CN111653928A - 一种双同步泵浦拉曼激光放大装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双同步泵浦拉曼激光放大装置及方法，包括：皮秒多脉冲激光器、拉曼同步泵浦腔A、行波放大器和拉曼同步泵浦腔B；皮秒多脉冲激光器输出的皮秒脉冲经第一分束镜分光后，反射光进入行波放大器进行放大，得到放大基频光；透射光进入拉曼同步泵浦腔A进行受激拉曼散射，得到Stokes种子光；放大基频光和Stokes种子光经第二分束镜合束后进入拉曼同步泵浦腔B进行拉曼同步放大，输出拉曼同步放大后的高阶Stokes光。本发明结合皮秒多脉冲技术，拉曼同步泵浦技术，拉曼放大技术，可以有效地提高皮秒拉曼增益，获得具有高能量的皮秒高阶Stokes光输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种双同步泵浦拉曼激光放大装置及方法。
背景技术
皮秒红外波段的光谱在激光测距、激光遥感、国防安全等领域都有着非常重要的应用，受激拉曼散射是获得红外波段的有效途径之一。以常见的1064nm作为基频光，采用优质的拉曼介质，可以获得常用的1.3μm、1.5μm，甚至2μm波段的红外光谱。
对于皮秒受激拉曼散射，光与介质超短的相互作用时间以及红外波段的基频光与Stokes光之间较大的量子带宽都会导致较低的拉曼增益，从而限制了皮秒Stokes光向更高阶的发展。因此，寻求提高红外波段皮秒拉曼增益的方法具有重要的研究意义和应用价值。
现有的皮秒红外拉曼方案主要集中在重频为MHz的皮秒激光脉冲，单脉冲能量较弱，导致拉曼增益低，不利于高阶Stokes光的激发，并且拉曼同步泵浦腔的腔长过长，可靠性较差。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种双同步泵浦拉曼激光放大装置及方法。
本发明公开了一种双同步泵浦拉曼激光放大装置，包括：皮秒多脉冲激光器、拉曼同步泵浦腔A、行波放大器和拉曼同步泵浦腔B；
所述皮秒多脉冲激光器输出的皮秒脉冲经第一分束镜分光后，反射光进入所述行波放大器进行放大，得到放大基频光；透射光进入所述拉曼同步泵浦腔A进行受激拉曼散射，得到Stokes种子光；所述放大基频光和Stokes种子光经第二分束镜合束后进入所述拉曼同步泵浦腔B进行拉曼同步放大，输出拉曼同步放大后的高阶Stokes光。
作为本发明的进一步改进，所述皮秒多脉冲激光器输出的皮秒脉冲包络内有等间隔时间为T1的若干子脉冲序列。
作为本发明的进一步改进，所述第一分束镜与位于所述第一分束镜反射光路上的第一反射镜构成第一延迟器，所述第一分束镜与第一反射镜之间的距离为L1；
所述第二分束镜与位于所述行波放大器出射光路上的第二反射镜构成第二延迟器，所述第二分束镜与第二反射镜之间的距离为L2；
其中，L1+L2＝c·T1，c为光速。
作为本发明的进一步改进，所述第一分束镜的透射和反射的光束的能量相等，并镀基频光单点膜层；
所述第二分束镜的透射和反射的光束的能量相等，并镀基频光和Stokes光膜层；
所述第一反射镜和第二反射镜镀基频光单点膜层。
作为本发明的进一步改进，所述行波放大器包括沿光路依次设置的第二半波片、薄膜偏振片、第三半波片、凸透镜和侧泵模块。
作为本发明的进一步改进，所述侧泵模块采用Nd:YAG晶体作为激光增益介质。
作为本发明的进一步改进，所述拉曼同步泵浦腔A或拉曼同步泵浦腔B包括沿光路依次设置的输入腔镜、拉曼介质和输出腔镜；
所述拉曼同步泵浦腔A或拉曼同步泵浦腔B的光学长度等于相邻子脉冲空间距离的1/2n，n为整数；
所述拉曼同步泵浦腔A与所述第一分束镜之间设有第一半波片。
