本发明属于激光领域，具体涉及一种用于产生变频拉曼激光的环形非稳腔气体拉曼激光器。
背景技术：
拉曼活性介质的受激拉曼散射技术是实现激光变频的重要技术手段。气体激光器的固有属性决定了其高功率、高光束质量、高光束均匀性、高损伤阈值的特性，气体为增益介质的拉曼激光器具有相同的优良激光特性。相比其他类型的拉曼激光介质，气体拉曼介质可以实现大拉曼频移和较窄的拉曼线宽。常用的拉曼介质有n2、h2、ch4等，由于气体的浓度一般不高，所以需要较高的泵浦功率密度才能达到阈值。
目前采用气体介质实现拉曼激光的方法一般分为几种：第一种是外腔法，即拉曼介质置于基频光腔外，经过输出耦合镜输出的激光聚焦到拉曼池与池内拉曼活性介质发生受激拉曼散射输出拉曼激光，剩余的基频光可以通过反射镜多次聚焦到拉曼池内相当于增加拉曼介质的增益长度实现高效拉曼光转化。这种方法的问题在于光学设计过于复杂，调节过于繁琐。第二种是内腔法，即激光介质和拉曼介质都放在基频腔内，通过二向色镜对拉曼光进行输出，这种设计基频激光不输出，仅有拉曼激光输出，拉曼转化过程中剩余的泵浦光在腔内继续振荡放大，这种方法基频光的损耗主要是腔内元件损耗、衍射损耗以及转化为拉曼激光的损耗，其优势在于，激光器结构简单，容易调节。
腔内拉曼激光器的腔型设计对于实现高效拉曼转化及其重要。目前高效率的气体拉曼激光器通常为共心腔或非稳腔。共心腔是两腔镜曲率中心重合并且位于拉曼池内，以通过高功率密度的基频泵浦光实现高效率的拉曼光转化。但是共心腔属于临界腔型，腔镜的位置很难准直，特别是当拉曼激光以一定重频运转时，由于存在热效应，两腔镜的曲率中心一定会存在一定程度的错位，这会对拉曼效率产生非常大的影响。相比之下，非稳腔具有相对较高的对准稳定性，较好的光束质量。负支共焦非稳腔由于腔存在的实焦点，一般将拉曼池置于实焦点位置以实现高转化效率。由于负支实共焦非稳腔的腔内激光振荡方式为单次聚焦反射平行，平行光通过拉曼介质由于较低的功率密度一般低于拉曼阈值，经过拉曼介质的净损耗会影响基频光效率。
技术实现要素：
针对采用气体拉曼介质的拉曼激光器的上述问题，为了降低拉曼阈值和提高拉曼转化效率，本发明提出了一种基于环形非稳腔的高效率低阈值气体拉曼激光器，本发明采用的激光谐振腔为环行自成像非稳腔，可以提高气体拉曼激光的光束质量和转化效率。
本发明提供一种基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，包括泵浦源、基频激光平面反射镜1，激光增益介质2，基频激光平面反射镜3，镀有基频光增透膜的凸透镜4，基频激光反射拉曼光增透的平面镜5，拉曼池6，基频激光反射拉曼光增透的平面镜7，镀有基频光增透膜的凸透镜8；基频激光反射拉曼光增透的平面镜是指镀有基频激光反射膜和拉曼激光增透膜的平面镜；
所述泵浦源的泵浦光经过激光增益介质2后，输出的基频激光可沿两个相反的方向传播；
当沿顺时针方向传播时，依次经过基频激光平面反射镜3，镀有基频光增透膜的凸透镜4，基频激光反射拉曼光增透的平面镜5，拉曼池6，基频激光反射拉曼光增透的平面镜7，镀有基频光增透膜的凸透镜8，镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗9和基频激光平面反射镜1后，再次经过激光增益介质2，完成一次传播；
当沿逆时针方向传播时，依次经过基频激光平面反射镜1、镀有基频光增透膜的凸透镜8、基频激光反射拉曼光增透的平面镜7、拉曼池6、基频激光反射拉曼光增透的平面镜5、镀有基频光增透膜的凸透镜4、基频激光平面反射镜3后，再次经过激光增益介质2，完成一次传播；
