固体拉曼激光器.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.35M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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第 42 卷，第 7 期 2005 年 7 月激光与光电子学进展激光与光电子学进展 Vol.42,No.7 July2005 固体拉曼激光器陈慧挺楼祺洪叶震寰何兵周军 (中国科学’上海光学精密A械研究所，上海 201800) 摘要简要介绍了固体拉曼激光器的研究现状，总结了几种常用的固体拉曼晶体[LiIO3，Ba(NO3)2，CaWO4]的n激拉曼实验特m，并对如何设计各种L式的拉曼激光w置以取得良好的频率转换做了分!。最后对固体拉曼激光器的发展做了展 c。关键词固体拉曼激光器 n激拉曼散射拉曼晶体频率转换 Solid-stateRamanlasers LOUQihong YEZhenhuan HEBing ZHOUJun CHENHuiting (ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,TheChineseAcademyofScience,Shanghai 201800) Therecentprogressofsolid-stateRamanlasersisbrieflyintroduced. Abstract investigationofSRSinuniquesolidstateRaman-activematerials designissuesarediscussedinrelationtoachievingefficientfrequencyconversionforvariousconfigurations. anoutlookforsolid-stateRamanlasersdevelopmentsisgiven. stimulatedRamanscatting Kewwords [LiIO3，Ba(NO 3)2，CaWO4] solid-statelasers Ramancrystal frequencyconversion Summaryofanexperimental ispresented. Thekey Finally, 1 引言 ‘ 着近年来激光在医药、工业、通讯等应用领域的不断发展， F发特殊的激光3|已经l来l 引起人们的注意。这些特殊的激光 3|可以通过新的激光工作物质 <(，也可以通过光学材_（气体、染_、晶体）的非ym光学频率转换<(。非ym光学频率转换有两类，第一类是弹m作用，例如二阶或者更高阶的谐3<(、和频、$ 频、光学参量<(和放大过x等。第二类由非弹m作用L成，代表m 的有n激布里渊散射和n激拉曼散射。n激拉曼散射（SRS）能够用来对激光发射3|做固定频率转换，达到特定的激光3|输出。另依赖于抽6激光和拉曼介质的多样m，SRS 可以将光谱扩展至由 q 到近r 范围。气体因为价格低、纯i高，而且具有较大的频率转换、较高的自聚焦阈值和低的散射损耗等k点， |期以来被+认为首选的拉曼介质。对于低重复率(通常小于 50Hz)，高峰值功率的抽6O来说，它们毫无疑问是非常吸引人的介质。然而它们的应用还是n许多因素的限制，例如重复频率提高困难（因为热效应），介质增益较低，容易造成光学损伤，实验 w置尺寸s大等等。液体拉曼介质则由于大部分具有毒m、挥发m，以及在可见和近 r 带中的高吸vm等缺点，也一直没被广泛应用。近几年来固体材_在n激拉曼散射中表现出的许多k点使其异Q突起。固体拉曼介质具有高增益、良好的热传导和A械m质。 2 固体拉曼介质固体 SRS 的早期研究在文献 [1] 中有报道，但是直到 20 CD 70 年代拉曼激光的转换效率达到了 77%，其实际应用潜力才表现出来。这其中的原因主要是因为过去很|一Y时间内都缺乏高质量的拉曼晶体，又很容易<(自聚焦现象，而自聚焦如果得不到 V制就很可能导致光损伤。然而近年来，对固体 SRS 的报道呈稳收稿日期: 2004-12-06 作者简介：陈慧挺（1981~），博士(，中科’上海光A所先进激光实验室博士(，主要从事固体拉曼激光器和光纤激光器的研究。 55

