全固态拉曼激光器的研究

张 濛，李洪奎

(沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159)

500～600nm的黄光波段激光属于人眼安全范围，在医疗、军事、食品药品检测等领域有着重要应用。受激拉曼散射是目前获得黄光激光的有效途径之一［1－2］。随着晶体生长和工艺技术的发展、各种新型拉曼晶体的发现以及全固态激光器技术的日益成熟，全固态拉曼黄光激光器已经成为研究的热点［3－4］。

1980年 A.S.Eremenko等人首次报道了Ba(NO3)2晶 体 的 受 激 拉 曼 散 射 特 性［5］，Ba(NO3)2晶体作为一种重要的拉曼晶体获得了人们的广泛关注［6］。Ba(NO3)2晶体具有最高的稳态拉曼增益系数、较长的声子寿命和较窄的拉曼线宽，对于1064nm和532nm波长的泵浦，其拉曼增益系数分别为11Gw/cm2和47Gw/cm2，是目前纳秒脉冲首选的拉曼晶体［7］。

外腔式拉曼激光器是把拉曼晶体放在一个独立的谐振腔内，不改变激光器的结构，且可以大大降低受激拉曼散射的阈值，从而提高转换效率［8－9］。本文采用主动调Q的Nd:YAG激光器作为抽运光，研究了外腔式Ba(NO3)2晶体的全固态拉曼黄光激光器的输出特性。实验得到了能量较高的一阶、二阶斯托克斯光以及相对较弱的三阶斯托克斯光，使用分光装置把各阶次光与泵浦光分开，并对它们的能量进行测量。

1 理论模拟

受激拉曼散射(stimulated raman scattering)是一种非弹性散射，拉曼光频率相对于入射光频率会发生一定的移动，光谱中除了有入射光的谱线，还出现了新的谱线。入射光与分子的非弹性相互作用使入射光子的能量发生改变，光子损失相应的能量。考虑三阶斯托克斯光的存在，稳态受激拉曼散射的传输耦合方程可表示为［10］

jLj表示除输出耦合之外的谐振腔内单程损耗性损耗之和，lc为谐振腔的光学长度;ωL，ωSi为泵浦光与各阶斯托克斯光的角频率;Ksp为自发拉曼散射系数。

图1为晶体长度分别取3cm、5cm、8cm时的束腰半径与阈值功率的理论模拟曲线。

由图1可以看出，对于同一晶体长度，在泵浦光束腰半径较小时，泵浦光的空间能量分布比较集中，阈值较低，此时阈值随束腰半径的变化缓慢;当束腰半径增大时，阈值随束腰半径的增大急剧增大;在束腰半径相同的情况下，晶体长度长的晶体，阈值功率相对较低。

图1 束腰半径与阈值功率模拟曲线

图2为一阶斯托克斯光的转换效率与泵浦光功率的模拟曲线。

图2 一阶斯托克斯光的转换效率与泵浦光功率的模拟曲线

由2图可知，在初始阶段，随着泵浦光功率的增加，一阶斯托克斯光的转换效率急剧增加;继续增大泵浦光功率，转换效率增长趋势放缓，并逐渐趋于饱和。

2 实验装置及方法

实验采用的Ba(NO3)2晶体呈长方形，密封在一圆柱形套内，两端封有透射窗片，镀450～650nm增透膜。封装好的晶体固定在调整架上。图3为实验装置示意图，系统采用主动调Q的Nd:YAG激光器产生的1064nm激光入射到倍频晶体，腔内倍频获得532nm激光，倍频晶体选择KTP晶体。输出镜M2镀制1064nm高反膜和532nm透过膜。经过输出镜M2后的532nm激光泵浦Ba(NO3)2晶体后产生受激拉曼激光。透镜L1、L2可对532nm激光进行缩束。P分光棱镜。通过棱镜后，泵浦光和一阶、二阶光都被分开。

图3 实验装置示意图

3 实验结果及讨论

实验观测得到一阶、二阶斯托克斯光，对其进行光谱测量。通过棱镜分光后，从右至左测得各个光斑对应的单一波长分别为532.5nm、563.6nm、598.7nm、638.6nm。

图4为实验测得的光谱图。由图4可以看出，在532.5nm、563.6nm、598.7nm波段处激光较强。另外，光谱仪中捕捉到了微弱的反一阶斯托克斯光，其中心波长为503.9nm。

图4 实验测得分光后的光谱曲线

图5为不同工作电压下，一阶、二阶斯托克斯光的转换效率曲线。

图5 一、二阶斯托克斯光的转换效率随电压的变化曲线

由图5可知，随着工作电压的增加，抽运能量随之增大，一阶光的转换效率增加到一定值后又随之趋于稳定并略有下降，在工作电压达到740V时，转换效率达到最大值30.3%。在660V电压处，抽运能量达到二阶光的阈值，二阶光随之产生，二阶光在730V时达到最大转换效率14.6%，一阶光的转换效率略有下降。由受激拉曼散射的原理可知，当一阶斯托克斯光的能量达到二阶光的阈值时，其就作为二阶光的抽运光;一阶光脉冲被消耗部分，其中还包括由级联效应所产生的损耗，一阶光的转换效率略有降低;而随着工作电压的增大，抽运光能量大大增加，同步提高了一阶、二阶光的转换效率。

4 结论

研制了一台主动调Q式Nd:YAG激光器泵浦Ba(NO3)2晶体的外腔式全固态拉曼激光器。实验测量了受激拉曼散射光的光谱构成及分光后的能量，计算了一阶、二阶斯托克斯光的转换效率在不同工作电压下的变化情况。实验测量得到一阶斯托克斯光的最大转换效率为30.3%，最大能量为1.3mJ，二阶斯托克斯光的最大转换效率为14.6%，最大能量为0.6mJ。由实验结果可知，应用Ba(NO3)2晶体的外腔式全固态拉曼激光器是获取500～600nm波段黄光激光输出的一种有效途径之一。

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