本實用新型涉及激光調(diào)制技術(shù)和激光變頻技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于鍵合晶體的脈沖能量可調(diào)的被動調(diào)Q拉曼激光系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

拉曼移頻技術(shù)是對激光進行波長變換的重要手段，能夠拓展激光的波長范圍，制作更多適合各種應(yīng)用的激光光源。目前，拉曼激光系統(tǒng)主要有連續(xù)輸出，主動調(diào)Q輸出以及被動調(diào)Q輸出三種方式。在連續(xù)輸出方式中拉曼光的瞬態(tài)光強與泵浦瞬態(tài)光強成正比，而連續(xù)工作方式的泵浦光由于沒有像調(diào)Q輸出方式那樣能夠?qū)崿F(xiàn)上能級離子的充分積累，其瞬時光強普遍偏低。因此，為了保證拉曼光的有效產(chǎn)生，系統(tǒng)對諧振腔鏡的鍍膜要求非常高以盡量減少基頻光和拉曼光的往返損耗。盡管連續(xù)輸出方式結(jié)構(gòu)更為簡單，但實現(xiàn)難度卻很大。

而對于調(diào)Q脈沖輸出方式的拉曼激光而言，其在不考慮基頻光能量損耗的情況下，瞬態(tài)的拉曼增益系數(shù)與泵浦脈沖能量成正比，脈沖能量越大，其增益系數(shù)越高。主動調(diào)Q方式(包括聲光調(diào)Q和電光調(diào)Q方式)能夠獲得峰值功率高的脈沖輸出，且脈沖的重復(fù)頻率和脈沖寬度能夠通過Q開關(guān)進行調(diào)節(jié)，但調(diào)Q開關(guān)體積龐大，價格昂貴，并需要外置電源供電。而被動調(diào)Q方式盡管在不需要外置電源的方式下通過插入可飽和吸收體10來獲得Q脈沖輸出，但是其脈沖的重復(fù)頻率和脈沖寬度是固定的(根據(jù)可飽和吸收體10自身的初始透過率決定)，因而無法實現(xiàn)對脈沖能量的調(diào)節(jié)。綜上所述，為了克服被動調(diào)Q方式其脈沖能量無法調(diào)節(jié)的缺點，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，亟待提出一種脈沖能量可調(diào)的被動調(diào)Q拉曼激光系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服被動調(diào)Q拉曼系統(tǒng)無法實現(xiàn)脈沖能量調(diào)節(jié)的缺點，并致力于通過調(diào)節(jié)適合的脈沖能量獲得高效率的拉曼激光輸出，提供了一種基于鍵合晶體的脈沖能量可調(diào)的被動調(diào)Q拉曼激光系統(tǒng)，并提供了一種通過制作特定形狀的可飽和吸收體并對其進行移動，進而在被動調(diào)Q系統(tǒng)中實現(xiàn)對激光脈沖能量的調(diào)節(jié)。

本實用新型的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于鍵合晶體的脈沖能量可調(diào)的被動調(diào)Q拉曼激光系統(tǒng)，包括泵浦光源1、傳輸光纖2、耦合透鏡組4、鍵合晶體6、拉曼晶體7以及由反射腔鏡5和耦合輸出鏡8組成的激光諧振腔；

所述鍵合晶體6包括激光晶體9、可飽和吸收體10和非摻雜晶體11，三者擁有相同的晶體基質(zhì)并依次結(jié)合在一起；

所述反射腔鏡5與所述耦合輸出鏡8平行設(shè)置；

所述鍵合晶體6與所述拉曼晶體7位于同一直線上，并垂直設(shè)置于所述反射腔鏡5與所述耦合輸出鏡8之間；

通過所述泵浦光源1產(chǎn)生泵浦激光，經(jīng)由與其相連的所述傳輸光纖2的光纖輸出接口3輸出，并通過所述耦合透鏡組4經(jīng)所述反射腔鏡5聚焦到鍵合晶體6上，所述鍵合晶體6產(chǎn)生的自發(fā)輻射在所述反射腔鏡5和所述耦合輸出鏡8來回振蕩，形成被動調(diào)Q的基頻激光，基頻激光在所述反射腔鏡5和所述耦合輸出鏡8構(gòu)成的激光諧振腔內(nèi)反復(fù)通過所述拉曼晶體7，不斷轉(zhuǎn)化為拉曼激光，并最終由所述耦合輸出鏡8輸出。

