阅读说明：本技术 一种像散透镜聚焦的气体受激拉曼散射装置 (Gas stimulated Raman scattering device focused by astigmatic lens ) 是由 郑天成 蔡向龙 郭敬为 李仲慧 沈陈诚 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明是一种基于像散透镜聚焦的气体受激拉曼散射的装置,高能量激光通过像散透镜进行聚焦,泵浦气体拉曼介质产生受激拉曼效应,实现覆盖较宽光谱范围的多条谱线输出。本发明选用由两面平凸柱面镜正交组合成的像散透镜进行聚焦,通过调节柱面镜之间的间距,可以改变聚焦光斑处的光强分布,改变气体的激光诱导击穿阈值,进而影响各阶拉曼光间的能量输出。该发明是一种有效的多谱线输出方法,本发明的优点在于本发明激光器设计简单,调试便捷,并且可实现多种类型的激光器变频,波长变换跨度比较大,可变波长丰富。(The invention relates to a gas stimulated Raman scattering device based on astigmatic lens focusing, wherein high-energy laser is focused through the astigmatic lens, and a pumped gas Raman medium generates a stimulated Raman effect, so that a plurality of spectral lines covering a wider spectral range are output. The invention selects the astigmatic lens orthogonally combined by two plane convex cylindrical mirrors for focusing, and can change the light intensity distribution at the focusing light spot and change the laser induced breakdown threshold of the gas by adjusting the distance between the cylindrical mirrors, thereby influencing the energy output among various stages of Raman light. The invention is an effective multispectral output method, and has the advantages of simple laser design, convenient debugging, realization of frequency conversion of various types of lasers, large wavelength conversion span and rich variable wavelengths.)

一种像散透镜聚焦的气体受激拉曼散射装置

技术领域

本发明是一种基于像散透镜聚焦的气体受激拉曼散射装置，通过高能量激光泵浦气体拉曼介质，产生受激拉曼散射效应，实现覆盖宽光谱范围的多条谱线输出。

技术背景

受激拉曼是一种拓宽高峰值功率激光器光谱范围的有效方法。气体和固体介质均可用于受激拉曼转化，固态的拉曼活性介质往往具有高增益系数，体积较小等优点，其损伤阈值较低，且拉曼频移也比较小，在1000cm^-1左右；相对应的，气体拉曼活性介质拥有较低的拉曼增益系数和较大的损伤阈值等特点，其拉曼位移比较大，常见的拉曼活性气体如氢气的振动模式拉曼频移为4415cm^-1，甲烷为2917cm^-1，而二氧化碳为1388cm^-1。因此，气体受激拉曼激光的光谱往往覆盖范围广，光谱更为丰富。

当气体拉曼活性介质被聚焦激光束泵浦产生的一阶斯托克斯拉曼转化增加时，由一阶斯托克斯光泵浦介质则可产生二阶斯托克斯光。但当高能量泵浦时，激光会击穿气体，产生的等离子体往往会吸收大量泵浦光子，造成拉曼转化效率降低，同时伴随强烈的热效应，不利于提高拉曼光转化和改善拉曼光的光束质量。基于这种原理，本发明选用像散透镜聚焦于气体拉曼介质中，利用受激拉曼散射来实现多谱线的输出。像散透镜可以改变聚焦处光强的分布，增大气体的激光诱导击穿阈值，进而影响受激拉曼散射产生的不同阶拉曼光的能量分布。

发明内容

本发明实用性是用像散透镜将单色激光光源聚焦于拉曼池内，利用气体受激拉曼散射产生多条谱线。其过程是：泵浦激光经过像散透镜聚焦入射到装有拉曼活性气体的拉曼池中，泵浦光与气体介质作用，产生受激拉曼效应，输出多条谱线，最后经过棱镜进行分离。像散透镜聚焦的气体受激拉曼装置，其主要组成部分有四部分：泵浦源激光器、像散透镜，气体拉曼池以及分离输出系统构成。

基于以上技术方案，优选的，泵浦激光器的泵浦光为紫外光、可见光或红外光，改变泵浦光的波长可以调节多光谱波长分布范围。

基于以上技术方案，优选的，改变泵浦光的光束质量，脉宽，重复频率，输出能量值可以影响拉曼光输出，并且输出光的转换效率可以动态调整；所述泵浦光的脉宽可以为纳米量级，皮秒量级或飞秒量级，重复频率可以为1-1000赫兹甚至更高；所述泵浦光也可为连续光。所述泵浦光的偏振态为线偏振、圆偏振或者椭圆偏振。

