窄線寬、低噪聲級聯(lián)金剛石拉曼激光器

　　受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)作為一種無空間燒孔效應且可實現(xiàn)波長高效轉換的三階非線性光學效應，是獲得窄線寬、特殊波長激光輸出的有效手段。得益于拉曼轉換的級聯(lián)轉換和自相位匹配特點，可在單一諧振腔內獲得多波長且高光束質量激光的同軸輸出。金剛石晶體作為出色的拉曼晶體介質，其在實現(xiàn)窄線寬、多波長激光產生方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。目前，國內外研究團隊通過采用主動穩(wěn)頻、引入非線性損耗等方式實現(xiàn)了高功率的單頻金剛石拉曼激光運轉，但對金剛石拉曼激光輸出線寬的測量和噪聲特性研究仍是空白。因此，揭示制約金剛石拉曼激光輸出線寬和頻率穩(wěn)定性的因素、探明如何實現(xiàn)有效的激光噪聲抑制和線寬壓縮是當前亟需突破的難題。

　　本工作主要圍繞金剛石拉曼激光輸出縱模特性和噪聲特性展開研究，通過探究腔模與拉曼增益匹配的關系和調控技術，實現(xiàn)了單模運轉下拉曼激光線寬相對于泵浦線寬壓縮2倍以上，且噪聲具有明顯抑制效果的一階和級聯(lián)金剛石拉曼激光輸出(實驗裝置如圖1所示)。

　　圖1窄線寬級聯(lián)金剛石拉曼激光器結構示意圖

　　在實驗中，首先使用 1064 nm 激光作為泵浦光，通過一階和二階拉曼轉換分別獲得了 1240 nm 和 1485 nm 的拉曼激光輸出，并深入研究了 Stokes 光縱模特性隨諧振腔長度周期性變化的規(guī)律。從圖 2 可以看出，諧振腔長度的變化導致腔內不同縱模與拉曼增益中心的位置交替匹配，從而使得拉曼激光輸出在單縱模和多縱模之間呈現(xiàn)出隨腔長變化的周期性規(guī)律。這一現(xiàn)象為理解腔長對拉曼激光縱模動態(tài)的影響，以及優(yōu)化頻率穩(wěn)定性提供了重要依據(jù)。

　　圖2不同腔長下的縱模輸出特性

　　因此，作者在未引入主動穩(wěn)頻裝置的情況下，通過主動調節(jié)腔長成功實現(xiàn)了在不同腔參數(shù)下穩(wěn)定的單縱模一階和二階 Stokes 激光輸出，連續(xù)穩(wěn)定運行時間超過 10分鐘。通過線寬測量發(fā)現(xiàn)，在最高運轉功率下，1240 nm 和 1485 nm 激光的線寬分別為 3.0 kHz 和 2.7 kHz，相較于泵浦光線寬實現(xiàn)了超過 2 倍的壓縮。此外，對二階 Stokes 光的噪聲特性進行了測量(見圖 3)，由于拉曼轉換的線寬壓縮效應，二階 Stokes 光在整個測量頻段內的噪聲特性均優(yōu)于泵浦光，噪聲性能提升高達 3 個數(shù)量級，其本征線寬達到3.6 Hz。

　　圖3 二階Stokes噪聲與泵浦對比

　　總結與展望

　　本研究第一次驗證金剛石拉曼激光在噪聲抑制方面的特性，通過將腔模與拉曼增益精確匹配，在無需引入主動穩(wěn)頻裝置的情況下，成功實現(xiàn)了對級聯(lián)金剛石拉曼激光窄線寬與噪聲抑制的原創(chuàng)性探索。研究結果為解決傳統(tǒng)拉曼激光器頻率不穩(wěn)定的問題提供了全新的技術思路，同時為金剛石激光器在精密測量、環(huán)境監(jiān)測和生物醫(yī)學等領域的實際應用奠定了重要的技術基礎，具有廣闊的應用前景和深遠的學術意義。

　　參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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