基于拉曼晶体的黄橙光波段激光输出研究进展分析

摘 要 由于具有良好的单色性、相干性和高的能量密度,激光在工业生产、国防、医疗等领域具有重要的应用价值。黄橙光波段激光是指波长在570~620nm范围内的激光,在生物医疗、显示成像、信号光源、雷达探测等领域具有重要的应用价值。目前,获得黄橙光波段激光的主要手段是采用非线性光学晶体对已有成熟激光进行频率转换,而基于拉曼晶体的全固态拉曼激光器是其中非常重要的一种方式。全固态拉曼激光器的核心是拉曼晶体,本文就近年来通过拉曼晶体获得黄橙光激光的研究进行了总结和展望。

关键词 雷达;光波;激光

引言

由于具有高的转换效率、紧凑的体积、良好的稳定性等优点,全固态激光器在科学、医疗、国防、工业等领域均有重要的应用。全固态激光器的核心是激光晶体,通过在基质晶体中掺入稀土激活离子,依靠激活离子的能级跃迁实现受激发射,但是這样产生的激光受能级跃迁规则的限制,产生的波长是有限的,远远不能满足实际应用的需求。采用非线性光学晶体对已有激光进行频率转换是获得新波长激光的重要方式。

目前,获取新的激光波长主要采用两种方式,第一是探索新型的激光基质晶体,通过不同基质晶格场的调节作用来获得更好的激光性能;第二则是通过以非线性光学晶体材料为基础的激光频率转换技术对已有的激光进行频率变换以获得新的激光波长。实现激光频率转换所利用的非线性光学效应主要包括属于二阶非线性光学效应的倍频、多波混频、光参量振荡及放大,以及属于三阶非线性光学效应的受激拉曼散射[1-2]。其中,利用受激拉曼散射效应产生拉曼激光是一种有效的激光频率转换技术。受激拉曼散射是指用强激光激发拉曼介质,入射光与拉曼介质发生非弹性散射,吸收或者放出一个声子从而导致散射光频率相对于入射光发生升高或者降低的现象[3]。受激拉曼散射的散射光为相干光,具有亮度高、光束质量好、脉宽窄等激光的一切特征。受激拉曼散射光频率由入射光频率和拉曼介质的振动频率所决定,因此光谱可以覆盖紫外到中红外波段,极大地拓展了激光光谱的范围。与二阶非线性光学效应相比,受激拉曼散射不依赖于材料的非中心对称的晶体结构,不受相位匹配、接收角与接收带宽、走离角等晶体几何限制,因此,拉曼激光晶体的种类更加多样、自由。此外,受激拉曼散射普遍具有高的转换效率,而且拉曼增益还会随着增益介质有效长度的增加而提高,同时阈值则会降低,因此在实验中在大尺寸单晶的基础上可以做到尽量长,从而保证了高效的拉曼激光输出。

近年来,以拉曼晶体为核心的全固态拉曼激光器在黄橙光波段获得了重要的进展,逐渐成为获得此波段激光的有效手段。

1 研究进展

黄橙光波段激光在生物医疗、显示成像、信号光源、雷达探测等领域具有重要的应用[4-6],采用Nd3+激光泵浦拉曼晶体后再进行倍频或者采用532nm绿光激光直接泵浦拉曼晶体是目前获得该波段激光最主要的方式之一。在拉曼晶体中掺入激活离子则可获得自激发拉曼激光晶体,此类晶体可以同时作为激光工作物质和频率转换介质,能够减少激光器谐振腔内的光学元件数,降低散射损耗,提高输出效率,有利于激光器结构的小型化。采用自激发拉曼激光晶体也是目前实现连续波拉曼激光输出的首选方案。

目前,关于拉曼激光晶体的研究主要集中在金刚石、硝酸盐、碘酸盐、钒酸盐、钨酸盐和钼酸盐等晶体上。早在1999年,澳大利亚科学家H. M. Pask采用LiIO3作为拉曼晶体,首次实现了578nm全固态黄光激光输出[7]。2009年朱海永等人采用Nd:YVO4作为自激发拉曼激光晶体,获得了平均功率为7.9W的588 nm黄光输出[8]。2010年,山东大学张行愚教授等人采用侧面泵浦Nd:YAG晶体作为光源,以BaWO4作为拉曼晶体,实现了590nm黄光输出,平均输出功率8.3W,单脉冲能量0.55mJ。2017年,天津大学丁欣教授等人采用Nd:YVO4作为自激发拉曼晶体,采用LBO作为倍频晶体,成功获得了6.3W的588 nm黄光输出,峰值脉冲功率33.4kW,光学转化效率为20.9%。近期,丁欣教授等人又采用YVO4作为拉曼晶体,通过侧面泵浦和Z型激光腔设计,获得了13.7W的588nm黄光输出,峰值脉冲功率达到了110kW。

与此同时,盛泉等人以BaWO4作为拉曼晶体,通过腔镜设计实现了波长在588.23~590.81nm范围内可调的连续波激光输出,并且实现了589.16nm的单纵模激光输出。2018年,朱海永及段延敏等人以Nd:YVO4作为自激发拉曼晶体,以BBO进行角度调谐,成功获得了532nm、559nm和588nm的激光输出。台湾交通大学陈永福教授等人则采用Nd:YVO4作为自激发拉曼晶体,在相同的腔镜设计下,分别实现了532nm、559nm和588nm连续波激光输出,并进一步通过对三块LiB3O5(LBO)晶体进行温度调谐,获得了532nm-559nm-588nm三色绿-黄波段激光的同时输出,整体光学转化效率为24%。

2 结束语

本文对拉曼晶体在获得黄橙光波段激光方面的研究进展进行了总结,可以看出,近年来黄橙光波段拉曼激光器得到了长足的发展,输出功率和效率都得到了较大的提高,并且获得了多波长激光的同时输出,成为获得黄橙光波段激光的非常重要的手段。然而,目前能够实用化的晶体依然是YVO4、BaWO4、GdVO4及金刚石等有限的几种,探索同时具有高拉曼增益系数和宽光学透过范围的新型拉曼功能晶体,仍然具有重要的理论和应用价值。

参考文献

[1] Richard L.Sutherland. Handbook of Nonlinear Optics[M].New York:Handbook of nonlinear optics,2003:217.

[2] 张克从,王希敏.非线性光学晶体材料科学[M].北京:科学出版社,1996:379.

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[4] Inagaki K , Ohkoshi K , Ohde S , et al. Comparative efficacy of pure yellow (577-nm) and 810-nm subthreshold micropulse laser photocoagulation combined with yellow (561–577-nm) direct photocoagulation for diabetic macular edema[J]. Japanese Journal of Ophthalmol,2015,(1):21-28.

[5] Kloepper J E,Tamás Bíró,Paus R,et al. Point scanning confocal microscopy facilitates 3D human hair follicle imaging in tissue sections[J]. experimental dermatology,2010,19(7):691-694.

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[7] Pask H M,Piper J A . Efficient all-solid-state yellow laser source producing 1.2-W average power[J]. Optics Letters,1999,24(21):1490-1492.

[8] Zhu H,Duan Y,Zhang G,et al. Efficient second harmonic generation of double-end diffusion-bonded Nd:YVO4 self-Raman laser producing 7.9 W yellow light[J]. Optics Express,2009,17(24):21544-21550.