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新突破!金剛石拉曼激光器實現多波長紅光輸出

近日,河北工業大學呂志偉教授團隊通過可見光泵浦級聯金剛石拉曼振蕩器,直接實現了跨越一階拉曼頻移獲得了三波長紅光拉曼激光輸出。該成果以封面文章的形式,發表于中國光學工程學會會刊《紅外與激光工程》,論文通訊作者為白振旭教授。



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背景


紅光激光器在激光顯示、全息存儲以及醫療領域有著重要應用。受限于傳統增益介質有限的輻射光譜范圍,直接實現多波長輸出具有一定困難。目前,將反轉粒子增益介質發射譜的多個發射峰與二階非線性效應相結合是產生多波長紅光輸出的有效方式。但是,由于用于倍頻產生紅光的基頻光波長并不是常見固體增益介質的最強發射峰,最終獲得紅光的轉換效率較低。因此,探索一種新的技術手段來實現高效的多波長紅光輸出成為了人們研究的熱點。


受激拉曼散射(SRS)作為一種三階非線性效應,是一種實現波長變換的有效手段,同時SRS具有自動相位匹配、光束凈化以及無空間燒孔等特性,并且理論上基于拉曼轉換可以獲得拉曼增益介質透過范圍內任意波長的拉曼激光輸出。相較于傳統的拉曼介質,金剛石晶體具有極寬的光譜透過范圍、超高熱導率、高拉曼增益系數和已知晶體中最大的拉曼頻移,這使得金剛石晶體在獲得高功率、寬波段激光輸出方面具有重大優勢。尤其是利用常見且成熟的532 nm激光器泵浦金剛石晶體,有望在實現高效、高能量、高光束質量的多波長紅光激光輸出方面展現強大的優勢。目前圍繞532 nm泵浦的一階和級聯的金剛石拉曼轉換已有報道,但是如何有效跨過黃橙光波段,直接實現單一和多波長紅光波段輸出,至今尚無研究。


金剛石拉曼轉換實現多波長紅光輸出


為了探索“跨頻率”的階次可控級聯拉曼轉換輸出,所采用的整體的實驗裝置如圖1所示,泵浦源為自搭建的倍頻532 nm綠光脈沖激光器,金剛石拉曼振蕩器采用外部直接泵浦的平凹腔結構,通過對腔鏡的鍍膜實現了將一階Stokes黃橙光(573 nm)鎖定在振蕩器中,紅光波段的二階、三階和四階(620、676和743 nm)級聯拉曼激光的諧振輸出。


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圖1 多波長紅光金剛石拉曼激光器實驗結裝置圖


對入射拉曼腔的532 nm泵浦光和最大泵浦能量下輸出的各階Stokes光的時域波形進行了測量,結果如圖2所示,其脈寬依次為11.43 ns、10.41 ns、3.75 ns、2.45 ns。根據測得的單脈沖能量可以計算得到產生的620、676和743 nm三階紅光的峰值功率分別為12.5 kW、40.8 kW和17.4 kW??梢钥闯?,相對泵浦光脈寬而言,隨著拉曼階次的增加,其脈沖壓縮效果依次增加。當腔內低階Stokes光的能量密度達到高階Stokes光的閾值時,高階 Stokes光會耗盡低階Stokes光的能量,由此導致低階Stokes光在波形上會出現中心高強度部分被耗盡,進而產生一個非常窄的前沿尖峰和一個后沿平臺脈沖的現象,其中620 nm脈沖波形中的前沿尖峰在百皮秒量級。


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圖2 脈沖波形及光斑:(a) 泵浦光;(b) 二階 Stokes 光;(c) 三階 Stokes 光;(d) 四階 Stokes 光


前景與展望


研究成果證明,基于級聯振蕩器的方案能夠直接實現多波長激光的同軸輸出,該特性使其在光電對抗、雷達探測等應用中擁有顯著優勢,尤其是憑借極高的拉曼增益系數以及優良的光熱性質,以金剛石晶體作為拉曼增益介質的可見光泵浦拉曼激光器,在實現高效的全固態小型化多波長高功率激光器方面具有巨大潛力。


通訊作者簡介


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白振旭,河北工業大學教授、博士生導師、先進激光技術研究中心副主任、河北省先進激光技術與裝備重點實驗室副主任、研究生院副院長(掛職)。擔任中國光學光電子行業協會激光應用分會青年委員、天津市激光技術學會常務理事,以及《光電技術應用》、《紅外與激光工程》、《中國激光》、《應用光學》等期刊青年編委。長期從事高功率金剛石激光技術研究,入選全球前2%頂尖科學家榜單。


團隊簡介


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河北工業大學先進激光技術研究中心成立于2018年,以呂志偉教授為學術帶頭人,團隊致力于高功率激光技術和應用的研究,2020年以中心作為依托單位獲批河北省先進激光技術與裝備重點實驗室。中心現擁有包括國家級、省級人才計劃入選者在內的教師22人,在讀博士和碩士研究生140余人。中心成立至今,團隊成員承擔包括國家自然科學基金重大科研儀器研制項目、國防科技173、裝備發展部領域基金在內的國家級項目20余項,河北省和天津市自然科學基金重點項目、軍民融合重點項目等省部級項目40余項,以及中電科集團、華為技術有限公司等企業委托項目40余項。成果榮獲中央軍委軍隊科技進步一等獎、航空航天工業部科技進步獎二等獎、河北省技術發明二等獎等。


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