釩酸鹽晶體拉曼及其混頻可見光波段激光研究進展
發(fā)布時間：2021-08-11 08:57
受激拉曼散射是獲得新型波長激光的重要變頻手段。腔內拉曼激光同時存在著基頻光和多階斯托克斯光,為通過二階非線性光學變頻獲得多種可見光波長激光提供了基礎,可滿足一些領域對多種波長激光的應用需求,在激光醫(yī)療、激光顯示、光譜成像和生物光子學等領域具有重要應用。釩酸鹽晶體具有優(yōu)異的受激拉曼散射特性,是釹離子激光驅動的重要固體拉曼增益介質。簡要介紹了釩酸鹽晶體拉曼光譜特性以及相關拉曼激光研究現(xiàn)狀,隨后對近年來拉曼倍頻與和頻激光的研究進展進行了總結,并對基于拉曼選擇性混頻實現(xiàn)可見光波段可選激光技術的發(fā)展及應用前景作了簡要分析。
【文章來源】：激光與光電子學進展. 2020,57(07)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：12 頁
【部分圖文】：
YVO4晶體的拉曼頻移特性圖[16]
為了在較高的抽運功率下實現(xiàn)更高的拉曼激光輸出功率，通常可采用鍵合結構的自拉曼晶體。圖2給出了本課題組曾設計的用于自拉曼激光的單端和雙端鍵合Nd…YVO4晶體。在設計雙端鍵合三段式自拉曼晶體時，中間的摻釹離子自拉曼晶體需根據(jù)其激光性能來設計；自拉曼晶體的抽運光輸入端鍵合一段未摻雜的晶體以改善熱效應；自拉曼晶體的另一端鍵合一段較長的未摻雜晶體，作為拉曼增益介質以提高拉曼變頻效率。自拉曼晶體兩端鍵合的基質晶體不但可通過熱傳導幫助自拉曼晶體散熱，改善拉曼器件的熱效應，而且可與自拉曼晶體一起作為拉曼增益介質，增長了拉曼作用介質的長度，有效提高拉曼變頻效率和輸出功率，從而降低激光閾值。而且晶體變長后與冷卻的熱沉相互接觸面積增大，改善了晶體的冷卻效果。熱透鏡效應的改善，又可降低對基波和拉曼光的衍射損耗，從而提高激光光束質量。2011年，本課題組將該三段式鍵合晶體應用于自拉曼倍頻，實現(xiàn)了高效的588nm黃光輸出[19]。2010年Du等[32]基于鍵合的Nd…YVO4晶體，在25 W抽運功率和90kHz重復頻率下，獲得了平均輸出功率為3.1 W和轉換效率為12.4%的1176nm激光輸出。同年Fan等[33]報道了基于YVO4/Nd…YVO4/YVO4三段式鍵合的連續(xù)波拉曼，有效改善了熱效應并降低了閾值，在25.5W的抽運功率下實現(xiàn)了2.8W輸出功率和11%轉換效率的1175nm激光輸出。2019年，Chen等[34]報道了基于c切鍵合Nd…YVO4晶體的Cr4+…YAG被動調Q拉曼，在20.6 W的抽運功率下，實現(xiàn)了2.53 W輸出功率和12.3%轉換效率的1178nm激光輸出。3.3 二階Stokes激光的研究進展
目前針對釩酸鹽晶體拉曼腔內混頻用到的常見二階非線性光學晶體主要有LBO、BBO和KTP三種，相位匹配方式主要包括溫度匹配和角度匹配。表4給出了利用SNLO軟件對各個晶體的相位匹配參數(shù)進行計算的結果。針對混頻實現(xiàn)單個波長的輸出，不同晶體各有優(yōu)缺點。利用溫度調節(jié)的LBO和角度調節(jié)的BBO晶體可能輸出盡量多波長的可見激光。BBO晶體在近紅外波段的選擇性混頻相位匹配的容忍溫度大，對溫度不敏感，而對角度比較敏感，利用適合采用角度調節(jié)的臨界相位匹配技術進行拉曼選擇性混頻。LBO晶體角度調節(jié)的臨界相位匹配需要改變的角度較大，對溫度較為敏感，適合溫度調節(jié)的LBO晶體非臨界相位匹配技術具有沒有走離角、可通過增加晶體長度來提高轉換效率的優(yōu)點，但需要實現(xiàn)對LBO晶體在很大的范圍（如-1～149℃）的溫度調節(jié)，這不但對溫控設備提出了挑戰(zhàn)，而且存在溫度切換直到穩(wěn)定下來的速度比較慢的問題。相較于溫度調節(jié)的非臨界相位匹配技術，BBO晶體臨界相位匹配技術雖然存在較大走離角，影響了轉化效率，但其只需微調晶體角度2.5°以內即可輸出5個不同波長的激光，切換起來更加方便快捷。同時BBO晶體的有效非線性光學系數(shù)（2.0pm/V）較大，比LBO晶體（0.84pm/V）高出一倍以上，可在一定程度上彌補走離角的不足。所以實驗室以BBO晶體為主開展相關研究。5.2 連續(xù)波拉曼混頻波長可選激光
【參考文獻】：
期刊論文
[1]1318nm ZnWO4/Nd…YAG二階拉曼激光器[J]. 任席奎,謝建,阮雙琛,裴繼紅,王欣,于浩海,張懷金,呂啟濤,郭麗,曹洪濤,謝圣君,高云峰,何柏林,杜晨林. 光學學報. 2020(05)