作为本发明的进一步改进，所述拉曼同步泵浦腔A的输入腔镜镀基频光高透膜、1阶至高阶Stokes光高反膜；拉曼介质为具有受激拉曼散射效应的晶体材料，无掺杂，置于热沉中；输出腔镜镀基频光高反膜、1阶Stokes光低透膜、2阶至高阶Stokes光半透膜，并置于精密平移台上；
所述拉曼同步泵浦腔B的输入腔镜镀基频光高透膜、1阶Stokes光半透膜、2阶至高阶Stokes光低透膜；拉曼介质为具有受激拉曼散射效应的晶体材料，无掺杂，置于热沉中；输出腔镜镀基频光高反膜、1阶至高阶Stokes光可选择性透过膜，并置于精密平移台上。
作为本发明的进一步改进，所述拉曼同步泵浦腔A和拉曼同步泵浦腔B的拉曼介质为同一具有受激拉曼散射效应的晶体材料，包括KGd(WO4)2(KGW)晶体、金刚石晶体、Ba(NO3)2晶体、YVO4晶体中的一种；
所述热沉为铝或紫铜，并通过25℃去离子水循环冷却；
所述精密平移台的调节精度为0.02mm。
本发明还公开了一种双同步泵浦拉曼激光放大装置的使用方法，包括：
所述皮秒多脉冲激光器输出的皮秒脉冲经第一分束镜分光，得到反射光和透射光；
所述反射光进入所述行波放大器进行放大，得到放大基频光；
所述透射光进入所述拉曼同步泵浦腔A进行受激拉曼散射，得到Stokes种子光；
所述放大基频光和Stokes种子光经第二分束镜合束后进入所述拉曼同步泵浦腔B进行拉曼同步放大，输出拉曼同步放大后的高阶Stokes光。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明结合皮秒多脉冲技术，拉曼同步泵浦技术，拉曼放大技术，可以有效地提高皮秒拉曼增益，获得皮秒高阶Stokes光的高能量输出。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的双同步泵浦拉曼激光放大装置的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的皮秒多脉冲激光器输出的多脉冲序列图；
图3为本发明一种实施例公开的拉曼同步泵浦腔A和B的输入镜的镀膜曲线图；
图4为本发明一种实施例公开的拉曼同步泵浦腔A和B的输出镜的镀膜曲线图；
图5为本发明一种实施例公开的拉曼同步泵浦腔A和B的拉曼介质双端面的镀膜曲线图。
图中：
10、皮秒多脉冲激光器；20、拉曼同步泵浦腔A；30、行波放大器；40、拉曼同步泵浦腔B；50、第一延迟器；60、第二延迟器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
本发明提供一种双同步泵浦拉曼激光放大装置及方法，包括：皮秒多脉冲激光器、拉曼同步泵浦腔A、行波放大器和拉曼同步泵浦腔B；皮秒多脉冲激光器输出的皮秒脉冲经第一分束镜分光后，反射光进入行波放大器进行放大，得到放大基频光；透射光进入拉曼同步泵浦腔A进行受激拉曼散射，得到Stokes种子光；放大基频光和Stokes种子光经第二分束镜合束后进入拉曼同步泵浦腔B进行拉曼同步放大，输出拉曼同步放大后的高阶Stokes光。本发明结合皮秒多脉冲技术，拉曼同步泵浦技术，拉曼放大技术，可以有效地提高皮秒拉曼增益，获得皮秒高阶Stokes光的高能量输出。
具体的：
如图1所示，本发明提供一种双同步泵浦拉曼激光放大装置，包括：皮秒多脉冲激光器10、拉曼同步泵浦腔A20、行波放大器30、拉曼同步泵浦腔B40、第一延迟器50和第二延迟器60；其中：
本发明的皮秒多脉冲激光器10发射的皮秒脉冲为多脉冲序列，该多脉冲序列包络内有等间隔时间为T1的若干子脉冲序列。如图2所示，本发明的皮秒多脉冲激光器10发射的多脉冲序列功率不低于10W，中心波长为1064nm，子脉冲脉宽为20ps，每个脉冲包络内有四根子脉冲，相邻子脉冲间隔T1为1ns。