所述基频激光进入拉曼池后产生的拉曼激光可向两个相反方向传播，分别经过基频激光反射拉曼光增透的平面镜5或基频激光反射拉曼光增透的平面镜7后，拉曼激光透射完成，拉曼激光从两个方向的输出。基频激光平面反射镜1，激光增益介质2，基频激光平面反射镜3，镀有基频光增透膜的凸透镜4，基频激光反射拉曼光增透的平面镜5，拉曼池6，基频激光反射拉曼光增透的平面镜7，镀有基频光增透膜的凸透镜8可以构成所述拉曼激光器的一个环形非稳谐振腔。
基于以上的技术方案，优选的，所述的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器还包括镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗9，所述镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗9设置于基频激光平面反射镜1和镀有基频光增透膜的凸透镜8之间，所述镀有基频光增透膜的的布儒斯特角窗9加入基频腔内的目的是产生具有线偏振的激光，线偏振的基频光可大大减小拉曼光阈值。镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗9可以设置在任意非拉曼激光传输的区域，腔内激光沿顺时针方向依次经过基频激光平面反射镜1，激光增益介质2，基频激光平面反射镜3，镀有基频光增透膜的凸透镜4，基频激光反射拉曼光增透的平面镜5，拉曼池6，基频激光反射拉曼光增透的平面镜7，经过镀有基频光增透膜的凸透镜8和镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗9后，与初始基频激光光束同轴。
基于以上技术方案，优选的，所述镀有基频光增透膜的凸透镜4和镀有基频光增透膜的凸透镜8的位置满足如下条件时，可以满足基频光在腔的传播满足腔内环行一周自成像：
其中，l1、l2、l3分别为空间虚拟像点到镀有基频光增透膜的凸透镜8的光路传播距离、镀有基频光增透膜的凸透镜4和镀有基频光增透膜的凸透镜8间的光路传播距离、镀有基频光增透膜的凸透镜4到空间虚拟像点的光路传播距离，m＝f2/f1，为放大率；所述空间虚拟像点为基频光增透膜的凸透镜4在拉曼池内的焦点。并且镀有基频光增透膜的凸透镜4和镀有基频光增透膜的凸透镜8间的距离l2满足共焦条件：
l2＝f1 f2
其中，f1和f2分别为镀有基频光增透膜的凸透镜4和镀有基频光增透膜的凸透镜8的焦距。
基于以上技术方案，优选的，m为1-3。一般认为，m的选择应接近1，这样会大大提高转化效率，但会导致腔的敏感度升高、调节难度大，具体的应结合实际条件作出选择。
基于以上技术方案，优选的，拉曼池内充装有拉曼介质，所述的镀有基频光增透膜的凸透镜4和镀有基频光增透膜的凸透镜8的焦点位于拉曼池内部，特别地，为了提高拉曼激光转化效率所述的焦点应位于拉曼池的中心。
基于以上技术方案，优选的，所述输出的拉曼激光传输路径上光轴的同轴还设置有拉曼光高反镜10，拉曼光输出耦合镜11；所述拉曼光高反镜10，拉曼光输出耦合镜11设置于环形腔外的拉曼激光传输的路径上，拉曼激光可从基频激光反射拉曼光增透的平面镜5和基频激光反射拉曼光增透的平面镜7透射，所述拉曼光高反镜10设置于基频激光反射拉曼光增透的平面镜5透射的拉曼激光的路径上，则基频激光反射拉曼光增透的平面镜7透射的拉曼激光路径上设置拉曼光输出耦合镜11，相反也可，就是将拉曼光高反镜10，拉曼光输出耦合镜11位置调换，所述的拉曼光高反镜10和拉曼光输出耦合镜11构成拉曼光谐振腔，所述谐振腔长度为所述的拉曼光高反镜10和拉曼光输出耦合镜11曲率半径之和；所述的拉曼光高反镜10和拉曼光输出耦合镜11的反射面共有曲率中心，所述曲率中心与基频光增透膜的凸透镜4在拉曼池内的焦点重合。
