留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

多波长红光金刚石拉曼激光器

张亚凯 陈晖 白振岙 庞亚军 王雨雷 吕志伟 白振旭

张亚凯, 陈晖, 白振岙, 庞亚军, 王雨雷, 吕志伟, 白振旭. 多波长红光金刚石拉曼激光器[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230329. doi: 10.3788/IRLA20230329
引用本文: 张亚凯, 陈晖, 白振岙, 庞亚军, 王雨雷, 吕志伟, 白振旭. 多波长红光金刚石拉曼激光器[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230329. doi: 10.3788/IRLA20230329
Zhang Yakai, Chen Hui, Bai Zhenao, Pang Yajun, Wang Yulei, Lv Zhiwei, Bai Zhenxu. Multi-wavelength red diamond Raman laser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(8): 20230329. doi: 10.3788/IRLA20230329
Citation: Zhang Yakai, Chen Hui, Bai Zhenao, Pang Yajun, Wang Yulei, Lv Zhiwei, Bai Zhenxu. Multi-wavelength red diamond Raman laser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(8): 20230329. doi: 10.3788/IRLA20230329

多波长红光金刚石拉曼激光器

doi: 10.3788/IRLA20230329
基金项目: 国家自然科学基金项目(61927815);天津市自然科学基金项目(22JCYBJC01100);量子光学与光量子器件国家重点实验室开放课题项目(KF202201);河北工业大学基本科研业务费项目(JBKYTD2201)
详细信息
    作者简介:

    张亚凯,男,硕士生,主要从事金刚石拉曼激光器方面的研究

    通讯作者: 白振岙,男,副研究员,博士,主要从事超短脉冲激光技术及其放大方面的研究。
  • 中图分类号: TN284

Multi-wavelength red diamond Raman laser

Funds: National Natural Science Foundation of China (61927815); Natural Science Foundation of Tianjin (22JCYBJC01100); Program of State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices (KF202201); Funds for Basic Scientific Research of Hebei University of Technology (JBKYTD2201)
  • 摘要: 全固态红光激光器在激光显示、全息存储以及医疗领域有着重要应用,其中多波长红光激光器还可用于差频产生太赫兹辐射。基于三阶非线性效应受激拉曼散射的拉曼激光器是一种突破粒子数反转激光器有限发射光谱制约进而拓展激光波长的有效手段,即能够将注入的单一波长泵浦光直接拓展至一个或几个全新波段。笔者团队研制了一台绿光泵浦的多波长级联金刚石拉曼激光器,利用波长为532 nm、脉冲宽度为11.43 ns的激光作为泵浦源,通过将一阶Stokes黄橙光(573 nm)锁定在振荡器中,实现了红光波段的二阶、三阶和四阶(620 nm、676 nm和743 nm)级联拉曼激光输出,对应三个波长的脉冲宽度分别为10.41、3.75、2.45 ns,总输出能量为0.6 mJ,光光转换效率为36.38%。结果表明,凭借金刚石晶体优异的光学特性和拉曼性质,可见光泵浦的金刚石拉曼激光器对于实现高功率全固态小型化多波长红光激光输出具有巨大潜力。
  • 图  1  多波长红光金刚石拉曼激光器实验结装置图

    Figure  1.  Experimental setup of multi-wavelength diamond Raman laser in red

    图  2  金刚石拉曼振荡器内各阶次Stokes光的基横模模式

    Figure  2.  The fundamental transverse modes of various Stokes orders in the diamond Raman oscillator

    图  3  不同泵浦能量下金刚石级联拉曼激光器的输出光谱

    Figure  3.  Output laser spectra of diamond cascade Raman lasers at different pump energies

    图  4  (a)各波长Stokes光能量与泵浦能量关系图;(b)总Stokes光能量、效率与泵浦能量关系图

    Figure  4.  (a) Stokes energy versus pump energy for each wavelength; (b) Total Stokes energy, efficiency versus pump energy

    图  5  脉冲波形及光斑:(a)泵浦光;(b)二阶Stokes光;(c)三阶Stokes光;(d)四阶Stokes光

    Figure  5.  Temporal behavior and near-field spot : (a) Pump; (b) Second-order Stokes; (c) Third-order Stokes; (d) Fourth-order Stokes