[2]基于楔形Nd:YVO4/KTP雙折射濾波的單頻綠光激光器[J]. 高志紅,張文喜,郭曉麗,趙亞帥,伍洲,顏博霞,亓巖,馮其波. 中國激光. 2020(03)
[3]級聯(lián)Nd:GdVO4自拉曼1309nm激光性能研究[J]. 張喜梅,陳思夢,施沈城,周青青,段延敏,朱海永. 紅外與激光工程. 2019(11)
[4]First-Stokes Wavelengths at 1175.8 and 1177.1 nm Generated in a Diode End-Pumped Nd:YVO4/LuVO4 Raman Laser[J]. 周青青,施沈城,陳思夢,段延敏,張喜梅,郭錦,趙斌,朱海永. Chinese Physics Letters. 2019(01)
[5]Nd:YVO4/Nd:GdVO4組合晶體雙頻激光器實驗研究[J]. 金濤,胡淼,李鵬,范紅丹,韓寧,馮冰,歐軍,周雪芳,楊國偉,盧旸,畢美華. 激光與光電子學進展. 2018(09)
[6]主動調Q內腔式Nd…YAG/m-LaVO4拉曼激光器[J]. 白如雪,林海楓,張莉珍,陳瑋冬,林州斌,張戈. 中國激光. 2018(09)
[7]Multiwavelength visible laser based on the stimulated Raman scattering effect and beta barium borate angle tuning[J]. 李小麗. Chinese Optics Letters. 2016(02)
[8]Diode-Pumped c-Cut Nd:Lu0.99La0.01VO4 Self-Stimulated Raman Laser at 1181 nm[J]. 蔡微洋,段延敏,李江濤,嚴林菲,毛夢姣,趙斌,朱海永. Chinese Physics Letters. 2015 (03)
[9]半導體激光端面抽運Nd:YVO4自拉曼和頻559nm激光[J]. 段延敏,朱海永,鳳正榮,張耀舉,鄭崇偉. 中國激光. 2013(05)
[10]全固態(tài)多波長激光眼底病治療設備[J]. 劉文陸,周傳清,任秋實. 中國醫(yī)療器械雜志. 2012(05)
博士論文
[1]Nd：LuVO4晶體特性及其全固態(tài)激光器研究[D]. 劉鳳芹.山東大學 2007
碩士論文
[1]拉曼倍頻黃光激光器的研究[D]. 劉波.山東大學 2007
本文編號：3335877
【文章來源】：激光與光電子學進展. 2020,57(07)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：12 頁
【部分圖文】：
YVO4晶體的拉曼頻移特性圖[16]
為了在較高的抽運功率下實現(xiàn)更高的拉曼激光輸出功率，通常可采用鍵合結構的自拉曼晶體。圖2給出了本課題組曾設計的用于自拉曼激光的單端和雙端鍵合Nd…YVO4晶體。在設計雙端鍵合三段式自拉曼晶體時，中間的摻釹離子自拉曼晶體需根據(jù)其激光性能來設計；自拉曼晶體的抽運光輸入端鍵合一段未摻雜的晶體以改善熱效應；自拉曼晶體的另一端鍵合一段較長的未摻雜晶體，作為拉曼增益介質以提高拉曼變頻效率。自拉曼晶體兩端鍵合的基質晶體不但可通過熱傳導幫助自拉曼晶體散熱，改善拉曼器件的熱效應，而且可與自拉曼晶體一起作為拉曼增益介質，增長了拉曼作用介質的長度，有效提高拉曼變頻效率和輸出功率，從而降低激光閾值。而且晶體變長后與冷卻的熱沉相互接觸面積增大，改善了晶體的冷卻效果。熱透鏡效應的改善，又可降低對基波和拉曼光的衍射損耗，從而提高激光光束質量。2011年，本課題組將該三段式鍵合晶體應用于自拉曼倍頻，實現(xiàn)了高效的588nm黃光輸出[19]。2010年Du等[32]基于鍵合的Nd…YVO4晶體，在25 W抽運功率和90kHz重復頻率下，獲得了平均輸出功率為3.1 W和轉換效率為12.4%的1176nm激光輸出。同年Fan等[33]報道了基于YVO4/Nd…YVO4/YVO4三段式鍵合的連續(xù)波拉曼，有效改善了熱效應并降低了閾值，在25.5W的抽運功率下實現(xiàn)了2.8W輸出功率和11%轉換效率的1175nm激光輸出。2019年，Chen等[34]報道了基于c切鍵合Nd…YVO4晶體的Cr4+…YAG被動調Q拉曼，在20.6 W的抽運功率下，實現(xiàn)了2.53 W輸出功率和12.3%轉換效率的1178nm激光輸出。3.3 二階Stokes激光的研究進展
