基于BaTeMo₂O₉晶體的全固態(tài)拉曼激光器的制作方法

專利名稱：基于BaTeMo₂O₉晶體的全固態(tài)拉曼激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種米用BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器,屬于全固態(tài)激光器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用晶體的非線性光學(xué)變頻效應(yīng)是獲得新激光波長的重要方法，因此成為光學(xué)領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。受激拉曼散射(SRS)屬于三階非線性光學(xué)效應(yīng)，是較早被發(fā)現(xiàn)的非線性光學(xué)現(xiàn)象之一。以SRS效應(yīng)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的激光頻率轉(zhuǎn)化具有高功率、高轉(zhuǎn)換效率、波長選擇范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。覆蓋真空紫外到近紅外波長范圍使其在海底通訊、大氣監(jiān)測(cè)、激光雷達(dá)、環(huán)境監(jiān)控、光刻技術(shù)、激光掃描、激光清潔等領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用。1963年，晶體中的SRS效應(yīng)首次在鉆石、冰洲石和硫中發(fā)現(xiàn)。(G. Eckhaidt,D. P. Bortfeld, and M. Geller, AppI. Phys. Lett.，3,137,1963. ) 1977 年 Ammann 等人用 Nd3+ 激光器泵浦LiIO3得到77%的轉(zhuǎn)換效率后，晶體中的SRS效應(yīng)開始受到人們的廣泛關(guān)注。(E. O. Ammann and C. D. Decker, J. Appl. Phys. , 48,1973,1977.)隨著高光學(xué)質(zhì)量拉曼晶體的出現(xiàn)，可以通過SRS效應(yīng)獲得一般固體激光器不能得到的波長。與氣體和液體拉曼介質(zhì)相比，固體拉曼介質(zhì)具有增益高、熱傳導(dǎo)性好、機(jī)械特性好、易于和全固態(tài)激光技術(shù)相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。以晶體作為拉曼介質(zhì)的固體拉曼激光器結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、穩(wěn)定性好，在信息、交通、測(cè)量、醫(yī)療、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。例如利用拉曼介質(zhì)對(duì)Nd3+的1064nm和1340nm激光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，可以分別獲得IlOOnm和1500nm的紅外光譜，其中，1500nm波段的光由于視網(wǎng)膜吸收少，被稱為人眼安全激光，在激光雷達(dá)和自由空間通訊中具有重要的應(yīng)用。(Y. F. Chen, Opt. Lett. , 29, 2172, 2004.)固體拉曼激光器另一個(gè)重要的應(yīng)用是可以得到黃橙波段的激光，由于目前無法通過激活離子直接躍遷產(chǎn)生黃光，因此，黃光波段的激光比產(chǎn)生其他波段的可見光要困難。利用1064nm調(diào)Q激光作為泵浦源，通過SRS產(chǎn)生一階Stokes激光,再通過倍頻可以得到黃橙波段的激光。(H. M. Pask and J. A. Piper, Opt.Commun，148，285，1998.)或者可以直接以532nm綠光作為泵浦原，通過SRS效應(yīng)獲得黃橙波段的激光。(R. P. Mildren, M. Convery, H. M. Pask, and J. A. Piper, Opt. Express, 12, 785,2004.)