受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)是一种三阶非线性效应,是实现激光频率变换的有效方法。近些年,基于晶体受激拉曼散射的拉曼激光器取得了长足的发展,获得了大量的研究成果。这得益于三个方面的技术支持：一是优质拉曼晶体的发明和生长工艺的成熟；二是光学镀膜技术的进步和镀膜精度的提高；三是高性能LD泵浦技术的发展与产业化。这些都为高效晶体拉曼激光的发展提供了强有力的技术支撑。目前,利用晶体拉曼激光技术并与其它非线性技术相结合,人们已经获得遍及可见光到红外波段的一系列新波长激光器。本文的主要工作是：针对两个应用需求点(小间隔双波长激光器和589 nm波长的钠黄光激光器),以晶体拉曼激光器的构架进行设计和实现。第一个需求点：小间隔双波长激光器。双波长固体激光在双波长激光探针、双波长激光干涉仪、光谱分析、全息测量、血液检测、差分吸收激光雷达以及太赫兹波等领域有着广泛应用。特别地,小间隔双波长激光(双波长间隔在1～20nm)在太赫兹波(频率是0.1～10 THz)产生以及差分吸收激光雷达等方面有着重要应用。一般间隔较大的双波长激光由激光介质不同能级跃迁形成,如Nd:YAG中的1.06和1.3μm双波长。而小间隔双波长激光一般由激光介质的同一跃迁能级的分裂能级形成,如Nd:YAG中的1.319和1.338μm双波长。已经实现的同一跃迁能级分裂能级辐射的方法是：(1)通过腔镜膜层对两个波长透过率的优化设计来实现双波长激光输出。(2)通过在谐振腔内插入标准具来进行波长调谐激光输出。以上研究都把注意力集中在激光介质的基频光上,与这些研究不同,本文基于晶体受激拉曼散射,提出实现小间隔双波长激光器的3个新方案, (1)1阶Stokes和2阶Stokes同时运转的激光器；(2)双拉曼晶体的双波长激光器；(3)双波长基频光泵浦的拉曼激光器。相比较于激光介质的基频光,拉曼光有着独特优势：即光束净化效应、高光束质量、脉宽压缩效应、高光谱纯度、转换效率高、无需相位匹配等,甚至还可实现短脉冲拉曼锁模激光,可满足更多特殊应用。第二个应用需求点,同时也是近些年的研究热点：589nm钠黄光激光器。589 nm黄光可以有效激发钠原子D2谱线跃迁,因此称之为钠黄光,其在冷原子分子物理、激光光谱、激光雷达、钠导星等方面有着重要应用。本文基于晶体受激拉曼散射技术,将Nd:YAG的1064 nm基频光频移到1178 nm,再经过倍频得到589 nm黄光。在此过程中,拉曼晶体的频移要十分精确,新型拉曼晶体KLu(WO4)2和BaTeMo2O9的拉曼频移与之匹配,本文采用内腔式拉曼倍频的方式对两种新晶体在589 nm黄光的实现上进行了研究,一方面拓展了新晶体的应用范围,另一方面为钠黄光提供了新的实验方案。本文的具体研究内容如下：1.实现了高功率LD侧面泵浦的1阶和2阶Stokes拉曼激光器的高效运转。泵浦源为LD侧面泵浦装置,激光介质为Nd:YAG,拉曼介质为BaWO4,基频波长为1064nm。使用对1阶Stokes光透过率为3.9%,2阶Stokes光透过率为60.08%的输出镜时,实现了1阶和2阶Stokes光的同时输出,泵浦功率为209 W、重复频率为15 kHz时,1阶和2阶Stokes光的输出功率分别达到8.30 W和2.84 W,对应的光-光转换效率分别为5.0%和1.4%,对应的1阶Stokes和2阶Stokes脉冲宽度分别为20.5 ns和5.8 ns。2.为研究级联Stokes输出特性,使用专门针对2阶Stokes镀膜的腔镜,LD侧面Nd:GGG/BaWO4组合实现了稳定的2阶Stokes单波长拉曼激光输出,泵浦功率为125 W、重复频率为20 kHz时,2阶Stokes光的输出功率达到了3.8 W,对应的光-光转换效率为3%,2阶Stokes脉冲宽度为9.2 ns。3.