晶體拉曼放大器和反斯托克斯激光器的理論與實驗研究.pdf

1、受激拉曼散射(StimulatedRamanScattering，SRS)是一種三階非線性效應(yīng)，是拓展現(xiàn)有激光波長的重要方法之一。受激拉曼散射分為斯托克斯(Stokes)拉曼散射和反斯托克斯(anti-Stokes)拉曼散射，拉曼散射光的頻率取決于泵浦光的頻率和由拉曼介質(zhì)決定的拉曼頻移，通過改變泵浦光波長和拉曼介質(zhì)，獲得的散射光光譜可遍及紫外到近紅外。與氣體和液體拉曼介質(zhì)相比，固體拉曼介質(zhì)具有體積小、增益高、熱傳導(dǎo)性好、機械特性好和粒子

2、濃度大等優(yōu)點。斯托克斯拉曼散射不需要相位匹配，且轉(zhuǎn)換效率高，所以近年來，以晶體作為拉曼介質(zhì)的固體斯托克斯拉曼激光器得到了廣泛的研究。
　　在許多應(yīng)用中，比如激光雷達、激光測距等，高能量、高光束質(zhì)量、高光譜純度的拉曼光才能滿足實際需要。此時僅靠拉曼激光器很難實現(xiàn)，拉曼放大器則成為獲得高能量、高光束質(zhì)量、高光譜純度拉曼光的重要手段。首先由拉曼激光器產(chǎn)生滿足要求的拉曼種子光脈沖，然后通過一級或多級拉曼放大器得到高能量拉曼光輸出。與傳統(tǒng)的

3、激光放大器相比，拉曼放大器更難實現(xiàn);第一，泵浦光必須有足夠高的強度，以保證拉曼光得到充分放大;第二，泵浦光和拉曼種子光必須同時通過拉曼晶體，在時間和空間上要保證高的重合度。到目前為止，以光纖作為拉曼介質(zhì)的拉曼放大器已經(jīng)得到廣泛研究。一般來說，光纖拉曼放大器適合于連續(xù)和低峰值功率拉曼光的產(chǎn)生，而高能量的固態(tài)拉曼放大器僅有少量的研究。
　　為了增加波長的豐富性，反斯托克斯拉曼激光器的研究也是很有必要的。與斯托克斯拉曼散射不同，反斯托克

4、斯拉曼散射是兩個泵浦光光子、一個一階斯托克斯光光子和一個一階反斯托克斯光光子的四波混頻過程，所以實現(xiàn)反斯托克斯激光的有效輸出需要三束光滿足相位匹配條件;同時反斯托克斯拉曼散射是一個頻率上轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)換效率相對比較低，因此反斯托克斯光的產(chǎn)生比斯托克斯光的產(chǎn)生更有難度。到目前為止，大部分反斯托克斯拉曼激光器的研究是基于氣體拉曼介質(zhì)，以晶體作為拉曼介質(zhì)的反斯托克斯拉曼激光器僅有少量的研究。
　　本論文中，我們主要研究了兩個方面的內(nèi)容:一

5、是BaWO4拉曼放大器的理論和實驗研究，二是關(guān)于反斯托克斯拉曼激光器的理論和實驗研究。具體的研究內(nèi)容如下:
　　1.以a切BaWO4晶體作為拉曼介質(zhì)首次實現(xiàn)了高效的1180nmBaWO4脈沖拉曼放大運轉(zhuǎn)。拉曼放大器的泵浦光為氙燈泵浦的被動調(diào)Q單縱模激光器產(chǎn)生的1064nm激光，采用脈沖能量分別為8.0mJ，2.0mJ，200μJ和40μJ的拉曼種子光對拉曼放大器進行了研究。泵浦光能量為200mJ，種子光能量為40μJ時，得到的拉曼