    表  1  腔镜的镀膜参数

    Table  1.   Coating parameters of cavity mirrors

    Pump (532 nm)First-Stokes (573 nm)Second-Stokes (620 nm)Third-Stokes (676 nm)Fourth-Stokes (743 nm)
    ICARHRHRHRR=87%
    OCHRHRR=10%R=15%R=69%
    下载: 导出CSV
  • [1] AteŞ G B, Ak A, Garipcan B, et al. Methylene blue mediated photobiomodulation on human osteoblast cells [J]. Lasers in Medical Science, 2017, 32: 1847-1855. doi:  10.1007/s10103-017-2286-7
    [2] Núñez S C, França C M, Silva D F T, et al. The influence of red laser irradiation timeline on burn healing in rats [J]. Lasers in Medical Science, 2013, 28: 633-641. doi:  10.1007/s10103-012-1105-4
    [3] Chandran A, Battle R, Murray R, et al. Watt-level 743 nm source by second-harmonic generation of a cascaded phosphosilicate Raman fiber amplifier [J]. Optics Express, 2021, 29(25): 41467-41474. doi:  10.1364/OE.441623
    [4] 李奕晗, 陈善卓, 郭浩. 基于受激布里渊散射的多波长光载波生成及应用[J]. 中国激光, 2022, 49(19): 183-91.

    Li Yihan, Chen Shanzhuo, Guo Hao. Generation and application of multi-wavelength optical carriers based on stimulated Brillouin scattering [J]. Chinese Journal of Lasers, 2022, 49(19): 1906003. (in Chinese)
    [5] 张强, 姚建铨, 温伍麒, 等. 高功率激光二极管抽运Nd∶YAG连续双波长激光器[J]. 中国激光. , 2006, (05): : 577-81.

    Zhang Qiang, Yao Jianquan, Wen Wulin, et al. High power laser diode pumped Nd:YAG continuous wave dual-wavelength laser [J]. Chinese Journal of Lasers, 2006, 33(5): 577-581. (in Chinese)
    [6] 霍晓伟, 齐瑶瑶, 李宇琪, 等. LD泵浦掺Pr3+的可见光固体激光器研究进展[J]. 光电技术应用. 2019, 34 (5): 7-15.

    Huo Xiaowei, Qi Yaoyao, Li Yuqi, et al. Research progress of LD-pumped Pr3+-doped solid-state laser in visible wavelength [J]. Electro-Optic Technology Application, 2019, 34(5): 7-15. (in Chinese)
    [7] 徐斌, 张腾, 邹金海等. 直接产生可见光的激光器研究进展[J]. 厦门大学学报(自然科学版), 2021, 60 (3): 484-496.

    Xu Bin, Zhang Teng, Zou Jinhai, et al. Research progress of direct generation lasers in visible spectral range [J]. Journal of Xiamen University (Natural Science), 2021, 60(3): 484-496. (in Chinese)
    [8] Lin X, Chen M, Feng Q, et al. LD-pumped high-power CW Pr3+: YLF Laguerre-Gaussian lasers at 639 nm [J]. Optics & Laser Technology, 2021, 142: 107273.
    [9] Zhou H, Bi X, Zhu S, et al. Multi-wavelength passively Q-switched red lasers with Nd3+:YAG/YAG/V3+:YAG/YAG composite crystal [J]. Optical and Quantum Electronics, 2018, 50(2): 56. doi:  10.1007/s11082-018-1326-2
    [10] 郭阳阳, 孙芮, 金光勇. 全固态LBO倍频659.5 nm/669 nm激光器[J]. 长春理工大学学报(自然科学版) , 2019, 42(05): 9-12.

