CN109818253A - 一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器 - Google Patents

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盛泉
马汉超
史伟
丁欣
吴亮
姚建铨
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Abstract

本发明公开了一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器，包括：第一拉曼晶体、第二拉曼晶体材料、几何尺寸、切割方向均相同，且沿通光方向旋转90°放置，即二者的光轴正交，以补偿拉曼晶体热透镜像散产生的影响；谐振腔全反镜和谐振腔输出镜构成斯托克斯光谐振腔；基频激光器发射的基频激光经过聚焦透镜聚焦进入第一拉曼晶体和第二拉曼晶体，产生拉曼增益，增益正比于基频光光强、拉曼晶体长度以及拉曼增益系数；当拉曼增益超过斯托克斯光谐振腔的损耗后，在谐振腔内产生斯托克斯光振荡，经谐振腔输出镜输出。本发明补偿拉曼晶体热透镜的像散，使激光器能够输出高光束质量的圆形光斑，同时圆形光斑也有助于改善激光器的模式匹配，提高激光器效率。

Description

一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器
技术领域
本发明涉及拉曼激光器领域，尤其涉及一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器。
背景技术
基于非线性晶体受激拉曼散射(SRS)效应的固体拉曼激光器是拓展激光辐射波长覆盖范围的有效技术手段之一。由于SRS过程特有的自相位匹配和光束净化特性，拉曼激光器具有在晶体整个通光波段内实现高光束质量激光输出的潜质，具有重要的应用前景。
SRS过程输出非弹性散射，基频光和斯托克斯光之间存在量子亏损，每当产生一个斯托克斯(Stokes)光子的同时便会产生一个受激声子，以声子的形式转移到拉曼晶体中，形成热负载，产生热透镜等热效应。目前常用的拉曼晶体，如钒酸盐、钨酸盐、金刚石等，要么本质上是各向异性晶体，要么在生长过程中应力缺陷形成各向异性，因此不同晶体轴方向上的热导率、热光系数和热膨胀系数存在明显差别，这会导致子午面和弧矢面内的热透镜焦距不同，即像散的热透镜。例如文献【G.M.Bonner et al.,Measurement of thermallensing in a CW BaWO4 intracavity Raman laser,Opt.Express 20,9810-9818(2012).】中报道，BaWO4(钨酸钡)晶体在a轴和c轴方向上的热透镜光焦度相差数倍。热透镜的像散会给谐振腔设计带来极大不便，造成光斑变为椭圆，影响模式匹配和激光转换效率，劣化光束质量，严重时甚至导致谐振腔产生非高斯模式的光斑，如文献【A.Mckay et al.,High power tungstate-crystal Raman laser operating in the strong thermallensing regime,Opt.Express 22,6707-6718(2014).】中，KGW(钨酸钾钆)晶体像散的热透镜使得弧矢面内的斯托克斯光斑变为高阶厄米特-高斯模式，严重影响激光器的性能。
因此，拉曼晶体热透镜像散补偿已成为改进拉曼激光器性能需着重考虑的因素，为补偿拉曼晶体像散的热透镜，往往也需引入像散器件或通过折叠谐振腔的像散，例如上一文献中研究人员在腔内***柱透镜，在一定程度上改善了光束质量，但这种做法存在准直困难，引入***损耗等缺点，实际效果难以满足要求。
发明内容
本发明提供了一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器，本发明通过使用两块相同的拉曼晶体，且沿通光方向旋转90°放置，即二者的光轴正交，使得弧矢面和子午面内的等效热透镜一致，以解决拉曼晶体热透镜像散产生椭圆光斑，影响激光器光束质量和模式匹配的问题，详见下文描述：
一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器，所述拉曼激光器包括：基频激光器、聚焦透镜、谐振腔全反镜、第一拉曼晶体、第二拉曼晶体、以及谐振腔输出镜；
所述第一拉曼晶体、第二拉曼晶体结构、材料均相同，且沿通光方向旋转90°放置，即二者的光轴正交，用于补偿拉曼晶体热透镜像散产生的影响；
所述谐振腔全反镜和谐振腔输出镜构成斯托克斯光谐振腔；基频激光器发射的基频激光经过聚焦透镜聚焦进入第一拉曼晶体和第二拉曼晶体，产生拉曼增益，增益正比于基频光光强、拉曼晶体长度以及拉曼增益系数，当拉曼增益超过斯托克斯光谐振腔的损耗后，在谐振腔内产生斯托克斯光振荡，经谐振腔输出镜输出。
优选地，所述聚焦透镜镀基频激光增透膜，所述谐振腔全反镜镀基频激光增透、拉曼斯托克斯光高反膜系；所述第一拉曼晶体和第二拉曼晶体均镀基频激光和斯托克斯光增透膜系，所述谐振腔输出镜镀斯托克斯光部分透过膜系。
进一步地，所述第一拉曼晶体、第二拉曼晶体且沿通光方向旋转90°放置，即二者的光轴正交，作为整体在子午面和弧矢面等效热透镜相同，避免热透镜的像散对激光光束质量和模式匹配的影响。
优选地，所述第一拉曼晶体和第二拉曼晶体为在偏振方向上拉曼增益系数一致的晶体，使得晶体的放置方向不会对拉曼激光器的增益产生影响，并保证两块晶体中热负载和相应热透镜效应的一致性。
优选地，所述谐振腔全反镜、所述第一拉曼晶体和第二拉曼晶体以及所述谐振腔输出镜还镀有对高阶斯托克斯光和拉曼次峰对应斯托克斯波长防反膜系，避免其他波长起振。
