一种基于空心玻璃管且自带种子光的气体受激拉曼放大器

摘要

本发明提供了一种基于空心玻璃管且自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器，包括一台泵浦激光器、一套分光系统、第一个拉曼池、第二个拉曼池、一根空心玻璃管和一组分光棱镜。泵浦光源通过分光系统分成两束泵浦光，其中第一束泵浦光通过第一二相色镜导入第一个拉曼池产生后向拉曼种子光；第二束泵浦光通过光路延迟，与后向拉曼种子光同时到达第二二相色镜并进行合束，然后一起以掠入射方式导入置于第二个拉曼池内的空心玻璃管内进行受激拉曼放大。最后通过分光棱镜组分光得到单一放大拉曼光。实验结果表明，和传统的双级联拉曼池相比，本发明可以获得转换效率更高的受激放大拉曼光。本发明可以广泛应用于军事、医疗、环境监测等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及受激拉曼放大器，特别是一种基于空心玻璃管且自带拉曼种 子光的气体受激拉曼放大器。

背景技术

近年来，随着激光在交通、测量、医疗、国防和工农业等众多应用领域 不断地发展，开发特殊的激光波长已经越来越引起人们的注意。这些特殊的 激光波长可以通过新的激光工作物质产生，也可以通过气体或光学材料（如 晶体等）的非线性光学频率转换产生。在非线性光学领域，受激拉曼散射能 够用来对激光发射波长做特定频率转换（取决于拉曼介质的拉曼振/转动模 频率），达到特定的激光波长输出。因此，受激拉曼散射技术是实现激光波 长变换的重要技术手段。

依据拉曼介质的物质形态不同，拉曼介质可分为固体、液体和气体。固 体拉曼介质一般体积小，拉曼介质浓度高，故其拉曼增益和转化率高。当前 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， 不易实现高能量激光输出。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。相对而言，气体拉曼介质浓度较 低，增益较小，但具有较好的热管理性、较高的损伤阈值（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，因 此也得到了广泛深入的研究。常用的气体拉曼介质有H₂，CH₄，O₂和N₂等。

目前，采用气体介质实现激光受激拉曼转换的经典方法主要是：泵浦激 光器输出的泵浦光经过透镜聚焦，导入充满气体拉曼介质的单程拉曼池内发 生受激拉曼散射过程，产生斯托克斯拉曼光，然后再通过准直透镜、棱镜分 光得到拉曼放大光。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；也就是说，只有在此区域 内才可以发生受激拉曼散射实现对泵浦光的频率转换。因此泵浦光与拉曼介 质的有效相互作用区域很小，难以获得较高的拉曼转化效率。

此外，通常说的受激拉曼阈值是指拉曼振荡池中通过受激拉曼散射来实 现从自发拉曼散射产生的噪声放大到可观测程度时所需要的最小泵浦光强。 经典的单程拉曼池的激光波长转换，是自发拉曼散射为后续的受激拉曼散射 提供了种子光。另外，由于气体介质的粒子浓度小，这就意味着传统的气体 增益系数比较小，受激拉曼散射阈值会比较高。为此，人们提出了一种自带 拉曼种子光的拉曼放大器，则自发拉曼散射的作用可以忽略不计，其受激拉 曼散射过程实际上就不需要阈值。这样一来，解决了气体受激拉曼散射阈值 较高的技术难题，泵浦光和拉曼种子光的有效相互作用区域也所有增大，但 远离焦点处的泵浦光功率密度下降很快，很难继续进行受激拉曼放大过程， 即有效相互作用区域仍然有所限制，因此还是难以获得较高的拉曼转化效 率。

发明内容

本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供了一种基于空心玻 璃管且自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器，能够明显增加泵浦光和拉曼 种子光的有效相互作用长度，并且提高泵浦光的功率密度，显著提高拉曼光 转化效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于空心玻璃管且自带种子光的气体受激拉曼放大器，包括一台 泵浦激光器，一套分光系统，第一个拉曼池，第二个拉曼池，一根空心玻璃 管和一组分光棱镜，其特征在于：泵浦激光器输出的泵浦光通过分光系统分 成两束泵浦光；第一束泵浦光通过第一个拉曼池产生后向斯托克斯光作为拉 曼种子光，后向斯托克斯光作为拉曼种子光和第二束泵浦光同时以掠入射方 式导入置于第二个拉曼池内的空心玻璃管内进行拉曼光受激放大。