基于以上技术方案，优选的，所述基于环形非稳腔的气体拉曼激光器还包括在所述的环形腔中任意非拉曼光传输位置，可依次设置镀有基频光增透膜的起偏器12，法拉第旋光器13，检偏器14，旋光器15和镀有增透膜的标准具16以镀有基频光增透膜的起偏器12为起点，所述法拉第旋光器13，检偏器14，旋光器15和镀有增透膜的标准具16依次沿逆时针方向设置；以保证基频激光经过起偏器12，经过法拉第旋光器13并透过检偏器14、旋光器15，所述镀有基频光增透膜的起偏器12，法拉第旋光器13，检偏器14，旋光器15和镀有增透膜的标准具16设置于任意基频光和拉曼激光不重叠区域。
基于以上技术方案，优选的，所述基于环形非稳腔的气体拉曼激光器还包括两个q晶体；以镀有基频光增透膜的起偏器12为起点，沿逆时针方向，所述两个q晶体设置于所述检偏器14和镀有增透膜的标准具16之间；所述两个q晶体设置于任意基频光和拉曼激光不重叠区域；所述两个q晶体为主动或被动q开关。所述的环形非稳腔的气体拉曼激光器，在其腔内非拉曼光传输路径上同光轴的插入主动或被动q开关，调q产生的脉冲具有较高的峰值功率，能够获得更高的拉曼激光的转化效率。
基于以上技术方案，优选的，所述主动或被动q开关为电光调q元件，声光调q元件，可饱和吸收体等。
有益效果
(1)本发明提供的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，其基频光在腔内以行波形式环行振荡，与非环行负支实共焦非稳腔气体拉曼激光器相比，所述的设计可实现基频激光每次经过所述的拉曼池时，均形成焦点，环形腔满足自成像条件，使腔内焦点置于拉曼池的中心，可以降低拉曼激光的出光阈值提高转化效率，有利于提高功率密度，实现拉曼光转化。
(2)本发明提供的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，通过在腔内合适位置同光轴的插入起偏器，法拉第旋光器，检偏器，旋光器所组成的单向器，并插入标准具，与驻波腔相比可避免由驻波引起的空间烧孔，实现频率稳定的基频光从而提高拉曼激光的光谱转化效率。
(3)本发明提供的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，通过环形腔和非稳腔的结合，兼顾了环形腔激光频率稳定性好，腔内激光不重叠，以及自成像非稳腔光束质量好的优点，实现高效的拉曼激光转化。
(4)本发明提供的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，在腔外沿拉曼光传输路径上光轴的同轴的插入拉曼光高反镜和拉曼光输出耦合镜构成拉曼光谐振腔，可实现更低的阈值和更好的光束质量。在其腔内非拉曼光传输路径上插入两个q晶体，调q产生的脉冲具有较高的峰值功率，能够获得更高的拉曼激光的转化效率。
附图说明
图1为本发明的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器结构示意图；
图2为本发明的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器结构示意图；
图3为本发明的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器结构示意图；
图4为本发明的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器结构示意图；
其中：1、基频激光平面反射镜；2、激光增益介质；3、基频激光平面反射镜；4、镀有基频光增透膜的凸透镜；5、基频激光反射拉曼光增透的平面镜；6、拉曼池；7、基频激光反射拉曼光增透的平面镜；8、镀有基频光增透膜的凸透镜；9、镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗；10、拉曼光高反镜；11、拉曼光输出耦合镜；12、镀有基频光增透膜的起偏器；13、法拉第旋光器；14、检偏器；15、旋光器；16、镀有增透膜的标准具；17、q晶体；18、q晶体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步的详细描述。