    Guo Yangyang, Sun Rui, Jin Guangyong. Research on LBO frequency-double 659.5 nm/669 nm all-solid-state laser [J]. Journal of Changchun University of Science and Technology, 2019, 42(5): 9-12. (in Chinese)
    [11] 鲍玉朔, 黄海涛, 陈海伟, 等. 低频移拉曼模式多阶级联的1.7 μm激光器[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(07): 155-9. doi:  10.3788/IRLA20210507

    Bao Yushuo, Huang Haitao, Chen Haiwei, et al. 1.7 μm laser with a low frequency shifted Raman mode cascade connection [J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(7): 20210507. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA20210507
    [12] Williams R J, Kitzler O, Bai Z, et al. High power diamond Raman lasers [J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2018, 24(5): 1602214.
    [13] Bai Z, Williams R J, Jasbeer H, et al. Large brightness enhancement for quasi-continuous beams by diamond Raman laser conversion [J]. Opt Lett, 2018, 43(3): 563-566. doi:  10.1364/OL.43.000563
    [14] 杨策, 陈檬, 马宁, 等. 皮秒多脉冲泵浦KGW红外多波长拉曼激光器[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(11): 20200044. doi:  10.3788/IRLA20200044

    Yang Ce, Chen Meng, Ma Ning, et al. Picosecond multi-pulse burst pump KGW infrared multi-wavelength Raman laser [J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(11): 20200044. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA20200044
    [15] Granados E, Pask H M, Esposito E, et al. Multi-wavelength, all-solid-state, continuous wave mode locked picosecond Raman laser [J]. Opt Express, 2010, 18(5): 5289-5294. doi:  10.1364/OE.18.005289
    [16] Lin H, Pan X, Huang X, et al. Multi-wavelength passively Q-switched c-cut Nd: YVO4 self-Raman laser with Cr4+:YAG saturable absorber [J]. Optics Communications, 2016, 368: 39-42. doi:  10.1016/j.optcom.2016.01.083
    [17] Frank M, Jelínek M, Vyhlídal D, et al. Multi-wavelength picosecond BaWO4 Raman laser with long and short Raman shifts and 12-fold pulse shortening down to 3 ps at 1227 nm [J]. Laser Physics, 2018, 28(2): 025403. doi:  10.1088/1555-6611/aa9814
    [18] 张喜梅, 陈思梦, 施沈城, 等. 级联Nd: GdVO4自拉曼1309 nm激光性能研究[J]. 红外与激光工程, 2019, 48(11): 47-51. doi:  10.3788/IRLA201948.1105002

    Zhang Ximei, Chen Simeng, Shi Shencheng, et al. Study on the performance of cascaded Nd:GdVO4 self-Raman laser at 1 309 nm [J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(11): 1105002. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA201948.1105002
    [19] 白振旭, 陈晖, 李宇琪, 等. 基于金刚石拉曼转换的光束亮度增强研究进展[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(01): 227-37. doi:  10.3788/IRLA20200098

    Bai Zhenxu, Chen Hui, Li Yuqi, et al. Development of beam brightness enhancement based on diamond Raman conversion [J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(1): 20200098. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA20200098
    [20] 白振旭, 陈晖, 张展鹏, et al. 百瓦级1.2/1.5μm双波长金刚石拉曼激光器(特邀) [J]. 红外与激光工程, 2021, 50(12): 204-10. doi:  10.3788/IRLA20210685

    Bai Zhenxu, Chen Hui, Zhang Zhanpeng, et al. Hundred-watt dual-wavelength diamond Raman laserat 1.2/1.5 μm (Invited) [J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(12): 20210685. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA20210685
    [21] 白振旭, 杨学宗, 陈晖, 等. 高功率金刚石激光技术研究进展(特邀) [J]. 红外与激光工程, 2020, 49(12): 9-21. doi:  10.3788/IRLA20201076

