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红外与激光工程 | 河北工业大学校庆专刊:高功率自由空间拉曼放大技术研究进展(特邀)

2023-12-19 13:538550

编者按

为庆祝河北工业大学校庆120周年,《红外与激光工程》联合河北工业大学共同出版“河北工业大学校庆专刊“,特邀请白振旭教授撰写“高功率自由空间拉曼放大技术研究进展” 文章,综述了高功率自由空间拉曼放大技术的主要原理、特性和研究进展,并对其发展趋势和应用前景进行了展望。(查看全文信息请点击文末“阅读原文”)

撰稿人:白振旭,郝鑫

论文题目:高功率自由空间拉曼放大技术研究进展(特邀)

作者:白振旭,郝鑫,郑浩,陈晖,齐瑶瑶,丁洁,颜秉政,崔璨,王雨雷,吕志伟

完成单位:河北工业大学先进激光技术研究中心;河北省先进激光技术与装备重点实验室

导读

高功率特殊波段激光在钠信标、激光测距、激光雷达、自由空间通信等领域具有重要的应用价值。目前,基于受激拉曼散射(SRS)的拉曼激光器理论上能够实现拉曼增益介质透过光谱全范围内工作,已被证实为拓展激光波段的有效方法。但通常激光振荡器直接辐射输出光功率,不能满足更高功率的实际需求,而拉曼放大技术能够通过常规波段的泵浦光对特殊波段的种子光进行放大,达到高功率、大能量和高光束质量的特殊波段激光输出,该方法具备波长选择灵活、结构简单和功率可拓展性强等优点,现已在钠信标光源等领域取得实际应用。本文综述了自由空间拉曼放大技术的特性和研究进展,并对其发展趋势和应用前景进行了展望,期望通过本综述为开展拉曼激光器、拉曼放大器和高功率组束激光器研究的人员提供参考。

研究背景

自由空间拉曼放大技术的研究价值,主要源于诸多应用领域对高功率特殊波段激光的需求以及传统激光器自身的局限性。在钠信标、激光测距、激光雷达和自由空间通信等应用领域,往往需要高功率激光满足特定的波段需求,以实现光束在部分传输媒介中的透过或吸收。然而,传统的粒子数反转激光器在产生和放大过程中,不仅需要匹配激光增益介质固有的吸收和发射谱,并且对应的系数到达一定强度,满足激光增益大于损耗时才能实现激光向外辐射及放大过程。较为严格的匹配条件限制了直接向外辐射和放大特殊波段激光的适用范围。为了解决这一问题,基于SRS的拉曼激光器及放大器被提出并研究。SRS过程理论上显示只需要相互作用光束的频率差满足拉曼增益介质的固有频移,便可实现光束之间的能量直接转移,故能够在其拉曼增益介质透过光谱的全范围内工作。这使得拉曼放大技术可以通过常规泵浦光对特殊波段的种子光进行放大,实现高功率、大能量和高光束质量的特殊波段激光输出。该技术具备波长选择灵活、转换效率高、功率拓展性高、增益介质选择灵活等优点,可以实现紫外、可见光到中红外区域的高功率激光输出,在实现高功率特定波长激光输出方面具有显著的优势。因此,自由空间拉曼放大技术的研究具备十分重要的意义。

