被動調(diào)Q拉曼激光器的理論和實驗研究.pdf

1、受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering簡稱SRS)是產(chǎn)生激光新波長的重要途徑之一，拉曼散射光的波長取決于泵浦光的波長和拉曼介質(zhì)本身的性質(zhì)。通過選擇不同波長的泵浦光和不同的拉曼介質(zhì)材料，散射光光譜可從紫外遍及到近紅外區(qū)域。常用的拉曼介質(zhì)材料有氣體、液體和固體三種形態(tài)，由于固體拉曼介質(zhì)具有很多優(yōu)點，如體積小、拉曼增益高、熱導(dǎo)性能好及機械性能好等，現(xiàn)已取代氣體和液體拉曼介質(zhì)，成為最常用的拉曼介質(zhì)；而固體拉曼激光器

2、由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點，在醫(yī)療、信息、交通、測量和國肪等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。
　　 近幾年固體拉曼介質(zhì)及固體拉曼激光器已成為激光材料和激光器件領(lǐng)域的研究熱點。目前，俄羅斯、美國、德國、澳大利亞和中國臺灣等國家和地區(qū)的研究人員都在積極參與固體拉曼激光器的研究。國內(nèi)開展固體拉曼激光器研究的有利條件是我國在晶體生長領(lǐng)域具有世界領(lǐng)先水平。在大陸，山東大學(xué)、福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所、上海光學(xué)精密機械研究所等高等院校和研究所

3、在全固體拉曼激光器理論及實驗研究方面都取得了一些重要研究成果。
　　 輸出波長在550-600 nm范圍內(nèi)的全固體激光器近年來已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，該波長范圍的激光在醫(yī)療、通信、光譜學(xué)、激光雷達、激光制導(dǎo)、大氣探測、信息存儲等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。其中獲得黃光的有效方法之一是利用腔內(nèi)倍頻固體拉曼激光器。具體方法是利用晶體的受激拉曼散射效應(yīng)將激光二極管泵浦摻Nd3+材料得到的1.06μm附近的激光轉(zhuǎn)換為1.18μm附近的激光，再進行倍頻

4、得到黃光波段激光，這一方法已成為目前獲得該波段激光的重要手段。
　　 到目前為止，已報道的拉曼激光器大部分是主動調(diào)Q拉曼激光器。主動調(diào)Q拉曼激光器的優(yōu)點是轉(zhuǎn)化效率和輸出功率高，但缺點是結(jié)構(gòu)設(shè)計較復(fù)雜，價格較昂貴。比起主動調(diào)Q拉曼激光器，被動調(diào)Q拉曼激光器雖然轉(zhuǎn)化效率和輸出功率不高，但是其具有許多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜、操作簡單等，因而關(guān)于被動調(diào)Q拉曼激光器的理論及實驗研究也是非常重要的。但是到目前為止關(guān)于被動調(diào)Q拉曼激光器的

5、研究相對比較少。因而在本論文中我們將著重于被動調(diào)Q拉曼激光器的理論和實驗研究。
　　 本論文提出了一種測量固態(tài)拉曼介質(zhì)增益系數(shù)的新方法，通過研究兩塊不同長度的拉曼介質(zhì)產(chǎn)生的拉曼光光強的比值與泵浦光光強的關(guān)系來測得拉曼增益系數(shù)，并用此方法測得YVO4晶體的拉曼增益系數(shù)是4.5 cm/GW；然后分別以Nd：YAG作為激光介質(zhì)，以Cr4+：YAG作為飽和吸收體，以SrWO4，BaWO4和KLu(WO4)2作為拉曼介質(zhì)，研究了了LD端面

6、泵浦被動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的特性；又采用KTP晶體作為倍頻晶體，進行了LD泵浦被動調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的研究，同時建立了被動調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的理論模型。具體的研究內(nèi)容如下：
　　 1.提出一種測量固態(tài)拉曼介質(zhì)增益系數(shù)的新方法。通過選取兩塊同種材料、不同長度的拉曼晶體，在皮秒脈沖泵浦下通過觀察受激拉曼散射現(xiàn)象，分析兩塊晶體輸出端拉曼光強的比值與泵浦光強的關(guān)系來測量晶體的拉曼增益系數(shù)。并用此方法測得YVO4晶體的拉曼增益系

7、數(shù)是4.5 cm/GW。
　　 2.以Nd：YAG晶體作為激光介質(zhì)，α切的SrWO4晶體作為拉曼介質(zhì)，采用Cr4+：YAG被動調(diào)Q方式，首次實現(xiàn)了LD端面泵浦被動調(diào)Q的Nd：YAG/SrWO4內(nèi)腔式拉曼激光器在1180 nm的運轉(zhuǎn)。當(dāng)LD泵浦功率為14.9 W，飽和吸收體(Cr4+：YAG)初始透過率為81％時，實驗得到拉曼光的最高平均輸出功率為1.78 W，得到的最大單脈沖能量是88.1μJ。
　　 3.以陶瓷Nd：Y

