全固態(tài)拉曼激光器理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目前，受激拉曼散射(SRS)是重要的變頻技術(shù)之一。受激拉曼散射光的光譜可遍及紫外到近紅外，大大拓寬了激光光譜范圍。此外受激拉曼散射具有多種優(yōu)良特性，如散射光光束質(zhì)量好、脈寬窄、不需要相位匹配、并且具有高的轉(zhuǎn)換效率。近年來，多種人工生長的晶體被發(fā)現(xiàn)是優(yōu)良的拉曼介質(zhì)，例如Ba(N0<,3>)<,2>、BaW0<,4>、KGd(w0<,4>)<,2>和YV0<,4>晶體等。與傳統(tǒng)的氣體和液體拉曼介質(zhì)相比，固體拉曼介質(zhì)具有粒子濃度大、體積小、拉

2、曼增益系數(shù)大及熱導(dǎo)性能好等優(yōu)點(diǎn)。以晶體作為拉曼介質(zhì)的固體拉曼激光器結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、穩(wěn)定性好，在信息、交通、測量、醫(yī)療、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。 現(xiàn)今固體拉曼激光器是非線性光學(xué)和固體激光器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。俄羅斯科學(xué)家在晶體拉曼介質(zhì)生長和固體拉曼激光器研究方面做了許多開創(chuàng)性的工作，居世界領(lǐng)先地位。此外美國、德國、澳大利亞和中國臺灣等國家和地區(qū)的研究者都在積極地參與固體拉曼激光器的研究。我國在晶體生長領(lǐng)域居國際先進(jìn)水平

3、，近幾年生產(chǎn)的一些晶體，如SrW0<,4>、PbW0<,4>、BaW0<,4>、Nd：KGd(W0<,4>)<,2>等都是優(yōu)良的拉曼介質(zhì)，但在中國大陸固體拉曼激光器的研究相對滯后，至今沒有關(guān)于全固態(tài)拉曼激光器的研究報(bào)道。 氣體介質(zhì)中的受激拉曼散射的理論研究較為充分。晶體中的受激拉曼散射由于發(fā)展較晚，其理論研究及固體拉曼激光器的理論研究尚不成熟。與氣體介質(zhì)相比，晶體介質(zhì)具有各向異性、拉曼增益系數(shù)大、雙折射和光學(xué)聲子壽命短等特點(diǎn)

4、。晶體中的受激拉曼散射理論，及以此為基礎(chǔ)的固體拉曼激光器理論是高性能固體拉曼激光器的研制基礎(chǔ)。 本論文以KGd(W0<,4>)<,2>、SrW0<,4>和Nd：YV0<,4>晶體作為拉曼介質(zhì)，對外腔式、內(nèi)腔式及自拉曼激光器進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。本文研究的具體內(nèi)容為： 1．在波動方程和受激拉曼散射物質(zhì)方程的基礎(chǔ)上，考慮高至三階斯托克斯光及后向受 激拉曼散射，在穩(wěn)態(tài)近似下，建立了外腔式固體拉曼激光器新的輻射傳輸

5、理論模型。 同時(shí)對輻射傳輸方程進(jìn)行了歸一化處理，給出了數(shù)值算法。輻射傳輸方程被實(shí)驗(yàn)結(jié) 果證明可以準(zhǔn)確地描述外腔式固體拉曼激光器內(nèi)基頻光與散射光之間的相互作用，可以輔助設(shè)計(jì)外腔式固體拉曼激光器，以實(shí)現(xiàn)某階斯托克斯光的最大轉(zhuǎn)換效率。 2．作為輻射傳輸方程的近似理論，首次推導(dǎo)了外腔式拉曼激光器的速率方程理論模型。 在速率方程中考慮了高至三階斯托克斯光，并對速率方程進(jìn)行了歸一化處理。通過 比較兩種理論模型的數(shù)值結(jié)果，證明了速率方