提出了利用双拉曼晶体实现小间隔双波长激光器的方案,采用Nd:YVO4自拉曼晶体+GdVO4拉曼晶体组合的方式,通过拉曼增益参数匹配、腔镜膜系精细设计以及谐振腔优化设计实现了双波长拉曼光输出。使用1064 nm基频光时,YVO4最大增益的Stokes频移889 cm-1和GdVO4最大增益的Stokes频移882 cm-1输出1175 nm和1174 nm双波长拉曼光。当泵浦功率为20.5 W、重复频率20 kHz时,双波长拉曼光输出功率为1.52 W,其中估算的1174 nm拉曼激光0.71 W,1175 nm自拉曼激光0.81 W。4. 以上3.中方案,进一步优化谐振腔设计,采用1342nm作为基频光,当泵浦功率为21.5W、重复频率20 kHz时,双波长拉曼光输出功率为1.62 W,其中1522 nm拉曼激光0.54 W,1524 nm自拉曼激光1.08 W。实验表明,在损耗一定输出功率的基础上,能够通过腔镜和晶体的调节来平衡双波长拉曼光的损耗,从而平衡其振荡条件,使得双波长拉曼光稳定输出。5.提出了利用双波长基频光泵浦一块拉曼晶体产生双波长拉曼光的方案。双波长拉曼激光器首先采用LD端面泵浦陶瓷Nd:YAG/BaWO4构架。基频光为1061和1064nm,分别使用针对1阶Stokes和2阶Stokes镀膜的腔镜进行实验。当泵浦功率为18.4W,重频为15 kHz时,2阶Stokes双波长拉曼光的总功率为1.67 W,其中1321nm拉曼光为0.75 W,1325 nm拉曼光为0.92W,双波长基频、1阶和2阶Stokes拉曼光的脉宽分别为10.4,4.5和2.9 ns,2阶Stokes双波长拉曼光的谱线宽度约为0.31nm-0.35nm,比1阶Stokes的0.4 nm要窄,2阶双波长拉曼光M2因子在水平和竖直方向分别为1.4和1.5,比1阶Stokes的光两方向上M2因子2.1和2.6要小。6.上述5中方案采用1.3μm→1.5μm频移腔镜,1319,1338 nm作为基频光,实现了1502,1527 nm人眼安全双波长拉曼光输出。泵浦功率为17.3 W时,双波长拉曼光输出功率为0.82 W,其中1502 nm拉曼光0.37 W,1527nm拉曼光0.45 W,双波长拉曼光的脉宽为7.2 ns。7.上述5中方案实现了LD侧面泵浦的1.3μm→1.5μm的双波长拉曼激光器。当泵浦功率为125 W,重频为5 kHz时,1502,1527 nm双波长拉曼光输出功率为2.3 W,其中1502 nm拉曼光1.4 W,1527 nm拉曼光0.9 W,双波长基频光与双波长拉曼光的脉宽分别为105和9.5 ns。8. 内腔式ps级双波长拉曼激光器研究。选择荧光光谱较宽、三阶非线性效应强的激光介质作为基频光介质,与BaWO4组合实现内腔式拉曼锁模激光输出,脉宽达到ps量级。首先研究了单波长的拉曼锁模调制,实现了880 nm LD端面泵浦Nd:KLu(WO4)2/BaWO4单波长拉曼锁模激光输出。基频光和拉曼光的中心波长分别为1355 nm和1549 nm,吸收泵浦功率在阈值到10 W左右时,都会出现拉曼锁模脉冲,调Q包络脉宽为8.2 ns,锁模调制深度达到100%,相邻脉冲间隔为660 ps,锁模的重复频率1.6 GHz,估算的锁模脉宽小于28 ps。9.为了实现双波长拉曼锁模,激光介质选择荧光光谱较宽的无序晶体Nd:CNGG,1059,1061nm双波长基频光经过BaWO4的925cm-1 Stokes频移,产生了1173和1175 nm的双波长拉曼光,双波长拉曼光的光谱宽度约为0.5 nm左右,比基频光(约.1 nm)要窄,泵浦功率从阈值3.5到7 W范围内,输出双波长拉曼光表现出近乎100%的调制深度,双波长拉曼光的调Q包络约为8.7ns,锁模的相邻脉冲间隔约为1 ns,高速示波器测量的锁模脉宽约为450 ps。