本发明的皮秒多脉冲激光器10发射的多脉冲序列经第一延迟器50的第一分束镜BS1形成反射光与透射光；反射光经第一延迟器50的第一反射镜进入行波放大器30进行放大，得到放大基频光；透射光进入拉曼同步泵浦腔A20进行受激拉曼散射，得到Stokes种子光；放大基频光经第二延迟器60的第二反射镜后和Stokes种子光经第二延迟器60的第二分束镜BS2合束后进入拉曼同步泵浦腔B40进行拉曼同步放大，输出拉曼同步放大后的高阶Stokes光；其中，
本发明的第一分束镜和第二分束镜为1/2分束镜，第一反射镜与二反射镜为45°HR反射镜；本发明第一分束镜与第一反射镜之间的距离为L1，第二分束镜与第二反射镜之间的距离为L2；L1+L2＝c·T1，c为光速；其中，若T1为1ns，则L1+L2＝300mm；本发明第一分束镜的透射和反射的光束的能量相等，并镀基频光单点膜层；第二分束镜的透射和反射的光束的能量相等，并镀基频光和Stokes光膜层；第一反射镜和第二反射镜镀基频光单点膜层。
本发明的行波放大器30包括沿光路依次设置的第二半波片HWP2、薄膜偏振片TFP、第三半波片HWP3、凸透镜f和侧泵模块，经第一分束镜的反射光经第一反射镜后水平射入行波放大器30，经第一分束镜后的透射光水平射入拉曼同步泵浦腔A20；其中，行波放大器30采用侧泵模块用作激光能量放大，侧泵模块采用Nd:YAG晶体作为激光增益介质，增益晶体与皮秒多脉冲激光器的一致；Nd:YAG晶体，Nd3+离子的掺杂浓度为1at％，尺寸为φ4×78mm3。
使用时，调节第一反射镜，可以精细调节反射光束与侧泵模块内Nd:YAG晶体的空间匹配，使放大功率最大不低于10W；调节第二半波片HWP2，可以精细缩放反射光束的放大功率；调节第三半波片HWP3，使反射光束的偏振态匹配拉曼同步泵浦腔B40的拉曼介质的拉曼振动模式；调节第二反射镜，将反射光束导入到主光路中。
本发明的拉曼同步泵浦腔A包括沿光路依次设置的输入腔镜R1、拉曼介质和输出腔镜R2，拉曼同步泵浦腔A 20的输入镜R1的镀膜曲线如图3所示，拉曼同步泵浦腔A 20的输出镜R2的镀膜曲线如图4所示，拉曼同步泵浦腔A20的拉曼介质双端面的镀膜曲线如图5所示。拉曼同步泵浦腔A的光学长度等于相邻子脉冲空间距离的1/2n，n为整数；拉曼同步泵浦腔A与第一分束镜BS1之间设有第一半波片HWP1，调节第一半波片HWP1，使透射光束的偏振态匹配拉曼同步泵浦腔A 20的拉曼介质的拉曼振动模式。其中，拉曼同步泵浦腔A20的输入腔镜R1镀基频光高透膜、1阶至高阶Stokes光高反膜；拉曼介质为具有受激拉曼散射效应的晶体材料，无掺杂，置于热沉中；输出腔镜R2镀基频光高反膜、1阶Stokes光低透膜、2阶至高阶Stokes光半透膜，并置于精密平移台上；精密平移台可精调拉曼同步泵浦腔A 20的光学长度，使拉曼同步泵浦腔A 20的输出功率最大、输出Stokes光谱最丰富。
进一步，热沉为采用中孔结构，材质为铝或紫铜，并通过25℃去离子水循环冷却散热；精密平移台的调节精度为0.02mm。
进一步，拉曼同步泵浦腔A20的输入腔镜镀1064nm增透膜，1.1-2.5μm高反膜；拉曼同步泵浦腔A20的输出腔镜镀1064nm高反膜，1.1-2.0μm低透膜，2.0-2.5μm半透膜；拉曼同步泵浦腔A20的拉曼介质双端面镀1.0-2.5μm增透膜。
进一步，从拉曼同步泵浦腔A 20经受激拉曼散射输出的透射光束经称为Stokes种子光，经行波放大器30放大后的反射光束称为放大基频光；Stokes种子光序列的第二根子脉冲与放大基频光序列的第一根子脉冲在第二分束镜BS2处同步，Stokes种子光与放大基频光一同注入到拉曼同步泵浦腔B 40中。