其中，第一束泵浦光通过第一二相色镜反射和第一聚焦透镜聚焦导入第 一个拉曼池，随之产生后向斯托克斯拉曼种子光，该拉曼种子光按原光路返 回、依次穿过第一聚焦透镜、第一二相色镜、第二聚焦透镜和第二二相色镜 进入第二个拉曼池内置的空心玻璃管内，作为拉曼种子光；第二束泵浦光先 后通过第一高反镜、第三聚焦透镜和第二高反镜进行光路延迟，作为受激拉 曼放大泵浦光，与后向斯托克斯拉曼种子光同时到达第二二相色镜，然后经 第二二相色镜反射与后向斯托克斯拉曼种子光在空间上达到重合，后一起以 掠入射方式导入置于第二个拉曼池内的空心玻璃管进行受激拉曼放大；最 后，空心玻璃管输出端口的输出光先后通过准直透镜和分光棱镜组，把剩余 的泵浦光P和放大拉曼光S1分开，从而得到单一的放大拉曼光。

其中，所述的拉曼种子光和第二束泵浦光分别通过第二聚焦透镜和第 三聚焦透镜在空间上均聚焦到置于第二个拉曼池内的空心玻璃管的输入端 口。

其中，所述的拉曼种子光和第二束泵浦光分别通过各自光路在时间上 同时到达第二二相色镜上并进行合束。

其中，所述的拉曼种子光为第一束泵浦光在第一个拉曼池内产生的后 向斯托克斯受激拉曼光，其光束质量优于泵浦光。

其中，所述的第一个拉曼池左侧为入射窗口，右侧为出射窗口，两窗 口分别设为第一石英窗口片和第二石英窗口片，经第一聚焦透镜后的第一束 泵浦光先通过第一个拉曼池入射窗口再通过出射窗口透射出去，产生的后向 斯托克斯拉曼种子光按原光路经入射端第一窗口片返回。

其中，所述的第二个拉曼池右侧为入射窗口，左侧为出射窗口，两窗 口分别设为第三石英窗口片和第四石英窗口片，拉曼种子光和第二束泵浦光 在第二二相色镜上合束后的混合光先通过第二个拉曼池入射窗口，一起以掠 入射方式导入置于第二个拉曼池内的空心玻璃管发生受激拉曼放大过程，然 后剩余的泵浦光P和放大拉曼光S1均通过出射窗口透射出去。

其中，所述的分光系统由3个高反镜、2个1/2波片和2个偏振分光片 组成，泵浦光先经过第一1/2波片，通过调节1/2波片光轴的角度连续改变 S和P偏振光光强，再经过第一偏振分光片进行分束，下方透射的光束为第 一束泵浦光，右方反射的光束为第二束泵浦光。

其中，所述的准直透镜的聚焦焦点在置于第二个拉曼池内的空心玻璃 管的输出端口。

其中，所述的第一二相色镜为对拉曼光高透，对泵浦光高反；第二二 相色镜为对拉曼光高透，对泵浦光高反。

对于稳态受激拉曼散射过程，在小信号增益条件下（即可忽略泵浦光强 的损耗），放大拉曼光增长满足：

I_s(z)=I_s(0)exp(gI_pz)

其中：I_s(z)为增长的放大拉曼光强，I_s(0)为最初的拉曼种子光强，g为稳态 增益系数，I_p为泵浦光强，z为拉曼光和泵浦光有效相互作用长度。上式表 明受激拉曼散射过程中，放大拉曼光强与拉曼种子光强成正比，与相互作用 长度z成指数增长关系。

与传统的自带种子光的受激拉曼散射波长变换相比，依据本发明的受激 拉曼放大有如下两个明显优点：

1）、由于第二束泵浦光以掠入射方式导入并被束缚在空心玻璃管内，则 泵浦光在整个空心玻璃管内的功率密度较大，非常有利于进行受激拉曼散射 放大过程。

2）、由于拉曼种子光和第二束泵浦光均被束缚在空心玻璃管内，两束光 的有效相互作用长度（理论上为整个空心玻璃管长度）大大增加，使得泵浦 光容易被大量的消耗，转化为拉曼光，即量子转化效率将大大提高。

附图说明

图1为本发明基于空心玻璃管且自带拉曼种子光的气体受激拉曼放大器 结构示意图。

其中1-泵浦激光器，2-分光系统，3-第一二相色镜，4-第一聚焦透镜， 5-第一石英窗口片，6-第一个拉曼池，7-第二石英窗口片，8-第二聚焦透 镜，9-第一高反镜，10-第三1/2波片，11-第三聚焦透镜，12-第二高反镜， 13-第二二相色镜，14-第三石英窗口片，15、24-充气阀门，16-第二个拉曼 池，17、23-气压表，18-第四石英窗口片，19-空心玻璃管，20、21-空心玻 璃管支架，22-准直透镜，25-分光棱镜组。

