基于晶體受激拉曼散射的雙波長(zhǎng)激光器與新型鈉黃光激光器研究

發(fā)布時(shí)間：2017-03-24 03:05

本文關(guān)鍵詞：基于晶體受激拉曼散射的雙波長(zhǎng)激光器與新型鈉黃光激光器研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)是一種三階非線性效應(yīng),是實(shí)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(zhǎng)足的發(fā)展,獲得了大量的研究成果。這得益于三個(gè)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(zhǎng)工藝的成熟；二是光學(xué)鍍膜技術(shù)的進(jìn)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(qiáng)有力的技術(shù)支撐。目前,利用晶體拉曼激光技術(shù)并與其它非線性技術(shù)相結(jié)合,人們已經(jīng)獲得遍及可見(jiàn)光到紅外波段的一系列新波長(zhǎng)激光器。本文的主要工作是：針對(duì)兩個(gè)應(yīng)用需求點(diǎn)(小間隔雙波長(zhǎng)激光器和589 nm波長(zhǎng)的鈉黃光激光器),以晶體拉曼激光器的構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)需求點(diǎn)：小間隔雙波長(zhǎng)激光器。雙波長(zhǎng)固體激光在雙波長(zhǎng)激光探針、雙波長(zhǎng)激光干涉儀、光譜分析、全息測(cè)量、血液檢測(cè)、差分吸收激光雷達(dá)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(zhǎng)激光(雙波長(zhǎng)間隔在1～20nm)在太赫茲波(頻率是0.1～10 THz)產(chǎn)生以及差分吸收激光雷達(dá)等方面有著重要應(yīng)用。一般間隔較大的雙波長(zhǎng)激光由激光介質(zhì)不同能級(jí)躍遷形成,如Nd:YAG中的1.06和1.3μm雙波長(zhǎng)。而小間隔雙波長(zhǎng)激光一般由激光介質(zhì)的同一躍遷能級(jí)的分裂能級(jí)形成,如Nd:YAG中的1.319和1.338μm雙波長(zhǎng)。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的同一躍遷能級(jí)分裂能級(jí)輻射的方法是：(1)通過(guò)腔鏡膜層對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)透過(guò)率的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光輸出。(2)通過(guò)在諧振腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧激光輸出。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(shí)現(xiàn)小間隔雙波長(zhǎng)激光器的3個(gè)新方案, (1)1階Stokes和2階Stokes同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器；(2)雙拉曼晶體的雙波長(zhǎng)激光器；(3)雙波長(zhǎng)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(dú)特優(yōu)勢(shì)：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(wú)需相位匹配等,甚至還可實(shí)現(xiàn)短脈沖拉曼鎖模激光,可滿足更多特殊應(yīng)用。第二個(gè)應(yīng)用需求點(diǎn),同時(shí)也是近些年的研究熱點(diǎn)：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(dá)、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1064 nm基頻光頻移到1178 nm,再經(jīng)過(guò)倍頻得到589 nm黃光。在此過(guò)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)腔式拉曼倍頻的方式對(duì)兩種新晶體在589 nm黃光的實(shí)現(xiàn)上進(jìn)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(shí)驗(yàn)方案。本文的具體研究?jī)?nèi)容如下：1.實(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)。泵浦源為L(zhǎng)D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(zhǎng)為1064nm。