    Bai Zhenxu, Yang Xuezong, Chen Hui, et al. Research progress of high-power diamond laser technology (Invited) [J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(12): 20201076. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA20201076
    [22] Wang Y, Peng W, Yang X, et al. Efficient operation near the quantum limit in external cavity diamond Raman laser [J]. Laser Physics, 2020, 30(9): 095002. doi:  10.1088/1555-6611/ab9d76
    [23] Li M, Kitzler O, Spence D J. Investigating single-longitudinal-mode operation of a continuous wave second Stokes diamond Raman ring laser [J]. Opt Express, 2020, 28(2): 1738-1744. doi:  10.1364/OE.380644
    [24] Yang X, Kitzler O, Spence D J, et al. Single-frequency 620  nm diamond laser at high power, stabilized via harmonic self-suppression and spatial-hole-burning-free gain [J]. Opt Lett, 2019, 44(4): 839-842. doi:  10.1364/OL.44.000839
    [25] Chen Y, Liu J, Zhu X, et al. Intracavity frequency-doubled pulsed diamond Raman laser emitting at 620 nm [J]. Appl Phys B, 2022, 128(10): 186. doi:  10.1007/s00340-022-07908-6
    [26] Spence D J, Granados E, Mildren R P. Mode-locked picosecond diamond Raman laser [J]. Opt Lett, 2010, 35(4): 556-558. doi:  10.1364/OL.35.000556
    [27] Sabella A, Piper J A, Mildren R P. Efficient conversion of a 1.064 μm Nd:YAG laser to the eye-safe region using a diamond Raman laser [J]. Opt Express, 2011, 19(23): 23554-23560. doi:  10.1364/OE.19.023554
    [28] Mildren R P, Sabella A. Highly efficient diamond Raman laser [J]. Opt Lett, 2009, 34(18): 2811-2813. doi:  10.1364/OL.34.002811
    [29] Tu H, Ma S, Hu Z, et al. Efficient monolithic diamond Raman yellow laser at 572.5 nm [J]. Optical Materials, 2021, 114: 110912. doi:  10.1016/j.optmat.2021.110912
    [30] Sabella A, Piper J A, Mildren R P. 1240 nm diamond Raman laser operating near the quantum limit [J]. Opt Lett, 2010, 35(23): 3874-3876. doi:  10.1364/OL.35.003874
  • [1] 卢华东, 李佳伟, 靳丕铦, 苏静, 彭堃墀.  利用非线性损耗提升全固态单频激光器输出功率研究进展(特邀) . 红外与激光工程, 2024, 53(1): 20230592-1-20230592-12. doi: 10.3788/IRLA20230592
    [2] 颜秉政, 穆西魁, 安嘉硕, 齐瑶瑶, 丁洁, 白振旭, 王雨雷, 吕志伟.  2 μm单纵模全固态脉冲激光技术研究进展(封面文章·特邀) . 红外与激光工程, 2024, 53(2): 20230730-1-20230730-16. doi: 10.3788/IRLA20230730
    [3] 叶盛, 赵上熳, 邢忠福, 彭志勇, 郑宇亭, 陈良贤, 刘金龙, 李成明, 魏俊俊.  激光技术在金刚石加工中的研究及应用进展 . 红外与激光工程, 2024, 53(2): 20230567-1-20230567-22. doi: 10.3788/IRLA20230567
    [4] 周朴.  我国高功率光纤激光技术学科方向的历程、现状、挑战与建议 . 红外与激光工程, 2023, 52(7): 20230071-1-20230071-9. doi: 10.3788/IRLA20230071
    [5] 白振旭, 郝鑫, 郑浩, 陈晖, 齐瑶瑶, 丁洁, 颜秉政, 崔璨, 王雨雷, 吕志伟.  高功率自由空间拉曼放大技术研究进展(特邀) . 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230337-1-20230337-13. doi: 10.3788/IRLA20230337
    [6] 金舵, 白振旭, 范文强, 齐瑶瑶, 丁洁, 颜秉政, 王雨雷, 吕志伟.  金刚石布里渊激光器实现4倍线宽窄化 . 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230295-1-20230295-4. doi: 10.3788/IRLA20230295
    [7] 侯玉斌, 卢向文, 张倩, 王璞.  应用于下一代引力波探测器的超低噪声2 μm高功率单频光纤激光器(特邀) . 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20220400-1-20220400-7. doi: 10.3788/IRLA20220400
    [8] 张奕, 侯玉斌, 张倩, 王璞.  基于四波混频效应的1.5 μm多波长单频光纤激光器(特邀) . 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20220401-1-20220401-7. doi: 10.3788/IRLA20220401
    [9] 李牧野, 杨学宗, 孙玉祥, 白振旭, 冯衍.  单频连续波金刚石拉曼激光器研究进展(特邀) . 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20210970-1-20210970-11. doi: 10.3788/IRLA20210970
    [10] 白振旭, 陈晖, 李宇琪, 杨学宗, 齐瑶瑶, 丁洁, 王雨雷, 吕志伟.  基于金刚石拉曼转换的光束亮度增强研究进展 . 红外与激光工程, 2021, 50(1): 20200098-1-20200098-11. doi: 10.3788/IRLA20200098
    [11] 白振旭, 陈晖, 张展鹏, 王坤, 丁洁, 齐瑶瑶, 颜秉政, 李森森, 闫秀生, 王雨雷, 吕志伟.  百瓦级1.2/1.5 μm双波长金刚石拉曼激光器(特邀) . 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210685-1-20210685-7. doi: 10.3788/IRLA20210685
    [12] 王华丰, 孙轲, 孙盛芝, 邱建荣.  飞秒激光诱导金刚石微纳结构及其应用(特邀) . 红外与激光工程, 2020, 49(12): 20201057-1-20201057-11. doi: 10.3788/IRLA20201057
    [13] 白振旭, 杨学宗, 陈晖, 金舵, 丁洁, 齐瑶瑶, 李森森, 闫秀生, 王雨雷, 吕志伟.  高功率金刚石激光技术研究进展(特邀) . 红外与激光工程, 2020, 49(12): 20201076-1-20201076-13. doi: 10.3788/IRLA20201076
    [14] 苑利钢, 周寿桓, 赵鸿, 陈国, 魏磊, 李宝, 王克强.  109.5W输出1.94μm波长Tm:YAP固体激光器 . 红外与激光工程, 2019, 48(4): 405006-0405006(8). doi: 10.3788/IRLA201948.0405006
    [15] 郭波.  基于二维材料非线性效应的多波长超快激光器研究进展(特邀) . 红外与激光工程, 2019, 48(1): 103002-0103002(22). doi: 10.3788/IRLA201948.0103002
    [16] 李景照, 陈振强, 朱思祁.  基于Yb:YAG/Cr4+:YAG/YAG键合晶体的高峰值功率短脉冲激光器 . 红外与激光工程, 2018, 47(6): 606007-0606007(5). doi: 10.3788/IRLA201847.0606007
    [17] 王立军, 彭航宇, 张俊, 秦莉, 佟存柱.  高功率高亮度半导体激光器合束进展 . 红外与激光工程, 2017, 46(4): 401001-0401001(10). doi: 10.3788/IRLA201746.0401001
    [18] 董志伟, 张伟斌, 郑立威, 姜涛, 范国祥, 赵煦, 赵清亮, 陈德应, 夏元钦.  利用飞秒激光和纳秒激光脉冲加工金刚石 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 893-896.
    [19] 徐正文, 曲轶, 王钰智, 高婷, 王鑫.  高功率980nm非对称宽波导半导体激光器设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(4): 1094-1098.
    [20] 于盛旺, 安康, 李晓静, 申艳艳, 宁来元, 贺志勇, 唐宾, 唐伟忠.  高功率MPCVD金刚石膜红外光学材料制备 . 红外与激光工程, 2013, 42(4): 971-974.
  • 加载中
图(5) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  153
  • HTML全文浏览量:  31
  • PDF下载量:  65
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-02
  • 修回日期:  2023-07-10
  • 录用日期:  2023-07-10
  • 刊出日期:  2023-08-28