進一步地，所述泵浦光源1或者所述鍵合晶體6支持上下移動，使泵浦光能夠照射到所述鍵合晶體6的不同位置，從而使所產(chǎn)生的基頻激光能夠穿過不同厚度的所述可飽和吸收體10，進而被調(diào)制為不同能量的調(diào)Q脈沖。

進一步地，所述泵浦光源1為半導(dǎo)體光纖激光器，激光輸出后將耦合到所述傳輸光纖2中，并通過光纖輸出接口3進行輸出，所述泵浦光源1的輸出波長根據(jù)泵浦激光晶體的成分進行選擇。

進一步地，所述耦合透鏡組4具有雙面鍍膜，使之能夠?qū)Ρ闷止膺M行增透。

進一步地，所述反射腔鏡5及所述耦合輸出鏡8為平面鏡或者平凹鏡，其兩者距離L1根據(jù)兩者的曲率半徑及鍵合晶體熱透鏡的曲率半徑按ABCD矩陣原理進行計算獲得，保證所述激光諧振腔能夠工作在穩(wěn)定區(qū)域，即符合|A+D|≤1/2的條件。

進一步地，所述反射腔鏡5及所述耦合輸出鏡8均進行光學(xué)鍍膜，所述反射腔鏡5對泵浦光增透，其透射率大于99.9％，對基頻激光及拉曼激光全反，其反射率大于99.9％；

所述耦合輸出鏡8對基頻激光全反，其反射率大于99.9％，對拉曼激光則為部分反射。

進一步地，所述激光晶體9、所述可飽和吸收體10和所述非摻雜晶體11依次由熱鍵合技術(shù)結(jié)合在一起形成所述所述鍵合晶體6；

所述鍵合晶體6的兩端面進行鍍膜，保證所述鍵合晶體6對基頻激光和拉曼激光高透，其透射率大于99.9％。

進一步地，所述激光晶體9為摻雜稀土元素的晶體，所述可飽和吸收體10為摻雜鉻(Cr)或者釩(V)的晶體，所述非摻雜晶體11為與所述激光晶體9和所述可飽和吸收體10基質(zhì)相同的晶體。

進一步地，所述拉曼晶體7是擁有拉曼效應(yīng)的晶體，其兩端面進行鍍膜，保證所述拉曼晶體7對基頻激光和拉曼激光高透，其透射率均大于99.9％。

進一步地，所述可飽和吸收體10為從上至下厚度緩慢變化的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)選為梯形、倒三角形或者直角三角形。

本實用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

1、本實用新型能夠在被動調(diào)Q的激光系統(tǒng)中實現(xiàn)對輸出的激光脈沖能量的調(diào)節(jié)，克服了過往被動調(diào)Q系統(tǒng)無法進行調(diào)節(jié)的缺點。

2、本實用新型能夠通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的脈沖能量，選擇出效率最高的拉曼激光輸出所對應(yīng)的激光脈沖能量，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。

3、本實用新型擁有被動調(diào)Q拉曼激光系統(tǒng)建構(gòu)緊湊、系統(tǒng)穩(wěn)定、造價低廉等突出優(yōu)點，又同時具備脈沖能量可調(diào)節(jié)的特殊優(yōu)勢，能夠很好的替代價格昂貴、系統(tǒng)復(fù)雜龐大的主動調(diào)Q拉曼激光系統(tǒng)。

4、本實用新型采用三段鍵合的形式進一步優(yōu)化了激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并采用非摻雜晶體11來對熱量較大的可飽和吸收體10進行散熱，提高了系統(tǒng)的性能。

附圖說明

圖1是本實用新型中公開的一種基于鍵合晶體的脈沖能量可調(diào)的被動調(diào)Q拉曼激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型系統(tǒng)中鍵合晶體結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本實用新型系統(tǒng)中可飽和吸收體10可采用的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實用新型系統(tǒng)中所采用的激光諧振腔結(jié)構(gòu)圖；

圖5是本實用新型系統(tǒng)中所采用的鍵合晶體以及其調(diào)節(jié)脈沖能量的原理的示意圖；

圖6是本實用新型系統(tǒng)中測量的輸出激光光譜曲線圖；

圖7是本實用新型系統(tǒng)輸出的拉曼激光功率與泵浦功率的關(guān)系圖；

圖8是本實用新型系統(tǒng)輸出光的拉曼波長的示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本實用新型進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