使用對(duì)1階Stokes光透過(guò)率為3.9%,2階Stokes光透過(guò)率為60.08%的輸出鏡時(shí),實(shí)現(xiàn)了1階和2階Stokes光的同時(shí)輸出,泵浦功率為209 W、重復(fù)頻率為15 kHz時(shí),1階和2階Stokes光的輸出功率分別達(dá)到8.30 W和2.84 W,對(duì)應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換效率分別為5.0%和1.4%,對(duì)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(jí)聯(lián)Stokes輸出特性,使用專門針對(duì)2階Stokes鍍膜的腔鏡,LD側(cè)面Nd:GGG/BaWO4組合實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的2階Stokes單波長(zhǎng)拉曼激光輸出,泵浦功率為125 W、重復(fù)頻率為20 kHz時(shí),2階Stokes光的輸出功率達(dá)到了3.8 W,對(duì)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(shí)現(xiàn)小間隔雙波長(zhǎng)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(guò)拉曼增益參數(shù)匹配、腔鏡膜系精細(xì)設(shè)計(jì)以及諧振腔優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)拉曼光輸出。使用1064 nm基頻光時(shí),YVO4最大增益的Stokes頻移889 cm-1和GdVO4最大增益的Stokes頻移882 cm-1輸出1175 nm和1174 nm雙波長(zhǎng)拉曼光。當(dāng)泵浦功率為20.5 W、重復(fù)頻率20 kHz時(shí),雙波長(zhǎng)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,1175 nm自拉曼激光0.81 W。4. 以上3.中方案,進(jìn)一步優(yōu)化諧振腔設(shè)計(jì),采用1342nm作為基頻光,當(dāng)泵浦功率為21.5W、重復(fù)頻率20 kHz時(shí),雙波長(zhǎng)拉曼光輸出功率為1.62 W,其中1522 nm拉曼激光0.54 W,1524 nm自拉曼激光1.08 W。實(shí)驗(yàn)表明,在損耗一定輸出功率的基礎(chǔ)上,能夠通過(guò)腔鏡和晶體的調(diào)節(jié)來(lái)平衡雙波長(zhǎng)拉曼光的損耗,從而平衡其振蕩條件,使得雙波長(zhǎng)拉曼光穩(wěn)定輸出。5.提出了利用雙波長(zhǎng)基頻光泵浦一塊拉曼晶體產(chǎn)生雙波長(zhǎng)拉曼光的方案。雙波長(zhǎng)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(duì)1階Stokes和2階Stokes鍍膜的腔鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)泵浦功率為18.4W,重頻為15 kHz時(shí),2階Stokes雙波長(zhǎng)拉曼光的總功率為1.67 W,其中1321nm拉曼光為0.75 W,1325 nm拉曼光為0.92W,雙波長(zhǎng)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(zhǎng)拉曼光的譜線寬度約為0.31nm-0.35nm,比1階Stokes的0.4 nm要窄,2階雙波長(zhǎng)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Stokes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,1319,1338 nm作為基頻光,實(shí)現(xiàn)了1502,1527 nm人眼安全雙波長(zhǎng)拉曼光輸出。泵浦功率為17.3 W時(shí),雙波長(zhǎng)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(zhǎng)拉曼光的脈寬為7.2 ns。7.上述5中方案實(shí)現(xiàn)了LD側(cè)面泵浦的1.3μm→1.5μm的雙波長(zhǎng)拉曼激光器。當(dāng)泵浦功率為125 W,重頻為5 kHz時(shí),1502,1527 nm雙波長(zhǎng)拉曼光輸出功率為2.3 W,其中1502 nm拉曼光1.4 W,1527 nm拉曼光0.9 W,雙波長(zhǎng)基頻光與雙波長(zhǎng)拉曼光的脈寬分別為105和9.5 ns。8. 內(nèi)腔式ps級(jí)雙波長(zhǎng)拉曼激光器研究。選擇熒光光譜較寬、三階非線性效應(yīng)強(qiáng)的激光介質(zhì)作為基頻光介質(zhì),與BaWO4組合實(shí)現(xiàn)內(nèi)腔式拉曼鎖模激光輸出,脈寬達(dá)到ps量級(jí)。首先研究了單波長(zhǎng)的拉曼鎖模調(diào)制,實(shí)現(xiàn)了880 nm LD端面泵浦Nd:KLu(WO4)2/BaWO4單波長(zhǎng)拉曼鎖模激光輸出�；l光和拉曼光的中心波長(zhǎng)分別為1355 nm和1549 nm,吸收泵浦功率在閾值到10 W左右時(shí),都會(huì)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(dá)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(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)拉曼鎖模,激光介質(zhì)選擇熒光光譜較寬的無(wú)序晶體Nd:CNGG,1059,1061nm雙波長(zhǎng)基頻光經(jīng)過(guò)BaWO4的925cm-1 Stokes頻移,產(chǎn)生了1173和1175 nm的雙波長(zhǎng)拉曼光,雙波長(zhǎng)拉曼光的光譜寬度約為0.5 nm左右,比基頻光(約.1 nm)要窄,泵浦功率從閾值3.5到7 W范圍內(nèi),輸出雙波長(zhǎng)拉曼光表現(xiàn)出近乎100%的調(diào)制深度,雙波長(zhǎng)拉曼光的調(diào)Q包絡(luò)約為8.7ns,鎖模的相鄰脈沖間隔約為1 ns,高速示波器測(cè)量的鎖模脈寬約為450 ps。10.基于新拉曼晶體+內(nèi)腔拉曼倍頻激光器構(gòu)架,實(shí)現(xiàn)了589 nm激光輸出。