8、AG作為激光介質(zhì)，以c切KLu(WO4)2晶體作為拉曼介質(zhì)，采用Cr4+：YAG被動調(diào)Q方式，首次實現(xiàn)了LD端面泵浦被動調(diào)Q的Nd：YAG/KLu(WO4)2內(nèi)腔式拉曼激光器在1178 nm的運轉(zhuǎn)。在泵浦功率為15.7 W，Cr4+：YAG初始透過率為81%時，實驗得到拉曼光的最高平均輸出功率為1.89 W，得到的最大單脈沖能量是84.0μJ。
　　 4.考慮泵浦光、腔內(nèi)基頻光和拉曼光光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的橫向分布，以及倍

9、頻拉曼光光子數(shù)密度與拉曼光子數(shù)密度之間的關(guān)系，在被動調(diào)Q拉曼激光器速率方程組的基礎(chǔ)上，得到了被動調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的速率方程組。通過引入一組綜合參量，可得到被動調(diào)Q倍頻拉曼激光器的歸一化速率方程組。通過數(shù)值求解該速率方程組，可得到了一系列普適曲線，這些曲線不僅可以表明歸一化的被動調(diào)Q內(nèi)腔倍頻拉曼光的脈沖參量與這些綜合參量之間的關(guān)系，還可以用來估計任何一個被動調(diào)Q內(nèi)腔倍頻拉曼激光器的輸出脈沖特性。
　　 5.以陶瓷Nd：YAG

10、作為激光介質(zhì)，以口切SrWO4作為拉曼介質(zhì)，采用Cr4+：YAG被動調(diào)Q方式，首次實現(xiàn)了LD端面泵浦被動調(diào)Q的Nd：YAG/SrWO4/KTP內(nèi)腔式倍頻拉曼激光器在590 nm黃光波長處的運轉(zhuǎn)。在LD泵浦功率為14.0 W，Cr4+：YAG初始透過率為81%時，實驗得到590 nm黃光最高平均輸出功率為1.02 W，相應(yīng)的從LD泵浦光到黃光的光-光轉(zhuǎn)換效率為7.29%，得到的最大單脈沖能量是56.2μJ。
　　 6.以Nd：YA

11、G晶體作為激光介質(zhì)，以α切BaWO4作為拉曼介質(zhì)，采用Cr4+：YAG被動調(diào)Q方式，首次實現(xiàn)了LD端面泵浦被動調(diào)Q的Nd：YAG/BaWO4/KTP內(nèi)腔式倍頻拉曼激光器在590 nm黃光波長處的運轉(zhuǎn)。在LD泵浦功率為14.1 W，Cr4+：YAG初始透過率為81%時，實驗得到590 nm黃光最高平均輸出功率為1.21 W，相應(yīng)的從泵浦光到黃光的光.光轉(zhuǎn)換效率為9.06%，得到的最大單脈沖能量是68.5μJ。
　　 本論文的主要創(chuàng)

12、新點如下：
　　 1.提出一種測量固態(tài)拉曼介質(zhì)增益系數(shù)的新方法。采用兩塊同種材料、不同長度的拉曼晶體，在皮秒脈沖泵浦下觀察受激拉曼散射現(xiàn)象，通過分析兩塊晶體輸出端拉曼光強的比值與泵浦光強的關(guān)系來算得晶體的拉曼增益系數(shù)。并用此方法測得YVO4晶體的拉曼增益系數(shù)是4.5 cm/GW。
　　 2.首次實現(xiàn)了LD端面泵浦被動調(diào)Q的Nd：YAG/SrWO4內(nèi)腔式拉曼激光器在1180 nm的高效運轉(zhuǎn)。
　　 3.首次實現(xiàn)了L

13、D端面泵浦被動調(diào)Q的Nd：YAG/KLu(WO4)2內(nèi)腔式拉曼激光器在1178 nm的高效運轉(zhuǎn)。當(dāng)LD泵浦功率為15.7 W，飽和吸收體Cr4+：YAG的初始透過率為81%時，得到拉曼光的最高平均輸出功率為1.89 W，這是目前為止所報道的采用LD泵浦被動調(diào)Q內(nèi)腔拉曼激光器方式獲得的最高輸出功率。
　　 4.考慮到泵浦光、腔內(nèi)基頻光和拉曼光光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的橫向分布，以及倍頻拉曼光光子數(shù)密度與拉曼光子數(shù)密度之間的關(guān)系，

14、首次建立了被動調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的理論模型。
　　 5.首次實現(xiàn)了LD端面泵浦被動調(diào)Q的Nd：YAG/SrWO4/KTP內(nèi)腔式倍頻拉曼激光器在590 nm黃光波長處的運轉(zhuǎn)。
　　 6.首次實現(xiàn)了LD端面泵浦被動調(diào)Q的Nd：YAG/BaWO4/KTP內(nèi)腔式倍頻拉曼激光器在590 nm的運轉(zhuǎn)。在LD泵浦功率為14.1 W，Cr4+：YAG初始透過率為81%時，得到黃光的最高平均輸出功率為1.21 W，相應(yīng)的從泵浦光到黃光