10.基于新拉曼晶体+内腔拉曼倍频激光器构架,实现了589 nm激光输出。对应着1064nm的基频光和BaTeMo2O9拉曼晶体的904.8 cm-1Stokes频移,LD端面泵浦的内腔式Nd:YAG/BaTeMo2O9拉曼倍频激光器实现了中心波长为589.2 nm的黄光输出,当泵浦功率为16.6 W,重频为20 kHz时,黄光功率为0.39 W,对应的从LD泵浦功率到黄光的光-光转换效率为2.3%,这时脉宽为4.1 ns,峰值功率为4.8 kW,横向和竖向的M2因子分别为1.6和1.4。11.对于10中方案,基于KLu(WO4)2的907 cm-1频移,LD侧面泵浦的内腔Nd:YAG/KLu(WO4)2拉曼倍频激光器实现了中心波长为589.3 nm的黄光输出,谱线宽度约为0.2 nm,当泵浦功率为125 W,重频为10 kHz时,黄光输出功率为4.33 W,脉宽为38 ns,脉冲能量和峰值功率分别为0.43 mJ和11.4 kW,横向和竖向的M2因子分别为4.9和5.0。本文主要创新点如下：1.使用国产优质BaW04晶体,在高功率LD侧面泵浦情况下,刷新了内腔式1阶和2阶Stokes拉曼激光器的最高输出功率。激光器在1阶Stokes单波长运转时,输出功率达到20.5 W,1阶和2阶Stokes光同时运转时,功率分别达到8.30 W和2.84 W,2阶Stokes光单波长运转时输出功率为3.8 W。这些结果均为当时内腔式晶体拉曼激光的最高纪录。2.首次提出了利用双拉曼晶体实现小间隔双波长激光器的方案。采用LD端面泵浦Nd:YVO4自拉曼晶体+GdVO4拉曼晶体的内腔拉曼激光器构架,实现了YVO4889 cm-1 Stokes频移和GdVO4882 cm-1 Stokes频移的1阶Stokes双波长拉曼光输出。采用1342nm基频光,实现了1522 nm和1524 nm的人眼安全双波长拉曼光输出。3.首次提出了利用双波长基频光泵浦一块拉曼晶体产生双波长拉曼激光的方案。采用LD端面泵浦陶瓷Nd:YAG/BaWO4构架,1061,1064 nm双波长基频光激发BaWO4925cm-1频移的拉曼增益,实现了1177,1180 nm 1阶Stokes(1阶腔镜时),1321,1325 nm 2阶Stokes(2阶腔镜时)的双波长级联拉曼激光器。4.首次实现了LD侧面泵浦的1.3 μm→1.5μm的双波长拉曼激光器。事实上LD侧面泵浦的1.3μm频移到1.5μm的单波长拉曼激光器当时也未见报道。在提高腔镜镀膜精度、优化谐振腔设计和降低重复频率的基础上,实现了LD侧面泵浦的1.3μm→1.5μm的拉曼激光输出。当泵浦功率为125 W时,双波长拉曼光的输出功率为2.3 W,其中1502 nm光为1.4 W,1527 nm光为0.9 W。5.基于宽光谱激光介质对锁模调制的诱发作用+受激拉曼散射对锁模调制的“梳理”作用,首次提出无序结构的基频介质+拉曼介质的双波长拉曼锁模激光器构想。无序晶体Nd:CNGG作为基频介质,BaWO4为拉曼介质,实现了1059,1061 nm基频光到1173,1175 nm拉曼光的双波长频移,双波长拉曼光的光谱宽度约为0.5 nm左右,比基频光(约1nm)要窄,当LD泵浦功率为14 W,重频为5 kHz时,得到的最大输出功率为190 mw。泵浦功率从阈值3.5到7W范围内,双波长拉曼光都表现出接近100%的调制深度,调Q包络约为8.7 ns,锁模的相邻脉冲间隔约为1 ns,高速示波器测量的锁模脉宽约为450 ps。6.首次实现了LD端面泵浦的内腔式Nd:YAG/BaTeMo2O9拉曼倍频激光器,输出中心波长为589.15 nm,最大功率为0.39 W。7.首次实现了LD侧面泵浦的内腔式Nd:YAG/KLu(WO4)2拉曼倍频激光器,输出中心波长为589.3 nm,最大功率为4.33 W。