多波长红光金刚石拉曼激光器

doi: 10.3788/IRLA20230329
    作者简介:

    张亚凯,男,硕士生,主要从事金刚石拉曼激光器方面的研究

    通讯作者: 白振岙,男,副研究员,博士,主要从事超短脉冲激光技术及其放大方面的研究。
基金项目:  国家自然科学基金项目(61927815);天津市自然科学基金项目(22JCYBJC01100);量子光学与光量子器件国家重点实验室开放课题项目(KF202201);河北工业大学基本科研业务费项目(JBKYTD2201)
  • 中图分类号: TN284

摘要: 全固态红光激光器在激光显示、全息存储以及医疗领域有着重要应用,其中多波长红光激光器还可用于差频产生太赫兹辐射。基于三阶非线性效应受激拉曼散射的拉曼激光器是一种突破粒子数反转激光器有限发射光谱制约进而拓展激光波长的有效手段,即能够将注入的单一波长泵浦光直接拓展至一个或几个全新波段。笔者团队研制了一台绿光泵浦的多波长级联金刚石拉曼激光器,利用波长为532 nm、脉冲宽度为11.43 ns的激光作为泵浦源,通过将一阶Stokes黄橙光(573 nm)锁定在振荡器中,实现了红光波段的二阶、三阶和四阶(620 nm、676 nm和743 nm)级联拉曼激光输出,对应三个波长的脉冲宽度分别为10.41、3.75、2.45 ns,总输出能量为0.6 mJ,光光转换效率为36.38%。结果表明,凭借金刚石晶体优异的光学特性和拉曼性质,可见光泵浦的金刚石拉曼激光器对于实现高功率全固态小型化多波长红光激光输出具有巨大潜力。

