红外与激光工程 | 河北工业大学校庆专刊：基于晶体拉曼转换的多波长激光技术综述（特邀）_活动资讯_资讯信息

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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“，特邀请吕志伟教授撰写“基于晶体拉曼转换的多波长激光技术综述” 文章，介绍了 SRS 和级联拉曼转换的基本原理，归纳了典型晶体拉曼激光器的分类和基本结构，综述并讨论了基于晶体拉曼转换的多波长激光技术的研究现状。（查看全文信息请点击文末“阅读原文”）

撰稿人：吕志伟，白振旭，刘钟泽

论文题目：基于晶体拉曼转换的多波长激光技术综述（特邀）

作者：吕志伟，刘钟泽，陈晖，金舵，郝鑫，范文强，王雨雷，白振旭

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

近年来，在光电对抗、激光雷达、精密测量、医疗等诸多实际应用需求的牵引下，能够同时或交替输出不同波长的多波长激光器得到广泛关注。但是受到激光工作物质中激活粒子固有发射谱以及对应增益强度的限制，实现多波长激光的功率、波长和时频域的可控且高效辐射具有较大难度。非线性光学频率变换技术是拓展激光波长的有效手段，具有系统灵活性强、波长调节范围宽和功率拓展能力强等特点。作为一种三阶非线性光学效应，受激拉曼散射(SRS)通过介质内部的分子或晶格振动使入射的泵浦光产生一定的频移，同时结合其固有的相位共轭、放大、级联转换等特性，使拉曼激光器在获得高功率、高光束质量、多波长激光输出中具有显著优势，尤其是以晶体作为拉曼增益介质的多波长激光器一直是人们研究的热点领域。本文介绍了SRS和级联拉曼转换的基本原理，归纳了典型晶体拉曼激光器的分类和基本结构，综述并讨论了基于晶体拉曼转换的多波长激光技术的研究现状、不足和机遇。

研究背景

激光自20世纪问世以来，以其卓越的方向性、相干性、单色性及高亮度等特性得到人们的广泛关注。波长是激光光束的重要参数之一，对激光器的应用起到至关重要的作用，例如，可见光波段激光常用于数据存储、光通信和新一代显示技术等领域，近红外波段激光常用于激光武器、临床手术、精密加工和加密通讯等领域，中长波红外激光波段常用于大气光谱检测和红外光电对抗。当然，激光的应用通常并不局限在某一个特定的波段，如大气透过窗口在紫外、可见光和红外波段均有所覆盖，针对不同材料和加工需求也通常采用不同波长的激光；在某些特定领域的应用中，有时也需要激光工作在某个特定的波长，如钠导星需要589 nm波长的激光。

近年来，激光技术的发展正推动医学眼底治疗、精密测量、雷达等方面逐步实现质的飞跃，单一波长激光器已难以满足更高的应用需求，如在医学领域，不同的眼底病变程度与范围需要采用不同波长激光源进行分区治疗。在通信领域，波分复用技术的快速发展通常要求产生光源具有波长间隔小、线宽窄、功率谱平坦等特点。在科研领域，利用非线性光学晶体将两个波长相近的激光进行混频成为产生太赫兹波的重要技术路径之一，由于需要进行相位锁定，因此利用单一光源直接产生双波长激光的稳定性要优于采用两台独立波长的激光器。由此，多波长激光光源研制和应用已逐渐成为人们研究的热点方向（见图1）。

图1 多波长激光器的典型应用

主要内容

常见实现多波长激光输出的方法包括：用工作物质固有的多发射谱直接实现多波长辐射、利用光栅等器件将不同波长激光进行光束合成、以及通过非线性光学频率变换将单一波长拓展至其他若干波长等。SRS作为三阶非线性光学效应，其诸多显著特性为设计多波长激光器提供了一种重要思路。基于SRS的拉曼激光器通过不同的谐振腔参数设计即可实现对不同波长的控制，基于晶体拉曼转换的多波长激光器以其结构紧凑、性能稳定等优点成为人们关注的重点。文中介绍了拉曼激光器的工作原理，归纳了自由空间拉曼振荡器的常见结构和典型的拉曼晶体特性，综述了基于晶体拉曼转换的多波长激光技术发展现状。

SRS作为一种三阶非弹性弹射可实现从一阶到N阶的级联频率变换，级联SRS过程示意图如图2所示，基于级联拉曼转换过程，结合谐振腔的镀膜等参数的设计，可实现多阶次Stokes光即多波长激光输出。