該波段在醫(yī)學(xué)、雷達(dá)、光譜學(xué)、測(cè)海學(xué)、信息存儲(chǔ)和激光導(dǎo)航中具有重要的應(yīng)用。正是由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，近幾年固體拉曼介質(zhì)及固體拉曼激光器已成為激光材料和器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。拉曼晶體是固體拉曼激光的基礎(chǔ)材料。理想的拉曼晶體具有以下性質(zhì)具有高的拉曼增益系數(shù)，高的熱導(dǎo)率，高的損傷閾值，易于生長出大尺寸、高質(zhì)量的單晶，具有寬的透光波段，穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，優(yōu)異的機(jī)械性能等。拉曼晶體的性能主要由原子團(tuán)的性質(zhì)決定，對(duì)于不同的原子團(tuán)，如[WO4]，[NO3]，[VO4]等，內(nèi)部振動(dòng)頻率不同、拉曼線寬、散射截面也都不相同。堿土金屬對(duì)這類晶體的拉曼性能也有影響。鑰酸碲鋇BaTeMo2O9屬于單斜晶系，空間群為P2i，晶胞參數(shù)為a = 5. 5407A,b = 7. 466lA，c = 8.8448 Α, β = 90.841°，Ζ = 2。由休斯敦大學(xué)H. S. Ra 等于 2003 年首次合成，并由山東大學(xué)晶體材料研究所張衛(wèi)國等采用助熔劑法首次生長出大尺寸單晶，并對(duì)其性能進(jìn)行了表征(Ra H. S. ,Ok K. M. , and Halasyamani P. S. , J. Am. Chem. Soc. 125,7764，2003 ；Zhang ff. , Tao X. , Zhang C. , Gao Z. , Zhang Y. ,Yu ff. , Cheng X. , Liu X. , and JiangΜ.，Cryst. Growth Des. ,8,304,2008.)。晶體表現(xiàn)出高的損傷閾值、寬的透光波段，適中的機(jī)械性能、穩(wěn)定的物理化學(xué)穩(wěn)定性。作為一種四元鑰酸鹽化合物，目前尚未有此晶體拉曼性能極其拉曼激光方面的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)BaTeMo2O9晶體在全固態(tài)拉曼激光器應(yīng)用方面存在的不足，提供一種 以BaTeMo2O9晶體為基質(zhì)，通過腔外諧振實(shí)現(xiàn)此晶體各階受激拉曼激光輸出，結(jié)構(gòu)簡單、高效、穩(wěn)定的基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器。本發(fā)明的基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器,米用以下技術(shù)方案該全固態(tài)拉曼激光器，包括激光泵浦光源、光闌、格蘭棱鏡和諧振腔，激光泵浦光源、光闌、格蘭棱鏡和諧振腔依次排列在一起，諧振腔包括輸入鏡、BaTeMo2O9晶體、輸出鏡和濾波片，BaTeMo2O9晶體設(shè)置在輸入鏡與輸出鏡之間，濾波片設(shè)置在輸出鏡的外側(cè)；激光泵浦光源經(jīng)過光闌將光斑大小調(diào)整為2_，通過格蘭棱鏡的偏振態(tài)變?yōu)樗狡?，?jīng)過輸入鏡進(jìn)入諧振腔，在BaTeMo2O9晶體中發(fā)生受激拉曼散射，其中激光泵浦光源被輸出鏡高反(高度反射)，再次通過BaTeMo2O9晶體時(shí)實(shí)現(xiàn)雙程拉曼泵浦，產(chǎn)生的拉曼光被輸入鏡高反，雙程泵浦所產(chǎn)生的拉曼光經(jīng)過腔鏡輸出鏡部分透過，實(shí)現(xiàn)一階拉曼激光輸出、二階拉曼激光輸出、三階拉曼激光輸出或一階和二階拉曼激光的同時(shí)輸出，不同階數(shù)的拉曼激光輸出是通過根據(jù)激光泵浦光源波長和輸出的拉曼激光波長對(duì)輸入鏡和輸出鏡進(jìn)行鍍膜實(shí)現(xiàn)的。激光泵浦光源為BaTeMo2O9晶體透光波段內(nèi)的波長為500nm-5000nm的激光，中心波長為1064nm。