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受激拉曼散射(SRS)是一种重要的变频手段,通过SRS可以获得固体激光器目前还不能直接发射的激光波长,是人们填补和拓展现有激光频段获得新波长激光的一种有效手段。与传统气体和液体拉曼介质相比,固体拉曼介质具有粒子浓度大、体积小、拉曼增益系数大、热导性能及机械性能好等优点,以晶体作为拉曼介质的固体激光器结构紧凑、效率高、稳定性好,在信息、军事、医疗等领域都具有重要应用。现今固体拉曼介质和固体拉曼激光器是非线性光学和固体激光器领域的研究热点。
晶体中的受激拉曼散射理论研究及固体拉曼激光器中的受激拉曼散射研究是研究高性能固态固体激光器的理论基础。
本论文以Nd:KGd(WO4)2(掺钕钨酸钾钆)晶体作为拉曼介质,对内腔式激光器进行了系统的理论及实验研究。本文研究的具体内容为:
1.基于Maxwell方程及拉曼物质方程,考虑至三阶Stokes散射,首次构建了基于Nd:KGd(WO4)2内腔式调Q激光器的理论模型,并进行数值计算。实验结果证明该理论模型可以很好的描述内腔式固体拉曼激光器中基频光与Stokes散射的形成,并可以辅助设计内腔式激光器,以实现某阶Stokes散射的最大能量输出。
2.数值求解波动方程,对基于1067 nm的基频光产生的一阶Stokes散射输出进行了优化,通过数值计算研究了一阶Stokes散射输出能量的变化趋势,给出了实现一阶Stokes散射最大能量输出时输出镜的最佳反射率。
3.以Nd:KGW作为拉曼介质,声光调Q,实现了内腔式调Q激光器的运转,首次获得三阶Stokes散射输出,其能量达到3.8 mJ。实验中得到的一阶Stokes散射的最高能量为35.3 mJ,转换效率为7.06%,这是基于Nd:KGW的内腔式调Q激光器所得到的最大能量。
4.根据计算结果对一阶Stokes散射的输出能量进行了优化,实验结果与理论计算结果相符。实验过程中发现输出镜微小的调节会影响基频光和Stokes光的时序关系及一阶Stokes脉冲的个数和形状,解释这种情况的出现并优化脉冲形成的模式。