對(duì)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(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)為589.2 nm的黃光輸出,當(dāng)泵浦功率為16.6 W,重頻為20 kHz時(shí),黃光功率為0.39 W,對(duì)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(shí)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1.6和1.4。11.對(duì)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(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)為589.3 nm的黃光輸出,譜線寬度約為0.2 nm,當(dāng)泵浦功率為125 W,重頻為10 kHz時(shí),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?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：1.使用國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)BaW04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(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),輸出功率達(dá)到20.5 W,1階和2階Stokes光同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),功率分別達(dá)到8.30 W和2.84 W,2階Stokes光單波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出功率為3.8 W。這些結(jié)果均為當(dāng)時(shí)內(nèi)腔式晶體拉曼激光的最高紀(jì)錄。2.首次提出了利用雙拉曼晶體實(shí)現(xiàn)小間隔雙波長(zhǎng)激光器的方案。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(shí)現(xiàn)了YVO4889 cm-1 Stokes頻移和GdVO4882 cm-1 Stokes頻移的1階Stokes雙波長(zhǎng)拉曼光輸出。采用1342nm基頻光,實(shí)現(xiàn)了1522 nm和1524 nm的人眼安全雙波長(zhǎng)拉曼光輸出。3.首次提出了利用雙波長(zhǎng)基頻光泵浦一塊拉曼晶體產(chǎn)生雙波長(zhǎng)拉曼激光的方案。采用LD端面泵浦陶瓷Nd:YAG/BaWO4構(gòu)架,1061,1064 nm雙波長(zhǎng)基頻光激發(fā)BaWO4925cm-1頻移的拉曼增益,實(shí)現(xiàn)了1177,1180 nm 1階Stokes(1階腔鏡時(shí)),1321,1325 nm 2階Stokes(2階腔鏡時(shí))的雙波長(zhǎng)級(jí)聯(lián)拉曼激光器。4.首次實(shí)現(xiàn)了LD側(cè)面泵浦的1.3 μm→1.5μm的雙波長(zhǎng)拉曼激光器。事實(shí)上LD側(cè)面泵浦的1.3μm頻移到1.5μm的單波長(zhǎng)拉曼激光器當(dāng)時(shí)也未見(jiàn)報(bào)道。在提高腔鏡鍍膜精度、優(yōu)化諧振腔設(shè)計(jì)和降低重復(fù)頻率的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了LD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(shí),雙波長(zhǎng)拉曼光的輸出功率為2.3 W,其中1502 nm光為1.4 W,1527 nm光為0.9 W。5.基于寬光譜激光介質(zhì)對(duì)鎖模調(diào)制的誘發(fā)作用+受激拉曼散射對(duì)鎖模調(diào)制的“梳理”作用,首次提出無(wú)序結(jié)構(gòu)的基頻介質(zhì)+拉曼介質(zhì)的雙波長(zhǎng)拉曼鎖模激光器構(gòu)想。無(wú)序晶體Nd:CNGG作為基頻介質(zhì),BaWO4為拉曼介質(zhì),實(shí)現(xiàn)了1059,1061 nm基頻光到1173,1175 nm拉曼光的雙波長(zhǎng)頻移,雙波長(zhǎng)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14 W,重頻為5 kHz時(shí),得到的最大輸出功率為190 mw。泵浦功率從閾值3.5到7W范圍內(nèi),雙波長(zhǎng)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(cè)量的鎖模脈寬約為450 ps。6.首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦的內(nèi)腔式Nd:YAG/BaTeMo2O9拉曼倍頻激光器,輸出中心波長(zhǎng)為589.15 nm,最大功率為0.39 W。7.首次實(shí)現(xiàn)了LD側(cè)面泵浦的內(nèi)腔式Nd:YAG/KLu(WO4)2拉曼倍頻激光器,輸出中心波長(zhǎng)為589.3 nm,最大功率為4.33 W。
【關(guān)鍵詞】：受激拉曼散射 晶體拉曼激光 雙波長(zhǎng)激光 589nm激光 拉曼鎖模激光 Nd:YAG陶瓷 Nd:YVO_4晶體 Nd:CNGG晶體 BaWO_4晶體 GdVO_4晶體 BaTeMo_2O_9晶體 KLu(WO_4)_2晶體
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN248
【目錄】：