具体实现时，所述拉曼激光器是连续波、调Q、调制或锁模运转。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明补偿拉曼晶体热透镜的像散，使激光器能够输出高光束质量的圆形光斑，同时圆形光斑也有助于改善激光器的模式匹配，提高激光器效率，无需额外引入柱透镜等像散器件，易于实现，且插损较小；
2、本发明通过双晶体的使用增加了拉曼晶体的长度，从而提高了拉曼增益。
附图说明
图1为一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器的结构示意图；
图2为一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器的另一结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：基频激光器； 2：聚焦透镜；
3：谐振腔全反镜； 4-1：第一拉曼晶体；
4-2：第二拉曼晶体； 5：谐振腔输出镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器，参见图1，包括：基频激光器1、聚焦透镜2、谐振腔全反镜3、第一拉曼晶体BaWO4 4-1、第二拉曼晶体BaWO4 4-2、谐振腔输出镜5。
其中，基频激光器1为连续波Nd:YVO4激光器，波长1064nm；聚焦透镜2为平凸透镜，焦距100mm，双面镀1064nm增透膜；谐振腔全反镜3为平凹镜，曲率半径100mm，双面镀1064nm增透，凹面镀1180nm高反膜系；第一拉曼晶体BaWO4 4-1和第二拉曼晶体BaWO4 4-2均为a切割BaWO4晶体，尺寸均为5×5×15mm3，双面镀1064nm、1180nm增透膜，第一拉曼晶体BaWO4 4-1的c轴平行于台面，第二拉曼晶体BaWO4 4-2的c轴垂直于台面；谐振腔输出镜5也为平凹镜，曲率半径100mm，凹面镀对1064nm基频激光高反，1180nm斯托克斯光透过率1％膜系。
谐振腔全反镜3和谐振腔输出镜5构成的斯托克斯光谐振腔为对称设计，几何长度180mm，第一拉曼晶体BaWO4 4-1和第二拉曼晶体BaWO4 4-2相距40mm。
本发明实施例中的拉曼激光器的设计补偿了BaWO4热透镜的像散，1064nm基频光平均输出功率30W时，可获得8.3W的1180nm斯托克斯光输出。
实施例2
一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器，参见图1，包括：基频激光器1、聚焦透镜2、谐振腔全反镜3、第一拉曼晶体YVO4 4-1、第二拉曼晶体YVO4 4-2、谐振腔输出镜5。
其中，基频激光器1为调Q Nd:YVO4激光器，波长1064nm；聚焦透镜2为平凸透镜，焦距100mm，双面镀1064nm增透膜；谐振腔全反镜3为平凹镜，曲率半径300mm，双面镀1064nm增透，凹面镀1176nm高反膜系；第一拉曼晶体YVO4 4-1和第二拉曼晶体YVO4 4-2均为a切割YVO4晶体，尺寸均为3×3×10mm3，双面镀1064nm、1176nm增透膜，第一拉曼晶体YVO4 4-1的c轴平行于台面，第二拉曼晶体YVO4 4-2的c轴垂直于台面；谐振腔输出镜5为平镜，单面镀对1064nm基频激光高反，1176nm斯托克斯光透过率5％膜系。第一拉曼晶体YVO4 4-1和第二拉曼晶体YVO4 4-2紧邻谐振腔全反镜3放置，谐振腔全反镜3和谐振腔输出镜5构成的斯托克斯光谐振腔几何长度80mm。
本发明实施例中的拉曼激光器的设计补偿了YVO4热透镜的像散，1064nm基频光输出功率15W、脉冲重复频率30kHz时，可获得6.2W的1176nm斯托克斯光输出。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器，其特征在于，所述拉曼激光器包括：基频激光器、聚焦透镜、谐振腔全反镜、第一拉曼晶体、第二拉曼晶体、以及谐振腔输出镜；
所述第一拉曼晶体、第二拉曼晶体材料、几何尺寸、切割方向均相同，且沿通光方向旋转90°放置，即二者的光轴正交，以补偿拉曼晶体热透镜像散产生的影响；
所述谐振腔全反镜和谐振腔输出镜构成斯托克斯光谐振腔；基频激光器发射的基频激光经过聚焦透镜聚焦进入第一拉曼晶体和第二拉曼晶体，产生拉曼增益，增益正比于基频光光强、拉曼晶体长度以及拉曼增益系数；
当拉曼增益超过斯托克斯光谐振腔的损耗后，在谐振腔内产生斯托克斯光振荡，经谐振腔输出镜输出。
2.根据权利要求1所述的一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器，其特征在于，
所述聚焦透镜镀基频激光增透膜，所述谐振腔全反镜镀基频激光增透、拉曼斯托克斯光高反膜系；
所述第一拉曼晶体和第二拉曼晶体均镀基频激光和斯托克斯光增透膜系，所述谐振腔输出镜镀斯托克斯光部分透过膜系。
3.根据权利要求1或2所述的一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器，其特征在于，所述第一拉曼晶体、第二拉曼晶体旋转90°放置，作为整体在子午面和弧矢面等效热透镜相同，避免热透镜的像散对激光光束质量和模式匹配的影响。
4.根据权利要求1或2所述的一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器，其特征在于，所述第一拉曼晶体和第二拉曼晶体为在偏振方向上拉曼增益系数一致的晶体。
5.根据权利要求1或2所述的一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器，其特征在于，所述谐振腔全反镜、所述第一拉曼晶体和第二拉曼晶体以及所述谐振腔输出镜还镀有对高阶斯托克斯光和拉曼次峰对应斯托克斯波长防反膜系，避免其他波长起振。
6.据权利要求1所述的一种补偿晶体像散热透镜的拉曼激光器，其特征在于，所述拉曼激光器是连续波、调Q、调制或锁模运转。
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