張 濛，李洪奎

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

500～600nm的黃光波段激光屬于人眼安全范圍，在醫(yī)療、軍事、食品藥品檢測(cè)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。受激拉曼散射是目前獲得黃光激光的有效途徑之一［1－2］。隨著晶體生長(zhǎng)和工藝技術(shù)的發(fā)展、各種新型拉曼晶體的發(fā)現(xiàn)以及全固態(tài)激光器技術(shù)的日益成熟，全固態(tài)拉曼黃光激光器已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)［3－4］。

1980年 A.S.Eremenko等人首次報(bào)道了Ba(NO3)2晶 體 的 受 激 拉 曼 散 射 特 性［5］，Ba(NO3)2晶體作為一種重要的拉曼晶體獲得了人們的廣泛關(guān)注［6］。Ba(NO3)2晶體具有最高的穩(wěn)態(tài)拉曼增益系數(shù)、較長(zhǎng)的聲子壽命和較窄的拉曼線寬，對(duì)于1064nm和532nm波長(zhǎng)的泵浦，其拉曼增益系數(shù)分別為11Gw/cm2和47Gw/cm2，是目前納秒脈沖首選的拉曼晶體［7］。

外腔式拉曼激光器是把拉曼晶體放在一個(gè)獨(dú)立的諧振腔內(nèi)，不改變激光器的結(jié)構(gòu)，且可以大大降低受激拉曼散射的閾值，從而提高轉(zhuǎn)換效率［8－9］。本文采用主動(dòng)調(diào)Q的Nd:YAG激光器作為抽運(yùn)光，研究了外腔式Ba(NO3)2晶體的全固態(tài)拉曼黃光激光器的輸出特性。實(shí)驗(yàn)得到了能量較高的一階、二階斯托克斯光以及相對(duì)較弱的三階斯托克斯光，使用分光裝置把各階次光與泵浦光分開，并對(duì)它們的能量進(jìn)行測(cè)量。

1 理論模擬

受激拉曼散射(stimulated raman scattering)是一種非彈性散射，拉曼光頻率相對(duì)于入射光頻率會(huì)發(fā)生一定的移動(dòng)，光譜中除了有入射光的譜線，還出現(xiàn)了新的譜線。入射光與分子的非彈性相互作用使入射光子的能量發(fā)生改變，光子損失相應(yīng)的能量?？紤]三階斯托克斯光的存在，穩(wěn)態(tài)受激拉曼散射的傳輸耦合方程可表示為［10］

jLj表示除輸出耦合之外的諧振腔內(nèi)單程損耗性損耗之和，lc為諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度;ωL，ωSi為泵浦光與各階斯托克斯光的角頻率;Ksp為自發(fā)拉曼散射系數(shù)。

圖1為晶體長(zhǎng)度分別取3cm、5cm、8cm時(shí)的束腰半徑與閾值功率的理論模擬曲線。

由圖1可以看出，對(duì)于同一晶體長(zhǎng)度，在泵浦光束腰半徑較小時(shí)，泵浦光的空間能量分布比較集中，閾值較低，此時(shí)閾值隨束腰半徑的變化緩慢;當(dāng)束腰半徑增大時(shí)，閾值隨束腰半徑的增大急劇增大;在束腰半徑相同的情況下，晶體長(zhǎng)度長(zhǎng)的晶體，閾值功率相對(duì)較低。

圖1 束腰半徑與閾值功率模擬曲線

圖2為一階斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率與泵浦光功率的模擬曲線。

圖2 一階斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率與泵浦光功率的模擬曲線

由2圖可知，在初始階段，隨著泵浦光功率的增加，一階斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率急劇增加;繼續(xù)增大泵浦光功率，轉(zhuǎn)換效率增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩，并逐漸趨于飽和。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)采用的Ba(NO3)2晶體呈長(zhǎng)方形，密封在一圓柱形套內(nèi)，兩端封有透射窗片，鍍450～650nm增透膜。封裝好的晶體固定在調(diào)整架上。圖3為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，系統(tǒng)采用主動(dòng)調(diào)Q的Nd:YAG激光器產(chǎn)生的1064nm激光入射到倍頻晶體，腔內(nèi)倍頻獲得532nm激光，倍頻晶體選擇KTP晶體。輸出鏡M2鍍制1064nm高反膜和532nm透過(guò)膜。經(jīng)過(guò)輸出鏡M2后的532nm激光泵浦Ba(NO3)2晶體后產(chǎn)生受激拉曼激光。透鏡L1、L2可對(duì)532nm激光進(jìn)行縮束。P分光棱鏡。通過(guò)棱鏡后，泵浦光和一階、二階光都被分開。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得到一階、二階斯托克斯光，對(duì)其進(jìn)行光譜測(cè)量。通過(guò)棱鏡分光后，從右至左測(cè)得各個(gè)光斑對(duì)應(yīng)的單一波長(zhǎng)分別為532.5nm、563.6nm、598.7nm、638.6nm。

圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光譜圖。由圖4可以看出，在532.5nm、563.6nm、598.7nm波段處激光較強(qiáng)。另外，光譜儀中捕捉到了微弱的反一階斯托克斯光，其中心波長(zhǎng)為503.9nm。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)得分光后的光譜曲線

圖5為不同工作電壓下，一階、二階斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率曲線。

圖5 一、二階斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率隨電壓的變化曲線

由圖5可知，隨著工作電壓的增加，抽運(yùn)能量隨之增大，一階光的轉(zhuǎn)換效率增加到一定值后又隨之趨于穩(wěn)定并略有下降，在工作電壓達(dá)到740V時(shí)，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值30.3%。在660V電壓處，抽運(yùn)能量達(dá)到二階光的閾值，二階光隨之產(chǎn)生，二階光在730V時(shí)達(dá)到最大轉(zhuǎn)換效率14.6%，一階光的轉(zhuǎn)換效率略有下降。由受激拉曼散射的原理可知，當(dāng)一階斯托克斯光的能量達(dá)到二階光的閾值時(shí)，其就作為二階光的抽運(yùn)光;一階光脈沖被消耗部分，其中還包括由級(jí)聯(lián)效應(yīng)所產(chǎn)生的損耗，一階光的轉(zhuǎn)換效率略有降低;而隨著工作電壓的增大，抽運(yùn)光能量大大增加，同步提高了一階、二階光的轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)論

研制了一臺(tái)主動(dòng)調(diào)Q式Nd:YAG激光器泵浦Ba(NO3)2晶體的外腔式全固態(tài)拉曼激光器。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了受激拉曼散射光的光譜構(gòu)成及分光后的能量，計(jì)算了一階、二階斯托克斯光的轉(zhuǎn)換效率在不同工作電壓下的變化情況。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到一階斯托克斯光的最大轉(zhuǎn)換效率為30.3%，最大能量為1.3mJ，二階斯托克斯光的最大轉(zhuǎn)換效率為14.6%，最大能量為0.6mJ。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，應(yīng)用Ba(NO3)2晶體的外腔式全固態(tài)拉曼激光器是獲取500～600nm波段黃光激光輸出的一種有效途徑之一。

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