第 42 卷，第 7 期 2005 年 7 月定增|，这些进展表明基于固体 SRS 的新型激光系W还有很广泛的发展潜力。 2.1 几种典型的拉曼晶体主要特性到现在为止，所报道的最有前景的拉曼晶体有 LiIO3，Ba(NO 3)2 以及其他各种钨酸盐晶体。在其它固体中观察到的 SRS 在文献[2,3] 中有列出。我们选择了一些具有良好频率转换特m的晶体列在表 1 中一般带有强共价"分子群的晶体，例如碳酸盐、硝酸盐、钨酸盐晶体[1，4]都有比较高的拉曼增益。判断某种拉曼晶体是否适合用作频率转换，有一个基本方法是根它的自发拉曼光谱。实际的光激光与光电子学进展激光与光电子学进展谱是由许多窄y宽（一般是几个3 ~）的强谱y组成，这些光谱可能会非常复杂，尤其是对双折射晶体。然而如果用X型的拉曼光谱仪来大致评价晶体的拉曼光谱，结果还是相当简洁明了的，在图 1 中列出了 LiIO3，Ba(NO3)2 和 CaWO4 样品的自发拉曼光谱图。另，: 前报道，最有效和实用的固体拉曼激光器采用的正是 Ba(NO3)2，LiIO3 以及op KGd(WO4)2 和 CaWO4 在内的各种钨酸盐晶体。 2.2 选择拉曼晶体的其它因素虽然拉曼增益系 ~ 是决定 SRS 阈值的关"因素，但是当抽6 光]过了阈值，一阶斯托克斯光的表 1 几种典型的拉曼晶体特性 Vol.42,No.7 July2005 强i增|率就很大xi上由谐振腔损耗、模式匹配和散热等因素决定。因此，除了考虑增益系~ ，拉曼晶体的其它m质也很重要。选择拉曼晶体的其它标准op：首先得要a有较高的光学损伤阈值，对抽 6光和斯托克斯光有较高透射率；其@拉曼介质的热学m质也是很重要的，因为 SRS 的非弹mm质意味着热量是被储存在拉曼介质中，在高的平均功率下热透镜和其它的热-光效应可能会成为严重问题；最后考虑到拉曼增益和晶体| i是成比例的，晶体还必须达到一定大的尺寸（通常情况下晶体| i>1cm）。拉曼频d 增益系~/(cm/GW-1) /cm-1 1085 1066 1046 890 882 915 795 822 770 926 901 908 907 890 765 905 768 901 914 910 877 （基频33|） 13(532nm) 47(532nm) 47(532nm) 11(1064nm) >4.5(1064nm) >4.5(1064nm) 2.7(694nm) ——— 4.8(1064nm) ——— 40(532nm) 36(532nm) 8.5(1064) 8.4(532nm) 3.1(1064nm) 3(1064nm) ——— ——— 3.6(1064nm) 3.6(1064nm) 21(532nm) 4.4(1064nm) 3.3(1064nm) 1.8(532nm) 8(1064nm) 9(1064nm) 拉曼晶体 CaCO3 NaNO3 Ba(NO3)2 YVO4 GdVO4 KDP NaBrO3 LiIO3 BaWO4 PbWO4 CaWO4 ZnWO4 CdWO4 KY(WO4)2 KY(WO4)2 KGd(WO4)2 KGd(WO4)2 NaY(WO4)2 NaBi(WO4)2 NaBi(MoO4)2 56 Stokes阶@ 转换效率 S1 S1 S1 S1 AS8-S5 AS8-S3 S1 AS7-S5 S1 S1 S1 S1 S1 AS7-S3 AS7-S3 AS6-S1 AS5-S1 AS7-S1 ——— ——— ——— S1 ——— AS8-S3 S1 S1 14% 17% 26% 60% ——— ——— ——— ——— 34% ——— 85% 45% 40% >50% >50% >50% >50% >50% ——— ——— ——— >25% ——— >50% 7.2% 7% 最大 Stokes 输出 ——— ——— ——— >1mJ ——— ——— ——— ——— 0.9 W ——— ——— 1mJ 2.32mJ ——— ——— ——— ——— ——— ——— ——— ——— ——— ——— ——— ——— ——— 参考文献 [5] [5] [5] [6] [7] [7] [8] [9] [10] [10] [11] [12] [12] [13] [13] [13] [13] [13] [13] [13] [14] [13] [13] [15] [15] [15]

第 42 卷，第 7 期 2005 年 7 月激光与光电子学进展激光与光电子学进展图 1 几种拉曼晶体:(a)Ba(NO 3)2,(b)LiIO 3,(c)CaWO 4 的自发拉曼光谱图 3 拉曼激光器结构和设计原理毋庸置疑，要想达到高功率的固体拉曼激光输出，拉曼腔的设计是非常重要的。有各种腔结构，o p单@或者双@通过的拉曼激光腔，置或者内置的拉曼激光振荡腔，以及耦合的振荡腔结构等等。大多~固体拉曼激光器由钕玻璃激光抽6，基频光3|在 1.06mm 和 1.32mm 附近。 3.1 单通拉曼激光装置在这种结构中，抽6激光单@ Vol.42,No.7 July2005 通过拉曼介质，并且对散射的斯托克斯光自;放大。为了提^一个连续变化的抽6激光，需通过一个偏振棱镜和一个K3片。