图2 级联受激拉曼散射过程示意图

拉曼激光器宏观上可根据激光工作物质与拉曼增益介质是否在同一个振荡器中，将其分为内腔拉曼激光器和外腔拉曼激光器，而当振荡器中的激光工作物质与拉曼增益介质为相同材料时，通常将其定义为自拉曼激光器，图3展示了几种典型的拉曼振荡器结构。

图3 典型拉曼激光振荡器结构示意图（a）外腔型，（b）内腔型，（c）自拉曼

为了更好的实现其细分，文中结合具体的空间腔型结构将多波长拉曼激光器其分为线形腔、环型和折叠型腔以及微型四类，并对其发展现状进行总结。

线形腔结构是最常见的一种实现多波长输出的谐振腔型，其特点在于引入的光学元件少，腔内等效热效应处理难度低，有利于提高输出光功率及光-光转换效率和实现小型化。较典型的例如2012年，山东大学Shen H.等人利用BaWO₄晶体作为拉曼增益介质，通过激光二极管（LD）侧面泵浦声光调Q的内腔拉曼振荡器结构，实现了一阶1180 nm和二阶1325 nm 的双波长级联拉曼输出，在重复频率为15 kHz时，获得了双波长最大输出功率分别为8.30 W和2.84 W、脉冲宽度分别为20.5 ns和5.8 ns。2021年，河北工业大学的白振旭等人报道了一台可实现1.2 μm和1.5 μm双波长输出的百瓦级外腔金刚石拉曼激光器，1.2 μm和1.5 μm的稳态功率分别为72 W和110 W，且输出的光谱相对与泵浦光的均有一定的窄化现象，实验装置如图4所示。

图4 百瓦级金刚石拉曼激光器示意图

非线形腔结构主要包括环形腔和折叠腔两种，此类腔型由三个及以上的腔镜组成，其区别在于折叠腔与线形腔相同均为驻波腔，而环形腔内的光束为行波传输。环形腔的特点在于易于实现光束的单向传播，且便于形成腔增强结构以提高振荡器内功率密度；折叠腔典型结构包括“V”字型、“Z”字型腔等，其相比于线形腔具有腔内模式设计灵活、易于进行双端泵浦等。例如2018年，英国思克莱德大学的Casula R等人研制了一台基于KGW晶体的多波长拉曼激光器，通过旋转放置在谐振腔内的双折射滤光片，最终实现1.32 μm、1.50 μm和1.73 μm的三波长级联Stokes 光输出，每个波长功率均实现了瓦级输出，实验装置如图5所示。

图5 Stokes拉曼激光器示意图

微型谐振腔结构是由不同透过率的输入/输出耦合镜直接与晶体紧密接触形成的微片激光器结构。微型谐振腔多波长激光器具有腔长短、易于实现短脉冲等优点。由于参与键合的晶体往往需要是相同或相近的基质，因此目前基于微腔的多波长拉曼激光器主要是利用YVO₄晶体与激光晶体键合。2018年，厦门大学团队利用Nd:GdVO₄/Cr⁴⁺:YAG/ YVO₄拉曼微片激光器实现了1164.4 nm和1174.7 nm的同步脉冲双波长输出，双波长激光脉冲宽度为825 ps、峰值功率超过1 kW，实验装置如图6所示。

图6 Nd:GdVO₄/ Cr⁴⁺:YAG/ YVO₄微片激光器

结论与展望

本文简述了SRS的工作原理、拉曼振荡器的基本结构以及拉曼晶体的特性，对基于晶体拉曼转换的多波长激光技术进行了综述。虽然围绕晶体拉曼转换的多波长激光器的研究仅有十余年，但是诸多新晶体、新结构和新波长不断被探索，尤其近年来随着金刚石晶体等新晶体材料趋于成熟，使多波长拉曼激光器在功率提升、波长拓展和小型化等方面有着不凡的表现。笔者认为，为了全面提升多波长拉曼激光器的性能，今后的研究将主要围绕以下方面展开，即：优化泵浦光参数和优化振荡器设计提高转换效率；拓展多波长激光的输出光谱范围，实现波长和波段的参数可控输出；高功率运转下的热管理，提高系统的稳定性和光束质量；与结构光产生技术相结合，拓展多波长激光器的维度。未来，基于晶体介质的拉曼激光器有望成为多波长激光产生和应用的主力军。

作者及团队介绍

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。

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。

刘钟泽，河北工业大学硕士研究生，主要从事多波长金刚石拉曼激光器的研究。

文章信息

吕志伟, 刘钟泽, 陈晖, 金舵, 郝鑫, 范文强, 王雨雷, 白振旭. 基于晶体拉曼转换的多波长激光技术综述（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230420. doi: 10.3788/IRLA20230420

全文链接：http://irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230420（阅读原文）

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