BaTeMo2O9晶體按照光學(xué)Z軸加工。實(shí)現(xiàn)一階拉曼激光輸出時(shí)對(duì)輸入鏡和輸出鏡的鍍膜是輸入鏡的前端面鍍1064nm的增透膜,后端面鍍1064nm增透膜和1120_1185nm高反膜；輸出鏡為一階斯托克斯激光的輸出鏡，對(duì)1178nm部分透過，透過率為30-70% ;輸入鏡和輸出鏡都鍍有1320nm增透膜。實(shí)現(xiàn)二階拉曼激光輸出時(shí)對(duì)輸入鏡和輸出鏡的鍍膜是輸入鏡的前端面鍍1064nm增透膜，后端面鍍1064nm增透膜以及1178nm和1320nm高反膜；輸出鏡5鍍1500nm增透膜以及1064nm和1178nm高反膜，部分透過1320nm，透過率30-70 %。實(shí)現(xiàn)三階拉曼激光輸出時(shí)對(duì)輸入鏡和輸出鏡的鍍膜是輸入鏡的前端面鍍1064nm增透膜，后端面鍍1064nm增透膜以及1178nm、1320nm和1500nm高反膜；輸出鏡鍍1500nm增透膜以及1064nm、1178nm、1320nm高反膜,部分透過1500nm,透過率30-70%。實(shí)現(xiàn)一階和二階拉曼激光同時(shí)輸出時(shí)對(duì)輸入鏡和輸出鏡的鍍膜是輸入鏡的前端面鍍1064nm增透膜，后端面鍍1064nm增透膜以及1178nm和1320nm高反膜，輸出鏡鍍1064nm高反膜，部分透過1178nm和1320nm，透過率30-70%。本發(fā)明采用BaTeMo2O9晶體,在充分研究該晶體自發(fā)拉曼光譜的基礎(chǔ)上,選擇最佳的拉曼頻移，使用調(diào)Q的1064nm脈沖激光器，以腔外諧振的方式成功的產(chǎn)生了高效(48%的轉(zhuǎn)換效率)、穩(wěn)定的一階(1178nm)、二階(1320nm)和三階(1500nm)的拉曼激光輸出，甚至同時(shí)實(shí)現(xiàn)一階和二階拉曼激光多波長的輸出，具有結(jié)構(gòu)簡單、高效、穩(wěn)定的特點(diǎn)，產(chǎn)生的寬波段、高效拉曼激光在海底通訊、大氣監(jiān)測(cè)、激光雷達(dá)、環(huán)境監(jiān)控、光刻技術(shù)、激光掃描、激光清潔等領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用。


圖I是BaTeMo2O9晶體Z方向不同配置條件下的自發(fā)拉曼光譜圖。圖2是本發(fā)明基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器的光路結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、激光泵浦光源,2、光闌,3、格蘭棱鏡,4、輸入鏡,5、輸出鏡,6、濾波片,7、BaTeMo2O9 晶體。
具體實(shí)施例方式如圖I所示,本發(fā)明所涉及的BaTeMo2O9晶體在532nm激光照射條件下，自發(fā)拉曼光譜中顯示出一個(gè)很強(qiáng)的拉曼頻移(921CHT1)，并且具有較窄的半峰寬(5.6CHT1)，利用此拉曼頻移，在合適的激光泵浦條件下，實(shí)現(xiàn)一階、二階、三階甚至更高階的斯托克斯拉曼激光頻移。通過根據(jù)激光泵浦光源波長和設(shè)計(jì)輸出的拉曼激光波長對(duì)諧振腔的輸入鏡和輸出鏡進(jìn)行鍍膜實(shí)現(xiàn)一階、二階甚至三階的拉曼激光輸出，甚至同時(shí)實(shí)現(xiàn)一階和二階拉曼激光多波長的輸出。實(shí)施例I圖2給出了本發(fā)明基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器的光路結(jié)構(gòu),包括激光泵浦光源I、光闌2、格蘭棱鏡3和諧振腔，激光泵浦光源I、光闌2、格蘭棱鏡3和諧振腔依次排列在一起，諧振腔包括輸入鏡4、BaTeMo209晶體7、輸出鏡5和濾波片6，BaTeMo2O9晶體7設(shè)置在輸入鏡4與輸出鏡5之間,濾波片6設(shè)置在輸出鏡5的外側(cè)。激光泵浦光源I的中心波長為1064nm，可進(jìn)行電光調(diào)Q，并且可以采用Nd3+YAG,Nd3+GGG等電光、聲光調(diào)Q激光器。同樣，在BaTeMo2O9晶體透光波段內(nèi)的500nm-5000nm的其它波段的激光泵浦光源也可以替代1064nm光源，并產(chǎn)生相應(yīng)的拉曼激光。