两个光学表面为基频激光反射面，镀制基频激光和一阶受激拉曼散射激光高反射膜。
在一种可能的实现方式中，所述条形受激拉曼散射晶体5的三个相互垂直的光学折射率主轴分别为第一主轴、第二主轴、第三主轴；其中，所述第一主轴垂直于两个侧面，与所述四个光学表面平行；所述第二主轴平行于所述基频激光透射面，与所述基频激光反射面成45°；所述第三主轴垂直于所述基频激光透射面，与所述基频激光反射面成45°。
在一种可能的实现方式中，所述基频激光垂直入射到所述条形受激拉曼散射晶体5的一基频激光透射面，所述基频激光传播沿第二主轴或第三主轴，偏振方向为第三主轴或第二主轴，在两个基频激光反射面之间进行多次反射，实现折线型传输，经所述条形受激拉曼散射晶体5的另一基频激光透射面透射输出。
在一种可能的实现方式中，所述基频激光的脉冲宽度为飞秒到微秒量级；波长范围为紫外到中红外谱段。
本公开的多波长拉曼激光器，包括基频激光光源1、半波片2、透镜组3、反射镜4和条形受激拉曼散射晶体5；基频激光光源1用于发射单一波长的基频激光；半波片2为激光偏振调节器件，用于将入射的基频激光的偏振方向调节至水平偏振方向；透镜组3用于缩放经半波片2调节为水平偏振的基频激光的光束口径与所述条形受激拉曼散射晶体5的口径相匹配，并透射到所述反射镜4；反射镜4用于将入射的基频激光进行反射，使所述基频激光垂直入射到所述条形受激拉曼散射晶体5；条形受激拉曼散射晶体5用于使垂直入射的基频激光发生一阶受激拉曼散射效应并进行折线型传输，得到多波长受激拉曼散射激光。能够使基频激光在拉曼晶体中始终沿单一的偏振方向传播，避免形成两个偏振分量，通过折线型传输增加基频激光经过受激拉曼散射介质的光学长度，增加了受激拉曼散射的非线性增益和转化效率，且各个新波长激光的偏振方向均与基频激光的相同，实用性强。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1示出了根据本公开一实施例的多波长拉曼激光器的原理图；
图2示出了根据本公开一实施例的条形受激拉曼散射晶体的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
图1示出了根据本公开一实施例的多波长拉曼激光器的原理图。
如图1所示，该多波长拉曼激光器可以包括：基频激光光源1、半波片2、透镜组3、反射镜4和条形受激拉曼散射晶体5。
基频激光光源1可以用于发射单一波长的基频激光。其中，基频激光光源1可以作为激发受激拉曼散射非线性过程的激光光源，发射单一波长的脉冲激光(基频激光)，该基频激光的脉冲宽度范围可以从飞秒到微秒量级均可，该基频激光的波长范围从紫外到中红外谱段均可。
半波片2为激光偏振调节器件，可以用于将入射的基频激光的偏振方向调节至水平偏振方向。
透镜组3，用于缩放经半波片2调节为水平偏振的基频激光的光束口径与所述条形受激拉曼散射晶体5的口径相匹配，并透射到所述反射镜4。其中，透镜组3由一个或多个凹凸透镜构成，镀制基频激光增透膜，作用是将基频激光的光束口径缩放至与条形受激拉曼散射晶体5的口径相匹配，保证基频激光能量密度小于非线性晶体的损伤阈值，并大于受激拉曼散射过程发生的阈值。
反射镜4，可以用于将入射的基频激光进行反射，使基频激光垂直入射到所述条形受激拉曼散射晶体5。其中，反射镜4镀制基频激光高反射膜，能够将基频激光垂直入射到条形受激拉曼散射晶体5。
条形受激拉曼散射晶体5，用于使垂直入射的基频激光发生一阶受激拉曼散射效应并进行折线型传输，得到多波长受激拉曼散射激光。
图2示出了根据本公开一实施例的条形受激拉曼散射晶体的结构示意图。