实施例1
如图1所示，一种基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，包括基频激光平面反射镜1，激光增益介质2，基频激光平面反射镜3，镀有基频光增透膜的凸透镜4，基频激光反射拉曼光增透的平面镜5，拉曼池6，基频激光反射拉曼光增透的平面镜7，镀有基频光增透膜的凸透镜8，镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗9；腔内激光沿顺时针方向依次经过基频激光平面反射镜1，激光增益介质2，基频激光平面反射镜3，镀有基频光增透膜的凸透镜4，基频激光反射拉曼光增透的平面镜5，拉曼池6，基频激光反射拉曼光增透的平面镜7，经过镀有基频光增透膜的凸透镜8和镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗9后与初始激光光束同轴。
基频光在腔内的传播满足腔内环行一周自成像条件：
其中，l1、l2、l3分别为空间虚拟像点到透镜镀有基频光增透膜的凸透镜8的距离、镀有基频光增透膜的凸透镜4和8间的距离、镀有基频光增透膜的凸透镜4到空间虚拟像点的距离。并且镀有基频光增透膜的凸透镜4和镀有基频光增透膜的凸透镜8间的距离l2满足共焦条件：
l2＝f1 f2
其中，f1和f2分别为镀有基频光增透膜的凸透镜4和镀有基频光增透膜的凸透镜8的焦距。m＝f2/f1(假设f1<f2)为放大率。一般认为，m的选择应接近1，这样会大大提高转化效率，但会导致腔的敏感度升高、调节难度大，具体的应结合实际条件作出选择。
所述的布儒斯特角窗9加入基频腔内的目的是产生具有线偏振的激光，线偏振的基频光可大大减小拉曼光阈值。
拉曼介质充装在所述的拉曼池内部，所述的镀有基频光增透膜的凸透镜4和镀有基频光增透膜的凸透镜8的焦点位于拉曼池内部，特别地，为了提高拉曼激光转化效率所述的焦点应位于拉曼池的中心。
具体的，在激光器工作时，增益介质产生的基频激光沿顺时针或逆时针方向在腔内环形振荡，在形成稳定模式时，增益介质处的激光为平行光，经过镀有基频光增透膜的凸透镜4或8，聚焦至拉曼池6内部，并在拉曼池内部形成焦点，使得焦点焦深附近的基频光功率密度达到受激拉曼转化阈值，随着基频光泵浦功率的提高受激拉曼激光的转化效率逐渐提高，沿水平方向左右输出拉曼激光。
实施例2
如图2所示，在实施例1的基础上，所述的环形非稳腔的气体拉曼激光器在其腔外沿拉曼光传输路径上光轴的同轴的插入拉曼光高反镜10，拉曼光输出耦合镜11，所述的拉曼光高反镜10和拉曼光输出耦合镜11其反射面为带有曲率的，且共有曲率中心，并且曲率中心与腔内焦点重合。所述的拉曼光高反镜10和拉曼光输出耦合镜11构成拉曼光谐振腔，谐振腔长度为所述的拉曼光高反镜10和拉曼光输出耦合镜11曲率半径之和。具体的，当激光器工作时在腔内焦点以及焦深附近的基频光功率密度达到拉曼光产生的阈值，拉曼光透过所述的基频激光反射拉曼光增透的平面镜5或7后，经所述的拉曼光高反镜10或拉曼光输出耦合镜11反射回腔内，由于腔内焦点位置与所述的拉曼光高反镜10或拉曼光输出耦合镜11的曲率中心重合，所述的被反射的拉曼光会再次回到焦点，并作为种子光得到放大从而提高拉曼光的转化效率。
实施例3