English Abstract

    • 红光通常指可见光范围内波长在620~780 nm的区间,该波段的光谱在工业、科研和医疗等领域具有广泛的应用。其中作为一种“特殊”的光源,全固态多波长红光激光器不仅在激光彩色大屏幕显示、全息存储、激光打印、激光测量以及激光医疗等方面有着重要应用[1-3],而且多波长特性也使其成为通过差频产生太赫兹光源的有效途径[4-5]。目前,常见的直接获得单一波长红光激光辐射的光源包括氦氖激光器、半导体激光器和掺Pr3+等稀土离子的固体激光器等[6-7]。其中,半导体红光激光器的线宽和光束质量通常难以控制,尤其是针对获得短脉冲高能量激光输出方面尚无报道;目前,已报道的掺Pr3+全固态红光激光器的输出功率仅为8.14 W,其功率的提升主要受制于蓝光泵浦源的发展[8]。此外,将反转粒子增益介质发射谱的多个发射峰与二阶非线性效应相结合是产生多波长红光输出的有效方式[9]。2019年,长春理工大学的郭阳阳等人利用Nd:YAG晶体的1 319 nm和1338 nm两个发射谱与腔内倍频技术相结合,获得了659.5、669 nm双波长红光输出,当最大泵浦功率为35 W时,双波长激光器的输出功率为1.35 W[10]。但是,由于基频光波长1 319 、1 338 nm并不是增益介质Nd:YAG的最强发射峰,因此最终获得红光的转换效率仅为4.08%。

      受激拉曼散射 (SRS) 是一种高强度的三阶非线性效应,具有波长转换灵活、自动相位匹配、光束净化等优点[11-13]。利用拉曼转换的级联频移特性是一种通过单一泵浦波长实现多波长输出的有效方法[14-18]。相较于传统的拉曼介质,金刚石晶体不但拥有已知晶体中最大的拉曼频移 (1 332 cm−1),而且具有超高热导率 (>2 000 W·m−1·K−1) 和极宽光谱透过范围 (>0.23 μm)[19-21]。基于1 μm泵浦的金刚石拉曼激光器在近红外波段已经实现了高效的级联拉曼输出[20-23],并且结合腔内倍频技术,也已经实现了620 nm单一波长红光的输出。2019年,澳大利亚麦考瑞大学的Mildren团队,利用1 064 nm泵浦源泵浦外腔金刚石拉曼振荡器,通过腔内LBO晶体倍频获得了稳态功率38 W的620 nm红光输出[24]。2022年,中国科学院Chen等人采用相同的腔内倍频外腔拉曼振荡器,在重复频率2 kHz的情况下,获得了平均功率750 mW的620 nm红光输出,光光转换效率为11.19%[25]。腔内倍频结构是一种提高转换效率的有效方式,但该结构同时也增加了整个光学系统的设计难度,尤其是倍频晶体相位匹配角度对工作波长的选择性使其难以实现高效率的多波长激光输出。

      相比之下,金刚石在可见光波段有着更高的拉曼增益系数(~50 GW/cm@532 nm[26],~10 GW/cm @1064 nm[27])。因此,利用常见且成熟的532 nm激光器泵浦金刚石晶体,有望在实现高效、高能量、高光束质量的多波长红光激光输出方面展现强大的优势。2009年,澳大利亚麦考瑞大学Mildren团队,利用532 nm的纳秒脉冲激光泵浦外腔金刚石拉曼振荡器,实现了573 nm一阶和620 nm二阶的Stokes光输出,总转换效率为63.5%[28]。2021年,天津理工大学Hu等人利用金刚石晶体获得了620 nm的二阶Stokes光,平均输出功率为1.95 W,斜率效率为22.8%,激光阈值仅为1.5 W[29]。目前,围绕532 nm泵浦的一阶和级联的金刚石拉曼转换已有报道,但是如何有效跨过黄橙光波段,直接实现单一和多波长红光波段输出,至今尚无研究。