目前針對釩酸鹽晶體拉曼腔內混頻用到的常見二階非線性光學晶體主要有LBO、BBO和KTP三種，相位匹配方式主要包括溫度匹配和角度匹配。表4給出了利用SNLO軟件對各個晶體的相位匹配參數(shù)進行計算的結果。針對混頻實現(xiàn)單個波長的輸出，不同晶體各有優(yōu)缺點。利用溫度調節(jié)的LBO和角度調節(jié)的BBO晶體可能輸出盡量多波長的可見激光。BBO晶體在近紅外波段的選擇性混頻相位匹配的容忍溫度大，對溫度不敏感，而對角度比較敏感，利用適合采用角度調節(jié)的臨界相位匹配技術進行拉曼選擇性混頻。LBO晶體角度調節(jié)的臨界相位匹配需要改變的角度較大，對溫度較為敏感，適合溫度調節(jié)的LBO晶體非臨界相位匹配技術具有沒有走離角、可通過增加晶體長度來提高轉換效率的優(yōu)點，但需要實現(xiàn)對LBO晶體在很大的范圍（如-1～149℃）的溫度調節(jié)，這不但對溫控設備提出了挑戰(zhàn)，而且存在溫度切換直到穩(wěn)定下來的速度比較慢的問題。相較于溫度調節(jié)的非臨界相位匹配技術，BBO晶體臨界相位匹配技術雖然存在較大走離角，影響了轉化效率，但其只需微調晶體角度2.5°以內即可輸出5個不同波長的激光，切換起來更加方便快捷。同時BBO晶體的有效非線性光學系數(shù)（2.0pm/V）較大，比LBO晶體（0.84pm/V）高出一倍以上，可在一定程度上彌補走離角的不足。所以實驗室以BBO晶體為主開展相關研究。5.2 連續(xù)波拉曼混頻波長可選激光
【參考文獻】：
期刊論文
[1]1318nm ZnWO4/Nd…YAG二階拉曼激光器[J]. 任席奎,謝建,阮雙琛,裴繼紅,王欣,于浩海,張懷金,呂啟濤,郭麗,曹洪濤,謝圣君,高云峰,何柏林,杜晨林. 光學學報. 2020(05)
[2]基于楔形Nd:YVO4/KTP雙折射濾波的單頻綠光激光器[J]. 高志紅,張文喜,郭曉麗,趙亞帥,伍洲,顏博霞,亓巖,馮其波. 中國激光. 2020(03)
[3]級聯(lián)Nd:GdVO4自拉曼1309nm激光性能研究[J]. 張喜梅,陳思夢,施沈城,周青青,段延敏,朱海永. 紅外與激光工程. 2019(11)
[4]First-Stokes Wavelengths at 1175.8 and 1177.1 nm Generated in a Diode End-Pumped Nd:YVO4/LuVO4 Raman Laser[J]. 周青青,施沈城,陳思夢,段延敏,張喜梅,郭錦,趙斌,朱海永. Chinese Physics Letters. 2019(01)
[5]Nd:YVO4/Nd:GdVO4組合晶體雙頻激光器實驗研究[J]. 金濤,胡淼,李鵬,范紅丹,韓寧,馮冰,歐軍,周雪芳,楊國偉,盧旸,畢美華. 激光與光電子學進展. 2018(09)
[6]主動調Q內腔式Nd…YAG/m-LaVO4拉曼激光器[J]. 白如雪,林海楓,張莉珍,陳瑋冬,林州斌,張戈. 中國激光. 2018(09)
[7]Multiwavelength visible laser based on the stimulated Raman scattering effect and beta barium borate angle tuning[J]. 李小麗. Chinese Optics Letters. 2016(02)
[8]Diode-Pumped c-Cut Nd:Lu0.99La0.01VO4 Self-Stimulated Raman Laser at 1181 nm[J]. 蔡微洋,段延敏,李江濤,嚴林菲,毛夢姣,趙斌,朱海永. Chinese Physics Letters. 2015 (03)
[9]半導體激光端面抽運Nd:YVO4自拉曼和頻559nm激光[J]. 段延敏,朱海永,鳳正榮,張耀舉,鄭崇偉. 中國激光. 2013(05)
[10]全固態(tài)多波長激光眼底病治療設備[J]. 劉文陸,周傳清,任秋實. 中國醫(yī)療器械雜志. 2012(05)
博士論文
[1]Nd：LuVO4晶體特性及其全固態(tài)激光器研究[D]. 劉鳳芹.山東大學 2007
碩士論文
[1]拉曼倍頻黃光激光器的研究[D]. 劉波.山東大學 2007
本文編號：3335877
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教材專著
