[发明专利]一种近共心稳定腔气体拉曼激光器

说明书

技术领域

本发明为一种采用气体拉曼介质的内腔式拉曼激光器，与实现拉曼激光变频的腔内拉曼激光器有关，本发明采用近共心稳定腔作为基频激光谐振腔，可以降低拉曼激光器阈值。

背景技术

拉曼散射技术是实现激光波长变换的重要技术手段，采用拉曼介质的受激拉曼散射可以实现对激光波长的改变。依据拉曼介质的物质形态可分为固体拉曼介质、液体拉曼介质和气体拉曼介质。固体拉曼介质一般体积小，拉曼介质浓度高，增益和转化率高，而且人们已研制出多种固体拉曼介质，应用十分广泛，但固体拉曼介质损伤阈值低，不易实现高能量输出。液体拉曼介质则由于液体介质的挥发性，毒性或不稳定性等缺陷，应用范围受到很大限制。比较而言，气体拉曼介质具有产生的拉曼光均匀度高、损伤阈值高更可能实现大能量拉曼激光输出，高拉曼振动模（大拉曼频移）和窄拉曼线宽等优点，也得到了充分的重视；常用的气体拉曼介质有N₂，H₂，O₂和CH₄等，但由于气体介质的离子浓度太小，因此必须增大入射光和增大拉曼介质作用距离，这就造成气体拉曼介质的阈值高，转化效率低等不足。

目前采用气体介质实现激光拉曼频移的方法主要包含两种，第一种是采用外腔法，即将拉曼介质放置于激光腔外，激光器输出的基频激光经过透镜聚焦，在单程通过拉曼介质时产生受激拉曼散射，产生斯托克斯光或者反斯托克斯光，在此过程中，只有在聚焦透镜的焦点位置附近的一小段区域内激光功率密度可以达到受激拉曼散射阈值，在此区域内可以发生受激拉曼散射实现对基频激光的频率转换，因此激光与拉曼介质的有效作用区域短，拉曼转化效率不高，同时对基频激光的功率阈值要求也较高。

另外一种方法是采用拉曼谐振腔，该方法包括将拉曼介质放置于激光谐振腔内（内腔式）和将拉曼介质单独放置于一个谐振腔内（外腔式）两种形式，其中内腔式是将激光介质和拉曼介质都放在激光腔内，采用二相色镜作为输出耦合镜，使基频激光只在腔内震荡而不对外输出，只有拉曼光对外输出；这样基频光和Stokes光多次通过拉曼介质，相当于增长了基频激光与拉曼介质的有效作用长度，因此可以提高基频激光的拉曼转化效率，同时降低对基频激光的功率要求，相当于降低了受激拉曼阈值。内腔式拉曼由于利用了谐振腔内基频光功率密度非常高的优点，更容易产生受激拉曼散射，形成拉曼激光输出。采用拉曼谐振腔的拉曼频移器也成为拉曼激光器。

在拉曼激光器的研制中，拉曼激光谐振腔的腔型设计是其中的重要问题。目前采用固体拉曼介质的拉曼激光器的研究比较活跃，相关的拉曼激光腔型也比较多，但采用气体拉曼介质的内腔式拉曼激光器种类还很少。另外，已有的气体拉曼激光器谐振腔中，或者是为了追求较大的激光介质模体积而增大腔内光束半径，因而牺牲了拉曼介质处的激光功率密度；或者是为保证拉曼介质处的激光功率密度而减小腔内光束半径，因而减小了激光模体积，不利于激光介质的充分利用。另外，激光谐振腔的稳定性也会影响拉曼激光输出效果。

发明内容

针对采用气体拉曼介质的拉曼激光器的上述问题，为降低气体拉曼转化阈值，提出了一种可以既保证基频激光介质模体积，同时又能在拉曼介质处获得小光斑半径的近共心双凹稳定腔气体拉曼激光器。

一种近共心稳定腔气体拉曼激光器，包括光腔，光腔包括两个左右相向设置的基频激光的凹面全反镜，两个基频全反镜之间依次设置有基频激光介质，基频激光调Q单元，对基频光高透射、拉曼光全反射的二相色镜和气体拉曼池；右侧凹面基频激光全反镜对拉曼光透过率为T，基频激光介质的上下两端对称设置有两个基频激光泵浦源，二相色镜上端置有拉曼光全反射镜。

基频激光介质、基频激光调Q单元、二相色镜、气体拉曼池都在两个凹面全反镜中心的连线上排布。

该拉曼激光器采用的气体拉曼介质置于密闭拉曼池中，拉曼池的两端置有镀制基频光和拉曼光高透膜的光窗，光窗中心处于两个凹面全反镜中心的连线上；气体拉曼介质的激光损伤阈值大固体或液体拉曼介质，可以实现大能量，高光学均匀度的拉曼激光输出。

基频激光的束腰位置在拉曼池内，因此拉曼池内的基频激光束腰小，功率密度大，有利于提高拉曼转化效率；激光介质处基频光的光束半径大，可以充分利用激光介质。

两个凹面腔镜之间的距离L稍小于两腔镜曲率半径R1、R2之和，因此该谐振腔满足稳定腔条件，且其束腰半径非常小,功率密度大，可以有效降低拉曼转化阈值。