蓝光LD直接泵浦Pr:LiNbO3的宽调谐自拉曼钠黄光激光器研究

Sodium-guided laser technology is extremely important for the development of astronomy and national defense. The sodium guide star technology requires that the average power should be no less than 10 W for the continuous-wave yellow laser which having narrow-linewidth and are capable of being tuned to match transition lines accurately. According to literatures at home and abroad, for the 589.16 nm guide star wavelength, the 1064 nm Nd:YAG fundamental transition and the Raman shift to 1178 nm and frequency doubling process have been used. Compared to the all-solid-state laser as a pump source for Raman light, the method of LD-pumping reduces the intermediate conversion process and improves efficiency. This project proposes an exploratory study of blue LD-pumped Pr:LiNbO3 self-Raman sodium yellow laser. Considering of the high emission peak at 546 nm of Pr3+ and the nonlinear characteristics of the LiNbO3 matrix, we can achieve 585 nm yellow light after cascade stoke process, which is then calibrated to achieve single longitudinal mode 589.16 nm yellow laser output by using an etalon. Once the research makes a breakthrough, it can overcome the energy loss of cascade pumping caused by multiple crystal components, and significantly improve the power level and electro-optic efficiency of all-solid sodium yellow laser. At last, it will promote the rapid development of adaptive optics and astronomy.

钠导星技术对天文学和国防事业的发展具有重要的推动作用。钠导星技术要求连续黄光激光器的平均功率不低于10W，且单频运转，并能精确匹配渡越线。目前589nm全固态拉曼激光器主要通过Nd:YAG等激光晶体结合拉曼转换获得1178nm，然后倍频实现。相比于利用全固态激光器作为拉曼光的泵浦源，通过LD直接泵浦的方式可减少中间转换过程，提高效率。本项目开展蓝光LD直接泵浦Pr:LiNbO3的自拉曼钠黄光激光器研究，Pr3+在546nm处具有高的发射峰，再结合LiNbO3基质的非线性特性，经级联斯托克斯获得585nm黄光输出，再利用标准具实现宽范围调谐的单纵模589.16nm精确输出。该方法可以克服多个晶体元件带来的级联泵浦转换的能量损失，提升全固态钠黄光激光器的整体电光效率和功率水平，对推动自适应光学系统和天文学领域的发展具有重要的意义和实用价值。

黄光等可见光激光器具有重要的应用背景，当前可见光激光主要通过近红外波段激光结合频率变换技术实现。本项目直接通过高亮度蓝光LD泵浦Pr激光晶体获得可见光激光输出。项目首先进行LD 直接泵浦 Pr:LiNbO3 的自拉曼钠黄光激光器理论模型建立，并对Pr激光晶体进行热效应分析。在对LD泵浦Pr激光晶体的热效应理论研究中，分别基于积分变换法和有限元分析法建立了Pr:YLF晶体的热效应的理论模型，对两种方法的晶体热效应理论结果进行对比分析，结果表明两者的热效应曲线的趋势相同，大小相差不多，基本保持一致。具体地，在温度梯度方面：尽管采用有限元分析法(FEA)模拟的温度梯度分布整体上高于积分变换法的模拟结果，最大相差20 K左右，但是两种方法的模拟结果保持相同的趋势；在热应力方面：其模拟结果几乎重合，尤其是靠近Pr:YLF晶体边缘；在热透镜焦距方面：FEA比积分变换法模拟的热焦距略微大些，两者模拟结果相差不大，基本上吻合。同时开展蓝光泵浦Pr激光晶体直接输出可见激光的实验研究。首先基于Pr:YLF晶体设计了紧凑型的高能量604 nm激光器，获得了最大单脉冲能量为63 μJ，脉宽为30 ns，线宽小于0.1 nm的604 nm激光输出。其次，开展高亮度蓝光LD直接泵浦Pr激光晶体实现基横模状态下可见光激光的实验研究，最终实现平均功率大于百mW可见激光输出。本项目所提出并实现高亮度蓝光LD直接泵浦Pr激光晶体的基础研究工作，有利于激光器市场应用所需光源的进一步落实与产业化，并将推动可见光通信等领域的快速发展。