主要内容

为了实现高功率的激光输出,人们提出了激光振荡器直接辐射、激光放大器以及激光组束等方法,如图1所示。广义上“振荡器”包括以粒子数反转激光工作物质和非线性光学材料等作为增益介质的光学谐振腔,其具备结构简单、设计灵活等优点,可以针对不同的应用需要设计不同的腔型或调制方式,从而满足实际需求。但是受到泵浦光功率、增益介质特性、热效应等因素影响,单一激光振荡器输出的功率很难满足更高功率的实际应用需求。为了进一步提高激光功率,可以采用激光放大技术对已有的激光进行放大。激光放大技术包括激光放大器和激光组束。激光放大器具备功率拓展性高、可操作性强等优点,可以将低功率的种子光转换为高功率的激光输出,但是其放大的功率极限依旧受到单束激光功率、增益介质热效应等因素的限制,且需要结合复杂的温度和光束质量控制系统。激光组束技术将多束低功率的激光进行合成,获得高功率的激光输出,通过多增益介质和多泵浦源独立工作、热负载分散等手段突破以上激光振荡器直接辐射技术本身固有的限制,具备功率拓展性高、形式多样、设计灵活等优点,在高功率高亮度激光方面潜力巨大。
图1 高功率激光的实现途径
目前,自由空间拉曼放大器研究较多的主要包括气体和晶体两种介质,通常根据拉曼介质的不同分为气体拉曼放大器和晶体拉曼放大器,两者均在高功率特殊波段激光技术领域有着十分重要的贡献。下面对我们对气体拉曼放大器和晶体拉曼放大器的主要特性及研究进展进行介绍。
气体拉曼介质具备拉曼频移大、自聚焦阈值低、光耦合波损耗低、尺寸几乎不受限制等优点,在高功率激光技术领域曾得到了广泛应用。得益于气体拉曼介质的优良特性,气体拉曼放大器具备输出能量高、介质尺寸可拓展性高等优点。图2展示了CH4气体双通拉曼放大器示意图。目前,自由空间结构的气体拉曼放大器主要应用于短脉宽、高峰值功率、大能量激光的放大和光束合成,其输出的激光峰值功率已达到兆瓦量级、单脉冲能量达到焦耳量级。但是,气体拉曼放大器也存在气体介质难以保存、增益介质容器体积大、系统集成化较难的问题,且实验中需要对气体的压强等参数进行控制。近年来,基于气体填充空心光纤的拉曼放大器近年来得到广泛的关注,尤其在实现低阈值特定波长转换中具有较为明显的优势。
图2 CH4气体双通拉曼放大器示意图
相较于气体拉曼介质,晶体拉曼介质具有拉曼增益系数高、热导性能好、性能稳定和易于实现小型化等优点。随着制备技术的发展,晶体拉曼介质的品质日益提高,极大推动了晶体拉曼放大器在高功率激光技术领域的研究。图3展示了BaWO4前向拉曼放大器示意图。目前,晶体拉曼放大器的脉宽已经覆盖纳秒、皮秒至飞秒量级,峰值功率已达到GW量级、单脉冲能量达到毫焦耳量级。相较于气体拉曼放大器,晶体拉曼放大器的体积小,在实际应用中更具有优势,但是受限于拉曼晶体尺寸等因素其输出能量较低。晶体拉曼放大器的最大单脉冲能量为71.5 mJ,小于气体拉曼放大器的最大单脉冲能量。未来晶体拉曼放大器发展方向主要在于开发新型拉曼晶体、优化大尺寸晶体制备技术以及优化放大器结构。
图3 BaWO4前向拉曼放大器示意图

结论与展望

近年来,自由空间拉曼放大技术在大能量高功率特殊波段激光领域取得了许多优秀的成果,但是其输出能量及功率仍然受到拉曼介质参数、单束激光功率等因素的限制。为了克服上述因素的限制,未来自由空间拉曼放大技术的发展方向主要在于开发新型拉曼介质、优化大尺寸拉曼晶体制备技术、提高转换效率、拓展拉曼激光组束结构等。随着科技的进步,自由空间拉曼放大技术有望在高功率特殊波长激光领域取得更加优异的成绩。

作者介绍


白振旭,河北工业大学教授、博士生导师、先进激光技术研究中心副主任、河北省先进激光技术与装备重点实验室副主任、研究生院副院长(挂职)。担任中国光学光电子行业协会激光应用分会青年委员、天津市激光技术学会常务理事,以及《光电技术应用》、《红外与激光工程》、《中国激光》、《应用光学》等期刊青年编委。从事高功率激光技术及非线性频率变换的研究,成果荣获国际光学工程学会Teddi Laurin奖、“Rising Stars of Light”一等奖、河北省技术发明二等奖、国家部委“源创杯”全国总决赛三等奖、英国伦敦国际发明展双金奖。主持装备发展部领域基金、国家/河北省/天津市自然科学基金等课题16项。第一/通讯作者在APL Photonics、Optics Letters等期刊发表SCI论文40余篇,授权专利17项。


吕志伟,“长江学者”特聘教授,教授、博士生导师,河北工业大学学术委员会主任、先进激光技术研究中心主任。担任中国光学学会激光专业委员会副主任、中国电子学会工业工程分会副主任、中国工程教育电子信息与电气工程类专业认证委员会副主任。长期从事高功率固体激光技术、非线性光学和激光光谱技术的教学和科研工作,主持国家重大专项项目、国家重大科技工程项目、国家863高技术项目、国家自然科学基金重大仪器专项项目和重点项目等科研项目50余项。成果获军队科技进步一等奖2项、黑龙江省自然科学奖一等奖1项、航天工业总公司科技进步二等奖1项。发表学术论文400余篇,授权发明专利40余项。


郝鑫,河北工业大学硕士研究生,主要从事拉曼放大技术的研究。

文章信息

白振旭, 郝鑫, 郑浩, 陈晖, 齐瑶瑶, 丁洁, 颜秉政, 崔璨, 王雨雷, 吕志伟. 高功率自由空间拉曼放大技术研究进展(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230337. doi: 10.3788/IRLA20230337

全文链接:http://irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230337(阅读原文)

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文章转载自微信公众号:光学工程

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