窄線寬、低噪聲級聯(lián)金剛石拉曼激光器

　　受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)作為一種無空間燒孔效應且可實現(xiàn)波長高效轉(zhuǎn)換的三階非線性光學效應，是獲得窄線寬、特殊波長激光輸出的有效手段。得益于拉曼轉(zhuǎn)換的級聯(lián)轉(zhuǎn)換和自相位匹配特點，可在單一諧振腔內(nèi)獲得多波長且高光束質(zhì)量激光的同軸輸出。金剛石晶體作為出色的拉曼晶體介質(zhì)，其在實現(xiàn)窄線寬、多波長激光產(chǎn)生方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外研究團隊通過采用主動穩(wěn)頻、引入非線性損耗等方式實現(xiàn)了高功率的單頻金剛石拉曼激光運轉(zhuǎn)，但對金剛石拉曼激光輸出線寬的測量和噪聲特性研究仍是空白。因此，揭示制約金剛石拉曼激光輸出線寬和頻率穩(wěn)定性的因素、探明如何實現(xiàn)有效的激光噪聲抑制和線寬壓縮是當前亟需突破的難題。

　　本工作主要圍繞金剛石拉曼激光輸出縱模特性和噪聲特性展開研究，通過探究腔模與拉曼增益匹配的關(guān)系和調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了單模運轉(zhuǎn)下拉曼激光線寬相對于泵浦線寬壓縮2倍以上，且噪聲具有明顯抑制效果的一階和級聯(lián)金剛石拉曼激光輸出(實驗裝置如圖1所示)。

　　圖1窄線寬級聯(lián)金剛石拉曼激光器結(jié)構(gòu)示意圖

　　在實驗中，首先使用 1064 nm 激光作為泵浦光，通過一階和二階拉曼轉(zhuǎn)換分別獲得了 1240 nm 和 1485 nm 的拉曼激光輸出，并深入研究了 Stokes 光縱模特性隨諧振腔長度周期性變化的規(guī)律。從圖 2 可以看出，諧振腔長度的變化導致腔內(nèi)不同縱模與拉曼增益中心的位置交替匹配，從而使得拉曼激光輸出在單縱模和多縱模之間呈現(xiàn)出隨腔長變化的周期性規(guī)律。這一現(xiàn)象為理解腔長對拉曼激光縱模動態(tài)的影響，以及優(yōu)化頻率穩(wěn)定性提供了重要依據(jù)。

　　圖2不同腔長下的縱模輸出特性

　　因此，作者在未引入主動穩(wěn)頻裝置的情況下，通過主動調(diào)節(jié)腔長成功實現(xiàn)了在不同腔參數(shù)下穩(wěn)定的單縱模一階和二階 Stokes 激光輸出，連續(xù)穩(wěn)定運行時間超過 10分鐘。通過線寬測量發(fā)現(xiàn)，在最高運轉(zhuǎn)功率下，1240 nm 和 1485 nm 激光的線寬分別為 3.0 kHz 和 2.7 kHz，相較于泵浦光線寬實現(xiàn)了超過 2 倍的壓縮。此外，對二階 Stokes 光的噪聲特性進行了測量(見圖 3)，由于拉曼轉(zhuǎn)換的線寬壓縮效應，二階 Stokes 光在整個測量頻段內(nèi)的噪聲特性均優(yōu)于泵浦光，噪聲性能提升高達 3 個數(shù)量級，其本征線寬達到3.6 Hz。

　　圖3 二階Stokes噪聲與泵浦對比

　　總結(jié)與展望

　　本研究第一次驗證金剛石拉曼激光在噪聲抑制方面的特性，通過將腔模與拉曼增益精確匹配，在無需引入主動穩(wěn)頻裝置的情況下，成功實現(xiàn)了對級聯(lián)金剛石拉曼激光窄線寬與噪聲抑制的原創(chuàng)性探索。研究結(jié)果為解決傳統(tǒng)拉曼激光器頻率不穩(wěn)定的問題提供了全新的技術(shù)思路，同時為金剛石激光器在精密測量、環(huán)境監(jiān)測和生物醫(yī)學等領(lǐng)域的實際應用奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)，具有廣闊的應用前景和深遠的學術(shù)意義。

　　參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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