实验w置如图 2，一个玻璃片用作光束分光镜，把部分f射光反射到一个能量标准的硅光电二极管中。在晶体后面是一个光谱过滤器，反射剩余的抽 6光；并且用一个透镜来校准部分的散射光。待&量的光谱被两个分光用的玻璃色散棱镜、一个校准用的透镜和一个可调节光阑分散F。一阶斯托克斯光和抽6光的脉冲 L状可以由条纹照相A获得。光谱 y的位置可以由分光仪和一个带计算A输出的 CCD 相A得到。这种拉曼w置的主要缺点是需要比较高的抽6光强i才能达到拉曼激光阈值。对需要<(某个特定阶@的斯托克斯光也没有选择m。在抽6光能量很高时，在有的晶体中往往会<(好几个3|，甚至有过]过 10 个以上的斯托克斯光和反斯托克斯光的报道[16]。另当激光光束与 c3 系~非常大的介质作用时，会有各种各样的其它非ym效应与 SRS 竞争。尽管存在上述缺点，这种单@ 通过w置，因为结构简单，在许多应用中都是有效的。对于]短脉冲的抽6激光的频率转换，它是最有用的一种w置，而且也常常用它来图 2 抽运光单次通过的 SRS 装置。F1，F2 为光束分光镜；D 为半波片；PP 为偏振分光棱镜；T 为望远镜系统 3：1；BS 为光束分光镜；PD 为光电二极管；P1、P2 为分光棱镜；L 为准直透镜；SL 为光阑；E 为能量计 57

第 42 卷，第 7 期 2005 年 7 月激光与光电子学进展激光与光电子学进展图 3 抽运光双次通过的 SRS 装置。M：抽运光和斯托克斯光的反射镜；P：偏振分光棱镜图 4 拉曼外置振荡腔结构 Vol.42,No.7 July2005 激光w置如图 3 中所示。在拉曼晶体的一个端面上安置了一面全反射镜，抽6光和斯托克斯光反射z 拉曼晶体中，在非ym介质中的作用\离为原来的两倍。根稳态 SRS 理H，这就有可能得到高的转换效率和低的拉曼激光阈值。 3.3 外置拉曼激光振荡腔装置置拉曼激光振荡腔，简单9 说，就是拉曼晶体的振荡腔和抽6 激光的振荡腔是分F的。典型的w置如图 4 所示，设计 &拉曼增益系~。然而必须注意到自聚焦等其它非ym效应对实验可能造成的破坏作用以及其对实验结果可能造成的复杂影响。如果要a更高的转换效率或者较低的 SRS 阈值，那就有必要采用其它w置，例如多@通光或者谐振腔w置。图 5 拉曼内置激光振荡腔结构 3.2 双程拉曼激光装置 Cerny 等人曾报道过抽6光双 @通过 BaWO4 的w置 [17]，在 532 nm 的基频光下得到了接近量子极限的一阶斯托克斯光转换效率 85%，在 BaNO3 中则得到了 25%的转换效率[18]。双@通过非ym晶体的拉曼特定的振荡腔腔镜，使得振荡的拉曼光和抽6激光有很好的模式匹配。镜子透过率的选择要使得抽6 光能够完全通过，或者使抽6光双 @通过拉曼晶体后完全被吸v。另，镜子 M1 对一阶斯托克斯光3 |要有高反射m，镜子 M2 对一阶斯托克斯光要有尽可能大的透过 58 图 6 拉曼内置激光振荡腔的能量运作流程和效率因素

第 42 卷，第 7 期 2005 年 7 月激光与光电子学进展激光与光电子学进展图 7 拉曼激光耦合腔结构示意图：(a) 线状结构;(b) 折叠结构率。为了抑制高阶斯托克斯光的< (，这些镜子还应该对二阶斯托克斯光3|有高透m。这种w置与单x拉曼w置相比，有三方面的好处。首先，较低能量的抽6激光就可以满足拉曼阈值。其@，只要挑选合适的振荡腔腔镜，就可以挑选特定阶@的斯托克斯光输出。最后，置拉曼激光振荡腔还可以对输出光的光束质量做改善调节。文献[19]中报道了 1064nm 3|光抽6 BaNO3 晶体的置拉曼激光腔，并且把置振荡腔与单通的拉曼w置做了比较。置振荡腔得到了大约 50%的输出耦合，有比单通拉曼激光w置低得多的阈值（大约是单通拉曼激光 w置的 40%），并且也有一个高很多的总体效率。 3.4 内置拉曼激光振荡腔装置内置拉曼激光振荡腔，是将拉曼晶体放在抽6激光振荡腔内部的。这种结构非常适合低能量的抽 6光O，例如连续光抽6的激光器。这种w置利用了比较高的内置振荡腔光强i，因而有一个比较低的阈值，如果对基频33|做k 化，系W激光输出总体效率往往非常高，大约可达到 60%~80%。当然，在实际中内置振荡腔的拉曼激光 <(是非常复杂的，因为在振荡腔中将会有许多其它的非ym光学过x<(，同时抽6光和斯托克斯光场之间也会<(相互作用。图 5 是个典型的内置拉曼激光振荡腔结构。各个过x的能量6 作流x以及要考虑的效率因素在图 6 中做了简要的示意。对于这种结构，抽6光O通常都用连续或者准连续的激光二极管，可以采用端面抽6或者I面抽 6，不管是哪种抽6方式，激光增益的高效抽6都要a抽6光和振荡的光场之间有良好的模式匹配。在 o p YAG，YVO4，YLF 和 YALO 在内的各种晶体基质中，掺 Nd3+的激光材 _ 占有明显的 k 势。