CN213660863U - 一种模块化拉曼组束激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种模块化拉曼组束激光器，包括：泵浦源发出频率为ωp的泵浦光，经光隔离器后由第一偏振分束器分为水平偏振光和竖直偏振光两束，水平偏振光进入种子光产生模块，经受激拉曼散射产生频率为ωs的Stokes种子光；竖直偏振光作为泵浦光进入泵浦光放大模块放大，放大后的泵浦光与Stokes种子光在拉曼增益模块内相遇，Stokes种子光通过拉曼过程对泵浦光功率进行提取后输出。通过上述方式，本实用新型能够在实现高输出功率的前提下进一步满足对输出功率的可控性需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光器领域，尤其涉及一种模块化拉曼组束激光器。
背景技术
高功率、高光束质量的激光器在科研领域和工业领域均有广泛且重要的应用，例如惯性约束聚变、激光高精度加工、远程遥感等，自从激光器实用新型以来，人们对提高激光输出功率的同时不损害其光束质量的技术有着极大的兴趣。激光器高功率运转下增益介质的热透镜效应导致的激光波前相位畸变与高光束质量激光输出往往是矛盾的。目前获得高功率单频激光***的方法主要有主振荡功率放大(MOPA)和相干组束(CBC)。
MOPA技术可将激光功率提高到很高的水平，但是由于放大过程中放大器产生的自发辐射(ASE)导致的激光线宽展宽和增益介质热效应引起的波前相位畸变都限制了MOPA结构的光束质量。CBC技术能够使多路激光束相干叠加，其工作原理是将多束小能量、低功率的激光合成一束大能量、高功率的激光，是一种并行工作方式，但是由于光纤的损伤阈值限制，以及波导结构对光的强限制作用导致的高非线性效应增益(如受激布里渊散射)，限制了其功率的进一步提升。与此同时，其要求对多路激光束进行严格的相位控制以实现最大的放大效率，对整个激光***的稳定性提出了很高的要求，且随着模块数量的增加，器件对光束的损耗以及该***对相位的要求使得实现高效组合的概率急剧下降。
实用新型内容
本实用新型提供了一种模块化拉曼组束激光器，本实用新型突破了单个激光器的功率屏障，在不损害光束相干性的前提下提升了光束的输出功率，本实用新型选取具有高拉曼增益系数和高热导率的金刚石作为拉曼增益介质，用于拉曼放大器，可实现较宽工作波长范围、紧凑和稳定的输出，详见下文描述：
一种模块化拉曼组束激光器，所述激光器包括：
激光器发出频率为ωp的泵浦光，经光隔离器后由第一偏振分束器分为水平偏振光p和竖直偏振光s两束，水平偏振光p进入种子光产生模块，经受激拉曼散射产生频率为ωs的Stokes种子光；竖直偏振光s作为泵浦光进入泵浦光放大模块放大，放大后泵浦光与Stokes种子光在拉曼增益模块内相遇，Stokes种子光通过拉曼过程对泵浦光功率进行提取后输出。
其中，所述光隔离器由泵浦光波段的第一二分之一波片和法拉第隔离器组成。
进一步地，所述种子光产生模块由泵浦光波段的第二二分之一波片、平凸透镜和拉曼激光器输入镜、第一金刚石、拉曼激光器输出镜和长通滤光片组成；
所述拉曼激光器输入镜、第一金刚石、拉曼激光器输出镜组成金刚石拉曼振荡器；
泵浦光和Stokes种子光的频率关系为ωs＝ωp-ωr，ωr为金刚石拉曼频移量。
其中，所述泵浦光放大模块由n个第三二分之一波片、n个第二偏振分束器、n个激光放大器、n个全反镜组成；
竖直偏振光s经第1个第三二分之一波片调整偏振态后，经第1个第二偏振分束器分为p1和s1两束，竖直偏振光s1进入第1个激光放大器进行放大后，经第1个全反镜调整角度进入拉曼增益模块；水平偏振光p1经第2个第三二分之一波片调整偏振态后，经第2个第二偏振分束器分为p2和s2两束，竖直偏振光s2进入第2个激光放大器进行放大，经第2个全反镜调整角度进入拉曼增益模块；水平偏振光p2通过第3个第三二分之一波片调整偏振态后再分为p3和s3两束，竖直偏振光s3进入第3个激光放大器放大，经第3个全反镜调整角度进入拉曼增益模块；水平偏振光p3进入下一级放大结构，以此类推，直到水平偏振光pn-1经过第n-1个第二偏振分束器后分为pn和sn两束，竖直偏振光sn进入第n-1个激光放大器进行放大，经第n-1个全反镜调整角度进入拉曼增益模块；水平偏振光pn-1经第n个第三二分之一波片调整偏振态后，经过第n个第二偏振分束器进入第n个激光放大器，放大后的激光经第n个全反镜调整角度进入拉曼增益模块中。