基于以上技术方案，优选的，像散透镜通过改变焦距可以将激光会聚到拉曼池内任意一点。通过改变聚焦参数可以控制拉曼光输出。

基于以上技术方案，优选的，像散透镜由两面平凸柱面透镜组成，柱面镜之间的间距可调。改变柱面镜的间距可以改变聚焦光斑处的光强分布，来调控输出的不同阶拉曼光的能量大小。

基于以上技术方案，优选的，λ/4波片的偏转角度可以任意改变。通过改变λ/4波片的偏转角度来改变入射光的偏振状态，进而控制输出光的转换效率。

基于以上方案，优选的，通过往拉曼池中再充入惰性气体，可以改善气体发生非线性效应时产生的热效应，并提高其受激拉曼的转换效率，使其能在较高的重复频率下运行而没有明显的热散焦现象。

基于以上技术方案，优选的，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气。

基于以上技术方案，优选的，所述激光分离和输出系统采用棱镜和激光选择挡板组合而成，其利用棱镜色散功能将不同波长的激光分离，移动挡板即可选择要输出的激光波长。

本发明的优点在于(1)本发明选用像散透镜可以改变聚焦光斑处的光强分布，调控不同阶拉曼光的能量输出。(2)相比于同样焦距的非像散透镜，像散透镜聚焦能够提高气体的的损伤阈值，承受更高的泵浦峰值功率，输出更大能量的泵浦光。(3)本发明通过改变泵浦光能量、脉宽、偏振态、重复频率，拉曼池长度，气体压力，聚焦参数，加入的缓冲气体种类、压力等条件，均能改变拉曼光的转换效率。(4)本发明操作方便，装置简单，调试便捷，并且可实现多种类型的激光变频。(5)可用分离系统选择输出频率梳的谱线范围，对应于不同的应用场合。(6)本发明产生的多光谱可以涵盖紫外、可见、红外激光，通过改变泵浦光波长、拉曼介质种类改变拉曼光波长范围，而且装置设计简单，波长变换跨度比较大，可变波长丰富。

附图说明

图1为像散透镜聚焦的气体受激拉曼装置示意图；

其中；

1：泵浦激光器，2：λ/2波片，3：偏振分光棱镜，4：λ/4波片，5：像散透镜，6：拉曼池，7：平凸透镜，8：分光棱镜，9：分离挡板。

具体实施方式

如图1所示，本发明的像散透镜聚焦的受激拉曼光输出装置包括泵浦激光器1和沿着泵浦激光器1激光输出的方向上依次设置的λ/2波片2，偏振分光棱镜3，λ/4波片4，像散透镜5，拉曼池6，平凸透镜7，分光棱镜8，分离挡板9；所述像散透镜5将激光会聚到拉曼池6内任意一点；所述平凸透镜7对拉曼池6输出光进行准直；所述拉曼池6内填充拉曼增益气体。所述λ/2波片2和偏振分光棱镜3组合使入射光能量连续可调。

实施例1

用纳秒级脉冲Nd:YAG激光器倍频光532nm激光作为泵浦激光，脉宽为10ns，偏振态为竖直偏振，最高出射能量为200mJ，重复频率为1赫兹。泵浦光通过填充有CO₂的拉曼池6。长度为80cm的拉曼池6中填充1MPa CO₂；旋转λ/4波片4角度使入射光偏振态变为圆偏振；像散透镜5的焦距为500mm，两面柱面镜之间的间距为2cm；泵浦光聚焦于拉曼池6的中心。该装置将532nm泵浦光主要转换为574nm、624nm、683nm三束拉曼激光。

实施例2

用皮秒级脉冲Nd:YAG激光器基频光1064nm激光作为泵浦激光，脉宽为100ps，偏振态为竖直偏振，重复频率为100赫兹。266nm泵浦光依次通过填充有H₂的拉曼池6。长度为180cm的拉曼池6中填充1MPa H₂和0.1MPa的氦气；旋转λ/波片4角度使入射光偏振态为水平偏振；像散透镜5的焦距为1000mm，两面柱面镜之间的间距为4cm；泵浦光聚焦于拉曼池6的1/4处。该装置将1064nm泵浦光主要转换为738nm、1907nm、9187nm三束拉曼激光。