Nd: YAG 的 1064nm 和 1319nm 输出的内置拉曼激光器已经有成功的报道[9,20~22]。为达到 SRS 的阈值，往往还需要比较高的峰值能量，因此实验w置中一般采用声-光调 Q 或者电-光调 Q 元件。 3.5 拉曼激光耦合腔结构耦合腔有多种结构，在图 7 示 Vol.42,No.7 July2005 出最简单的两种。图 7（a）是个y状 w置，M1、M3 镜子为基频光的高 Q 振荡腔，镜子 M2 对基频光高透。 M2 和 M3 组成了斯托克斯腔，M2 对斯托克斯光3|是高反，M3 是输出耦合镜。为了获得高效的频率转换和良好的光束质量，就有必要仔细选择腔镜的曲率K径，这样抽 6光振荡腔和斯托克斯光振荡腔在足够|的情况下都可以是稳定腔，拉曼晶体中也能够得到良好的模式匹配。在图 7（b）中，加了一个腔镜 M4 L成折叠腔，镜子 M2 是二向色m的，对基频光高反，对斯托克斯光透过，腔镜 M3 和 M4 则构成了斯托克斯光的振荡腔。在很多情况下人们都倾向于用这种结构，因为镜子 M4 的使用有利于对抽6光和斯托克斯光之间模式匹配的k 化。耦合腔的使用，可以使得拉曼振荡腔|变得非常短，所以这种结构可以得到最大xi上的激光脉冲压缩。在文献[23]中，100~500ns 的基频脉冲光被压缩到了 4~8ns 。 Murray 等人[24]报道了用来<(拉曼激光的折叠腔结构，以3|为 1.3mm 的 Nd:YAG 抽 6 Ba(NO 3)2 晶体，得到了 1.535~1.536mm 的 0.25 J 脉冲激光（重复率 1Hz ），转换效率为 48%，光束质量达到较高水平。 4 固体拉曼激光器的发展展望实验表明固体拉曼激光可以获得与二阶非ym频率转换（例如 OPOs 或者倍频等）相等或者更高的效率；其w置实现起来也比较简单；另拉曼光束的光束整L和脉宽压缩作用可以获得高亮i、高峰值功率的脉冲。在许多实际应用中都需要高功率的激光O，对二极管抽6的激光O的需a也在不断增 59

第 42 卷，第 7 期 2005 年 7 月激光与光电子学进展激光与光电子学进展加，因此我们可以预&到以后有关二极管抽6的拉曼激光器，以及由它<(高平均功率输出的报道会 l来l多。从拉曼增益系~考虑，被广泛采用的较典型材_就是 Ba(NO 3)2 晶体。然而，当拉曼激光输出达到一个较高的功率时，其它因素就会起作用，这时诸如 KGd(WO4)2 的钨酸盐晶体就会因为有相对较好的热学m质而格引人注意。良好的拉曼晶体的出现，再加 Vol.42,No.7 July2005 上谐振腔的k化设计和固态激光技术的发展，相信固态拉曼激光器在不久的将来会成为一类被广泛应用的激光器件。参考文献 HandbookofLaserScienceandTechnology ,CRCPress.BocaRaton,1986, 3:283~296 PhysicalReviewLetters ,1962, 9:455 1EckhardtG.StimulatedRamanscatteringfromorganicliquids. 2MilanovitchFP,in:M.J.Weber(Ed.), 3BasievTT,SobolAA,ZverevP G etal ..ComparativespontaneousRamanspectroscopyofcrystalsforRamanlasers. AppliedOptics ,1999, 38(3):594~598 4PowellRC. 5KarpukhinSN,StepanovAI.GenerationofradiationinaresonatorunderconditionsofstimulatedRamanscatteringinBa(NO PhysicsofSolid-StateLaserMaterials ,Springer,NewYork,1998 3)2, NaNO3,andCaCO 3 crystals, SovietJournalofQuantumElectronics ,1986, 16(8):1027~1031 6BasievTT,VoitsekhovskiiVN,ZverevP G etal ..ConversionoftunableradiationfromalaserutilizinganLiFcrystal containing F - Electronics,1987, 17(12):1560~1561 2 colorcentersbystimulatedRamanscatteringinBa(NO 3)2 andKGd(WO 4)2. SovietJournalofQuantum 