6、放大倍數(shù)為418倍;種子光能量8.0mJ時，得到的最大拉曼輸出能量71.5mJ。通過測量剩余的泵浦光脈沖形狀，觀察到了明顯的泵浦光損耗。
　　2.通過簡化外腔式拉曼激光器的輻射傳輸方程得到拉曼放大器的理論模型，已知輸入的泵浦光和拉曼種子光強度的情況下，得到了描述拉曼放大器輸出拉曼光強度的解析解。通過計算研究了拉曼放大器的輸出能量、放大倍數(shù)及從泵浦光到放大后拉曼光的光-光轉(zhuǎn)換效率隨泵浦光能量的變化趨勢。將理論結(jié)果與實驗結(jié)果做了對比，

7、理論與實驗符合得很好。
　　3.以a切BaWO4晶體作為拉曼介質(zhì)首次實現(xiàn)了外腔泵浦的BaWO4反斯托克斯拉曼激光運轉(zhuǎn)。BaWO4拉曼外腔的光軸相對于泵浦光的耦合波方向偏轉(zhuǎn)的角度為34.1mrad時，實現(xiàn)了泵浦光、一階斯托克斯光和一階反斯托克斯光的相位匹配。泵浦光能量為128mJ時，得到的968nm反斯托克斯光的能量為2.2mJ，光-光轉(zhuǎn)換效率為1.7％。同時得到了總能量為42.5mJ的一至三階斯托克斯光的輸出。
　　4.平面

8、波近似下，通過耦合波方程首次推導(dǎo)出外腔泵浦的反斯托克斯激光器的一階反斯托斯光光強、泵浦光光強和一階斯托克斯光光強之間的關(guān)系式，并首次用外腔拉曼激光器速率方程和推導(dǎo)出的關(guān)系式分析反斯托克斯激光器的性質(zhì)，理論計算結(jié)果與外腔泵浦的BaWO4反斯托克斯拉曼激光器的實驗結(jié)果基本一致。
　　5.以a切SrWO4晶體作為拉曼介質(zhì)，采用1064nm激光外腔泵浦的方式，首次實現(xiàn)了SrWO4反斯托克斯拉曼激光器運轉(zhuǎn)。SrWO4拉曼外腔的光軸相對于泵浦

9、光的耦合波方向偏轉(zhuǎn)31.3mrad。泵浦光能量為120mJ時，得到的969nm反斯托克斯光的能量為0.74mJ，光-光轉(zhuǎn)換效率為0.6％。同時得到了總能量為23.9mJ的一至三階斯托克斯光的輸出。
　　6.以Nd∶YAG作為激光介質(zhì)，以a切BaWO4晶體作為拉曼介質(zhì)，首次實現(xiàn)了LD側(cè)面泵浦主動調(diào)Q的內(nèi)腔式反斯托克斯拉曼激光器在968nm波長處的運轉(zhuǎn)。拉曼耦合腔的光軸與基頻光光軸偏離一個相位匹配角度，當(dāng)泵浦功率為170W，重復(fù)頻率為

10、7.5kHz時，得到的最大反斯托克斯功率為0.94mW，最窄脈沖寬度為3.9ns。
　　本論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　1.首次實現(xiàn)了單縱模1064nm泵浦的高效1180nmBaWO4拉曼放大運轉(zhuǎn)。泵浦光能量為200mJ，種子光能量為40μJ時，得到的拉曼放大倍數(shù)為418倍;種子光能量8.0mJ時，得到的最大拉曼輸出能量71.5mJ。
　　2.首次實現(xiàn)了外腔泵浦的BaWO4反斯托克斯拉曼激光運轉(zhuǎn)。泵浦光能量為128mJ時

11、，得到的968nm反斯托克斯光的能量為2.2mJ，光-光轉(zhuǎn)換效率為1.7％。
　　3.平面波近似下，通過耦合波方程首次推導(dǎo)出外腔泵浦的反斯托克斯激光器中反斯托斯光光強、泵浦光光強和一階斯托克斯光光強之間的四波混頻關(guān)系式。
　　4.首次用外腔拉曼激光器速率方程和推導(dǎo)出的反斯托克斯四波混頻關(guān)系式分析外腔泵浦的反斯托克斯拉曼激光器的性質(zhì)。
　　5.首次實現(xiàn)了外腔泵浦的SrWO4反斯托克斯拉曼激光運轉(zhuǎn)。泵浦光能量為120mJ時