本實(shí)施例中的激光泵浦光源I采用電光調(diào)Q的Nd = YVO4激光放大系統(tǒng)產(chǎn)生的1064nm泵浦光源。BaTeMo2O9晶體7按照光學(xué)Z軸加工，BaTeMo2O9晶體7的取向和長度可以根據(jù)具體要求進(jìn)行選取，晶體的端面形狀和面積可以根據(jù)光束界面的面積確定。本實(shí)施例中的尺寸為 5X5X35mm3。 本實(shí)施例中，諧振腔的腔長為40mm。輸入鏡4的前端面鍍有1064nm增透膜，后端面鍍有1064nm增透膜和1120_1185nm高反膜。輸出鏡5為一階斯托克斯激光的輸出鏡，對(duì)1178nm部分透過，透過率30-70%。輸入鏡4和輸出鏡5都鍍有1320nm增透膜，來抑制二階斯托克斯激光產(chǎn)生。根據(jù)BaTeMo2O9晶體7的長度諧振腔的腔長和形狀均可進(jìn)行調(diào)節(jié)。在重復(fù)頻率為1Hz、脈寬為10ns、能量為40mJ泵浦條件下，5X5X 35mm3的BaTeMo2O9晶體可以獲得19. 2mJ的1178nm拉曼激光輸出。由電光調(diào)Q的Nd = YVO4激光放大系統(tǒng)產(chǎn)生的1064nm泵浦光源，經(jīng)過光闌2將光斑大小調(diào)整為2mm，通過格蘭棱鏡3的偏振態(tài)變?yōu)樗狡?，?jīng)過高增透1064nm的輸入鏡4進(jìn)入諧振腔，在BaTeMo2O9晶體7中發(fā)生受激拉曼散射，實(shí)現(xiàn)一階斯托克斯頻移。其中泵浦光被輸出鏡5高反，再次通過BaTeMo2O9晶體7時(shí)實(shí)現(xiàn)雙程拉曼泵浦，產(chǎn)生的拉曼光被腔鏡輸入鏡4高反，雙程泵浦所產(chǎn)生的拉曼光經(jīng)過輸出鏡5部分透過，實(shí)現(xiàn)拉曼激光輸出。輸出光經(jīng)過濾波片6后輸出能量用能量計(jì)接收，脈沖波形由光譜儀捕捉。實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例I不同的是，將輸入鏡4和輸出鏡5的鍍膜做以下改變輸入鏡4的前端面鍍1064nm增透膜，后端面鍍1064nm增透膜以及1178nm和1320nm高反膜；輸出鏡5鍍1500nm增透膜以及1064nm和1178nm高反膜，部分透過1320nm，透過率30-70%。激光泵浦光源、諧振腔和晶體取向、長度如實(shí)施例I所示，均可以進(jìn)行相應(yīng)的替換和調(diào)節(jié)。這樣可以實(shí)現(xiàn)二階受激拉曼激光輸出(1320nm)。實(shí)施例3本實(shí)施例與實(shí)施例I不同的是，將輸入鏡4和輸出鏡5的鍍膜做以下改變輸入鏡4的前端面鍍1064nm增透膜，后端面鍍1064nm增透膜以及1178nm、1320nm和1500nm高反膜；輸出鏡5鍍1500nm增透膜以及1064nm、1178nm、1320nm高反膜,部分透過1500nm,透過率30-70%。激光泵浦光源、諧振腔和晶體取向、長度如實(shí)施例I所示，均可以進(jìn)行相應(yīng)的替換和調(diào)節(jié)。這樣可以獲得人眼安全的三階受激拉曼激光輸出(1500nm)。實(shí)施例4本實(shí)施例中，激光泵浦光源、諧振腔和晶體取向 、長度與實(shí)施例I 一樣，與實(shí)施例I不同的是，輸入鏡4的前端面鍍1064nm增透膜，后端面鍍1064nm增透膜以及1178nm和1320nm高反膜，輸出鏡5鍍1064nm高反膜，部分透過1178nm和1320nm，透過率30-70%。這樣可實(shí)現(xiàn)一階和二階拉曼光的同時(shí)輸出。
權(quán)利要求