6、程理論在低拉曼增益(歸一化拉曼增益 系數(shù)G<,L><4)、長泵浦脈寬(歸一化泵浦脈寬N<,L>>50)情況下，與輻射傳輸方程有較好的 近似。 3．分別數(shù)值求解了歸一化輻射傳輸方程和速率方程，對一階斯托克斯光輸出進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化，給出了輸出鏡最佳反射率和最高轉(zhuǎn)換效率隨歸一化泵浦脈寬和歸一化拉曼 增益系數(shù)的變化曲線。并通過數(shù)值計(jì)算研究了一階斯托克斯光脈寬的變化趨勢。在 數(shù)值計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)腔鏡對二階斯托克斯光微小的反饋會明顯影

7、響一階斯托克斯光 的最佳反射率及二階斯托克斯光的閾值大小。 4.通過數(shù)值求解輻射傳輸方程，對以Ba(NO<,3>)<,2>晶體作為拉曼介質(zhì)的外腔式拉曼激光器 的輸出進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化。對不同的晶體長度、泵浦脈寬及泵浦光強(qiáng)，給出了實(shí)現(xiàn)一 階斯托克斯光最高轉(zhuǎn)換效率時(shí)輸出鏡的最佳反射率曲線和一階斯托克斯光的最高轉(zhuǎn) 換效率曲線。通過數(shù)值計(jì)算得到了實(shí)現(xiàn)二階斯托克斯光最高轉(zhuǎn)換效率的條件和最高 轉(zhuǎn)換效率曲線，計(jì)算表明腔內(nèi)過高的二階斯托克斯

8、光強(qiáng)會抑制泵浦光向一階斯托克 斯光轉(zhuǎn)換，從而限制了二階斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率。 5.首次以SrWO<,4>晶體作為拉曼介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了高效的外腔式固體拉曼激光器運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)獲 得了一階斯托克斯光的最高轉(zhuǎn)換效率為50％，二階斯托克斯光的最高轉(zhuǎn)選效率為 48％。以KGd(WO<,4>)<,2>晶體作為拉曼介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了高效率的外腔式固體拉曼激光器，通過采用不同泵浦偏振方向，分別實(shí)現(xiàn)了KGd(WO<,4>)<,2>晶體兩個(gè)不同受激拉曼振動模

9、 的激發(fā)，得到了多個(gè)波長的散射光輸出。實(shí)驗(yàn)研究了外腔式固體拉曼激光器的輸出 和時(shí)間特性。并且通過外腔式的結(jié)構(gòu)，研究了SrWO<,4>和KGd(WO<,4>)<,2>晶體中受激拉曼 散射的偏振特性，首次對此給予了理論解釋。通過數(shù)值模擬，首次給出了6軸偏振泵 浦時(shí)SrWO<,4>晶體的拉曼增益系數(shù)(4cm/GW)。 6.首次在主動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的速率方程中，考慮泵浦及散射光的橫向分布，及光場在諧振腔內(nèi)的縱向分布，推導(dǎo)了

10、考慮空間分布的主動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器速率方程。對新的速率方程進(jìn)行了歸一化處理，數(shù)值計(jì)算了綜合參量對內(nèi)腔式拉曼 激光器性能的影響。由于拉曼散射光隨基頻光呈非線性增長，考慮空間分布的速率方程可以更精確地描述內(nèi)腔式拉曼激光器的特性。 7.以Nd：YVO<,4>晶體作為激光介質(zhì)和拉曼介質(zhì)，采用聲光調(diào)Q，實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦自拉曼激光器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)研究了散射光的輸出特性及光譜特性等。數(shù)值求解了考慮空間分布的主動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的

11、速率方程，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能 很好地吻合。 8.由波動方程和受激拉曼散射物質(zhì)方程，考慮聲子壽命引起的瞬態(tài)效應(yīng)及后向拉曼散射，首次推導(dǎo)了受激拉曼散射的行波方程。在聲子波的微分方程中加入了對應(yīng)自發(fā)拉曼散射源的波動項(xiàng)，首次推導(dǎo)了波動項(xiàng)的形式，以保障自發(fā)拉曼散射光譜的洛侖 茲分布。推導(dǎo)了受激拉曼散射行波方程的數(shù)值算法，此算法在較小的計(jì)算量下可以達(dá)到二階數(shù)值精度。 9.采用行波法模擬了基頻光從白發(fā)噪聲開始的演變過程。經(jīng)過