實施例一

如圖1所示，本實施例中一種基于鍵合晶體的脈沖能量可調(diào)的被動調(diào)Q拉曼激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括泵浦光源1、傳輸光纖2、光纖輸出接口3、耦合透鏡組4、由反射腔鏡5和耦合輸出鏡8組成的激光諧振腔、拉曼晶體7以及由激光晶體9、可飽和吸收體10和非摻雜晶體11組成的鍵合晶體6；

所述激光晶體9、所述可飽和吸收體10和所述非摻雜晶體11依次由熱鍵合技術(shù)結(jié)合在一起形成所述所述鍵合晶體6。

所述反射腔鏡5與所述耦合輸出鏡8平行設(shè)置；

所述鍵合晶體6與所述拉曼晶體7位于同一直線上，并垂直設(shè)置于所述反射腔鏡5與所述耦合輸出鏡8之間，保證腔內(nèi)諧振的激光能夠垂直穿過這些器件的表面進行傳播。

所述鍵合晶體6位于反射腔鏡5之后，位于拉曼晶體7之前。

所述拉曼晶體7位于鍵合晶體6之后，位于耦合輸出鏡8之前。

通過所述泵浦光源1產(chǎn)生泵浦激光，經(jīng)由與其相連的所述傳輸光纖2的光纖輸出接口3輸出，并通過所述耦合透鏡組4經(jīng)所述反射腔鏡5聚焦到鍵合晶體6上，所述鍵合晶體6產(chǎn)生的自發(fā)輻射在所述反射腔鏡5和所述耦合輸出鏡8來回振蕩，形成被動調(diào)Q的基頻激光，基頻激光在所述反射腔鏡5和所述耦合輸出鏡8構(gòu)成的激光諧振腔內(nèi)反復(fù)通過所述拉曼晶體7，不斷轉(zhuǎn)化為拉曼激光，并最終由所述耦合輸出鏡8輸出。

具體應(yīng)用中，所述泵浦光源1或者所述鍵合晶體6支持上下移動，使泵浦光能夠照射到所述鍵合晶體6的不同位置，從而使所產(chǎn)生的基頻激光能夠穿過不同厚度的所述可飽和吸收體10，進而被調(diào)制為不同能量的調(diào)Q脈沖。

具體應(yīng)用中，所述泵浦光源1為半導(dǎo)體光纖激光器，激光輸出后將耦合到所述傳輸光纖2中，并通過光纖輸出接口3進行輸出，所述泵浦光源1的輸出波長根據(jù)泵浦激光晶體的成分進行選擇，要求選擇跟激光晶體吸收波段匹配的泵浦源對其進行激發(fā)。

具體應(yīng)用中，從光纖輸出接口3輸出的泵浦光需要經(jīng)過耦合透鏡組4，使之能夠聚焦到鍵合晶體6上。所述耦合透鏡組4雙面鍍膜，使之能夠?qū)Ρ闷止膺M行增透。

具體應(yīng)用中，所述反射腔鏡5及所述耦合輸出鏡8為平面鏡或者平凹鏡，其兩者距離L1根據(jù)兩者的曲率半徑及鍵合晶體熱透鏡的曲率半徑按ABCD矩陣原理進行計算獲得，保證所述激光諧振腔能夠工作在穩(wěn)定區(qū)域，即符合|A+D|≤1/2的條件。

具體應(yīng)用中，所述反射腔鏡5及所述耦合輸出鏡8均進行光學(xué)鍍膜，所述反射腔鏡5對泵浦光增透，其透射率大于99.9％，對基頻激光及拉曼激光全反，其反射率大于99.9％；

所述耦合輸出鏡8對基頻激光全反，其反射率大于99.9％，對拉曼激光則為部分反射。

具體應(yīng)用中，所述激光晶體9、所述可飽和吸收體10和所述非摻雜晶體11依次由熱鍵合技術(shù)結(jié)合在一起形成所述所述鍵合晶體6；

所述鍵合晶體6的兩端面進行鍍膜，保證所述鍵合晶體6對基頻激光和拉曼激光高透，其透射率大于99.9％。

具體應(yīng)用中，所述激光晶體9為摻雜稀土元素的晶體，所述可飽和吸收體10為摻雜鉻(Cr)或者釩(V)的晶體，所述非摻雜晶體11為與所述激光晶體9和所述可飽和吸收體10基質(zhì)相同的晶體。

