基于晶體受激拉曼散射的雙波長激光器與新型鈉黃光激光器研究.pdf

1、受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)是一種三階非線性效應(yīng)，是實現(xiàn)激光頻率變換的有效方法。近些年，基于晶體受激拉曼散射的拉曼激光器取得了長足的發(fā)展，獲得了大量的研究成果。這得益于三個方面的技術(shù)支持:一是優(yōu)質(zhì)拉曼晶體的發(fā)明和生長工藝的成熟;二是光學(xué)鍍膜技術(shù)的進步和鍍膜精度的提高;三是高性能LD泵浦技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化。這些都為高效晶體拉曼激光的發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支撐。目前，利用晶體拉曼激光技術(shù)并與

2、其它非線性技術(shù)相結(jié)合，人們已經(jīng)獲得遍及可見光到紅外波段的一系列新波長激光器。本文的主要工作是:針對兩個應(yīng)用需求點（小間隔雙波長激光器和589 nm波長的鈉黃光激光器），以晶體拉曼激光器的構(gòu)架進行設(shè)計和實現(xiàn)。第一個需求點:小間隔雙波長激光器。雙波長固體激光在雙波長激光探針、雙波長激光干涉儀、光譜分析、全息測量、血液檢測、差分吸收激光雷達以及太赫茲波等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。特別地，小間隔雙波長激光(雙波長間隔在1～20nm)在太赫茲波（頻率是0

3、.1～10 THz）產(chǎn)生以及差分吸收激光雷達等方面有著重要應(yīng)用。一般間隔較大的雙波長激光由激光介質(zhì)不同能級躍遷形成，如Nd∶YAG中的1.06和1.3μm雙波長。而小間隔雙波長激光一般由激光介質(zhì)的同一躍遷能級的分裂能級形成，如Nd∶YAG中的1.319和1.338μm雙波長。已經(jīng)實現(xiàn)的同一躍遷能級分裂能級輻射的方法是:(1)通過腔鏡膜層對兩個波長透過率的優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)雙波長激光輸出。(2)通過在諧振腔內(nèi)插入標(biāo)準具來進行波長調(diào)諧激光輸出。

4、以上研究都把注意力集中在激光介質(zhì)的基頻光上，與這些研究不同，本文基于晶體受激拉曼散射，提出實現(xiàn)小間隔雙波長激光器的3個新方案，(1)1階Stokes和2階Stokes同時運轉(zhuǎn)的激光器;(2)雙拉曼晶體的雙波長激光器;(3)雙波長基頻光泵浦的拉曼激光器。相比較于激光介質(zhì)的基頻光，拉曼光有著獨特優(yōu)勢:即光束凈化效應(yīng)、高光束質(zhì)量、脈寬壓縮效應(yīng)、高光譜純度、轉(zhuǎn)換效率高、無需相位匹配等，甚至還可實現(xiàn)短脈沖拉曼鎖模激光，可滿足更多特殊應(yīng)用。第二個應(yīng)

5、用需求點，同時也是近些年的研究熱點:589nm鈉黃光激光器。589 nm黃光可以有效激發(fā)鈉原子D2譜線躍遷，因此稱之為鈉黃光，其在冷原子分子物理、激光光譜、激光雷達、鈉導(dǎo)星等方面有著重要應(yīng)用。本文基于晶體受激拉曼散射技術(shù)，將Nd∶YAG的1064nm基頻光頻移到1178 nm，再經(jīng)過倍頻得到589nm黃光。在此過程中，拉曼晶體的頻移要十分精確，新型拉曼晶體KLu(WO4)2和BaTeMo2O9的拉曼頻移與之匹配，本文采用內(nèi)腔式拉曼倍頻的

6、方式對兩種新晶體在589nm黃光的實現(xiàn)上進行了研究，一方面拓展了新晶體的應(yīng)用范圍，另一方面為鈉黃光提供了新的實驗方案。本文的具體研究內(nèi)容如下:
　　1.實現(xiàn)了高功率LD側(cè)面泵浦的1階和2階Stokes拉曼激光器的高效運轉(zhuǎn)。泵浦源為LD側(cè)面泵浦裝置，激光介質(zhì)為Nd∶YAG，拉曼介質(zhì)為BaWO4，基頻波長為1064nm。使用對1階Stokes光透過率為3.9％，2階Stokes光透過率為60.08％的輸出鏡時，實現(xiàn)了1階和2階Stok

7、es光的同時輸出，泵浦功率為209W、重復(fù)頻率為15 kHz時，1階和2階Stokes光的輸出功率分別達到8.30 W和2.84 W，對應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換效率分別為5.0％和1.4％，對應(yīng)的1階Stokes和2階Stokes脈沖寬度分別為20.5 ns和5.8 ns。
　　2.為研究級聯(lián)Stokes輸出特性，使用專門針對2階Stokes鍍膜的腔鏡，LD側(cè)面Nd∶GGG/BaWO4組合實現(xiàn)了穩(wěn)定的2階Stokes單波長拉曼激光輸出，泵浦