本发明的拉曼同步泵浦腔B40包括沿光路依次设置的输入腔镜R3、拉曼介质和输出腔镜R4，拉曼同步泵浦腔B 40的输入镜R3的镀膜曲线如图3所示，拉曼同步泵浦腔B 40的输出镜R4的镀膜曲线如图4所示，拉曼同步泵浦腔B 40的拉曼介质双端面的镀膜曲线如图5所示。拉曼同步泵浦腔B 40的光学长度等于相邻子脉冲空间距离的1/2n，n为整数；精细调节拉曼同步泵浦腔B 40的光学长度，使输出Stokes光脉冲能量最大，光谱最丰富，从而获得皮秒高阶Stokes光的高能量输出。其中，拉曼同步泵浦腔B的输入腔镜镀基频光高透膜、1阶Stokes光半透膜、2阶至高阶Stokes光低透膜；拉曼介质为具有受激拉曼散射效应的晶体材料，无掺杂，置于热沉中；输出腔镜镀基频光高反膜、1阶至高阶Stokes光可选择性透过膜，并置于精密平移台上。
进一步，热沉为采用中孔结构，材质为铝或紫铜，并通过25℃去离子水循环冷却散热；精密平移台的调节精度为0.02mm。
进一步，拉曼同步泵浦腔B 40的输入腔镜镀1064nm增透膜，1.1μm半透膜，1.1-2.5μm低透膜；拉曼同步泵浦腔B 40的输出腔镜镀1064nm高反膜，1.1-2.0μm低透膜，2.0-2.5μm半透膜；拉曼同步泵浦腔B 40的拉曼介质双端面镀1.0-2.5μm增透膜。
进一步，拉曼同步泵浦腔A和拉曼同步泵浦腔B的拉曼介质为同一具有受激拉曼散射效应的晶体材料并且处于同一拉曼振动模式下，包括KGd(WO4)2(KGW)晶体、金刚石晶体、Ba(NO3)2晶体、YVO4晶体中的一种。
本发明提供一种双同步泵浦拉曼激光放大装置的使用方法，该装置中有两个拉曼同步泵浦腔，放大基频光与Stokes种子光要同步注入拉曼同步泵浦腔B，其实现步骤包括：
皮秒多脉冲激光器输出的皮秒脉冲经第一分束镜分光，得到反射光和透射光；反射光进入行波放大器进行放大，得到放大基频光；透射光进入拉曼同步泵浦腔A进行受激拉曼散射，得到Stokes种子光；放大基频光和Stokes种子光经第二分束镜合束后进入拉曼同步泵浦腔B进行拉曼同步放大，输出拉曼同步放大后的高阶Stokes光。
具体实现过程为：
步骤1、皮秒多脉冲激光器10输出的多脉冲序列经第一分束镜BS1分束后，透射光束进入主光路的拉曼同步泵浦腔A20，反射光束进入子光路的行波放大器30中；
步骤2、调节第一、第二延迟器的双臂L1，L2，使L1+L2的长度等于相邻子脉冲之间的空间距离间隔；
步骤3、透射光束在拉曼同步泵浦腔A内与拉曼介质相互作用，受激拉曼散射产生Stokes种子光，并从输出腔镜R2输出；
步骤4、反射光束经侧泵模块放大后获得高能量的放大基频光，再被导入到主光路中；
步骤5、Stokes种子光与放大基频光在1/2分束镜BS2处合束，并且完成时间的同步，时间同步是指Stokes种子光脉冲序列的第二个子脉冲与放大基频光脉冲序列的第一个子脉冲的同步。
步骤6、Stokes种子光与放大基频光同步注入到拉曼同步泵浦腔B中，基频光与Stokes光之间的差频与拉曼介质的拉曼跃迁频率共振增强，从而增强光与介质的相互作用，完成Stokes种子光能量的放大和光谱的扩展，Stokes放大光经输出腔镜R4输出。
本发明的优点为：
本发明结合皮秒多脉冲技术，拉曼同步泵浦技术，拉曼放大技术，可以有效地提高皮秒拉曼增益，获得皮秒高阶Stokes光的高能量输出。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双同步泵浦拉曼激光放大装置，其特征在于，包括：皮秒多脉冲激光器、拉曼同步泵浦腔A、行波放大器和拉曼同步泵浦腔B；