12、數(shù)值計(jì)算模擬了主動調(diào) Q脈沖的調(diào)制現(xiàn)象，研究了調(diào)Q脈沖的調(diào)制程度與激光介質(zhì)的橫向馳豫時(shí)間及諧振腔的長度的關(guān)系。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究了主動調(diào)Q激光器的調(diào)制現(xiàn)象，理論結(jié)果可以很好地解釋實(shí)驗(yàn)規(guī)律。 10.首次采用行波法對內(nèi)腔式固體拉曼激光器的自鎖?，F(xiàn)象進(jìn)行了理論研究。采用行波 法對主動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器中基頻光和散射光的形成過程進(jìn)行了模擬，計(jì)算結(jié)果顯示了散射光的鎖?，F(xiàn)象。通過數(shù)值模擬研究了內(nèi)腔式拉曼激光器的自鎖模與激光介質(zhì)的橫向馳豫時(shí)間

13、、諧振腔的長度及拉曼介質(zhì)聲子壽命的關(guān)系。采用LD端面泵浦Nd:YAG晶體，以SRWO<,4>晶體作為拉曼介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)腔式拉曼激光器運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)觀察到散射光的自鎖模現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以從理論上得到很好的解釋。 本論文主要創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下： 1．首次采用SRWO<,4>晶體作為拉曼介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了高效率的外腔式固體拉曼激光器，一階斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率為50％，二階斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率為48％。 2．國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率的外

14、腔式固體拉曼激光器。 3．采用聲光調(diào)Q，LD端面泵浦Nd:YVO<,4>晶體，實(shí)現(xiàn)了自拉曼激光器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。采用LD端面泵浦Nd:YAG晶體，以SrWO<,4>晶體作為拉曼介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)腔式拉曼激光器運(yùn)轉(zhuǎn)。 4．研究了外腔式拉曼激光器的轉(zhuǎn)換效率對泵浦光偏振方向的依賴關(guān)系，并且首次從理論上給予了解釋。通過數(shù)值模擬，首次給出了泵浦光為b軸偏振時(shí)SRWO<,4>晶體的拉曼增益系數(shù)(～4cm/GW)。 5．在波動方程和受

15、激拉曼散射物質(zhì)方程的基礎(chǔ)上，首次建立了考慮高階斯托克斯光及后向散射的外腔式固體拉曼激光器的輻射傳輸理論模型。這一理論模型可以準(zhǔn)確地描述外腔式固態(tài)拉曼激光器特性。 6．首次為外腔式拉曼激光器建立了速率方程理論模型，這一理論模型數(shù)值計(jì)算簡單，便于外腔式拉曼激光器的數(shù)值優(yōu)化。通過比較外腔式固體拉曼激光器的輻射傳輸理論模型和速率方程理論模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，給出了速率方程理論的適用范圍。 7．在主動調(diào)Q激光器的速率方程基礎(chǔ)上，首次

16、建立了考慮光強(qiáng)和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)橫向分布和光場的縱向分布的主動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的速率方程。該理論可以更精確地描述主動調(diào)Q內(nèi)腔式拉曼激光器的運(yùn)行特性。 8．采用行波法模擬了基頻光在諧振腔內(nèi)的形成過程。從理論和實(shí)驗(yàn)上證明了諧振腔內(nèi)光強(qiáng)的自調(diào)制現(xiàn)象，并且通過數(shù)值模擬得到了光強(qiáng)自調(diào)制的程度與激光介質(zhì)橫向馳豫時(shí)間和諧振腔長度的關(guān)系。 9．在波動方程和受激拉曼散射物質(zhì)方程的基礎(chǔ)上，考慮后向拉曼散射及受激拉曼散射的瞬態(tài)效應(yīng)，首次推導(dǎo)了拉