具體應(yīng)用中，所述拉曼晶體7是擁有拉曼效應(yīng)的晶體，其兩端面進行鍍膜，保證所述拉曼晶體7對基頻激光和拉曼激光高透，其透射率均大于99.9％。

具體應(yīng)用中，所述可飽和吸收體10為從上至下厚度緩慢變化的結(jié)構(gòu)，可以是梯形12、倒三角形13以及直角三角形14等。

鍵合晶體6中的可飽和吸收體采用這些從上至下厚度緩慢變化的結(jié)構(gòu)可以在不同的位置獲得不同的初始透過率，當激光往返于不同的上下位置時，穿過不同厚度(不同初始透過率)的可飽和吸收體，進而能夠被調(diào)制成不同能量的激光脈沖。

基于所述激光系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光脈沖能量及尋找拉曼輸出對應(yīng)的最佳激光脈沖的方法步驟如下：

S1、選擇基質(zhì)相同的激光晶體、可飽和吸收體以及非摻雜晶體；

S2、將可飽和吸收體加工成上下厚度緩慢變化的形狀；

S3、將激光晶體、可飽和吸收體以及非摻雜晶體通過熱鍵合技術(shù)鍵合到一起；

S4、根據(jù)激光晶體的摻雜成分選擇半導(dǎo)體激光泵浦光源；

S5、根據(jù)泵浦源光纖輸出端的光斑尺寸選擇耦合透鏡組；

S6、根據(jù)激光晶體確定輸出的基頻激光的波長；

S7、根據(jù)輸出基頻激光的輸出波長，確定對其透射率較大，拉曼效應(yīng)較強的晶體作為拉曼晶體；

S8、根據(jù)激光晶體和拉曼晶體，確定輸出的基頻激光和拉曼激光的波長；

S9、根據(jù)基頻激光和拉曼激光的波長，對鍵合晶體以及拉曼晶體進行光學(xué)鍍膜處理；

S10、測量鍵合晶體的熱透鏡，并根據(jù)鍵合晶體、拉曼晶體的長度等參數(shù)，通過ABCD矩陣原理對反射腔鏡、耦合輸出鏡進行選擇，并確定諧振腔長度；

S11、選擇合適的反射腔鏡和耦合輸出鏡的曲率半徑，并選擇適當?shù)闹C振腔長度，保證激光能夠運行在穩(wěn)定區(qū)域，即符合|A+D|≤1/2的條件；

S12、根據(jù)基頻激光和拉曼激光波長，對反射腔鏡和耦合輸出鏡進行光學(xué)鍍膜；

S13、根據(jù)所選擇的鍵合晶體、拉曼晶體、反射腔鏡、耦合輸出鏡以及確定的諧振腔長度進行諧振腔搭建，確保激光傳輸方向與鍵合晶體、拉曼晶體、反射腔鏡和耦合輸出鏡的各個端面保持垂直；

S14、打開半導(dǎo)體激光泵浦源，調(diào)節(jié)其輸出功率，使激光系統(tǒng)超過運行閾值，輸出激光脈沖；

S15、調(diào)節(jié)泵浦源光纖輸出接頭上下移動或者調(diào)節(jié)鍵合晶體上下移動，由于激發(fā)光照射到晶體不同的位置，其激發(fā)出來的激光會穿過可飽和吸收體不同的位置，再由于可飽和吸收體的不同位置對應(yīng)著不同的厚度，因此激光穿過不同的厚度時，其產(chǎn)生的調(diào)Q脈沖擁有不同的能量，因而可以實現(xiàn)在被動調(diào)Q系統(tǒng)中對脈沖能量進行調(diào)節(jié)；

S16、基頻激光脈沖能量不同，其通過拉曼晶體產(chǎn)生拉曼激光的效率也不同。在泵浦光功率不變的情況下，通過調(diào)節(jié)泵浦源光纖輸出接頭上下移動或者調(diào)節(jié)鍵合晶體上下移動，測量輸出的拉曼激光的輸出功率的變化，從而找到最大輸出功率所對應(yīng)的狀態(tài)，從而實現(xiàn)拉曼激光的最優(yōu)化輸出。

實施例二

本實施例中一種基于鍵合晶體的脈沖能量可調(diào)的被動調(diào)Q拉曼激光系統(tǒng)由泵浦光源1、傳輸光纖2、光纖輸出接口3、耦合透鏡組4、反射腔鏡5、鍵合晶體6、拉曼晶體7及耦合輸出鏡8組成。

本實施案例中使用輸出波長為808nm的半導(dǎo)體光纖激光器作為泵浦光源1，其輸出光纖的芯徑為100μm，最高輸出功率為30W。配合1:5的耦合透鏡組4(分別由一個50mm和250mm曲率半徑的凸透鏡組成)，耦合透鏡組4將泵浦光源1的輸出光聚焦到鍵合晶體6上。