8、功率為125W、重復(fù)頻率為20 kHz時，2階Stokes光的輸出功率達到了3.8W，對應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換效率為3％，2階Stokes脈沖寬度為9.2 ns。
　　3.提出了利用雙拉曼晶體實現(xiàn)小間隔雙波長激光器的方案，采用Nd∶YVO4自拉曼晶體+GdVO4拉曼晶體組合的方式，通過拉曼增益參數(shù)匹配、腔鏡膜系精細設(shè)計以及諧振腔優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)了雙波長拉曼光輸出。使用1064nm基頻光時，YVO4最大增益的Stokes頻移889 cm-1和G

9、dVO4最大增益的Stokes頻移882 cm-輸出1175 nm和1174nm雙波長拉曼光。當(dāng)泵浦功率為20.5 W、重復(fù)頻率20 kHz時，雙波長拉曼光輸出功率為1.52 W，其中估算的1174 nm拉曼激光0.71 W，1175nm自拉曼激光0.81 W。
　　4.以上3.中方案，進一步優(yōu)化諧振腔設(shè)計，采用1342 nm作為基頻光，當(dāng)泵浦功率為21.5W、重復(fù)頻率20 kHz時，雙波長拉曼光輸出功率為1.62 W，其中152

10、2nm拉曼激光0.54 W，1524nm自拉曼激光1.08W。實驗表明，在損耗一定輸出功率的基礎(chǔ)上,能夠通過腔鏡和晶體的調(diào)節(jié)來平衡雙波長拉曼光的損耗，從而平衡其振蕩條件，使得雙波長拉曼光穩(wěn)定輸出。
　　5.提出了利用雙波長基頻光泵浦一塊拉曼晶體產(chǎn)生雙波長拉曼光的方案。雙波長拉曼激光器首先采用LD端面泵浦陶瓷Nd∶YAG/BaWO4構(gòu)架?；l光為1061和1064nm，分別使用針對1階Stokes和2階Stokes鍍膜的腔鏡進行實驗

11、。當(dāng)泵浦功率為18.4 W，重頻為15 kHz時，2階Stokes雙波長拉曼光的總功率為1.67 W，其中1321nm拉曼光為0.75 W，1325nm拉曼光為0.92 W，雙波長基頻、1階和2階Stokes拉曼光的脈寬分別為10.4，4.5和2.9 ns，2階Stokes雙波長拉曼光的譜線寬度約為0.31 nm～0.35nm，比1階Stokes的0.4 nm要窄，2階雙波長拉曼光M2因子在水平和豎直方向分別為1.4和1.5，比1階St

12、okes的光兩方向上M2因子2.1和2.6要小。
　　6.上述5中方案采用1.3μm→1.5μm頻移腔鏡，1319，1338nm作為基頻光，實現(xiàn)了1502，1527nm人眼安全雙波長拉曼光輸出。泵浦功率為17.3 W時，雙波長拉曼光輸出功率為0.82 W，其中1502 nm拉曼光0.37 W，1527nm拉曼光0.45 W，雙波長拉曼光的脈寬為7.2 ns。
　　7.上述5中方案實現(xiàn)了LD側(cè)面泵浦的1.3μm→1.5μm的雙

13、波長拉曼激光器。當(dāng)泵浦功率為125W，重頻為5kHz時，1502，1527nm雙波長拉曼光輸出功率為2.3 W，其中1502nm拉曼光1.4 W，1527nm拉曼光0.9 W，雙波長基頻光與雙波長拉曼光的脈寬分別為105和9.5 ns。
　　8.內(nèi)腔式ps級雙波長拉曼激光器研究。選擇熒光光譜較寬、三階非線性效應(yīng)強的激光介質(zhì)作為基頻光介質(zhì)，與BaWO4組合實現(xiàn)內(nèi)腔式拉曼鎖模激光輸出，脈寬達到ps量級。首先研究了單波長的拉曼鎖模調(diào)制，

14、實現(xiàn)了880 nm LD端面泵浦Nd∶KLu(WO4)2/BaWO4單波長拉曼鎖模激光輸出?；l光和拉曼光的中心波長分別為1355nm和1549nm，吸收泵浦功率在閾值到10W左右時，都會出現(xiàn)拉曼鎖模脈沖，調(diào)Q包絡(luò)脈寬為8.2 ns，鎖模調(diào)制深度達到100％，相鄰脈沖間隔為660 ps，鎖模的重復(fù)頻率1.6 GHz，估算的鎖模脈寬小于28 ps。
　　9.為了實現(xiàn)雙波長拉曼鎖模，激光介質(zhì)選擇熒光光譜較寬的無序晶體Nd∶CNGG，1

15、059，1061nm雙波長基頻光經(jīng)過BaWO4的925cm-1 Stokes頻移，產(chǎn)生了1173和1175nm的雙波長拉曼光，雙波長拉曼光的光譜寬度約為0.5 nm左右，比基頻光（約1nm）要窄，泵浦功率從閾值3.5到7W范圍內(nèi)，輸出雙波長拉曼光表現(xiàn)出近乎100％的調(diào)制深度，雙波長拉曼光的調(diào)Q包絡(luò)約為8.7 ns，鎖模的相鄰脈沖間隔約為1 ns，高速示波器測量的鎖模脈寬約為450 ps。
　　10.基于新拉曼晶體+內(nèi)腔拉曼倍頻激光

