全固体级联拉曼激光器的理论与实验研究

受激拉曼散射是产生新激光谱线的一种有效方法，固体拉曼介质具有增益高、热导性好及性能稳定等优点而受到越来越广泛的关注。本项目利用晶体的级联受激拉曼散射效应，对固体级联拉曼激光器进行理论和实验研究。理论上建立描述固体级联拉曼激光器运转的辐射传输理论模型和速率方程模型，并对该类激光器的输出特性进行优化设计，为实验提供规律性的指导依据。实验分别以Nd离子激光器和光参量振荡器1.5μm以及3.5μm激光做泵浦源，研究拉曼晶体的级联受激拉曼散射特性，并对该类激光器的输出进行优化设计，得到稳定高转换效率的全固体级联拉曼激光器。通过该方法可以得到双波长拉曼激光器和1.7~5μm拉曼激光器。其中3~5μm这个波段的激光属于中红外区域，中红外激光在大气环境污染检测、全球风暴监测、遥感、医疗及军事等领域都有重要应用。该项目可以极大丰富中红外波段的激光谱线，所以该项目具有重要的理论意义与实用价值。

理论上，建立了描述固体级联拉曼激光器运转的辐射传输理论模型和速率方程模型，通过对理论模型的模拟求解，首先得到了理论上的固体级联拉曼激光器的输出特性与输入功率的对应关系，输出耦合镜对基频光和各阶拉曼光透过率的对应关系。其次改变各个器件的参数，在理论上得到了最佳的输出耦合镜的曲率半径、输出耦合镜对基频光、拉曼光的反射率以及拉曼晶体中基频光腔模尺寸的大小。理论曲线显示：当输出功率达到最佳化时，对应着一个最佳的输出耦合镜的曲率半径，输出镜对拉曼光的最佳反射率等。.实验上，我们购买了一批实验所需的晶体，如Nd：YAG，Nd：YVO4，Nd：GdVO4，Nd：KGW，KTP等拉曼晶体。首先以Nd：YAG为激光晶体，KTP为拉曼晶体，研究了Nd：YAG/KTP拉曼激光器的输出特性，包括一阶和二阶拉曼光的平均输出功率、单脉冲拉曼激光的能量，单个脉冲的脉冲宽度随着LD泵浦功率的变化关系。其中，一阶拉曼光在脉冲重复率为40kHz，入射的泵浦功率为13.17W时，平均输出功率达到2.04W，拉曼激光对入射的LD泵浦光的转换效率为16.8%，二阶拉曼激光在脉冲重复率为30kHz时，入射的泵浦功率为12.3W，平均功率达到0.91W，转换效率达到6.6%。其次，我们以Nd：VO4作为自拉曼晶体，KTP为和频晶体，研究了LD泵浦主动调Q黄绿拉曼激光的和频激光特性。也就是说，Nd：YVO4自拉曼产生的一阶拉曼激光与基频激光经过KTP和频后产生560nm的黄绿激光。我们利用c-cut Nd:YVO4为自拉曼晶体，KTP为和频晶体，在LD泵浦功率为13.7W，脉冲重复频率为40kHz时，得到了560 nm的黄绿激光的平均输出功率为0.9W，相应的560nm的激光相对于LD泵浦功率的转换效率为6.6%。