图2为受激放大拉曼光的量子转化效率随着第二束泵浦光强变化的曲线 图（本发明的拉曼放大器和传统的双级联拉曼池受激拉曼）

具体实施方式

详见图1所示。由图可见，本发明基于空心玻璃管且自带拉曼种子光的 气体受激拉曼放大器包括：一台泵浦激光器1，一套将泵浦光分为两束的分 光系统2，泵浦光高反且拉曼光高透的第一二相色镜3，第一束泵浦光的第 一聚焦透镜4，第一个拉曼池6及其两端面10毫米厚密封法兰上各设直径 30毫米的第一石英窗口片5、第二石英窗口片7，安装在第一个拉曼池6上 的气压表23及充气阀门24，后向拉曼种子光的第二聚焦透镜8，用于第二 束泵浦光光路延迟的第一高反镜9、第二高反镜12，第三1/2波片10，第二 束泵浦光的第三聚焦透镜11，将拉曼种子光和第二束泵浦光合束的第二二相 色镜13，第二个拉曼池16及其两端面10毫米厚密封法兰上各设直径30毫 米的第三石英窗口片14、第四石英窗口片18，内置于第二个拉曼池内的空 心玻璃管19及其两端支架20和21，安装在第二个拉曼池16上的气压表15 及充气阀门17，输出放大拉曼光的准直透镜22，一组分光棱镜25。其中， 第一个拉曼池6和第二个拉曼池16的主体均是内径26毫米、壁厚3毫米的 不锈钢管，长度分别为300毫米和1200毫米；空心玻璃管19为石英材质， 其内径为1.5毫米，长度为580毫米。

具体地说，泵浦激光器1输出的泵浦光通过分光系统2分成两束泵浦光。 其中第一束泵浦光通过第一二相色镜3（对泵浦光高反，对拉曼光高透）反 射和第一聚焦透镜4（焦距为250毫米）聚焦后经第一个拉曼池6的左侧入 射窗口导入该拉曼池6内，随之产生光束质量较好的后向斯托克斯拉曼种子 光，该拉曼种子光按原光路返回，依次经过第一聚焦透镜4、第一二相色镜 3、第二聚焦透镜8（焦距为1000毫米，焦点在第二个拉曼池16内置的空心 玻璃管19的输入端口）和第二二相色镜13以掠入射方式进入空心玻璃管19 的输入端口，作为拉曼种子光，剩余的第一束泵浦光经第一个拉曼池6的右 侧出射窗口透射出去；第二束泵浦光先后通过第一高反镜9、第二高反镜12 进行光路延迟并经过中间的第三聚焦透镜11（焦距为1000毫米，焦点在空 心玻璃管19的输入端口）聚焦，作为受激拉曼放大泵浦光，与后向拉曼种 子光同时到达第二二相色镜13，然后在空间上进行合束后一并以掠入射方式 导入空心玻璃管19进行受激拉曼放大。最后通过准直透镜22（焦距为300 毫米，焦点在空心玻璃管19的输出端口）和分光棱镜组25把剩余的泵浦光 P和放大拉曼光S1分开，从而得到单一的放大拉曼光。

本发明实施例，采用美国Continuum Nd:YAG激光器基频光1064nm作 为泵浦光，以H₂为受激拉曼散射介质，实现其一阶斯托克斯1900nm拉曼光 种子光的产生及其受激拉曼放大。第一个拉曼池6和第二个拉曼池16均注 入3.5MPa氢气。按照上述的实验步骤进行基于空心玻璃管且自带拉曼种子 光的H₂受激拉曼放大实验。在进行传统的双级联拉曼放大实验时，只需将上 述实验过程中第二个拉曼池内置的空心玻璃管取出，重新充装氢气介质，其 他光路不变。最后对上述两个受激拉曼光出光效率进行比较和分析。

图2绘出了受激放大拉曼光的量子转化效率随着第二束泵浦光光强变化 的两条曲线图，分别对应传统的双级联拉曼放大器和本发明的拉曼放大器。 从图2可以看出：当第二束泵浦光均为63.4mJ时，前者拉曼量子转化效率 为22%，后者量子转化效率为32%，即量子转化效率提高了45%。整体而言， 前者最大拉曼量子转化效率为23%，后者最大量子转化效率为35%，即最大 量子转化效率提高了52%。实验结果表明：与传统的双级联拉曼池受激拉曼 相比，依据本发明的受激拉曼放大效率获得了明显提高。