进一步地，所述拉曼增益模块由第一二向色滤光镜、第一凸透镜、第二金刚石、第二凸透镜、第二二向色滤光镜组成；
第二金刚石设置在第二凸透镜的光线汇聚的焦点处，并由Stokes种子光在第二金刚石处完成功率提取过程，再经第二凸透镜和第二二向色滤光镜完成光束输出，第二二向色滤光镜用于实现种子光的输出。
激光器发出频率为ωp的泵浦光的线宽为Γp，第一金刚石和第二金刚石的拉曼增益线宽为Γs，满足Γp≤Γs；n束平行泵浦光和Stokes种子光在第二金刚石中焦点处的夹角均小于10°。
本实用新型提供的技术方案的有益效果是：
1、该激光器根据受激拉曼散射放大原理，利用组束的空间结构进行功率放大，突破了单个激光器的功率放大限制，在保证光束质量和相干性的前提下实现了高功率的激光输出；
2、该激光器选取固体拉曼增益介质金刚石作为放大介质，利用了金刚石晶体具有高拉曼增益系数、有最大的拉曼频移量和相对折中的拉曼线宽等特性，能够大幅度提高拉曼激光器的性能；
3、该激光器为非共线组束激光器，多束激光平行进入拉曼增益模块，再由拉曼增益模块内的凸透镜进行焦距调节，避免了光束之间角度调节的考虑；
4、该激光器的泵浦光放大模块为激光器的输出提供了更多可能，由于泵浦光放大模块在数量上的可控性，使得整个***输出的激光功率变得可控，即增减泵浦光放大模块的数量就可实现高功率的、功率可控的激光输出。
附图说明
图1为一种模块化拉曼组束激光器的结构示意图；
图2为光隔离器的结构示意图；
图3为种子光产生模块的结构示意图；
图4为泵浦光放大模块的结构示意图；
图5为拉曼增益模块的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：激光器； 2：光隔离器；
3：第一偏振分束器； 4：种子光产生模块；
5：泵浦光放大模块； 6：拉曼增益模块。
其中
2-1：第一二分之一波片； 2-2：法拉第隔离器；
4-1：第二二分之一波片； 4-2：平凸透镜；
4-3：拉曼激光器输入镜； 4-4：第一金刚石；
4-5：拉曼激光器输出镜； 4-6：长通滤光片；
5-1：第三二分之一波片； 5-2：第二偏振分束器；
5-3：激光放大器； 5-4：全反镜；
6-1：第一二向色滤光镜； 6-2：第一凸透镜；
6-3：第二金刚石； 6-4：第二凸透镜；
6-5：第二二向色滤光镜。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
基于拉曼放大的激光组束方法，使用多束泵浦光泵浦一束种子光，在泵浦过程中泵浦光与种子光的相位是自动匹配的，因此激光***输出的光束质量相比主振荡功率放大(MOPA)结构的输出更好。
为了得到更好的光束质量、更高功率的激光输出，研究人员对用于拉曼增益的介质进行了广泛研究。其中，金刚石晶体以其成熟的晶体生长技术，极高的热导率，高声波传输速度，高损伤阈值等相对优势，可实现紫外、可见光及红外波段的激光输出。此外，金刚石晶体具有高拉曼增益系数、最大的拉曼频移量和相对折中的拉曼线宽等特性，这使得金刚石晶体成为拉曼增益介质最有潜力的材料之一，并且能够大幅度提高拉曼激光器的性能。
为了提高光束输出功率，突破单个激光器的功率屏障，本实用新型实施例提出了一种基于金刚石的高功率拉曼组束激光器。
参见图1，该激光器包括：激光器1、光隔离器2、第一偏振分束器3、种子光产生模块4、泵浦光放大模块5、拉曼增益模块6。其中，泵浦源1发出频率为ωp的泵浦光，经光隔离器2后，由第一偏振分束器3分为水平偏振光p和竖直偏振光s两束，水平偏振光p进入种子光产生模块4，经受激拉曼散射产生频率为ωs的Stokes种子光；竖直偏振光s作为泵浦光进入泵浦光放大模块5中进行放大，放大后的泵浦光与Stokes种子光在拉曼增益模块6内相遇，Stokes种子光通过拉曼过程对泵浦光功率进行提取后输出。