在实施例1和实施例2中，激光在谐振腔内会以行波形式同时顺时针和逆时针传播，其中光束尺寸被不断放大的为正向波，另一是被不断缩小为倒向波，倒向波的存在会导致腔内可能存在驻波，最重要的是它会产生拉曼光，但是这部分拉曼光是无法利用的，会降低拉曼转化效率。所以，，如图3所示，在实施例2的基础上，去掉镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗9，所述的环形非稳腔的气体拉曼激光器，在其腔内非拉曼光传输路径上任意空间同光轴的依次插入镀有基频光增透膜的起偏器12，法拉第旋光器13，检偏器14，旋光器15，以保证基频激光经过起偏器12，经过法拉第旋光器13并透过检偏器14、旋光器15，使逆时针行进的基频光建立振荡，而逆向行进的基频激光受到损耗不起振。同时在任意基频光和拉曼光不重叠区域插入镀有增透膜的标准具16，通过设计标准具的厚度，实现窄线宽的基频激光输出，提高拉曼激光的光谱强度的转化效率。
实施例4
如图4所示，在实施例3的基础上，所述的环形非稳腔的气体拉曼激光器，在其腔内非拉曼光传输路径上任意空间同光轴的依次插入镀有基频光增透膜的q晶体17、18。所述的q晶体17、18完全一致。当激光器工作时，若所述的q晶体17、18两端施加半波电压，线偏振光依次经过所述的q晶体17、18，x与y方向的相位会连续延迟π，经过施加电压了半波电压的所述的q晶体17、18后的激光的偏振方向正好与原偏振方向垂直。继续传播至所述的镀有基频光增透膜的起偏器12时，会受到损耗，此时腔内q值为低；若所述的q晶体17、18两端去掉半波电压，线偏振光依次经过所述的q晶体17、18不会受到调制，其偏振维持不变，继续沿逆时针传播至所述的镀有基频光增透膜的起偏器12时，不会受到损耗，此时腔内q值为高，产生调q脉冲，通过改变半波电压的施加时间，产生调q脉冲宽度会有不同，进一步优化光腔长度，可提高基频光的转化效率。与之前方案所述的连续或准连续的激光器运转方式，调q产生的脉冲具有较高的峰值功率，能够获得更高的拉曼激光的转化效率。本实施例仅为了让本专业的人员更详细具体的了解本专利的内容，不能以此限制本专利的权利要求范围。
1.一种基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，其特征在于，包括泵浦源、基频激光平面反射镜(1)，激光增益介质(2)，基频激光平面反射镜(3)，镀有基频光增透膜的凸透镜(4)，基频激光反射拉曼光增透的平面镜(5)，拉曼池(6)，基频激光反射拉曼光增透的平面镜(7)，镀有基频光增透膜的凸透镜(8)；所述泵浦源的泵浦光经过激光增益介质(2)后，输出的基频激光可沿两个相反的方向传播；
当沿顺时针方向传播时，依次经过基频激光平面反射镜(3)，镀有基频光增透膜的凸透镜(4)，基频激光反射拉曼光增透的平面镜(5)，拉曼池(6)，基频激光反射拉曼光增透的平面镜(7)，镀有基频光增透膜的凸透镜(8)，镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗(9)和基频激光平面反射镜(1)后，再次经过激光增益介质(2)，完成一次传播；
当沿逆时针方向传播时，依次经过基频激光平面反射镜(1)、镀有基频光增透膜的凸透镜(8)、基频激光反射拉曼光增透的平面镜(7)、拉曼池(7)、基频激光反射拉曼光增透的平面镜(5)、镀有基频光增透膜的凸透镜(4)、基频激光平面反射镜(3)后，再次经过激光增益介质(2)，完成一次传播；
所述基频激光进入拉曼池后产生的拉曼激光可向两个相反方向传播，分别经过基频激光反射拉曼光增透的平面镜(5)或基频激光反射拉曼光增透的平面镜(7)后，拉曼激光透射，完成拉曼激光从两个方向的输出。
2.根据权利要求1所述的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，其特征在于：所述气体拉曼激光器还包括镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗(9)，所述镀有基频光增透膜的布儒斯特角窗(9)设置于基频激光平面反射镜(1)和镀有基频光增透膜的凸透镜(8)之间。