      针对上述问题,文中搭建了一台可见光泵浦可直接实现多波长红光激光输出的金刚石拉曼激光器。泵浦源为532 nm倍频绿光纳秒脉冲激光器,在最大泵浦能量为1738 μJ下,有效在振荡器内实现了对一阶(573 nm)拉曼波长的锁定,直接获得了二阶(620 nm)、三阶(676 nm)以及四阶(743 nm)级联拉曼转换的多波长红光激光输出,对应的脉宽分别为10.41、3.75、2.45 ns,输出能量分别为142.7、424.6、65.1 μJ,转换效率为36.38%。

    • 多波长红光金刚石拉曼激光器结构如图1所示。其中,泵浦源为自主搭建的 532 nm倍频脉冲激光器,其对应的最大泵浦能量为1738 μJ,脉宽为11.43 ns,重复频率为1~500 Hz可调。通过透镜组F1、F2对泵浦光进行整形准直,谐振腔前的二分之一波片(HWP)用于调节泵浦光的偏振方向使其平行于金刚石晶体的<111>轴,从而获得最大的拉曼增益[30]

      图  1  多波长红光金刚石拉曼激光器实验结装置图

      Figure 1.  Experimental setup of multi-wavelength diamond Raman laser in red

      为了提高腔内注入功率和避免腔内元件损伤,金刚石拉曼振荡器采用具有较大模式体积的平凹腔型,输出镜的曲率半径为200 mm,金刚石的尺寸为2 mm×4 mm×7 mm,腔镜镀膜情况参考表1。其中,为抑制黄橙光的输出进而提高级联拉曼的转换效率,输入镜(IC)和输出镜(OC)均镀有对一阶Stokes光573 nm的高反射膜。耦合透镜F3将金刚石晶体内的泵浦光半径控制在350 μm左右。得益于金刚石极大的导热系数,在低重复频率泵浦下,腔内模式几乎不受热效应影响。拉曼振荡器腔长约为60 mm,平面镜到金刚石的距离为7 mm。拉曼腔的各阶Stokes光的本征模式如图2所示,紫色虚线之间为金刚石晶体,仿真结果显示腔内一阶至四阶Stokes光在金刚石区域的基横模半径依次为128 μm、133 μm、139 μm和146 μm。

      表 1  腔镜的镀膜参数

      Table 1.  Coating parameters of cavity mirrors

      Pump (532 nm)First-Stokes (573 nm)Second-Stokes (620 nm)Third-Stokes (676 nm)Fourth-Stokes (743 nm)
      ICARHRHRHRR=87%
      OCHRHRR=10%R=15%R=69%

      图  2  金刚石拉曼振荡器内各阶次Stokes光的基横模模式

      Figure 2.  The fundamental transverse modes of various Stokes orders in the diamond Raman oscillator

    • 利用光纤光谱仪(Toshiba公司,型号TCD1304AP)对不同泵浦功率下的输出光谱进行了采集,结果如图3所示。当泵浦能量为343、437、1 165 μJ时,分别采集到了二阶Stokes光、二阶和三阶Stokes、二阶~四阶Stokes光的光谱信息,各阶Stokes光之间的频移为1332 cm−1,与金刚石晶体的理论拉曼频移值吻合。由于输出镜对一阶Stokes光为高反射率(R>99.97%)镀膜,所以并未在输出光中观察或采集到其任何光谱、能量信息,因此笔者有效实现了对一阶573 nm的黄橙光波长的抑制。

      图  3  不同泵浦能量下金刚石级联拉曼激光器的输出光谱

      Figure 3.  Output laser spectra of diamond cascade Raman lasers at different pump energies