16、器構(gòu)架，實現(xiàn)了589 nm激光輸出。對應(yīng)著1064nm的基頻光和BaTeMo2O9拉曼晶體的904.8 cm-1Stokes頻移，LD端面泵浦的內(nèi)腔式Nd∶YAG/BaTeMo2O9拉曼倍頻激光器實現(xiàn)了中心波長為589.2nm的黃光輸出，當(dāng)泵浦功率為16.6 W，重頻為20 kHz時，黃光功率為0.39 W，對應(yīng)的從LD泵浦功率到黃光的光-光轉(zhuǎn)換效率為2.3％，這時脈寬為4.1 ns，峰值功率為4.8 kW，橫向和豎向的M2因子分別為1

17、.6和1.4。
　　11.對于10中方案，基于KLu(WO4)2的907 cm-1頻移，LD側(cè)面泵浦的內(nèi)腔Nd∶YAG/KLu(WO4)2拉曼倍頻激光器實現(xiàn)了中心波長為589.3nm的黃光輸出，譜線寬度約為0.2 nm，當(dāng)泵浦功率為125W，重頻為10 kHz時，黃光輸出功率為4.33 W，脈寬為38 ns，脈沖能量和峰值功率分別為0.43 mJ和11.4 kW，橫向和豎向的M2因子分別為4.9和5.0。
　　本文主要創(chuàng)新點

18、如下:
　　1.使用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)BaWO4晶體，在高功率LD側(cè)面泵浦情況下，刷新了內(nèi)腔式1階和2階Stokes拉曼激光器的最高輸出功率。激光器在1階Stokes單波長運轉(zhuǎn)時，輸出功率達到20.5 W，1階和2階Stokes光同時運轉(zhuǎn)時，功率分別達到8.30 W和2.84 W，2階Stokes光單波長運轉(zhuǎn)時輸出功率為3.8W。這些結(jié)果均為當(dāng)時內(nèi)腔式晶體拉曼激光的最高紀錄。
　　2.首次提出了利用雙拉曼晶體實現(xiàn)小間隔雙波長激光器的方

19、案。采用LD端面泵浦Nd∶YVO4自拉曼晶體+GdVO4拉曼晶體的內(nèi)腔拉曼激光器構(gòu)架，實現(xiàn)了YVO4889cm-1Stokes頻移和GdVO4882 cm-1Stokes頻移的1階Stokes雙波長拉曼光輸出。采用1342 nm基頻光，實現(xiàn)了1522nm和1524nm的人眼安全雙波長拉曼光輸出。
　　3.首次提出了利用雙波長基頻光泵浦一塊拉曼晶體產(chǎn)生雙波長拉曼激光的方案。采用LD端面泵浦陶瓷Nd∶YAG/BaWO4構(gòu)架，1061，

20、1064 nm雙波長基頻光激發(fā) BaWO4925cm-1頻移的拉曼增益，實現(xiàn)了1177，1180 nm1階Stokes（1階腔鏡時），1321，1325 nm2階Stokes（2階腔鏡時）的雙波長級聯(lián)拉曼激光器。
　　4.首次實現(xiàn)了LD側(cè)面泵浦的1.3μm→1.5μm的雙波長拉曼激光器。事實上LD側(cè)面泵浦的1.3μm頻移到1.5μm的單波長拉曼激光器當(dāng)時也未見報道。在提高腔鏡鍍膜精度、優(yōu)化諧振腔設(shè)計和降低重復(fù)頻率的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了L

21、D側(cè)面泵浦的1.3μm→1.5μm的拉曼激光輸出。當(dāng)泵浦功率為125 W時，雙波長拉曼光的輸出功率為2.3 W，其中1502nm光為1.4 W，1527nm光為0.9 W。
　　5.基于寬光譜激光介質(zhì)對鎖模調(diào)制的誘發(fā)作用+受激拉曼散射對鎖模調(diào)制的“梳理”作用，首次提出無序結(jié)構(gòu)的基頻介質(zhì)+拉曼介質(zhì)的雙波長拉曼鎖模激光器構(gòu)想。無序晶體Nd∶CNGG作為基頻介質(zhì)，BaWO4為拉曼介質(zhì)，實現(xiàn)了1059，1061nm基頻光到1173，117

22、5 nm拉曼光的雙波長頻移，雙波長拉曼光的光譜寬度約為0.5 nm左右，比基頻光（約1nm）要窄，當(dāng)LD泵浦功率為14W，重頻為5kHz時，得到的最大輸出功率為190mw。泵浦功率從閾值3.5到7W范圍內(nèi)，雙波長拉曼光都表現(xiàn)出接近100％的調(diào)制深度，調(diào)Q包絡(luò)約為8.7 ns，鎖模的相鄰脈沖間隔約為1 ns，高速示波器測量的鎖模脈寬約為450 ps。
　　6.首次實現(xiàn)了LD端面泵浦的內(nèi)腔式Nd∶YAG/BaTeMo2O9拉曼倍頻激光