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受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)是一种有效的光学频率转换方法,它具有转换效率高、光束质量好、脉冲窄、峰值功率高、不需要相位匹配等多种优良特性。同气体、液体拉曼介质相比,固体拉曼介质具有体积小、增益高、热导率高、稳定性好、易于和全固态激光技术相结合等优点。以晶体作为拉曼介质的固体拉曼激光器结构紧凑、效率高、稳定性好,在信息、交通、测量、医疗、国防和工农业等领域都有着广泛的应用。
本论文主要对二极管端面泵浦的全固态拉曼激光器进行了初步的理论分析和实验研究。分别以SrWO4、BaWO4和复合YVO4晶体作为拉曼介质,对主动调Q和连续工作模式下内腔及自拉曼激光器进行了系统的实验研究。具体内容如下:
一、利用传输矩阵法,从理论上对谐振腔的稳定性以及腔内高斯光束的传播规律进
行了分析,讨论了谐振腔的结构参数与激光光束特性的关系。考虑了激光晶体Nd:YV04的热效应,采用等效G参数法对热透镜腔进行了分析。为进一步优化设计拉曼激光谐振腔的结构提供了理论参考。
二、以SrWO4晶体作为拉曼介质,Nd:YVO4晶体作为激光介质,采用声光调Q,实现了LD端面泵浦主动调Q的人眼安全拉曼激光在1531 nm的高效运转。在泵浦功率15.6 W、重复频率35 kHz时,得到最大平均功率1.93 W的拉曼激光输出,光光转换效率为12.4％,斜率效率为23.3％,相对于1342 nm本振光的腔内拉曼转换效率为45.7％1在重复频率为5 kHz时,得到最小脉宽为4.9 ns拉曼激光输出,峰值功率为32.2 kW。
三、实现了LD端面泵浦Nd:YVO4/SrWO4内腔式拉曼激光器在1179.5 nm的连续运转。当泵浦功率为21.2 W时,获得拉曼激光的最高输出功率为2.23 W,光光转换效率为10.5％,相应的斜率效率为17.3％(拉曼阈值为8.3W)。此外,通过对不同偏振泵浦时拉曼激光器性能的研究发现,对于c切割的SrWO4晶体,泵浦光沿口轴偏振泵浦较沿6轴时有更高的拉曼增益系数。
四、选用拉曼特性优良(拉曼增益高、不潮解、损伤阈值高、热性能较好)的BawO4晶体作为拉曼介质,实现了LD端面泵浦Nd:YVO4/BaWO4内腔式、低阂值、高效率、高功率的拉曼激光在1180 nm的连续运转。实验中测得拉曼阈值低至3.6W。当泵浦功率为25.5 W时,获得拉曼激光的最高输出功率为3.36 W,光光转换效率提高到13.2％,相应的斜率效率为15.3％。相对于连续的1064 nm本振光,腔内拉曼转换效率达到21.5％。拉曼激光最大输出功率的波动不超过1.5％,具有良好的稳定性。此外,研究发现,对于6切割的BaWO4晶体,沿c轴偏振泵浦较沿口轴时有更高的拉曼增益系数。
五、选用复合YVO4晶体同时作为激光和拉曼介质,实现了LD端面泵浦连续自拉曼激光器在1175 nm的高效运转。由于复合晶体的非掺杂部分可以帮助晶体更好地散热、减轻了晶体中的热积累,使自拉曼激光器中的热效应得到了有效的改善,输出功率水平大大提高。当泵浦功率为25.5 W时,获得拉曼激光输出最高功率为3.4 W,光光转换效率为13.3％。拉曼阈值降低为2.21 W,相应的斜率效率为14.6％。拉曼激光最大输出功率的波动不超过2.3％,稳定性良好。