高功率高亮度中红外拉曼激光器基础问题研究

High-power mid-infrared lasers have important applications in trace gas surveillance and military countermeasures for airplanes against heat-seeking missiles. However, not only mid-infrared lasers have low powers, but also their technology developments lag far behind near-infrared and visual wavelength region. Driven by the demand of the user unit on high-power mid-infrared Raman lasers, this proposal is planning to carry out research on principle scheme, key technology, etc. We propose a high power Raman laser scheme of 2 μm Tm-doped fiber laser pumped artificial dimond to generate Stokes laser.

高功率中红外激光在示踪气体监测、光电对抗等领域具有重要的应用需求，但目前中红外激光器件的功率水平普遍较低，技术水平远落后于近红外与可见光波段。课题以用户单位对高功率中红外拉曼激光的需求为牵引，开展原理方案、关键技术等方面的基础研究。课题提出并围绕2μm高功率掺Tm光纤激光器泵浦人造金刚石产生拉曼激光的技术路线，以2.7-2.9μm波段作为主攻方向，突破中红外拉曼激光高功率化的限制瓶颈。将主要研究中红外拉曼激光产生、控制、诊断等基本技术内容，着重研究高功率运转时抑制高阶拉曼增益的关键技术，建立高功率中红外拉曼激光系统，开展中红外高功率激光器中镀膜损伤和热畸变的机制研究，研究功率进一步提升的可行性，形成百瓦级中红外拉曼激光系统的总体设计方案。

项目研究工作针对联合基金（NSAF）“培育项目”的明确目标课题-26“高功率高亮度中红外拉曼激光器基础问题研究”开展。课题围绕总体目标，对基于单晶金刚石和硅材料拉曼增益介质的近3微米中红外拉曼激光输出的可行性和技术路径进行了理论和实验研究，给出了优化方案设计，建立了掺铥（Tm）、掺钬（Ho）固体激光泵浦的拉曼激光系统，进行了原理实验验证，掌握相关关键技术和设计要点。主要完成情况如下： . （1）金刚石拉曼激光输出性能的理论研究。针对外腔式金刚石拉曼激光器进行了理论分析和数值模拟，研究了泵浦光偏振态、线宽、光斑大小、金刚石增益介质多声子吸收、长度及谐振腔各参量对拉曼激光器输出性能的影响。同时，对金刚石拉曼放大器进行了研究，分析了金刚石长度、种子光大小、泵浦光大小等参数对金刚石拉曼放大器性能的影响。给出了金刚石拉曼激光系统优化设计方案。. （2）金刚石拉曼激光的原理实验验证。搭建了半导体激光泵浦的Tm:YAP单晶（1.88μm）、掺铥光纤激光共振泵浦Ho:YAG晶体（2.097μm）线偏振、窄线宽、高峰值功率脉冲激光泵浦源，其输出波长和线宽通过双折射滤波片+标准具组合或体布拉格光栅（VBG）调制。研究了<110>方向、布儒斯特角切割CVD单晶金刚石1.88→2.5μm、2.097→2.91μm不同波段泵浦的拉曼激光输出性能。其中，Tm:YAP固体激光泵浦金刚石拉曼激光脉冲输出峰值功率高达121kW，激光输出波长可调。. （3）硅基级联拉曼激光器理论研究。结合硅材料双光子和自由载流子吸收非线性效应，建立了硅基三阶级联拉曼激光理论模型。研究了自由载流子寿命、硅波导长度、输出透过率等参数对硅基级联拉曼激光器输出性能的影响。以2μm波段掺Tm光纤激光器泵浦和波导结构的硅基材料作为拉曼介质，理论验证可有效实现2.91μm波长激光输出。同时，对硅基一阶和二阶拉曼放大器进行了理论研究，分析了硅基波导长度、自由载流子寿命、种子光强度和泵浦光大小等参数对放大器性能的影响。