参见图2，为光隔离器2的结构示意图，由第一二分之一波片2-1和法拉第隔离器2-2组成。其中，第一二分之一波片2-1可实现ωp泵浦光的功率调节，法拉第隔离器2-2可以实现光路的单向传输，起到保护激光器1的作用。
参见图3，为种子光产生模块4的结构示意图，由第二二分之一波片4-1、平凸透镜4-2、拉曼激光器输入镜4-3、第一金刚石4-4、拉曼激光器输出镜4-5和长通滤光片4-6组成。通过第二二分之一波片4-1调节入射光束的偏振态以获得最大的拉曼增益，平凸透镜4-2可将入射光耦合进入由沿着光路顺序依次设置的拉曼激光器输入镜4-3、第一金刚石4-4、拉曼激光器输出镜4-5组成的金刚石拉曼振荡器中，之后通过受激拉曼散射获得ωs的Stokes光输出，通过长通滤光片4-6后，残余的泵浦光被吸收以实现较纯净的ωs激光输出。
参见图4，为泵浦光放大模块5的结构示意图，由n个第三二分之一波片5-1、n个第二偏振分束器5-2、n个激光放大器5-3、n个全反镜5-4组成；
竖直偏振光s经第1个第三二分之一波片5-1调整偏振态后，经第1个第二偏振分束器5-2分为p1和s1两束，竖直偏振光s1进入第1个激光放大器5-3进行放大后，经第1个全反镜5-4调整角度进入拉曼增益模块6；水平偏振光p1经第2个第三二分之一波片5-1调整偏振态后，经第2个第二偏振分束器5-2分为p2和s2两束，竖直偏振光s2进入第2个激光放大器5-3进行放大，经第2个全反镜5-4调整角度进入拉曼增益模块6；水平偏振光p2通过第3个第三二分之一波片5-1调整偏振态后再分为p3和s3两束，竖直偏振光s3进入第3个激光放大器5-3放大，经第3个全反镜5-4调整角度进入拉曼增益模块6；水平偏振光p3进入下一级放大结构，以此类推，直到水平偏振光pn-1经过第n-1个第二偏振分束器5-2后分为pn和sn两束，竖直偏振光sn进入第n-1个激光放大器5-3进行放大，经第n-1个全反镜5-4调整角度进入拉曼增益模块6；水平偏振光pn-1经第n个第三二分之一波片5-1调整偏振态后，经过第n个偏振分束器5-2进入第n个激光放大器5-3，放大后的激光经第n个全反镜5-4调整角度进入拉曼增益模块6中。
参见图5，为拉曼增益模块6的结构示意图，由第一二向色滤光镜6-1、第一凸透镜6-2、第二金刚石6-3、第二凸透镜6-4、第二二向色滤光镜6-5组成。第一二向色滤光镜6-1用于将放大后的平行泵浦光和Stokes种子光进行空间组合，进入由第一凸透镜6-2、第二金刚石6-3、第二凸透镜6-4组成的光腔，第二金刚石6-3放置在第二凸透镜6-4的光线汇聚的焦点处，并由Stokes种子光在第二金刚石6-3(即拉曼增益介质)内部完成功率提取过程，再经第二凸透镜6-4和第二二向色滤光镜6-5完成光束输出，第二二向色滤光镜6-5用于实现ωs种子光的输出。
激光器发出频率为ωp的泵浦光的线宽为Γp，第一金刚石和第二金刚石的拉曼增益线宽为Γs，满足Γp≤Γs；n束平行泵浦光和Stokes种子光在第二金刚石中焦点处的夹角均小于10°。
综上所述，本实用新型实例将整个激光器分为多个模块，即激光器1、光隔离器2、第一偏振分束器3、种子光产生模块4、泵浦光放大模块5、拉曼增益模块6。通过模块化设计使得激光器的结构在空间上变得紧凑，便于实现且实用性更强；特别地，可以根据对输出功率的不同需求对泵浦光放大模块5的数量进行增减，从而在实现高输出功率的前提下进一步满足对输出功率的可控性需求。
在具体的实例中，在一块9mm长的金刚石晶体中，利用自由运转波长为1064nm激光器输出4束相互独立的纳秒脉冲，峰值功率均为2kW，1240nm的Stokes种子光获得了大于5kW的功率，将总峰值泵浦功率的62％转移到TEM00模Stokes种子脉冲上，验证了本产品的可行性，满足了实际应用中的多种需要。
本实用新型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，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种模块化拉曼组束激光器，其特征在于，所述激光器包括：