在一示例中，条形受激拉曼散射晶体5可以采用的非线性材料为钨酸钆钾晶体(KGd(WO4)2，KGW)。如图2所示，条形受激拉曼散射晶体5的为各向异性的双轴晶体，各个主轴方向的拉曼特征谱线各不相同。
如图2所示，条形受激拉曼散射晶体5被制作成六面体，其两个侧面可以为平行四边形或等腰梯形，其它4个表面S1、S2、S3、S4为光学表面。四个光学表面S1、S2、S3、S4与两个侧面垂直。当条形受激拉曼散射晶体5的两个侧面为平行四边形时，平行四边形的锐角为45°。当条形受激拉曼散射晶体5的两个侧面为等腰梯形时，等腰梯形的底角为45°。
在一示例中，条形受激拉曼散射晶体5的四个光学表面的一相对的两个光学表面为基频激光透射面，镀制为基频激光和一阶受激拉曼散射激光增透膜；另一相对的两个光学表面为基频激光反射面，镀制基频激光和一阶受激拉曼散射激光高反射膜。
例如，如图2所示，若光学表面S1和S4为基频激光透射面，光学表面S1和S4镀制为基频激光和一阶受激拉曼散射激光增透膜系。则光学表面S2和S3为基频激光反射面，光学表面S2和S3镀制基频激光和一阶受激拉曼散射激光高反射膜系。
在一示例中，条形受激拉曼散射晶体5的三个相互垂直的光学折射率主轴分别为第一主轴、第二主轴、第三主轴；其中，第一主轴垂直于两个侧面，与四个光学表面平行，第二主轴平行于所述基频激光透射面，与基频激光反射面成45°，第三主轴垂直于基频激光透射面，与基频激光反射面成45°。
基频激光垂直入射到条形受激拉曼散射晶体5的一基频激光透射面，基频激光沿第二主轴或第三主轴，偏振方向为第三主轴或第二主轴在两个基频激光反射面之间进行多次反射，实现折线型传输，经条形受激拉曼散射晶体5的另一基频激光透射面透射输出。
下面以第一主轴为光学折射率主轴Np、以第二主轴为光学折射率主轴Ng、以第三主轴为光学折射率主轴Nm为例进行说明，在此不对第一主轴、第二主轴、第三主轴进行限定。
如图2所示，条形受激拉曼散射晶体5的三个相互垂直的光学折射率主轴分别为Np、Nm、Ng轴，对应的折射率分别为np、nm、ng(np<nm<ng)。其中，光学折射率主轴Np垂直于侧面，与光学表面S1、S2、S3、S4平行。光学折射率主轴Nm平行于光学表面S1和S4，与光学表面S2和S3面成45°。光学折射率主轴Ng轴垂直于光学表面S1和S4，与光学表面S2和S3成45°。
当基频激光垂直入射光学表面S1时，其传播方向沿光学折射率主轴Ng，偏振方向沿光学折射率主轴Nm。基频激光经光学表面S3反射后，其传播方向沿光学折射率主轴Nm，偏振方向沿光学折射率主轴Ng。基频激光的下一个反射面为光学表面S2。基频激光在光学表面S2和S3之间进行多次反射，在该条形受激拉曼散射晶体5中进行折线型传输。
基频激光经过条形受激拉曼散射晶体5时，由于一阶受激拉曼散射效应，发生非线性频移，产生新波长的激光。基频激光折线传输过程中，传播方向和偏振方向的光轴在光学折射率主轴Ng和光学折射率主轴Nm之间发生交替变化，受激拉曼散射的特征谱线也会交替变化，即拉曼频移量也在对应光学折射率主轴Nm的901cm-1和对应光学折射率主轴Ng的767cm-1之间交替变化，因此，可以获得对应这两个拉曼频移量(901cm-1和767cm-1)的两个波长的受激拉曼散射激光，同理，可以得到多个波长的受激拉曼散射激光。
本公开的多波长拉曼激光器，通过基频激光在拉曼晶体中始终沿单一的偏振方向传播，不形成两个偏振分量，产生各个新波长激光的偏振方向均与基频激光的相同；通过折线型传输增加基频激光经过受激拉曼散射介质的光学长度，增加了受激拉曼散射的非线性增益和转换效率，具有实用性强的优点。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。