晶体拉曼放大器的理论与实验研究

本项目所说的晶体拉曼放大器，区别于光纤通讯领域的光纤拉曼放大器，是基于块状拉曼晶体的放大器，目的是对调Q的巨脉冲拉曼激光进行放大，以获取更大的拉曼激光脉冲能量或平均功率。实验上研究晶体拉曼放大器的放大率、被放大脉冲形状、被放大脉冲光束质量等参量随泵浦脉冲功率密度、泵浦脉冲与被放大脉冲的相对宽度、泵浦脉冲与被放大脉冲的相对空间位置及时间重叠性等实验条件的变化，探索晶体拉曼放大器的最佳工作条件。理论上建立包括泵浦光脉冲和拉曼光脉冲时间及空间分布的非稳态拉曼放大器输运方程组，揭示晶体拉曼放大器的运转规律，为晶体拉曼放大器的设计提供规律性依据。最后进行高光束质量（M2<2）和窄谱线宽度(pm数量级)1178 nm拉曼激光的放大，在待放大拉曼激光较弱不至于引起泵浦光耗尽的情况下一级放大器放大倍数达到10以上，在待放大拉曼激光较强引起泵浦光耗尽的情况下由基频光向拉曼光的转换效率达50%以上。

我们对晶体拉曼放大器进行了详尽的理论和实验研究，主要研究内容和获得结果如下：(1) 研究了低重复率（1 Hz）1180 nm BaWO4外腔泵浦脉冲拉曼放大器运转特性，采用基横模单纵模被动调Q1064 nm激光脉冲外腔泵浦，泵浦光能量为200 mJ，信号脉冲能量分别为8.0 mJ，2.0 mJ，200 μJ 和40 μJ。种子光能量为40 μJ时，得到的拉曼放大倍数为418倍；种子光能量8.0 mJ时，得到的拉曼输出能量为71.5 mJ。得到了描述拉曼放大器输出拉曼光强度的解析解，理论结果与实验结果符合得很好。在同一实验装置中，用平顶分布的电光调Q Nd:YAG单频1064.2 nm激光器做泵浦源，在信号脉冲能量为66 mJ，泵浦能量为195 mJ的情况下，获得放大拉曼脉冲能量169 mJ，转换效率达到52.8%，泵浦光的消耗达到58.6%。(2) 研究了高重复率(10 kHz)多纵模1064 nm激光内腔泵浦的SrWO4拉曼放大器的运转特性，先由一个LD侧面连续泵浦的主动调Q拉曼激光器产生一束1180 nm拉曼光作为待放大激光，拉曼放大器被放置于泵浦激光振荡腔内。推导了描述这种内腔泵浦的拉曼放大器的速率方程，理论结果与实验结果相符。但仅获得2.6倍的拉曼放大倍数。(3) 研究了晶体拉曼放大器对单频拉曼激光的放大特性。对单频半导体激光先用光纤拉曼放大器进行放大，获得3 W高光束质量(M2<1.1)和高光谱纯度(波长为1178.318 nm)的待放大拉曼激光，利用单频Nd:YAG 调Q激光器泵浦的CaWO4晶体拉曼放大器进行放大，CaWO4拉曼放大器共分三级，三级的能量放大倍数分别为5200、47、13，经过三级放大，得到能量为26.7 mJ，脉冲宽度为2.9 ns的单频脉冲，谱线宽度为887 MHz。(4) 用拉曼放大器方法测量了几种常用拉曼介质的拉曼增益。(5) 研究了1064 nm激光外腔泵浦的BaWO4反斯托克斯拉曼激光器的运转特性，泵浦光能量为128 mJ时，获得的一阶、二阶、三阶斯托克斯光能量和一阶反斯托克斯光能量分别为5.5 mJ，29.4 mJ，7.6 mJ和2.2 mJ。通过耦合波方程推导出一阶反斯托克斯光光强与泵浦光光强和一阶斯托克斯光光强的关系式，并用外腔拉曼激光器速率方程和推导出的关系式分析反斯托克斯激光的性质，理论计算结果与实验结果基本一致。