激光器发出频率为ωp的泵浦光，经光隔离器后由第一偏振分束器分为水平偏振光和竖直偏振光两束，水平偏振光进入种子光产生模块，经受激拉曼散射产生频率为ωs的Stokes种子光；竖直偏振光作为泵浦光进入泵浦光放大模块放大，放大后泵浦光与Stokes种子光在拉曼增益模块内相遇，Stokes种子光通过拉曼过程对泵浦光功率进行提取后输出。
2.根据权利要求1所述的一种模块化拉曼组束激光器，其特征在于，所述光隔离器由泵浦光波段的第一二分之一波片和法拉第隔离器组成。
3.根据权利要求2所述的一种模块化拉曼组束激光器，其特征在于，所述种子光产生模块由泵浦光波段的第二二分之一波片、平凸透镜和拉曼激光器输入镜、第一金刚石、拉曼激光器输出镜和长通滤光片组成；
所述拉曼激光器输入镜、第一金刚石、拉曼激光器输出镜组成金刚石拉曼振荡器；
泵浦光和Stokes种子光的频率关系为ωs＝ωp-ωr，ωr为金刚石拉曼频移量。
4.根据权利要求3所述的一种模块化拉曼组束激光器，其特征在于，所述泵浦光放大模块由n个第三二分之一波片、n个第二偏振分束器、n个激光放大器、n个全反镜组成；
竖直偏振光经第1个第三二分之一波片调整偏振态后，经第1个第二偏振分束器分为p1和s1两束，竖直偏振光s1进入第1个激光放大器进行放大后，经第1个全反镜调整角度进入拉曼增益模块；水平偏振光p1经第2个第三二分之一波片调整偏振态后，经第2个第二偏振分束器分为p2和s2两束，竖直偏振光s2进入第2个激光放大器进行放大，经第2个全反镜调整角度进入拉曼增益模块；水平偏振光p2通过第3个第三二分之一波片调整偏振态后再分为p3和s3两束，竖直偏振光s3进入第3个激光放大器放大，经第3个全反镜调整角度进入拉曼增益模块；水平偏振光p3进入下一级放大结构，以此类推，直到水平偏振光pn-1经过第n-1个第二偏振分束器后分为pn和sn两束，竖直偏振光sn进入第n-1个激光放大器进行放大，经第n-1个全反镜调整角度进入拉曼增益模块；水平偏振光pn-1经过第n个第二偏振分束器进入第n个激光放大器，放大后的激光经第n个全反镜调整角度进入拉曼增益模块中。
5.根据权利要求4所述的一种模块化拉曼组束激光器，其特征在于，所述拉曼增益模块由第一二向色滤光镜、第一凸透镜、第二金刚石、第二凸透镜、第二二向色滤光镜组成；
第二金刚石设置在第二凸透镜的光线汇聚的焦点处，并由Stokes种子光在第二金刚石处完成功率提取过程，再经第二凸透镜和第二二向色滤光镜完成光束输出，第二二向色滤光镜用于实现种子光的输出。
6.根据权利要求5所述的一种模块化拉曼组束激光器，其特征在于，激光器发出频率为ωp的泵浦光的线宽为Γp，第一金刚石和第二金刚石的拉曼增益线宽为Γs，满足Γp≤Γs；n束平行泵浦光和Stokes种子光在第二金刚石中焦点处的夹角均小于10°。
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| CN202022949349.3U CN213660863U (zh) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | 一种模块化拉曼组束激光器 |
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| CN (1) | CN213660863U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112467512A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-03-09 | 河北工业大学 | 一种模块化拉曼组束激光器 |
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2020
- 2020-12-08 CN CN202022949349.3U patent/CN213660863U/zh active Active
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