      图4为利用不同截止波长的滤波片对各阶Stokes光能量测量的结果。随着泵浦能量增大,由于两腔镜镀有对一阶Stokes光的高反射率介质膜,腔内会形成高能量密度的一阶Stokes光场,从而提高泵浦光的耗尽率,并激发二阶Stokes光。当泵浦能量仅为200 μJ时,肉眼观察到拉曼腔内出现波长为573 nm的一阶Stokes黄光振荡,但无激光输出。如图4(a)所示,二阶、三阶、四阶拉曼产生阈值分别为343、437、1 165 μJ,在泵浦能量最大为1 738 μJ的情况下,获得了三波长能量分别为142.7、424.6、65.1 μJ的同时输出,对应的斜效率分别为9.68%、31.29%、8.71%。波长为743 nm的四阶Stokes光相较于三阶Stokes光的阈值有较大的增长,其主要原因为输入镜对743 nm的反射率为87%,腔内损耗较大。如图4(b)所示,随着泵浦能量的增加,总的光-光转换效率持续增加,最后趋于平缓。最终在泵浦能量最大为1 738 μJ的情况下,获得了共632.4 μJ的多波长红色激光输出,光-光转换效率为36.38%。

      图  4  (a)各波长Stokes光能量与泵浦能量关系图;(b)总Stokes光能量、效率与泵浦能量关系图

      Figure 4.  (a) Stokes energy versus pump energy for each wavelength; (b) Total Stokes energy, efficiency versus pump energy

      采用光电探测器(Thorlabs公司,型号DET025A)对入射拉曼腔的532 nm泵浦光和最大泵浦能量下输出的各阶Stokes光的时域波形进行了测量,结果如图5所示,其脉宽依次为11.43、10.41、3.75、2.45 ns。根据测得的单脉冲能量计算得到产生的620、676、743 nm三阶红光的峰值功率分别为12.5、40.8、17.4 kW。各阶Stokes光相较于泵浦光而言,脉宽都得到了不同程度的压缩,随着拉曼阶次的增加,压缩效果越发明显。当腔内低阶Stokes光的能量密度达到高阶Stokes光的阈值时,高阶Stokes光会耗尽低阶Stokes光的能量,由此导致低阶Stokes光在波形上会出现中心高强度部分被耗尽,剩下一个非常窄的前沿尖峰和一个后沿平台的现象,其中620 nm 脉冲波形中的前沿尖峰在百皮秒量级。如图5中的插图所示,各阶Stokes光的近场光斑无明显畸变,光斑形貌良好。

      图  5  脉冲波形及光斑:(a)泵浦光;(b)二阶Stokes光;(c)三阶Stokes光;(d)四阶Stokes光

      Figure 5.  Temporal behavior and near-field spot : (a) Pump; (b) Second-order Stokes; (c) Third-order Stokes; (d) Fourth-order Stokes

      在上述实验中,利用外腔拉曼振荡器实现了多波长红光激光输出,并对其输出光谱、能量和空间分布特性进行了分析。该研究中,金刚石晶体中心泵浦光的束腰半径为Stokes光的两倍以上,未来通过优化泵浦光和腔内光束的模式匹配有望进一步提升其光光转换效率。此外,该级联振荡器实现多波长输出的技术路线相比于光谱合成的方式,能够直接实现多波长激光的同轴输出,该特性使其在光电对抗、雷达探测等应用中拥有显著优势。

    • 文中搭建了一台532 nm脉冲泵浦的金刚石拉曼激光器,研究了不同泵浦能量下级联拉曼激光输出能量、光谱和脉冲特性,最终成功实现了620、676、743 nm的级联拉曼输出。在泵浦能量最大为1 738 μJ的情况下,620 nm能量为142.7 μJ,676 nm能量为424.6 μJ,743 nm能量为65.1 μJ,测得了总共632.4 μJ的多波长红色激光输出,光光转换效率为36.38%。输出的各阶次拉曼激光脉冲宽度相对于泵浦光出现明显的压缩,对应最大压缩比高达4.7倍(11.43 ns@ 532 nm,2.45 ns@743 nm),且各阶Stokes 光的近场光斑均具有较好的空间分布,峰值功率均在10 kW以上。今后,笔者将围绕振荡器腔镜参数的优化设计和输出光束整形开展深入研究,进而实现精确调控各阶Stokes光的能量以及提高多波长激光在空间的同步传输能力。综上所述,凭借极高的拉曼增益系数以及优良的光热性质,以金刚石晶体作为拉曼增益介质的可见光泵浦拉曼激光器,在实现高效的全固态小型化多波长高功率激光器方面具有巨大潜力。

参考文献 (30)

目录

    /

    返回文章
    返回