被動(dòng)調(diào)Q拉曼激光器的理論和實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，如體積小、拉曼增益高、熱導(dǎo)性能好及機(jī)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(diǎn)，在醫(yī)療、信息、交通、測(cè)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(diǎn)。目前，俄羅斯、美國、德國、澳大利亞和中國臺(tái)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(dá)、激光制導(dǎo)、大氣探測(cè)、信息存儲(chǔ)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(jìn)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(bào)道的拉曼激光器大部分是主動(dòng)調(diào)Q拉曼激光器。主動(dòng)調(diào)Q拉曼激光器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)化效率和輸出功率高，但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，價(jià)格較昂貴。比起主動(dòng)調(diào)Q拉曼激光器，被動(dòng)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(diǎn)，如結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、操作簡單等，因而關(guān)于被動(dòng)調(diào)Q拉曼激光器的理論及實(shí)驗(yàn)研究也是非常重要的。但是到目前為止關(guān)于被動(dòng)調(diào)Q拉曼激光器的

5、研究相對(duì)比較少。因而在本論文中我們將著重于被動(dòng)調(diào)Q拉曼激光器的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 本論文提出了一種測(cè)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(qiáng)的比值與泵浦光光強(qiáng)的關(guān)系來測(cè)得拉曼增益系數(shù)，并用此方法測(cè)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(dòng)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(jìn)行了LD泵浦被動(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的研究，同時(shí)建立了被動(dòng)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(cè)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(qiáng)的比值與泵浦光強(qiáng)的關(guān)系來測(cè)量晶體的拉曼增益系數(shù)。并用此方法測(cè)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(dòng)調(diào)Q方式，首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦被動(dòng)調(diào)Q的Nd：YAG/SrWO4內(nèi)腔式拉曼激光器在1180 nm的運(yùn)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(shí)，實(shí)驗(yàn)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(dòng)調(diào)Q方式，首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦被動(dòng)調(diào)Q的Nd：YAG/KLu(WO4)2內(nèi)腔式拉曼激光器在1178 nm的運(yùn)轉(zhuǎn)。在泵浦功率為15.7 W，Cr4+：YAG初始透過率為81%時(shí)，實(shí)驗(yàn)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(dòng)調(diào)Q拉曼激光器速率方程組的基礎(chǔ)上，得到了被動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)任何一個(gè)被動(dòng)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(dòng)調(diào)Q方式，首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦被動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)。在LD泵浦功率為14.0 W，Cr4+：YAG初始透過率為81%時(shí)，實(shí)驗(yàn)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(dòng)調(diào)Q方式，首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦被動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)。在LD泵浦功率為14.1 W，Cr4+：YAG初始透過率為81%時(shí)，實(shí)驗(yàn)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?jiǎng)?chuàng)

12、新點(diǎn)如下：
　　 1.提出一種測(cè)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(qiáng)的比值與泵浦光強(qiáng)的關(guān)系來算得晶體的拉曼增益系數(shù)。并用此方法測(cè)得YVO4晶體的拉曼增益系數(shù)是4.5 cm/GW。
　　 2.首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦被動(dòng)調(diào)Q的Nd：YAG/SrWO4內(nèi)腔式拉曼激光器在1180 nm的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　 3.首次實(shí)現(xiàn)了L

13、D端面泵浦被動(dòng)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(yùn)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(shí)，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(bào)道的采用LD泵浦被動(dòng)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(dòng)調(diào)Q腔內(nèi)倍頻拉曼激光器的理論模型。
　　 5.首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦被動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)。
　　 6.首次實(shí)現(xiàn)了LD端面泵浦被動(dòng)調(diào)Q的Nd：YAG/BaWO4/KTP內(nèi)腔式倍頻拉曼激光器在590 nm的運(yùn)轉(zhuǎn)。在LD泵浦功率為14.1 W，Cr4+：YAG初始透過率為81%時(shí)，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