固体拉曼激光器的新应用：差频产生中红外及太赫兹波

Stimulated Raman scattering is an efficient method to generate new laser lines. Until now, the solid state Raman laser has two important applications. One is to generate 1.5 μm eye-safe laser using the 1.3 μm laser as pumping source. The other important use is to generate 589 nm yellow laser by frequency doubling solid state Raman laser..In this project, we proposed a new application of solid state Raman laser. First generate stable and power equivalent fundamental and Stokes laser through the optimized design for crystal length, the transmission of the output mirror etc; Then synchronize the dual-wavelength Raman lasers in time and space areas with a delay system; After that, ten micrometer or terahertz laser will be generated based on difference frequency generation in GaSe or GaP crystal..This project provides a new method for generating lasers at ten micrometer or terahertz wavelength. Based on theoretical and experimental study, the dual-wavelength Raman laser will be realized with power at each wavelength higher than 1 W(or single pulse energy higher than 50 mJ), pulse width less than 10 ns.

受激拉曼散射是实现激光频率变换的一种有效手段。目前拉曼激光器主要应用在两个方面：一、将1.3 μm附近激光通过拉曼转换，产生1.5 μm的人眼安全激光。二、将1.06 μm附近的激光进行拉曼转换得到1.18 μm附近的激光，通过倍频产生590 nm附近的黄橙光。本项目对固体拉曼激光器的一种新应用进行研究：通过对拉曼激光器的晶体长度,输出镜透过率,模式匹配等的最佳化设计,产生稳定的、功率相当的基频光和拉曼光双波长输出；并通过延时系统，使获得的双波长激光在时间上与空间上同步；利用GaSe等差频晶体将双波长激光差频实现十几微米中红外或太赫兹波的输出。本项目为十几微米及太赫兹激光的产生提供一种新方法，经过理论与实验研究，掌握固体拉曼双波长激光器的最佳化运转条件，获得稳定的双波长激光的同步输出，单波长输出功率大于1 W（或单脉冲能量大于50 mJ），脉冲宽度小于10 ns。

我们对基于晶体拉曼散射产生双波长激光同步输出，并进行差频产生太赫兹波进行了详尽的研究，主要研究内容和获得结果如下：(1)研究了基于晶体拉曼转换的Nd:YLF/BaWO4多波长激光器，采用Nd:YLF产生的双波长激光同步泵浦BaWO4拉曼晶体，最终获得1047 nm和1053 nm基频光，1159 nm和1166 nm拉曼光的同步输出。四个波长的输出功率相当，都大于250 mW。并通过腔外和频，获得了525.0 nm、550.2 nm、551.8 nm、553.5 nm和581.5 nm五个波长的和频光，验证了该激光器做为差频激光器泵浦源的可行性。（2）研究了基于晶体拉曼转换的Nd:YAG/BaWO4 1.5 μm双波长激光器。分别LD侧面泵浦方式，采用声光调Q模式，当重复频率为5 kHz、泵浦功率为125 W时，获得了1.4 W的1502 nm拉曼光及0.9 W的1527 nm拉曼光双波长输出，对应的从激光二极管到双波长拉曼光的光-光转换效率为1.8%。（3）研究了基于MgO:LiNO3晶体的双波长激光器的输出特性。采用1064 nm激光作为泵浦光，采用单纵模1070 nm激光作为种子光，通过晶体拉曼放大的技术，获得1064 nm激光和1070 nm激光的同步输出。实验中分别采用两种结构，一是基于长条状MgO:LiNO3晶体的结构，二是基于梯形MgO:LiNO3晶体的结构；分别对1064 nm泵浦光及1070 nm Stokes光的输出特性进行研究。（4）研究了基于GaSe晶体的双波长差频激光器的输出特性。采用1.06 μm和1.07 μm的单纵模激光作为泵浦光，采用GaSe晶体作为差频晶体，研究了不同泵浦波长、不同相位匹配角度、不同输入能量条件下所获得的太赫兹波的输出特性。（5）研究了基于MgO:LiNO3的双波长差频激光器的输出特性。采用TPO（太赫兹参量振荡器）结构，采用Nd:YAG脉冲激光器产生的1064.16 nm激光做为泵浦原，获得了1.3~2.61 THz太赫兹波的可调谐输出，泵浦能量为87.5 mJ时，获得了746 nJ的太赫兹波输出。（6）首次进行了基于KTP和KTA晶体，在TPO结构下产生太赫兹波的实验研究。分析了KTP、KTA晶体在太赫兹波段的晶体特性，设计了TPO结构的KTP、KTA晶体，获得了3~6 THz太赫兹波的有效输出。