所述皮秒多脉冲激光器输出的皮秒脉冲经第一分束镜分光后，反射光进入所述行波放大器进行放大，得到放大基频光；透射光进入所述拉曼同步泵浦腔A进行受激拉曼散射，得到Stokes种子光；所述放大基频光和Stokes种子光经第二分束镜合束后进入所述拉曼同步泵浦腔B进行拉曼同步放大，输出拉曼同步放大后的高阶Stokes光。
2.如权利要求1所述的双同步泵浦拉曼激光放大装置，其特征在于，所述皮秒多脉冲激光器输出的皮秒脉冲包络内有等间隔时间为T1的若干子脉冲序列。
3.如权利要求2所述的双同步泵浦拉曼激光放大装置，其特征在于，所述第一分束镜与位于所述第一分束镜反射光路上的第一反射镜构成第一延迟器，所述第一分束镜与第一反射镜之间的距离为L1；
所述第二分束镜与位于所述行波放大器出射光路上的第二反射镜构成第二延迟器，所述第二分束镜与第二反射镜之间的距离为L2；
其中，L1+L2＝c·T1，c为光速。
4.如权利要求3所述的双同步泵浦拉曼激光放大装置，其特征在于，所述第一分束镜的透射和反射的光束的能量相等，并镀基频光单点膜层；
所述第二分束镜的透射和反射的光束的能量相等，并镀基频光和Stokes光膜层；
所述第一反射镜和第二反射镜镀基频光单点膜层。
5.如权利要求1所述的双同步泵浦拉曼激光放大装置，其特征在于，所述行波放大器包括沿光路依次设置的第二半波片、薄膜偏振片、第三半波片、凸透镜和侧泵模块。
6.如权利要求1所述的双同步泵浦拉曼激光放大装置，其特征在于，所述侧泵模块采用Nd:YAG晶体作为激光增益介质。
7.如权利要求1所述的双同步泵浦拉曼激光放大装置，其特征在于，所述拉曼同步泵浦腔A或拉曼同步泵浦腔B包括沿光路依次设置的输入腔镜、拉曼介质和输出腔镜；
所述拉曼同步泵浦腔A或拉曼同步泵浦腔B的光学长度等于相邻子脉冲空间距离的1/2n，n为整数；
所述拉曼同步泵浦腔A与所述第一分束镜之间设有第一半波片。
8.如权利要求7所述的双同步泵浦拉曼激光放大装置，其特征在于，所述拉曼同步泵浦腔A的输入腔镜镀基频光高透膜、1阶至高阶Stokes光高反膜；拉曼介质为具有受激拉曼散射效应的晶体材料，无掺杂，置于热沉中；输出腔镜镀基频光高反膜、1阶Stokes光低透膜、2阶至高阶Stokes光半透膜，并置于精密平移台上；
所述拉曼同步泵浦腔B的输入腔镜镀基频光高透膜、1阶Stokes光半透膜、2阶至高阶Stokes光低透膜；拉曼介质为具有受激拉曼散射效应的晶体材料，无掺杂，置于热沉中；输出腔镜镀基频光高反膜、1阶至高阶Stokes光可选择性透过膜，并置于精密平移台上。
9.如权利要求8所述的双同步泵浦拉曼激光放大装置，其特征在于，所述拉曼同步泵浦腔A和拉曼同步泵浦腔B的拉曼介质为同一具有受激拉曼散射效应的晶体材料，包括KGd(WO4)2(KGW)晶体、金刚石晶体、Ba(NO3)2晶体、YVO4晶体中的一种；
所述热沉为铝或紫铜，并通过25℃去离子水循环冷却；
所述精密平移台的调节精度为0.02mm。
10.一种如权利要求1～9中任一项所述的双同步泵浦拉曼激光放大装置的方法，其特征在于，包括：
所述皮秒多脉冲激光器输出的皮秒脉冲经第一分束镜分光，得到反射光和透射光；
所述反射光进入所述行波放大器进行放大，得到放大基频光；
所述透射光进入所述拉曼同步泵浦腔A进行受激拉曼散射，得到Stokes种子光；
所述放大基频光和Stokes种子光经第二分束镜合束后进入所述拉曼同步泵浦腔B进行拉曼同步放大，输出拉曼同步放大后的高阶Stokes光。
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