1.一種基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器,包括激光泵浦光源、光闌、格蘭棱鏡和諧振腔，其特征是激光泵浦光源、光闌、格蘭棱鏡和諧振腔依次排列在一起，諧振腔包括輸入鏡、BaTeMo2O9晶體、輸出鏡和濾波片，BaTeMo2O9晶體設(shè)置在輸入鏡與輸出鏡之間，濾波片設(shè)置在輸出鏡的外側(cè)； 激光泵浦光源經(jīng)過光闌將光斑大小調(diào)整為2_，通過格蘭棱鏡的偏振態(tài)變?yōu)樗狡?，?jīng)過輸入鏡進(jìn)入諧振腔，在BaTeMo2O9晶體中發(fā)生受激拉曼散射，其中激光泵浦光源被輸出鏡高反，再次通過BaTeMo2O9晶體時(shí)實(shí)現(xiàn)雙程拉曼泵浦，產(chǎn)生的拉曼光被輸入鏡高反，雙程泵浦所產(chǎn)生的拉曼光經(jīng)過腔鏡輸出鏡部分透過，實(shí)現(xiàn)一階拉曼激光輸出、二階拉曼激光輸出、三階拉曼激光輸出或一階和二階拉曼激光的同時(shí)輸出，不同階數(shù)的拉曼激光輸出是通過根據(jù)激光泵浦光源波長和輸出的拉曼激光波長對(duì)輸入鏡和輸出鏡進(jìn)行鍍膜實(shí)現(xiàn)的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器，其特征是所述激光泵浦光源為BaTeMo2O9晶體透光波段內(nèi)的波長為500nm-5000nm的激光，中心波長為1064nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器，其特征是所述BaTeMo2O9晶體按照光學(xué)Z軸加工。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器，其特征是實(shí)現(xiàn)一階拉曼激光輸出時(shí)對(duì)輸入鏡和輸出鏡的鍍膜是輸入鏡的前端面鍍1064nm的增透膜，后端面鍍1064nm增透膜和1120_1185nm高反膜；輸出鏡為一階斯托克斯激光的輸出鏡，對(duì)1178nm部分透過，透過率為30-70% ;輸入鏡和輸出鏡都鍍有1320nm增透膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器，其特征是實(shí)現(xiàn)二階拉曼激光輸出時(shí)對(duì)輸入鏡和輸出鏡的鍍膜是輸入鏡的前端面鍍1064nm增透膜，后端面鍍1064nm增透膜以及1178nm和1320nm高反膜；輸出鏡5鍍1500nm增透膜以及1064nm和1178nm高反膜，部分透過1320nm，透過率30-70%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器，其特征是實(shí)現(xiàn)三階拉曼激光輸出時(shí)對(duì)輸入鏡和輸出鏡的鍍膜是輸入鏡的前端面鍍1064nm增透膜，后端面鍍1064nm增透膜以及1178nm、1320nm和1500nm高反膜；輸出鏡鍍1500nm增透膜以及1064nm、1178nm、1320nm 高反膜，部分透過 1500nm,透過率 30-70%。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器，其特征是實(shí)現(xiàn)一階和二階拉曼激光同時(shí)輸出時(shí)對(duì)輸入鏡和輸出鏡的鍍膜是輸入鏡的前端面鍍1064nm增透膜，后端面鍍1064nm增透膜以及1178nm和1320nm高反膜，輸出鏡鍍1064nm高反膜，部分透過1178nm和1320nm，透過率30-70 %。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于BaTeMo2O9晶體的全固態(tài)拉曼激光器，包括激光泵浦光源、光闌、格蘭棱鏡和諧振腔，激光泵浦光源、光闌、格蘭棱鏡和諧振腔依次排列在一起，諧振腔包括輸入鏡、BaTeMo2O9晶體、輸出鏡和濾波片，BaTeMo2O9晶體設(shè)置在輸入鏡與輸出鏡之間，濾波片設(shè)置在輸出鏡的外側(cè)。本發(fā)明采用BaTeMo2O9晶體，在充分研究該晶體自發(fā)拉曼光譜的基礎(chǔ)上，選擇最佳的拉曼頻移，使用調(diào)Q的1064nm脈沖激光器，以腔外諧振的方式成功的產(chǎn)生了高效、穩(wěn)定的一階、二階和三階的拉曼激光輸出，甚至同時(shí)實(shí)現(xiàn)一階和二階拉曼激光多波長的輸出，具有結(jié)構(gòu)簡單、高效、穩(wěn)定的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S3/16GK102623886SQ20121009974
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者陶緒堂, 高澤亮 申請(qǐng)人:山東大學(xué)