[发明专利]多波长双级固体拉曼频移器

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体拉曼激光器，特别是一种多波长双级固体拉曼频移器及激光转化输出方法。

背景技术

激光技术及应用领域发展快速，寻求新波长激光输出一直是激光领域研究者的不懈追求。受激拉曼散射不需要相位匹配，产生的散射光光束质量好、脉宽窄，并且具有高的转换效率，成为重要的变频技术。其中由于晶体拉曼介质具有粒子浓度大、体积小、热导性能好等优点，晶体中的受激拉曼散射过程成为研究热点。

外腔式固体拉曼激光器被广泛用来产生斯托克斯光，实现频率下转换，拉曼介质位于独立于泵浦激光器的拉曼腔内，不需要改变泵浦激光器结构，因而设计、优化较为简单，大大降低了受激拉曼散射的阈值，提高了转换效率，通过对腔镜反射率的控制可以有选择地实现某阶斯托克斯光的输出，同时谐振腔使散射光的光束质量得到了提高。有人利用33mm长的BaWO₄晶体采用外腔式结构，对皮秒激光脉冲实现一阶斯托克斯光的光光转换效率为85％，接近量子限；二阶斯托克斯光的转换效率高达50％(P.Cemy and H.Jelinkova，“Near-quantum-limit efficiency of picosecond stimulated Raman scattering in BaWO₄crystal，”Opt.Lett.，vol.27，pp.360-362，2002)。一些公司也推出了商用外腔式固体拉曼激光器，例如白俄罗斯SOLAR TII公司生产的基于硝酸钡晶体的拉曼变频器，可以进行一阶、二阶和三阶斯托克斯光的转换输出，最大转换效率分别为35％、30％和20％。

相干反斯托克斯拉曼散射可以实现频率上转换，进一步扩展相干光谱范围。但处于热平衡状态的粒子大部分处于基态，因而受激拉曼散射过程产生的反斯托克斯光远比斯托克斯光微弱，外腔式拉曼激光器只能实现斯托克斯光的高效转换，难以直接实现高效率的反斯托克斯光的转换。而受激拉曼散射与拉曼共振四波混频过程结合可以产生反斯托克斯光，其过程是：受激拉曼散射产生的一阶斯托克斯光(ω_s)与泵浦光(ω_p)及一阶反斯托克斯光(ω_a)通过晶体的三阶非线性系数χ_R⁽³⁾相互耦合，四波混频过程：2ω_p→ω_a+ω_s，即吸收两个泵浦光子产生一个斯托克斯光子和一个反斯托克斯光子，此过程被称为拉曼共振四波混频。拉曼共振四波混频的非线性系数χ_R⁽³⁾与受激拉曼散射的非线性系数的量级相同，较非共振的三阶非线性系数χ_NR⁽³⁾要大一至两个数量级，因而相干反斯托克斯拉曼散射与受激拉曼散射能达相近的转换效率。

理论与实验研究表明相干反斯托克斯拉曼散射在完全相位匹配下，斯托克斯光与反斯托克斯光之间的耦合使这两种光都不能指数增长，从而最终限制了这两种光的转换效率，此现象被称为拉曼增益抑制(M.D.Duncan，R.Mahon，J.Reintjes，and L.L.Tankersley，″Parametric Raman gain suppression in D₂ and H₂，″Opt.Lett.，vol.11，pp.803-805，1986)。斯托克斯光种子法是克服拉曼增益抑制的有效方法，即在泵浦过程中引入一束一阶斯托克斯光，一方面可以加强受激拉曼散射过程，提高斯托克斯光的转换效率；另一方面，还可以通过优化泵浦光与一阶斯托克斯光光强之比，获得反斯托克斯光的高效率转换。目前这方面的研究大都采用气体拉曼介质。例如，美国C.Reiser等人采用斯托克斯光种子法，以氢气作为拉曼介质，以纳秒脉冲作为泵浦光，用拉曼发生器与拉曼放大器组合的结构产生一阶斯托克斯光种子，将泵浦光与一阶斯托克斯光种子同时输入到主拉曼池中，得到相干反斯托克斯光的转换效率为10％(C.Reiser，T.D.Raymond，R.B.Michie，and A.P.Hickman，“Efficient anti-Stokes Raman conversion in collimated beams，”J.Opt.Soc.Am.B，vol.6，pp.1859-1869，1989)。