3.根据权利要求1所述的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，其特征在于，所述镀有基频光增透膜的凸透镜(4)和镀有基频光增透膜的凸透镜(8)的位置满足如下条件：
其中l1、l2、l3分别为空间虚拟像点到镀有基频光增透膜的凸透镜(8)的光路传播距离、镀有基频光增透膜的凸透镜(4)和镀有基频光增透膜的凸透镜(8)间的光路传播距离、镀有基频光增透膜的凸透镜(4)到空间虚拟像点的光路传播距离；所述l2满足共焦条件：
l2＝f1 f2
其中，f1和f2分别为镀有基频光增透膜的凸透镜(4)和镀有基频光增透膜的凸透镜(8)的焦距；m＝f2/f1为放大率。
4.根据权利要求3所述的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，其特征在于，m为1-3。
5.根据权利要求1所述的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，其特征在于，所述拉曼池内填充有拉曼介质。
6.根据权利要求1所述的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，其特征在于，所述的镀有基频光增透膜的凸透镜(4)和镀有基频光增透膜的凸透镜(8)的焦点与空间虚拟像点重合，所述空间虚拟像点为拉曼池的中心。
7.根据权利要求2所述的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，其特征在于，所述输出的拉曼激光传输路径上光轴的同轴还设置有拉曼光高反镜(10)，拉曼光输出耦合镜(11)；所述的拉曼光高反镜(10)和拉曼光输出耦合镜(11)的反射面共有曲率中心，所述曲率中心与空间虚拟像点重合；所述的拉曼光高反镜(10)和拉曼光输出耦合镜(11)构成拉曼光谐振腔，所述谐振腔长度为所述的拉曼光高反镜(10)和拉曼光输出耦合镜(11)曲率半径之和。
8.根据权利要求1所述的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，其特征在于，所述基于环形非稳腔的气体拉曼激光器还包括拉曼光高反镜(10)，拉曼光输出耦合镜(11)、镀有基频光增透膜的起偏器(12)，法拉第旋光器(13)，检偏器(14)，旋光器(15)和镀有增透膜的标准具(16)；
所述拉曼光高反镜(10)、拉曼光输出耦合镜(11)设置于输出的拉曼激光传输路径上光轴的同轴上；所述的拉曼光高反镜(10)和拉曼光输出耦合镜(11)的反射面共有曲率中心，所述曲率中心与空间虚拟像点重合；所述的拉曼光高反镜(10)和拉曼光输出耦合镜(11)构成拉曼光谐振腔，所述谐振腔长度为所述的拉曼光高反镜(10)和拉曼光输出耦合镜(11)曲率半径之和；
以镀有基频光增透膜的起偏器(12)为起点，所述法拉第旋光器(13)，检偏器(14)，旋光器(15)和镀有增透膜的标准具(16)依次沿逆时针方向设置；所述镀有基频光增透膜的起偏器(12)，法拉第旋光器(13)，检偏器(14)，旋光器(15)和镀有增透膜的标准具(16)设置于任意基频光和拉曼激光不重叠区域。
9.根据权利要求8所述的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，其特征在于，所述基于环形非稳腔的气体拉曼激光器还包括两个q晶体；以镀有基频光增透膜的起偏器(12)为起点，沿逆时针方向，所述两个q晶体设置于所述检偏器(14)和镀有增透膜的标准具(16)之间；所述两个q晶体设置于任意基频光和拉曼激光不重叠区域；所述两个q晶体为主动或被动q开关。
10.根据权利要求9所述的基于环形非稳腔的气体拉曼激光器，其特征在于，所述主动或被动q开关为电光调q元件，声光调q元件，可饱和吸收体。
技术总结