7KaminskiiAA,UedaK,EichlerH J lasers. OpticsCommunications ,2001, 194(1-3):201~206 etal ..TetragonalvanadatesYVO 4 andGdVO 4-newefficient c (3) -materialsforRaman 8SrivastavaMK, Communications, 1973, 8(1):82~84 CrowRW. RamansusceptibilitymeasurementsandstimulatedRamaneffectinKDP. Optics 9FindeisenJ,EichlerHJ,Peuser P Optics B,2000, 70(2):159~162 etal ..Diode-pumpedBa(NO 3)2 andNaBrO 3 Ramanlasers. AppliedPhysicsB-Lasersand 10FalkJ,MoshrefzadehR.ObliqueRamanandpolaritionscatteringinlithiumiodate. IEEEJournalofQuantumElectronics 1985, 2:110~113 11CernyP,JelinkovaH,BasievT T andBaWO 4 tungstatecrystals. NonlinearMaterials,2001:101~108 etal ..Propertiesoftransientandsteady-statestimulatedRamanscatteringinKGd(WO ProceedingsoftheSPIE: Growth, Fabrication, Devices, andApplicationsofLaserand , 4)2 12ZverevPG,BasievTT,DoroshenkoM E etal ..OSAtrendsinopticsandphotonicsonadvancedsolidstatelasers. Optical SocietyofAmerica ,WashingtonDC,2000:348~354 13KaminskiiAA,McCrayCL,LeeH R etal ..HighefficiencynanosecondRamanlasersbasedontetragonalPbWO 4 crystals. OpticsCommunications ,2000, 183(1-4):277~287 14CernyP, ZverevPG, Jelinkova H etal .. EfficientRamanshiftingofpicosecondpulsesusingBaWO 4 crystal. Optics Communications,2000, 177(1-6):397~404 15KaminskiiAA,Bagayev SN,Ueda N etal ..EfficientstimulatedRamanscatteringintetragonallasercrystallinehostsNaBi(MoO 4)2 andNaBi(WO 4)2. JapaneseJournalofAppliedPhysics ,1995, 34(11A):L1461~3 16KaminskiiAA,EichlerHJ,Ueda K undopedmonoclinicZnWO 4 andCdWO 4 aslaser-activeandstimulatedRamanscattering-activecrystals. 1999, 38(21):4533~4547 etal ..PropertiesofNd 3+-dopedandundopedtetragonalPbWO 4,NaY(WO 4)2,CaWO 4,and AppliedOptics , 17CernyP,JelinkovaH.Near-quantum-limitefficiencyofpicosecondstimulatedRamanscatteringinBaWO 4 crystal. Optics Letters,2002, 27(5):360~362 18ZverevPG,Murray JT,PowellR C etal ..Physical,chemicalandopticalpropertiesofbariumnitrateRamancrystal. Optics Communications,1993, 97(1-2):59~64 （下转第 47 页） 60

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