本實施案例中反射腔鏡5和耦合輸出鏡8均采用曲率半徑為300mm的平凹鏡，且設(shè)定兩鏡子的距離(即諧振腔長度)為85mm。反射腔鏡5對泵浦光高透(透射率大于99.9％)，對基頻激光和拉曼激光全反(反射率大于99.9％)；耦合輸出鏡8則對基頻光全反(反射率大于99.9％)，對拉曼激光反射率分別為85％及70％兩種，如圖4所示。

本實施案例設(shè)置鍵合晶體6為Nd:YAG/Cr:YAG/YAG形式，總長度為20mm，其中Nd:YAG晶體的最長邊長度為16mm，摻雜濃度1％；Cr:YAG晶體的長度為2mm，其初始透過率為95％，其形狀為倒立的直角三角體；YAG長度為2mm，三者最大橫截面均為4mm*4mm如圖5所示，且本實施案例設(shè)定拉曼晶體7為無摻雜的YVO₄晶體，其長度為30mm。鍵合晶體與拉曼晶體均鍍光學(xué)薄膜，使其對1064nm的基頻激光以及1176nm拉曼光增透。

本實施案例設(shè)置鍵合晶體6前端面與反射腔鏡5的距離為10mm，其后端面與拉曼晶體7距離為10mm，而拉曼晶體7后端面與耦合輸出鏡8的距離為15mm?？傮w布局如圖4所示，經(jīng)測量，鍵合晶體在泵浦功率為10W時，其熱透鏡焦距為500mm，因此，綜上所述，激光諧振腔內(nèi)基模激光在光輸出方向(Z軸)上其光斑變化情況如圖6所示。整個光束的束腰位置位于離反射腔鏡5的距離為55mm，即束腰位置在拉曼晶體中心位置，這種諧振腔設(shè)計有利于在拉曼晶體處產(chǎn)生高功率密度的基頻激光，增強其拉曼輸出效率。

所述系統(tǒng)的運行機制如下：當開啟泵浦光源后，逐漸調(diào)高其輸出功率，使得在激光晶體9中產(chǎn)生越來越強的受激輻射，受激輻射在激光諧振腔內(nèi)往返并不斷增大。由于激發(fā)光鏡耦合透鏡聚焦到激光晶體9后其光斑大小僅為500μm，即能產(chǎn)生的受激輻射光尺寸將不會超過泵浦光的尺寸，對于激光晶體4mm*4mm的橫截面來說，僅在某一個位置產(chǎn)生了強的受激輻射，如圖5所示，而產(chǎn)生在某一位置的受激輻射在每次往返時都通過特定厚度的可飽和吸收體10。在受激輻射還較弱的時候，可飽和吸收體10的透過率較低，激光系統(tǒng)的閾值很高，在這過程中激光晶體9由于仍未激發(fā)出激光，而又受到泵浦激勵，激光晶體9能夠積累很多的上能級粒子，而當受激輻射足夠強的時候，可飽和吸收體10對基頻激光透明，閾值一下子降低，使得大量的上能級粒子躍遷返回基態(tài)進而發(fā)出一個激光脈沖。在不同位置激發(fā)出受激輻射，其往返時通過的可飽和吸收體10的厚度不一樣，因此其對應(yīng)的閾值和可飽和吸收體10的初始透過率不一樣，導(dǎo)致上能級積累粒子的時間不一樣，因此，最后輸出的脈沖其能量也就不一樣，如圖5右圖曲線所示。綜上所述，在開啟泵浦后，調(diào)節(jié)泵浦使其超過某一閾值產(chǎn)生脈沖激光輸出后，可以通過調(diào)節(jié)泵浦光或者鍵合晶體的上下移動，可以實現(xiàn)對輸出激光脈沖能量的調(diào)節(jié)。而又由于激光脈沖的能量和峰值功率與拉曼激光的輸出效率密切相關(guān)，調(diào)節(jié)泵浦光源1或者鍵合晶體6到某一特定位置將能夠獲得最優(yōu)的拉曼激光輸出。

在按所述的方法進行系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，在最優(yōu)的狀態(tài)下本實施案例系統(tǒng)在分別采用透過率為15％和30％的耦合輸出鏡8時，輸出的拉曼激光功率與泵浦功率的關(guān)系如圖7所示，其輸出光的拉曼波長如圖8所示。在泵浦功率為12W時，能夠獲得輸出平均功率超過1W的拉曼激光輸出。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。